扩展时空复合模型管理地籍时空数据

宋 玮，杨晓明，周建业，马开锋

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

随着城市建设的发展以及自然环境的变化，地块及其附着物的权属、位置、数量、质量和土地利用现状等几何信息和属性信息也不断发生变化.新的地籍数据产生，旧的地籍数据变为历史资料.在地籍管理中，对于历史数据的存储和管理具有非常重要的意义:①通过历史数据能够再现某一时间段的土地权属和利用状况;②通过宗地历史回溯，确定宗地的来龙去脉，为解决土地权属纠纷、确定土地产权提供准确的法律依据;③通过对地籍历史数据的分析，能够预测未来土地利用需求趋势，为政府决策提供帮助［1］.因此，地籍数据库不仅要完整记录每一具体时刻土地权属及其空间分布情况，而且还要忠实记录宗地的来龙去脉，并能对地籍信息的历史演变进行保存、恢复、跟踪.

许多专家、学者针对地籍数据的时空管理进行了大量的研究，一定程度上实现了地籍数据的更新和时态查询功能.目前的研究成果主要包括:①地籍时空拓扑关系的时态链接法;②地籍时空拓扑关系的隐式组织与查询方法［2］.第1 种方法不仅建库、更新与维护困难，而且在亲缘关系的递归回溯过程中，还可能出现非封闭性等理论缺陷［2］;第2 种方法不显示也不表达其空间关系和时间关系，在需要时根据父子地块之间的空间相交性和时间相接性来确定地块之间的亲缘关系［3］，该方法实现思路较简单，但计算较耗时.

1 地籍实体及其时空变化分析

地籍实体既包含空间实体(如宗地、界址点等)，又包含非空间实体(如权利人、土地证书、土地登记卡、土地归户卡等).其中宗地、界址线和界址点是最基本的地籍空间实体，而权利人又是重要的非空间实体.

1.1 宗地、界址点、界址线和权利人

宗地是地籍管理的基本空间单元，具有固定的位置和明确的边界，是可被辨认出确定的类别、质量和时态等土地基本要素的最小地块.宗地在空间上表现为一个具有封闭边界的多边形.

界址点是宗地权属界线的拐点或转角点，凡是土地权属界的专职连接点都是界址点，在地籍测绘中用以确定土地权属界地面位置.若宗地周围的界址点确定，则其位置、形状、面积、权属界线相应确定.

界址线在功能上是宗地权属单位的分界线，在地籍图上一般表达为界址点之间的连线.在地籍数据库中，往往将由起结点、终结点及中间定位界址点组成的一条弧段作为一条界址线记录，其具有共同的双边指界人等性质.

权利人是土地产权的主体，在我国凡是享有法人资格的个人或单位都可以是权利人.我国城镇土地所有权属于国家，但是土地的使用权可以出让、转让、租赁，因此，单位和个人可以获得土地的使用权或他项权利.

宗地和权利人是地籍管理的核心内容，分别由土地登记卡和归户卡来描述.传统的地籍信息系统往往不重视权利人的研究，其一般是将其作为宗地的一个属性，而权利人在地籍管理中既是土地的产权主体，又是土地登记时的申请客户，为了完成土地的产权管理，需要记录大量权利人的相关信息.例如制作权利人的归户卡，需要查询权利人所有的土地产权信息.这些都表明将权利人作为一个独立对象是必要的.

权利人和宗地之间是多对多的关系，一个权利人可以拥有多块宗地的使用权，一块宗地也可以有多个权利人.

1.2 地籍实体时空变化分析

地籍变更导致地籍实体发生变化，这种变化可分为3 种:①空间几何形态变化，属性不变;②空间几何形态不变，属性变化;③空间几何形态和属性同时变化［4］.

在地籍管理领域中，宗地空间形态的变化意味着新宗地的产生，是宗地的本质变化，这种变化具体表现为宗地号的改变，它标志着新宗地生命周期的开始和旧宗地生命周期的结束.根据宗地的空间形态的变化，宗地变更可分为［4－5］:分割、合并、界址调整和复杂变更.由于属性的变化主要是用地性质和用途等的改变，宗地的空间形态并未发生变化，它不是宗地的本质变化，不产生新宗地.

宗地的空间变化导致新宗地的产生和原宗地的灭失，此时称变更前的宗地为父宗地，变更后的宗地为子宗地，如宗地1 和2 合并为宗地3，则称宗地1和2 为宗地3 的父宗地，宗地3 为宗地1 和2 的子宗地.具有父子关系的宗地之间具有空间相交性和时间相接性特征，据此特征可以进行宗地的历史回溯查询［6］.

每一宗地都有一定的生命周期，在地籍管理中发证时间就意味着该宗地生命周期的开始，注销时间标志宗地生命周期的终结.

2 扩展时空复合模型的地籍数据组织

2.1 地籍数据组织中常见的时空数据模型

时空数据模型是时态地理信息系统的概念基础，国内外众多专家、学者对此进行了研究，在地籍管理中应用较为广泛的有序列快照模型、基态修正模型、时空复合模型等.

2.1.1 序列快照模型

快照模型的基本思路是每隔一定的时间，将整个空间数据库进行存储.该模型易于在现有GIS 软件中实现，并且当前的数据库总是处于有效状态.但是该模型也存在明显的缺陷:①存在很大的数据冗余;②不能确定两个时间间隔中对象的状态;③不能建立相邻时间段中对象的时态关系.这种变化记录方式，不能实现对单个地理实体之间时态关系的确定.因此，在土地市场发育、土地交易日益频繁的今天，该方法需要存储空间太大，系统不堪重负［7］;也难以实现对宗地实体的历史回溯.

2.1.2 基态修正模型

基态修正模型按事先设定的时间间隔进行采样，它只存储某个时间数据状态(基态)和相对于基态的变化量.基态修正模型中每个对象只需存储一次，每变化一次，只有很小的数据量需要记录;同时，只有对象发生变化时才存入系统中，时态分辨率刻度值与事件发生的时刻完全对应.该模型的主要优点是提高了时态分辨率，减少了数据冗余量，检索目标变化(事件)比较容易.缺陷是实体被一系列事件碎分，对实体的状态查询和发展过程查询比较困难，需要进行复杂的计算;空间拓扑随时间变化的信息难以存储.

刘仁义等［8］、姚志军等［9］曾经采用基态修正模型或扩展基态修正模型建立地籍时空数据模型进行地籍时空数据管理.

2.1.3 时空复合模型

时空复合模型是在一个数据层中表达，空间上同质、时态上一致的时空几何目标体，将空间分割成具有相同时空过程的最大的公共时空单元，每次时空对象的变化都将在整个空间内产生一个新的对象.对象把在整个空间内的变化部分作为它的空间属性，变化部分的历史作为它的时态属性.时空单元中的时空过程可用关系表来表达，若时空单元分裂时，用新增的元组来反映新增的空间单元，时空过程每变化一次，采用关系表中新增一列的时间段来表达，从而达到用静态的属性表表达动态的时空变化过程的目的;这种方法数据冗余少，但在数据库中频繁地修改对象标识符较复杂，涉及的关系链的层次较多，必须对标识符逐一进行回退修改.

这种模型与矢量基态修正模型相似，不过它的历史数据和当前数据都是存储在同一个层中.这种设计保留了沿时间的空间拓扑关系.所有更新的特征都被加入到当前的数据集中，新的特征之间的交互和新的拓扑关系也随之生成.与矢量基态修正模型比较，这种模型对于历史特征空间拓扑关系的生成处理要方便一些.

乐燕芬等［10］曾利用扩展时空复合模型进行宗地数据组织，并利用宗地时空拓扑关系的时态链接法以实现宗地数据的历史回溯，但该方法在具体实现时较为复杂，而且也难以适应目前地籍数据库的海量数据管理.

2.2 扩展时空复合模型的地籍数据组织

考虑到地籍数据库的海量数据管理和当前GIS技术的发展，建议将地籍现势数据和历史数据分开存储，分别建立地籍现状数据库和历史数据库.地籍现状数据库中存储当前处于有效状态的数据，反映地籍数据现状，地籍历史数据库存储地籍变化发生后的旧数据.图1 所示即为扩展的地籍时空复合模型.地籍现势库主要包括宗地、界址点、界址线、权利人、宗地权利人关系、控制点及其他地形信息的有效数据.地籍历史库主要包括宗地、界址点、界址线、控制点及其他地形信息的历史情况，但除了宗地之外其他的信息继承关系没有记录.

图1 扩展的地籍时空复合模型

2.2.1 地籍现势库中宗地结构

地籍现势库中宗地表记录当前有效的宗地实体的有关信息.因此采用对象关系数据模型可将宗地表结构表示如下:

宗地(ID，地籍号，行政区代码，街道代码，街坊代码，宗地号，……，Vs，Ts，Geometry，父宗地ID，事件类型).

ID 为宗地的唯一标示符，为保证ID 的正确性，该ID 由系统自动产生;Vs 表示宗地对象的开始时间即发证时间;Ts 表示宗地对象在数据库中产生的时间，即创建时间;Geometry 存储宗地几何图形;父宗地ID 表示该宗地由哪块宗地变更而来;事件类型属性来描述宗地对象变化的原因，记录引起宗地对象发生变化的事件，主要有分割、合并、注销、复杂变更、属性变更等.

2.2.2 地籍历史库中宗地结构

地籍历史库中宗地表存储已经消亡的宗地，采用对象关系数据模型可将宗地表结构表示如下:

宗地(ID，地籍号，行政区代码，街道代码，街坊代码，宗地号，……，Vs，Ve，Ts，Te，父宗地ID，Geometry，事件类型).

(Vs，Ve)为有效时间标记，Vs 表示宗地对象的开始时间即发证时间，Ve 表示宗地对象的结束时间即注销时间或变更时间;(Ts，Te)为事务时间，Ts 表示宗地对象在数据库中产生的时间，即创建时间，Te表示宗地对象在数据库中发生注销的时间，即归档时间;父宗地ID 表示该宗地由哪块宗地变更而来;事件类型属性来描述宗地对象变化的原因，记录引起宗地对象发生变化的事件，主要有分割、合并、注销、复杂变更、属性变更等.

同地籍现势库中的宗地结构相比，历史库中宗地结构增加了Ve、Te 字段用来记录宗地在现实世界和数据库中的灭失时间.

2.2.3 界址点表和界址线表结构

在地籍现势库和地籍历史库中界址点表是描述界址点的位置、属性的数据库表.界址点随时间的变化主要是产生和归档，另外在地籍管理中对界址点的变化并不特别关注，它的变化情况可以通过宗地的变化反映出来.因此，为方便系统实现，可不考虑界址点和界址线的时间特征.其表结构可表示如下:

界址点表(ID，编号，界标类型，X 坐标，Y 坐标);

界址线表(ID，界址线性质，界址线类别，界址线位置).

2.2.4 权利人表和宗地权利人关系表

权利人记录对某宗地正在或曾经拥有使用权或所有权的单位或个人的信息，宗地和权利人的关系是多对多的关系，即一个宗地可以有多个权利人，一个权利人也可以有多块宗地.权利人和宗地之间的关系可采用宗地权利人关系表记录.其主要结构如下所示:

权利人(ID，权利人名称，单位性质，……);

宗地权利人关系(ID，宗地ID，权利人ID).

权利人表中ID 为主键，宗地权利人关系表中ID 为主键，宗地ID 和权利人ID 为外键，记录宗地和权利人之间的关系.

2.2.5 其他地籍要素

宗地、界址点、界址线是地籍管理中的主要空间要素.除了上述宗地、权利人等主要地籍实体之外，还存在行政区、街道、街坊等实体，但由于其时态特征不明显，故不考虑其时间特征.可采用以下结构:

1)行政区(ID，行政区代码，行政区名称，行政区面积，Geometry).

2)街道(ID，行政区ID，行政区名称，街道代码，街道名称，街道面积，Geometry).

3)街坊(ID，行政区ID，街道ID，街道名称，街坊代码，街坊名称，街坊面积，Geometry).

其中Geometry 字段存储相应实体的几何数据.

3 应用实例

基于上述的基于扩展时空复合模型的地籍数据组织方式，笔者采用郑州市某区地籍数据建立了地籍时空数据库，构建了地籍数据库管理信息系统原型，实现了地籍数据的历史查询、宗地对象的历史管理、宗地对象的历史回溯等功能.经验证，这种结构能够满足地籍管理中时空数据管理的要求.

4 结语

地籍时空数据的管理是地籍信息系统和地籍数据库管理系统的重要功能.目前随着我国土地市场的活跃，如何构造一个先进实用的地籍信息系统对于我国的土地管理工作至关重要.通过扩展时空复合模型，合理地进行地籍现势数据和历史数据的管理，很好地解决了地籍时空数据管理的问题.

［1］樊雅婷，杨建宇，朱德海.地籍管理中时空数据模型研究［J］.测绘科学，2009，134(15):139－141.

［2］周晓光，陈军.地籍信息系统综述［J］.地理信息世界，2006(3):35－40，48.

［3］常征，陈军，杜道生.顾及地块时空特点的地籍数据组织及查询［J］.武汉测绘科技大学学报，1997，22(3):216－221.

［4］杜道生.RS，GIS，GPS 的集成与应用［M］.北京:测绘出版杜，1995.

［5］徐志红，边馥苓.地籍空间实体及其时空拓扑关系［J］.武汉大学学报:信息科学版，2002，27(5):522－527.

［6］宋玮.时空数据模型及其在土地管理中的应用研究［D］.郑州:信息工程大学，2005.

［7］严泰来，吴平.带时间维土地信息系统的时空数据管理［J］.中国土地科学，2002，16(6):11－19.

［8］刘仁义，刘南.基态修正时空数据模型的扩展及在土地产权产籍系统中的实现［J］.测绘学报，2001，30(2):168－172.

［9］姚志军，李满春，陈刚，等.地籍管理信息系统中宗地数据的时空组织与查询研究［J］.南京大学学报:自然科学版，2002，38(6):786－793.

［10］乐燕芬，陈军.顾及时态地块的土地划拨时空数据组织［J］.武汉测绘科技大学学报，1997，22(3):222－228.