擴展時空復(fù)合模型管理地籍時空數(shù)據(jù)

宋 瑋，楊曉明，周建業(yè)，馬開鋒

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展以及自然環(huán)境的變化，地塊及其附著物的權(quán)屬、位置、數(shù)量、質(zhì)量和土地利用現(xiàn)狀等幾何信息和屬性信息也不斷發(fā)生變化.新的地籍數(shù)據(jù)產(chǎn)生，舊的地籍數(shù)據(jù)變?yōu)闅v史資料.在地籍管理中，對于歷史數(shù)據(jù)的存儲和管理具有非常重要的意義:①通過歷史數(shù)據(jù)能夠再現(xiàn)某一時間段的土地權(quán)屬和利用狀況;②通過宗地歷史回溯，確定宗地的來龍去脈，為解決土地權(quán)屬糾紛、確定土地產(chǎn)權(quán)提供準確的法律依據(jù);③通過對地籍歷史數(shù)據(jù)的分析，能夠預(yù)測未來土地利用需求趨勢，為政府決策提供幫助［1］.因此，地籍數(shù)據(jù)庫不僅要完整記錄每一具體時刻土地權(quán)屬及其空間分布情況，而且還要忠實記錄宗地的來龍去脈，并能對地籍信息的歷史演變進行保存、恢復(fù)、跟蹤.

許多專家、學(xué)者針對地籍數(shù)據(jù)的時空管理進行了大量的研究，一定程度上實現(xiàn)了地籍數(shù)據(jù)的更新和時態(tài)查詢功能.目前的研究成果主要包括:①地籍時空拓撲關(guān)系的時態(tài)鏈接法;②地籍時空拓撲關(guān)系的隱式組織與查詢方法［2］.第1 種方法不僅建庫、更新與維護困難，而且在親緣關(guān)系的遞歸回溯過程中，還可能出現(xiàn)非封閉性等理論缺陷［2］;第2 種方法不顯示也不表達其空間關(guān)系和時間關(guān)系，在需要時根據(jù)父子地塊之間的空間相交性和時間相接性來確定地塊之間的親緣關(guān)系［3］，該方法實現(xiàn)思路較簡單，但計算較耗時.

1 地籍實體及其時空變化分析

地籍實體既包含空間實體(如宗地、界址點等)，又包含非空間實體(如權(quán)利人、土地證書、土地登記卡、土地歸戶卡等).其中宗地、界址線和界址點是最基本的地籍空間實體，而權(quán)利人又是重要的非空間實體.

1.1 宗地、界址點、界址線和權(quán)利人

宗地是地籍管理的基本空間單元，具有固定的位置和明確的邊界，是可被辨認出確定的類別、質(zhì)量和時態(tài)等土地基本要素的最小地塊.宗地在空間上表現(xiàn)為一個具有封閉邊界的多邊形.

界址點是宗地權(quán)屬界線的拐點或轉(zhuǎn)角點，凡是土地權(quán)屬界的專職連接點都是界址點，在地籍測繪中用以確定土地權(quán)屬界地面位置.若宗地周圍的界址點確定，則其位置、形狀、面積、權(quán)屬界線相應(yīng)確定.

界址線在功能上是宗地權(quán)屬單位的分界線，在地籍圖上一般表達為界址點之間的連線.在地籍數(shù)據(jù)庫中，往往將由起結(jié)點、終結(jié)點及中間定位界址點組成的一條弧段作為一條界址線記錄，其具有共同的雙邊指界人等性質(zhì).

權(quán)利人是土地產(chǎn)權(quán)的主體，在我國凡是享有法人資格的個人或單位都可以是權(quán)利人.我國城鎮(zhèn)土地所有權(quán)屬于國家，但是土地的使用權(quán)可以出讓、轉(zhuǎn)讓、租賃，因此，單位和個人可以獲得土地的使用權(quán)或他項權(quán)利.

宗地和權(quán)利人是地籍管理的核心內(nèi)容，分別由土地登記卡和歸戶卡來描述.傳統(tǒng)的地籍信息系統(tǒng)往往不重視權(quán)利人的研究，其一般是將其作為宗地的一個屬性，而權(quán)利人在地籍管理中既是土地的產(chǎn)權(quán)主體，又是土地登記時的申請客戶，為了完成土地的產(chǎn)權(quán)管理，需要記錄大量權(quán)利人的相關(guān)信息.例如制作權(quán)利人的歸戶卡，需要查詢權(quán)利人所有的土地產(chǎn)權(quán)信息.這些都表明將權(quán)利人作為一個獨立對象是必要的.

權(quán)利人和宗地之間是多對多的關(guān)系，一個權(quán)利人可以擁有多塊宗地的使用權(quán)，一塊宗地也可以有多個權(quán)利人.

1.2 地籍實體時空變化分析

地籍變更導(dǎo)致地籍實體發(fā)生變化，這種變化可分為3 種:①空間幾何形態(tài)變化，屬性不變;②空間幾何形態(tài)不變，屬性變化;③空間幾何形態(tài)和屬性同時變化［4］.

在地籍管理領(lǐng)域中，宗地空間形態(tài)的變化意味著新宗地的產(chǎn)生，是宗地的本質(zhì)變化，這種變化具體表現(xiàn)為宗地號的改變，它標志著新宗地生命周期的開始和舊宗地生命周期的結(jié)束.根據(jù)宗地的空間形態(tài)的變化，宗地變更可分為［4－5］:分割、合并、界址調(diào)整和復(fù)雜變更.由于屬性的變化主要是用地性質(zhì)和用途等的改變，宗地的空間形態(tài)并未發(fā)生變化，它不是宗地的本質(zhì)變化，不產(chǎn)生新宗地.

宗地的空間變化導(dǎo)致新宗地的產(chǎn)生和原宗地的滅失，此時稱變更前的宗地為父宗地，變更后的宗地為子宗地，如宗地1 和2 合并為宗地3，則稱宗地1和2 為宗地3 的父宗地，宗地3 為宗地1 和2 的子宗地.具有父子關(guān)系的宗地之間具有空間相交性和時間相接性特征，據(jù)此特征可以進行宗地的歷史回溯查詢［6］.

每一宗地都有一定的生命周期，在地籍管理中發(fā)證時間就意味著該宗地生命周期的開始，注銷時間標志宗地生命周期的終結(jié).

2 擴展時空復(fù)合模型的地籍數(shù)據(jù)組織

2.1 地籍數(shù)據(jù)組織中常見的時空數(shù)據(jù)模型

時空數(shù)據(jù)模型是時態(tài)地理信息系統(tǒng)的概念基礎(chǔ)，國內(nèi)外眾多專家、學(xué)者對此進行了研究，在地籍管理中應(yīng)用較為廣泛的有序列快照模型、基態(tài)修正模型、時空復(fù)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時間，將整個空間數(shù)據(jù)庫進行存儲.該模型易于在現(xiàn)有GIS 軟件中實現(xiàn)，并且當前的數(shù)據(jù)庫總是處于有效狀態(tài).但是該模型也存在明顯的缺陷:①存在很大的數(shù)據(jù)冗余;②不能確定兩個時間間隔中對象的狀態(tài);③不能建立相鄰時間段中對象的時態(tài)關(guān)系.這種變化記錄方式，不能實現(xiàn)對單個地理實體之間時態(tài)關(guān)系的確定.因此，在土地市場發(fā)育、土地交易日益頻繁的今天，該方法需要存儲空間太大，系統(tǒng)不堪重負［7］;也難以實現(xiàn)對宗地實體的歷史回溯.

2.1.2 基態(tài)修正模型

基態(tài)修正模型按事先設(shè)定的時間間隔進行采樣，它只存儲某個時間數(shù)據(jù)狀態(tài)(基態(tài))和相對于基態(tài)的變化量.基態(tài)修正模型中每個對象只需存儲一次，每變化一次，只有很小的數(shù)據(jù)量需要記錄;同時，只有對象發(fā)生變化時才存入系統(tǒng)中，時態(tài)分辨率刻度值與事件發(fā)生的時刻完全對應(yīng).該模型的主要優(yōu)點是提高了時態(tài)分辨率，減少了數(shù)據(jù)冗余量，檢索目標變化(事件)比較容易.缺陷是實體被一系列事件碎分，對實體的狀態(tài)查詢和發(fā)展過程查詢比較困難，需要進行復(fù)雜的計算;空間拓撲隨時間變化的信息難以存儲.

劉仁義等［8］、姚志軍等［9］曾經(jīng)采用基態(tài)修正模型或擴展基態(tài)修正模型建立地籍時空數(shù)據(jù)模型進行地籍時空數(shù)據(jù)管理.

2.1.3 時空復(fù)合模型

時空復(fù)合模型是在一個數(shù)據(jù)層中表達，空間上同質(zhì)、時態(tài)上一致的時空幾何目標體，將空間分割成具有相同時空過程的最大的公共時空單元，每次時空對象的變化都將在整個空間內(nèi)產(chǎn)生一個新的對象.對象把在整個空間內(nèi)的變化部分作為它的空間屬性，變化部分的歷史作為它的時態(tài)屬性.時空單元中的時空過程可用關(guān)系表來表達，若時空單元分裂時，用新增的元組來反映新增的空間單元，時空過程每變化一次，采用關(guān)系表中新增一列的時間段來表達，從而達到用靜態(tài)的屬性表表達動態(tài)的時空變化過程的目的;這種方法數(shù)據(jù)冗余少，但在數(shù)據(jù)庫中頻繁地修改對象標識符較復(fù)雜，涉及的關(guān)系鏈的層次較多，必須對標識符逐一進行回退修改.

這種模型與矢量基態(tài)修正模型相似，不過它的歷史數(shù)據(jù)和當前數(shù)據(jù)都是存儲在同一個層中.這種設(shè)計保留了沿時間的空間拓撲關(guān)系.所有更新的特征都被加入到當前的數(shù)據(jù)集中，新的特征之間的交互和新的拓撲關(guān)系也隨之生成.與矢量基態(tài)修正模型比較，這種模型對于歷史特征空間拓撲關(guān)系的生成處理要方便一些.

樂燕芬等［10］曾利用擴展時空復(fù)合模型進行宗地數(shù)據(jù)組織，并利用宗地時空拓撲關(guān)系的時態(tài)鏈接法以實現(xiàn)宗地數(shù)據(jù)的歷史回溯，但該方法在具體實現(xiàn)時較為復(fù)雜，而且也難以適應(yīng)目前地籍數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)管理.

2.2 擴展時空復(fù)合模型的地籍數(shù)據(jù)組織

考慮到地籍數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)管理和當前GIS技術(shù)的發(fā)展，建議將地籍現(xiàn)勢數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)分開存儲，分別建立地籍現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫.地籍現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫中存儲當前處于有效狀態(tài)的數(shù)據(jù)，反映地籍數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，地籍歷史數(shù)據(jù)庫存儲地籍變化發(fā)生后的舊數(shù)據(jù).圖1 所示即為擴展的地籍時空復(fù)合模型.地籍現(xiàn)勢庫主要包括宗地、界址點、界址線、權(quán)利人、宗地權(quán)利人關(guān)系、控制點及其他地形信息的有效數(shù)據(jù).地籍歷史庫主要包括宗地、界址點、界址線、控制點及其他地形信息的歷史情況，但除了宗地之外其他的信息繼承關(guān)系沒有記錄.

圖1 擴展的地籍時空復(fù)合模型

2.2.1 地籍現(xiàn)勢庫中宗地結(jié)構(gòu)

地籍現(xiàn)勢庫中宗地表記錄當前有效的宗地實體的有關(guān)信息.因此采用對象關(guān)系數(shù)據(jù)模型可將宗地表結(jié)構(gòu)表示如下:

宗地(ID，地籍號，行政區(qū)代碼，街道代碼，街坊代碼，宗地號，……，Vs，Ts，Geometry，父宗地ID，事件類型).

ID 為宗地的唯一標示符，為保證ID 的正確性，該ID 由系統(tǒng)自動產(chǎn)生;Vs 表示宗地對象的開始時間即發(fā)證時間;Ts 表示宗地對象在數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)生的時間，即創(chuàng)建時間;Geometry 存儲宗地幾何圖形;父宗地ID 表示該宗地由哪塊宗地變更而來;事件類型屬性來描述宗地對象變化的原因，記錄引起宗地對象發(fā)生變化的事件，主要有分割、合并、注銷、復(fù)雜變更、屬性變更等.

2.2.2 地籍歷史庫中宗地結(jié)構(gòu)

地籍歷史庫中宗地表存儲已經(jīng)消亡的宗地，采用對象關(guān)系數(shù)據(jù)模型可將宗地表結(jié)構(gòu)表示如下:

宗地(ID，地籍號，行政區(qū)代碼，街道代碼，街坊代碼，宗地號，……，Vs，Ve，Ts，Te，父宗地ID，Geometry，事件類型).

(Vs，Ve)為有效時間標記，Vs 表示宗地對象的開始時間即發(fā)證時間，Ve 表示宗地對象的結(jié)束時間即注銷時間或變更時間;(Ts，Te)為事務(wù)時間，Ts 表示宗地對象在數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)生的時間，即創(chuàng)建時間，Te表示宗地對象在數(shù)據(jù)庫中發(fā)生注銷的時間，即歸檔時間;父宗地ID 表示該宗地由哪塊宗地變更而來;事件類型屬性來描述宗地對象變化的原因，記錄引起宗地對象發(fā)生變化的事件，主要有分割、合并、注銷、復(fù)雜變更、屬性變更等.

同地籍現(xiàn)勢庫中的宗地結(jié)構(gòu)相比，歷史庫中宗地結(jié)構(gòu)增加了Ve、Te 字段用來記錄宗地在現(xiàn)實世界和數(shù)據(jù)庫中的滅失時間.

2.2.3 界址點表和界址線表結(jié)構(gòu)

在地籍現(xiàn)勢庫和地籍歷史庫中界址點表是描述界址點的位置、屬性的數(shù)據(jù)庫表.界址點隨時間的變化主要是產(chǎn)生和歸檔，另外在地籍管理中對界址點的變化并不特別關(guān)注，它的變化情況可以通過宗地的變化反映出來.因此，為方便系統(tǒng)實現(xiàn)，可不考慮界址點和界址線的時間特征.其表結(jié)構(gòu)可表示如下:

界址點表(ID，編號，界標類型，X 坐標，Y 坐標);

界址線表(ID，界址線性質(zhì)，界址線類別，界址線位置).

2.2.4 權(quán)利人表和宗地權(quán)利人關(guān)系表

權(quán)利人記錄對某宗地正在或曾經(jīng)擁有使用權(quán)或所有權(quán)的單位或個人的信息，宗地和權(quán)利人的關(guān)系是多對多的關(guān)系，即一個宗地可以有多個權(quán)利人，一個權(quán)利人也可以有多塊宗地.權(quán)利人和宗地之間的關(guān)系可采用宗地權(quán)利人關(guān)系表記錄.其主要結(jié)構(gòu)如下所示:

權(quán)利人(ID，權(quán)利人名稱，單位性質(zhì)，……);

宗地權(quán)利人關(guān)系(ID，宗地ID，權(quán)利人ID).

權(quán)利人表中ID 為主鍵，宗地權(quán)利人關(guān)系表中ID 為主鍵，宗地ID 和權(quán)利人ID 為外鍵，記錄宗地和權(quán)利人之間的關(guān)系.

2.2.5 其他地籍要素

宗地、界址點、界址線是地籍管理中的主要空間要素.除了上述宗地、權(quán)利人等主要地籍實體之外，還存在行政區(qū)、街道、街坊等實體，但由于其時態(tài)特征不明顯，故不考慮其時間特征.可采用以下結(jié)構(gòu):

1)行政區(qū)(ID，行政區(qū)代碼，行政區(qū)名稱，行政區(qū)面積，Geometry).

2)街道(ID，行政區(qū)ID，行政區(qū)名稱，街道代碼，街道名稱，街道面積，Geometry).

3)街坊(ID，行政區(qū)ID，街道ID，街道名稱，街坊代碼，街坊名稱，街坊面積，Geometry).

其中Geometry 字段存儲相應(yīng)實體的幾何數(shù)據(jù).

3 應(yīng)用實例

基于上述的基于擴展時空復(fù)合模型的地籍數(shù)據(jù)組織方式，筆者采用鄭州市某區(qū)地籍數(shù)據(jù)建立了地籍時空數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了地籍數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng)原型，實現(xiàn)了地籍數(shù)據(jù)的歷史查詢、宗地對象的歷史管理、宗地對象的歷史回溯等功能.經(jīng)驗證，這種結(jié)構(gòu)能夠滿足地籍管理中時空數(shù)據(jù)管理的要求.

4 結(jié)語

地籍時空數(shù)據(jù)的管理是地籍信息系統(tǒng)和地籍數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的重要功能.目前隨著我國土地市場的活躍，如何構(gòu)造一個先進實用的地籍信息系統(tǒng)對于我國的土地管理工作至關(guān)重要.通過擴展時空復(fù)合模型，合理地進行地籍現(xiàn)勢數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的管理，很好地解決了地籍時空數(shù)據(jù)管理的問題.

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