自然资源确权登记三维空间数据表达与可视化技术研究

张敬波，王贵和，吴洪桥，李 堃

（1. 自然资源部信息中心， 北京 100830；2. 北京超图软件股份有限公司，北京 100015）

0 引言

近年来，三维空间技术快速发展，应用的行业和领域不断拓宽和深化。三维空间技术集三维表达、三维建模、三维可视化等技术于一体，提供了通过构建事物的三维空间模型逼真模拟现实世界的有效途径，以更加符合人类认知的方式[1]，消除了人们对传统二维空间世界的依赖，突破了传统二维空间技术与思维方式的局限，实现了现实世界与虚拟世界的融合，使虚拟世界变得立体而真实；同时也为相关行业和领域的现代化管理与发展提供了创新性技术途径。

目前，我国正在开展自然资源统一确权登记制度建设。自然资源作为自然资源统一确权登记的核心对象，既是物权语境中权利客体，更是现实世界中地理实体。自然资源作为地理实体，在我国的国土空间内既占有特定的空间位置，又天然具有立体特性。通过三维空间技术应用对自然资源进行三维空间表达与建模，获得自然资源实体空间模型和真实、准确、可信的自然资源空间数据，可夯实自然资源确权登记对“物”的特定性和确定性要求；对三维空间数据进行可视化，可以提高自然资源确权登记工作效率和质量，为自然资源登记簿的法定效力更具权威性奠定基础。为此，本文以自然资源确权登记管理单元——自然资源登记单元为核心对象[2-3]，首先，分析了自然资源登记单元的空间要素组成与特征，明确了三维空间要素；其次，依据主流的三维建模技术，对自然资源登记单元中的三维空间要素进行三维表达；最后，应用已开发的自然资源确权登记成果展示系统进行自然资源登记单元三维空间数据的可视化展现。

1 自然资源登记单元及其空间要素

1.1 自然资源登记单元的含义与空间特征

具有明确的对象所指是任何制度建立与实施的前提，自然资源确权登记制度实施的最终指向对象是自然资源登记单元。自然资源登记单元被赋予了多层含义。从认知层面看，自然资源登记单元作为自然资源确权登记制度语境下的一个核心概念，具有特定的内涵和外延，自然资源登记单元是指所有权主体清晰、自然资源种类明确、生态功能完整、集中连片和边界封闭的空间范围[4]；自然资源登记单元依据自然资源类型与特征分为海域、无居民海岛、自然保护地、水流、湿地、森林、草原、荒地、探明储量的矿产资源、其他等类型。从操作层面看，自然资源登记单元是自然资源统一确权登记的基本单位，是各项自然资源统一确权登记工作展开的起点和终点。从表现形式层面看，自然资源登记单元与自然资源登记簿关系紧密，自然资源登记单元是自然资源登记簿物的编成表征方式，是自然资源登记簿的组织单位，其信息是自然资源登记簿的内容；自然资源登记簿是自然资源登记单元的外在形式。自然资源登记单元尽管含义丰富，却依空间属性表征其存在。自然资源登记单元具有如下空间特征。

（1）空间要素类型多样。自然资源登记单元由自然资源登记单元边界、权属边界、自然资源类型边界等多专题空间要素组成，其中权属边界分为全民所有区、集体所有区和权属争议区边界，自然资源类型边界分为森林、水流、湿地、草原、荒地等。这些专题要素表达了自然资源登记单元的多方面特征，体现自然资源登记单元空间要素类型的多样性。

（2）空间区域组合性。一个自然资源登记单元既可代表一块连续、界线封闭的自然资源生态空间，也可以代表多块独立分离、各自界线封闭的自然资源生态空间。自然资源登记单元与自然资源生态空间之间存在一对多的组合关系，体现自然资源登记单元的空间区域组合性特征。

（3）空间边界的复杂性。一个自然资源登记单元空间边界既取决于自身的生态空间边界，也取决于边界内是否存在生产空间或生活空间。如边界内存在生产空间或生活空间，一个自然资源登记单元空间边界由生态空间外边界和去除生产空间或生活空间后的内边界共同构成，这种由一个外边界、多个内边界构成的环状多边形体现自然资源登记单元空间边界的复杂性。

（4）自然资源异质性。不存在只有一种自然资源的自然资源登记单元。一个自然资源登记单元总是存在多种自然资源类型，也就是不同类型的自然资源及其空间共同构成了自然资源登记单元空间，如南湖国家公园登记单元同时存在水流、森林、湿地、草原等自然资源类型。自然资源登记单元存在的多种自然资源类型体现了自然资源异质性，也体现了空间异质性。

1.2 自然资源登记单元的空间要素组成

与自然资源确权登记划分“四条边界”的工作要求相对应，自然资源登记单元的空间要素可分为三类。第一类空间要素是登记单元，具体要素包括登记单元界址点、登记单元界址线、登记单元面，既表征了登记单元代表的生态空间边界，又表征了不同层级政府行使所有权的边界。第二类空间要素是权属空间，具体要素包括全民所有区、集体所有区和权属争议区，分别表征了登记单元空间内全民所有和集体所有之间的边界与不同集体所有者之间的边界以及客观存在的因争议而无法确权的区域。第三类空间要素是自然资源类型要素（斑块），包括水流自然资源类型边界（水流斑块）、森林自然资源类型边界（森林斑块）、草原自然资源类型边界（草原斑块）、湿地自然资源类型边界（湿地斑块）、荒地自然资源类型边界（荒地斑块）、海域自然资源类型边界（海域斑块）、无居民海岛自然资源类型边界（无居民海岛斑块）、探明储量矿产自然资源类型边界（矿产斑块），表征了在登记单元空间内不同自然资源类型的边界及空间。

除了构成自然资源登记单元的空间要素外，还有与自然资源登记单元紧密相关的空间要素，包括基础地理要素（行政区、地籍区、影像等）、专题要素（地类图斑等）、空间管制要素（生态红线、规划分区等）和关联要素（不动产、取水权、排污权等）。

1.3 自然资源登记单元的三维空间要素

自然资源登记单元的空间要素代表着不同的空间实体，这些空间实体分为人为设定空间实体和客观存在空间实体。人为设定空间实体是一种虚拟实体，在现实中没有对应物，包括登记单元界线、权属界线等，其三维特征随相关的客观实体获得。客观存在的空间实体与现实空间或现实实物（自然物或人造物）相对应，具有现实世界的三维空间特性（占据空间位置、具有几何形状等）。这些客观存在的空间实体又依据空间连续或离散特征，分为连续空间实体和离散空间实体。下面对自然资源登记单元中客观存在的空间实体进行三维特征分析，如表1所示。

表1 自然资源登记单元空间实体三维特征分析

2 自然资源登记单元三维空间要素表达

2.1 自然资源登记单元的连续三维空间要素表达

自然资源登记单元的连续三维空间要素主要包括登记单元、全民所有权宗地、集体土地所有权宗地、权属争议区、森林斑块、草原斑块、荒地斑块、湿地斑块、无居民海岛斑块等，可以用数字高程模型（DEM）进行表达。DEM是用已知的X、Y、Z坐标点表达地形表面的一种数据模型，一般拥有规则格网（Grid）和不规则三角网（TIN）两种构造方式[5]，如图1所示。TIN模型以三角面网络模拟地形，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点的密度和位置。Grid模型以格网模拟地形，格网大小与地形复杂性密切相关。在实际工作中，如何利用TIN模型或Grid构建DEM需要根据自然资源登记单元所在空间的地形特征进行选择。

图1 DEM构造方式

2.2 自然资源登记单元的离散三维空间要素表达

自然资源登记单元的离散三维空间要素主要包括有界桩的界址点、水流斑块、海域斑块和矿产斑块，可用三维点线面模型、不规则四面体网格（TIM）、体元栅格、混合面-体单元等三维数据模型进行表达。三维点线面模型是一种表达离散空间的简单模型，其中三维点用单个的X、Y、Z坐标表示；三维线用一系列有序的X、Y、Z坐标串表示；三维面用一系列有序的X、Y、Z坐标串表示，最后一个点的坐标必须与第一个点的坐标相同。TIM通过拓扑连接高精度的N个不规则四面体构成，最小单元为不规则四面体，可以用来表达矿体，如图2所示。体元栅格（Voxel Grid）通过离散三维空间点集获得，对三维连续空间的规则（立方体/正六棱柱）进行划分，结构简单。混合面-体单元结合了面模型和体模型的优点，可以更好地模拟三维连续空间实体。

图2 矿体的TIM模型示意

2.3 自然资源登记单元的三维空间要素建模方法

自然资源登记单元的三维空间要素建模可采用倾斜摄影自动化建模、三维激光点云等技术。倾斜摄影自动化建模技术通过同一飞行器的多台传感设备同时从垂直、倾斜多个角度采集影像，并全自动批量建模生成倾斜摄影模型，能够直观准确地反映地表真实情况，具有高精度、高效率、高真实感和低成本的优势，可以为自然资源登记单元提供地表三维数据。三维激光点云技术利用激光测距原理，通过记录被测物体表面大量、密集点的三维坐标、反射率、颜色和纹理等信息，可快速构建被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据，已成为自然资源登记单元三维空间数据的重要获取途径。

此外，自然资源登记单元的三维空间要素建模也可针对特定的空间实体采用BIM、手动建模等技术，实现精准建模。

3 自然资源登记单元的三维空间可视化技术

3.1 三维浏览

三维浏览可对自然资源登记单元的三维空间进行放大、缩小、旋转、俯视角度、俯视高度、全景视图等操作；可对水体、矿体的三维模型进行全方位浏览；可与各类自然资源斑块二维要素叠加进行拉帘浏览等操作。

3.2 三维空间运算

三维空间运算可对自然资源登记单元的三维空间进行空间查询、空间运算（交、并、差）等操作，三维体对象空间运算后的结果仍是三维体；通过对模型进行截面、投影等操作可以获取二维数据，达到降维效果；通过对二维数据进行拉伸、放样、直骨架等操作获取模型数据。可对自然资源登记单元的三维空间进行包含、相交、相离等空间关系判断。

3.3 三维量算技术

三维量算技术可在自然资源登记单元的三维空间内进行三维量算，支持空间距离量算、贴地距离量算、水平距离量算、空间距离量算、空间面积量算、贴地表面积量算、高程量算等功能。三维量算示例如图3所示。

图3 三维量算示例

3.4 三维分析

可在自然资源登记单元的三维空间内进行三维分析，支持剖面线分析、等高线分析、坡度坡向分析等功能。三维剖面线分析可针对水体、矿体等三维对象，在任意方向画出一条切线，自动生成剖面线图，并且支持在剖面线图上进行量算、位置查询等功能。等高线分析可在三维空间内任意指定范围，自动获取并通过分层设色策略实时绘制此范围内的等值线，并可设定等值线的显示模式、线颜色、纹理颜色表、透明度、最小高程、最大高程、等值距等属性。坡度坡向分析可在地形上指定任意范围，自动获取并通过分层设色策略和绘制指示箭头生成坡度坡向图，可根据颜色和箭头指向直观地查看地形起伏大小和起伏方向；并支持设置最大、最小可见坡度，颜色表及查询单点的坡度坡向数值功能。

3.5 三维飞行

可以在自然资源登记单元的三维空间内进行多种方式的模拟三维飞行。可以自定义飞行航线，如在自然资源登记单元内以一条河流的河道为航线、以自然资源登记单元边界线为航线等；可以设定飞行方向，如逆时针或顺时针方向；可以设定飞行速度和飞行高度；可以飞行航线回溯等。三维飞行可以整体了解自然资源登记单元空间内的地形地貌和自然资源分布状况，如图4所示。

图4 三维飞行示例

4 结语

利用三维空间技术进行自然资源确权登记三维空间数据表达和可视化技术研究，是开展三维自然资源确权登记的必要性和前提性工作。本文在自然资源确权登记工作实践基础上，对自然资源登记单元的空间要素组成与空间特征、自然资源登记单元三维空间数据表达、自然资源登记单元三维空间数据可视化等内容进行了初步研究，对各地正在或将要开展的三维自然资源确权登记工作具有技术借鉴和启发意义。随着三维空间技术在自然资源确权登记工作中的深入应用，将继续关注三维空间技术的最新进展和实践，并针对不同自然资源登记类型的自然资源登记单元三维空间数据建模和表达展开深入探索和研究，以期待推动三维自然资源确权登记工作尽快实现。