三维地籍数据模型的构建与技术实现

王林伟，王向东，张 弛

（1.温州市土地勘测规划所，浙江温州325000；2.浙江大学公共管理学院，浙江杭州310029；3.郑州大学公共管理学院，河南郑州450001）

1 引言

城市的人口膨胀和经济聚集造成了城市空间资源的稀缺和人地矛盾的加剧，也促使城市立体化发展趋势不断加强，高层建筑物、地下管道设施等遍布城市三维空间。与此同时，随着经济社会的发展进步，土地和房屋权属与利用状况日益复杂和多样，空间权利交叉重叠的现象普遍存在。目前中国实践中仍普遍采用以宗地为基础的二维平面地籍和房屋与土地分离登记的管理模式，对地上和地下的三维权利实体和关系缺乏有效记录，对于存在空间权利交叉、重叠的宗地和房屋之间的拓扑关系无法准确、完整地反映，难以满足地籍明晰化管理的工作需要。构建三维地籍数据模型和建设三维地籍信息系统成为当前地籍管理工作的迫切需求，研究三维地籍数据模型的构建与实现具有重要的实践价值和意义。

本文首先对相关研究进行分析评述，在此基础上基于对三维地籍基本单元和基本构成要素的理解构建房地合一、便于可视化和拓扑分析、与地形匹配良好的PNAT三维地籍数据模型，并利用浙江省诸暨市区现有二维地籍和相关影像数据进行技术模拟实现，从而为三维地籍管理真正地从理论走向实践提供实现路径和技术支撑。

2 相关研究

2.1 三维数据模型研究

当今社会，在城市、地质、海洋等领域都有广泛的三维管理需求，因而不仅在地籍管理方面，而且在其他许多领域，三维数据模型的研究都有充足的动力。目前国内外三维数据模型方面已有大量的研究成果（表1），这可为三维地籍数据模型研究提供有益参考。

表1 现有三维数据模型分析[1-5]Tab.1 Analysis on the current three-dimensional data model

2.2 三维地籍数据模型研究

在实践需求的驱动下，三维地籍数据模型引起了相关国际组织、国家和专家学者们的热议和关注。国际测量师协会（FIG）从法律、技术、空间信息系统以及地籍管理模式等方面对三维地籍进行讨论和研究[6-9]。荷兰、丹麦、希腊和澳大利亚等国家和地区也进行了建立三维地籍管理系统的尝试[8，10-12]。国内外许多学者对三维地籍数据模型也展开了研究，取得了丰富的成果[12-21]，其中：Oosterom等[17]提出了地籍领域核心模型（CCDM），该模型具备较强的有效性、通用性和扩展性，可避免学术界进行重复和低效研究并为不同国家和地区的交流与探讨提供平台；文小岳等[20]提出了面向地籍的三维数据模型（CO3D），给出了二维地籍数据向三维地籍数据模型转换的具体流程与算法；郭仁忠等[21]提出了以地理空间坐标为基础的“房地合一”三维地籍空间数据模型。

对以上研究进行分析可以发现，其主要是对现有三维数据模型的延伸与改进，大多停留在理论探讨方面，而在技术实现方面较为薄弱和不足，国内研究尤其如此。三维地籍数据模型的构建和实现尚没有完善的方案和成熟的技术，有诸多问题远未解决，无法满足现实三维地籍管理工作的需要。

3 三维地籍数据模型的构建

3.1 基本单元—产权体

如何界定三维地籍基本单元是三维地籍数据模型构建研究中的首要问题。结合现有研究成果和地籍管理需要，可将三维地籍基本单元分为二维宗地、三维宗地以及建筑体三种类型，其中：建筑体是由一组封闭的权属界面构成的且其内部不包含其他权属界面的产权单元，侧重于房产登记方面，可用来代表建筑物中的三维产权单元，从而与现实世界的三维产权实体相对应；二维宗地适用于宗地在垂直方向上权属一致的情形；三维宗地适用于宗地在垂直方向上权属不一致的情形。参考史云飞的研究[19]，这三种类型的基本单元可以统称为产权体，即空间位置固定、形体闭合以及权属一致且独立的空间单元，是空间产权单元物质实体和相应权利的结合体，包含了对三维地籍自然属性（位置、面积、数量等）的几何表达和对三维地籍法律属性（权属关系等）的逻辑表达。

相比二维地籍的基本单元即宗地来说，产权体在有效地描述和管理复杂的三维空间权属关系等方面具有以下优势：（1）产权体是三维地籍登记的基本单元，其三维空间位置固定，且三维空间边界明确；（2）产权体是“房地合一”登记模式下土地和房产登记基本单元的集合，包含了土地和建筑物的三维空间信息和权属关系；（3）产权体是封闭立体空间物质实体的概念集合，其三维空间内的权属是一致且独立的。

3.2 基本构造要素

三维地籍的建模过程实质上是对三维地籍物质实体的几何抽象概括的过程。三维地籍物质实体主要可分为点状地物（0维）、线状地物（1维）、面状地物（2维）和体状地物（3维）4种实体类型。相比二维地籍，三维地籍的物质实体类型多出了一个体状地物的概念，即具备空间位置和表面等属性且形体闭合的立体地物，如高层建筑物。

现有三维数据模型均是基于一定的构建元素组合（表1），如节点、弧段、边和面组合（3DFDS模型），节点、弧段、三角形以及四面体（TEN模型），节点和面组合（SSM模型和UDM模型）以及节点、线段和三角形组合（OO3D模型）等。结合以上相关研究和实际地籍管理需要，笔者将节点（Node）、弧段（Arc）、三边形（Trilateral Figure）作为基本构造元素。其中：节点（Node）是具有三维坐标的点；弧段（Arc）是由两个以上节点构成的具有方向和起止点的线段，可以是直线段或弧形线段。基本构造元素的相互关系为：一个弧段由若干相邻节点构成；三边形由至少三个方向一致的弧段围成的闭合区域，可以是规则三角形或不规则的圆弧三边形；一个三边形由三个相邻且方向一致的弧段构成。基本空间要素可基于基本构造要素构建：一个点要素由一个节点构成；一个线要素由两个以上节点构成；一个面要素有三个以上相邻且方向一致的弧段构成；一个体要素由4个以上相邻且方向一致的三边形构成，其中体要素要首先按照一定规则将其划分为若干方向一致的三边形而后再对其进行构造。

这样的构造元素分类相比其他模型构造元素的分类具有以下优点：（1）节点、弧段和三边形是空间要素的构造元素和构造单元，其简单而紧密的联系能确保三维地籍空间要素间拓扑关系的稳定；（2）对空间要素的表达更加自由多变，有利于复杂和不规则空间要素的表达，对体要素构造元素（如四面体概念）的隐性表达也能减少数据冗余等情况；（3）便于拓扑分析和可视化，更有利于三维地籍数据模型的构建与实现。

3.3 PNAT三维地籍数据模型

考虑三维地籍管理对象，特别是体状地物形态的不规则性和权属关系的复杂性，结合现实三维地籍管理工作的需要，三维地籍数据模型不仅要实现对三维地籍空间对象实体的有效表达，包括形态不规则的产权体的精确表达，也要确保三维地籍空间对象拓扑关系（邻接、相离和包含）的明晰，明晰的拓扑关系不仅有助于对空间对象的精确表达，也是进行空间分析和计算等数据信息深度挖掘和分析的基础。由于OO3D模型以三维要素间的拓扑关系为基础对空间要素进行存储和管理，具有逻辑关系明晰、拓扑关系明确且易于维护等优点，因此本文在OO3D模型框架的基础上基于新的基本单元（产权体）和基本构成要素（节点、弧段、三边形）构建新的PNAT三维地籍数据模型（P、N、A、T分别代表产权体、节点、弧段、三边形）（图 1）。

图1 PNAT三维地籍数据模型Fig.1 PNAT three-dimensional cadastral data model

相比现有三维地籍数据模型，PNAT模型具有以下几方面优势：（1）可视化：由于PNAT模型的基本构造元素为节点、弧段和三边形，利用基本构造元素可以对产权体进行空间剖分，有利于实现对产权体的可视化。特别是通过对形态不规则产权体的三边形剖分，可以实现对复杂建筑物的精确表达。（2）拓扑分析：由于PNAT模型在OO3D模型基础上构建，因此具有逻辑关系明晰、拓扑关系明确且易于维护以及存储空间较小等优点，而OO3D模型在不规则空间对象的描述和三维建模效率等方面存在的不足，则可以通过在可视化等方面的优势得到弥补。（3）与地形相匹配：宗地和建筑物均以地形为基础和载体，PNAT模型在可视化和拓扑分析方面都采用了地形建模常用的三角剖分法，包括对不规则产权体的精确表达和拓扑关系的存储与管理，可以较好实现与地形的匹配，利于与三维地形模型结合实现三维城市管理。（4）房地合一：由于PNAT模型是对包含建筑体、二维宗地和三维宗地的产权体的建模和分析，这就使得PNAT模型可以实现房地合一模式下的地籍登记和管理。（5）满足现实地籍管理工作需要：虽然PNAT模型通过要素剖分实现地籍数据的登记和管理会增加一定的操作步骤，但有利于对形体复杂或不规则的空间实体的表达，同时也可以更好地避免一些数据冗余的情况，从而在数据存储和管理等方面存在较大的优势，提高PNAT模型的实践操作性。

4 三维地籍模型的技术实现

4.1 建立三维地籍数据库

当前中国地籍数据主要以二维地籍数据为主，因此现阶段三维地籍数据库应以二维地籍数据库为基础进行构建，这样既可以避免现有二维地籍数据的浪费和三维地籍数据采集所带来的巨大代价，也可以加快三维地籍数据库构建和实现的进程，对于中国三维地籍系统的构建和实现也具有现实意义。图2是二维地籍数据库向三维地籍数据库转换的基本流程。

图2 二维地籍数据库向三维地籍数据库转换流程Fig.2 Conversion process from 2D cadastral database to the 3D cadastral database

（1）数据收集：主要是对二维地籍数据、数字高程数据、遥感影像数据、权属信息等数据的收集。（2）数据预处理：主要包括对传统二维地籍数据质量及拓扑关系的检查，由二维地籍数据及数字高程等数据确定产权体界址点、界址线及界址面等三维空间坐标。（3）三维地籍数据模型：系统载入产权体界址点、界址线和界址面三维空间坐标值及高程值，通过对产权体的三边形剖分和数字高程影像数据、权属数据等数据的叠加，生成三维地籍数据模型，并通过遥感影像数据的叠加，对产权体的外部和地表细节进行表达和描述。（4）成果分析：将构建的产权体数据模型与三维地籍实体对象进行比较，并对其进行三维分析（如拓扑分析）等，在此基础上完善三维地籍数据模型。（5）成果显示：主要是指完善和修正后的三维地籍数据模型的显示。

4.2 PNAT模型的技术模拟

笔者以2009年浙江省诸暨市区二维地籍数据、数字高程数据、遥感影像数据、产权单元内部结构及权属数据等相关数据资料为实验数据①数据来源：杭州网新超图地理信息技术有限公司。，以ArcGIS 10.0和Sketchup 8.0为技术平台，重点对PNAT模型在可视化和拓扑分析方面进行技术模拟实现。

4.2.1 可视化 在对产权体，尤其是建筑体的PNAT模型可视化的过程中，应以DEM数据、遥感数据以及产权单元内部结构数据等作为二维地籍数据的参考数据和背景数据，在基于ArcGIS进行高程设置之后，利用Sketchup进行空间要素可视化表达模型的构建，最后完善三维地籍数据库，特别是产权单元权属信息等。模拟结果（图3，封三）显示，三维地籍数据模型不仅可以实现对产权体（可精确到产权单元内的单个房间），包括形态复杂的产权体的可视化，也可以实现地籍数据模型与地形模型的匹配，还实现了房地合一模式下的地籍登记和管理。

4.2.2 拓扑分析 在对PNAT模型进行拓扑分析过程中，应首先补充和完善三维地籍数据模型的空间属性信息，如高程属性等信息，同时还要对三维地籍实体对象的模型进行闭合性检查，以确保模型的完备性等，特别是在三维包含拓扑分析过程中必须保证实体模型的完全闭合；在对三维地籍实体模型进行空间信息完善和闭合性检查的基础上，再对三维地籍拓扑关系（包含、相离、邻接等）分析。在进行三维拓扑分析过程中，需进行三维相交（Intersect 3D）、三维包含（Inside 3D）拓扑分析以及三维邻接（Near 3D）拓扑分析。模拟结果（图4，封三）显示，三维地籍数据模型不仅可以实现对产权体权属信息的登记、查询和管理等，还可以进行产权体间相交、包含和邻接等拓扑关系的分析，从而为三维地籍数据信息的空间分析和计算提供必要前提。

5 结语

以产权体为基本单元的PNAT模型便于利用现有二维地籍数据进行构建，在实现房地合一登记管理、三维地籍可视化、三维地籍拓扑分析等方面具有良好性能，能够精细表达、显示三维地籍实体对象和其内部结构，与地形模型的匹配良好，利用其构建三维地籍管理系统具有技术优越性和操作可行性。受条件限制，本文仅对PNAT模型的技术实现进行了模拟，未来应加强其在实践中应用的探索和推广。

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