东营市垦利区三维地籍系统建设的关键技术研究

李浩

(山东省国土测绘院，山东 济南 250102)

0 引言

随着东营市垦利区城镇建设的飞速发展，城市土地资源短缺和人口急剧增长的矛盾日益突出，城市空间利用呈现多元化，传统的以地表土地权利为核心的二维地籍已经不能完全满足人们对于空间资源利用的需求，因此迫切需要寻求二维地籍和三维地籍相结合的管理模式[1- 4]。

近年来，垦利区测绘事业取得了巨大的发展，在基础控制网建设、基础地理信息数据获取、测绘应用服务、基础测绘经费投入及政策法规体系等方面都取得了一定的成效，为国民经济和社会发展、政府决策和重大工程建设提供了大量的基础测绘服务，基本满足了社会需求。为了进一步提升垦利区国土资源管理水平，积极探索地上与地下、大场景真三维空间信息应用的新模式，提高三维GIS的技术水平与应用能力，建设垦利区三维地籍系统，真正实现地表、地上和地下的土地使用权有效管理，结合地籍管理需求，分析三维地籍基本形态，建立适应垦利区三维地籍管理功能需求的国土管理信息系统，就能更好地为国土资源管理和经济建设服务[5- 8]。对于规范地籍管理工作，科学开发土地资源和保证土地可持续利用，具有重要的指导作用和广泛的推广应用价值。

1 总体架构

以三维地籍数据库为核心，集成DSM数据库、城市三维模型数据库、影像和DEM数据库等，依托三维GIS技术、数据库技术和网络技术，按照统一的标准，建立了三维地籍系统数据库的组织、管理、维护和更新体系，提供地籍管理、资源浏览、查询检索、空间分析、占地分析、用地成本分析、规划设计等功能，实现以三维地图为主要表现形式的地理信息服务，构建三维地籍系统管理体系(图1)。

图1 总体架构图

2 关键技术

2.1 多源多比例尺数据整合技术

在地籍管理中，由于业务的综合性和地学要素的复杂性，使得业务涉及到的数据涉及多源、多比例尺[9- 11]。空间数据整合技术框架如图2所示。

图2 空间数据整合技术框架

垦利区三维地籍系统将来源于不同平台、不同比例尺的空间数据，按照统一的方式存储到空间数据库中，以通用标准的服务对外在线提供服务。系统在特定的使用场景下，对自身提供的服务及第三方注册的服务，按照需求进行重新组合和配置，提供颗粒度更大，更能满足特定使用场景的服务。系统还可以在服务端和客户端对服务进行组合和配置。

2.2 机载激光雷达技术

机载激光雷达(Light Laser Detection and Ranging)是集激光、全球定位系统和惯性导航系统三种技术于一身。它将激光扫描仪、GPS接收机、惯性导航系统、数码相机及控制元件等搭载在载体飞机上，通过主动向目标地表发射激光脉冲，获取地表的三维信息，突破了传统航空摄影测量被动成像的局限性。一次飞行，可同步获取高精度、高密度、高分辨率点云和影像数据，具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短等特点，可广泛应用于数字城市、国土资源管理、公路、铁路、水利、电力等重点工程建设[12- 16]。

项目使用机载激光雷达设备——Optech ALTM Orion H300，设备参数如图3所示，获取了垦利区数字地表模型(Digital Surface Model，DSM)，2m格网，地表模型如图4所示。

图3 机载激光雷达设备

图4 DSM效果图

2.3 二三维一体化技术

二维GIS具有数据模型简单、制图功能丰富、查询多种多样、空间分析效率高、业务流程成熟等优点，但是可视化效果较弱；而三维GIS具有较强的可视化效果，但是它的空间分析和查询的效率较低。因此该文提出了二维GIS和三维GIS相结合的二三维一体化技术。

通过二维GIS(ArcGIS)实现了国土资源管理业务数据查询、空间分析，以WMS和WFS的形式发布，三维GIS(Skyline)利用数据流技术，结合网络传输技术和海量数据缓存技术，实现了数据存储管理、可视化显示、空间分析、服务发布等一体化管理(图5)。

图5 二三维一体化技术架构

2.4 三维宗地体自动生成技术

由于获得的DSM数据分辨率是2m格网，内插出来的表面并不平整，需要进行预处理，剔除奇点，重新拟合成曲面。结合0.15m高分辨率的航飞影像数据，利用Skyline三维平台软件生成真实的三维地表场景，通过套合计算提取二维宗地范围内的特征高程点，利用最小二乘法进行拟合，获得宗地的高度信息，生成三维宗地体(图6)。

图6 自动生成三维宗地体

3 系统建设及成效

垦利区三维地籍系统依托于垦利区国土资源数据中心，以影像、矢量、DEM等基础地理信息数据为基础，以三维地籍数据库为核心，建立国土资源三维地籍管理系统，实现了对地籍的三维展现、查询及统计分析等功能。

3.1 实现了宗地空间管理的可视化

系统集成了界址点、界址线、建筑物和宗地等地籍数据，同时还集成了与地籍相关的其他数据，主要包括地类图斑和基期地类图斑等土地利用现状数据，商业用地级别、住宅用地级别和工业用地级别等基准地价数据，基本农田保护数据，国有土地清理数据，2010—2016年监测图斑数据，土地规划地类和规划基本农田调整等土地利用总体规划数据，土地整治报备项目，用地报批和建设用地管制区等建设用地报批所有项目等。

对于三维宗地体数据，按照土地用途的不同以透明水晶体的方式进行分类展示，可以立体的展现宗地空间土地使用权的范围和土地用途，真正实现地上、地下的空间土地使用权有效管理(图7)。

图7 三维宗地体

3.2 实现了综合统计查询的便捷化

通过综合查询功能，设定输入权利人、地籍号、土地座落、土地用途和容积率范围等条件，检索到对应的宗地，用三维宗地体的形式进行展示，能够准确的掌握宗地的地籍号、宗地四至、通讯地址、土地座落、权属性质、使用权类型、土地用途、实测面积、发证面积、建筑容积率、建筑密度、土地级别、申报地价、取得价格等详细信息。在三维地籍浏览过程中，鼠标移动到某块宗地上时，系统能够自动显示宗地的详细信息，方便地籍的日常管理工作。

3.3 实现了辅助决策的智能化

系统提供了距离量算、面积量算和高程量算工具，方便用户进行测量工作；土石方计算、剖面分析和淹没分析都是基于DSM数据的空间分析，真实的反映地形起伏变化；通视分析、日照分析和规划设计，辅助国土部门城市规划管理的工作；占地分析和用地成本分析是基于宗地数据分析任意区域占用的总面积、房屋总数、总建筑面积和总宗地面积(图8)。同时还提供了地图标绘、路径漫游、地图导航等辅助工具，为用户提供全方位、多层次的决策支持和知识服务，为行业研究机构以及政府部门提供决策依据。

图8 占地分析

3.4 实现了用地项目实时监管的动态化

在用地项目规划、施工到竣工过程中，利用时空数据精准化服务，可以获取项目区多时相影像数据，可以有效监管项目建设进展。同时利用无人机、视频监控、三维激光扫描仪等设备获取项目建设过程中的实时监视资料，整合项目审批过程中的业务数据，在三维地图上实现监测结果的全流程、全业务的可视化和空间化管理。

3.5 实现了二、三维数据管理的一体化

通过二三维一体化技术，利用二维GIS(ArcGIS)统一发布地籍系统涉及到的基础矢量数据、影像数据、DEM数据和业务数据，分别通过WMTS服务、WMS服务、WFS服务提供给三维系统，三维系统是基于Skyline开发，采用面向服务的架构，实现了对矢量数据、影像数据、DEM数据和业务数据的可视化管理。同时把二维GIS查询结果和空间分析结果以Web Service的方式提供给三维系统，三维系统通过高效的可视化技术进行渲染，以三维地图的形式提供给用户。

4 结语

该文基于B/S架构，综合运用多源、多比例尺、多尺度数据整合技术、机载激光雷达技术、二三维一体化技术和三维宗地体自动生成技术等多种技术手段建立了垦利区三维地籍管理系统。全面提升了垦利区国土资源管理水平，积极探索了地上与地下、大场景真三维空间信息应用的新模式，提高三维GIS的技术水平与应用能力，真正实现地上、地下的空间土地使用权有效管理；结合地籍管理需求，分析三维地籍基本形态，建立适应垦利区三维地籍管理功能需求的三维国土管理信息系统，实现国土资源管理新的飞跃。

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