三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫建立研究

蘇鷹濱

(漳州市測繪設(shè)計(jì)研究院，福建漳州 363000)

三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫建立研究

蘇鷹濱

(漳州市測繪設(shè)計(jì)研究院，福建漳州 363000)

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)和人口密度的增長，人地之間的矛盾日趨緊張，導(dǎo)致土地利用向縱向空間拓展。以地表權(quán)利為核心的傳統(tǒng)二維地籍已無法滿足當(dāng)前地籍管理的實(shí)際需要，建立三維地籍系統(tǒng)是解決問題的根本途徑。本文在分析通用地籍核心模型CCDM的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國現(xiàn)行的土地登記制度，采用UML分別建立土地登記權(quán)利模型和權(quán)屬界址模型，并建立二維、三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型，構(gòu)建Geodatabase數(shù)據(jù)庫。

三維地籍；Geodatabase；ArcGIS Engine

以二維宗地為基本單元，以地表權(quán)利為核心的傳統(tǒng)二維地籍，在垂直方向上具有同一屬性，主要記載了土地二維平面空間信息和屬性信息[1]，缺乏權(quán)利實(shí)體在三維空間上的有效記載，不能充分反映土地利用空間的分配和有效管理三維空間中交錯(cuò)的宗地，限制了地籍管理的多用途功能[2]。本文主要在三維地籍的概念及建模理論的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的三維空間數(shù)據(jù)模型進(jìn)行比較分析，結(jié)合我國土地登記制度，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于CCDM的國內(nèi)二維、三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型，采用UML進(jìn)行三維權(quán)屬界址的建模，并通過Geodatabase建模技術(shù)建立地籍?dāng)?shù)據(jù)庫。

1 三維空間數(shù)據(jù)模型

三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型用來描述三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫的概念，包括精確描述三維地籍?dāng)?shù)據(jù)、三維地籍?dāng)?shù)據(jù)空間關(guān)系和完整性約束條件[3]，能夠充分表達(dá)地籍要素類以及類與類間的關(guān)系，方便進(jìn)行類之間的關(guān)聯(lián)查詢，減少三維地籍?dāng)?shù)據(jù)存儲的冗余。三維空間數(shù)據(jù)模型按三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何特征可以分為基于面的數(shù)據(jù)模型和基于體的數(shù)據(jù)模型。

1.1 基于面的數(shù)據(jù)模型

1.1.1 3D FDS模型

三維形式化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(3D Formal Data Structure，3D FDS)模型支持多種空間數(shù)據(jù)描述，能夠明確地表達(dá)三維空間實(shí)體的位置、邊界、形狀和拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)幾何特征和屬性特征的關(guān)聯(lián)，但缺乏對空間實(shí)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的描述。該模型適合表達(dá)規(guī)則的建筑物對象，難以表達(dá)不規(guī)則的復(fù)雜三維空間實(shí)體[4]。圖1描述了三維形式化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型的概念模型。

OO3D模型為了描述現(xiàn)實(shí)中的三維對象，將三維空間實(shí)體對象抽象為點(diǎn)、線、面、體四種幾何對象和五個(gè)約束規(guī)則，使用三類基本空間對象作為三維空間數(shù)據(jù)模型的基本組成元素，可以構(gòu)造出復(fù)雜的點(diǎn)、線、面模型。面模型通過組合可以形成閉合的體模型，最簡單的體模型是四面體，體與體模型之間可以通過一系列的組合方式構(gòu)造出現(xiàn)實(shí)世界中復(fù)雜對象的3D模型[4]，圖2描述了OO3D模型的概念模型[5]。

圖1 三維形式化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型的概念模型

圖2 OO3D模型的3D復(fù)雜對象的概念模型

1.2 基于體的數(shù)據(jù)模型

1.2.1 Octree模型

八叉樹模型(Octree模型)是二維四叉樹模型在空間的擴(kuò)展，是對Voxel模型的壓縮改進(jìn)。在模型中，根結(jié)點(diǎn)代表了目標(biāo)的立方體，若目標(biāo)正好充滿整個(gè)立方體，則不再分割；否則分成八個(gè)大小一致的子立方體繼續(xù)分割到不需要分割為止[6]。Octree模型對復(fù)雜形體的體對象表達(dá)效果好，布爾運(yùn)算和及和特征計(jì)算效率高，但表示精度受限制，難以進(jìn)行幾何變換，拓?fù)洳樵冃Ч?。圖3描述了Octree數(shù)據(jù)模型。

圖3 Octree數(shù)據(jù)模型

1.2.2 TEN模型

四面體網(wǎng)格模型(Tetrahedral Network，TEN模型)是不規(guī)則三角網(wǎng)的三維擴(kuò)展，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能有效地描述幾何實(shí)體內(nèi)部特征，精確表示復(fù)雜的三維空間對象，可以快速地進(jìn)行幾何變換和可視化顯示，快速地處理拓?fù)潢P(guān)系和表示復(fù)雜的空間拓?fù)潢P(guān)系。然而TEN模型難以自動生成結(jié)構(gòu)，在表達(dá)三維線狀、面狀目標(biāo)時(shí)存在一定的缺陷。圖4描述了TEN數(shù)據(jù)模型。

圖4 TEN模型

2 三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

考慮到三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型需要能滿足表現(xiàn)權(quán)利實(shí)體的邊界特征、權(quán)利實(shí)體內(nèi)部的權(quán)利空間以及權(quán)利實(shí)體間的關(guān)聯(lián)性，選擇的三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型既要能精確表達(dá)三維地籍空間權(quán)利實(shí)體，準(zhǔn)確給出權(quán)利實(shí)體的權(quán)屬范圍，便于權(quán)利實(shí)體的可視化，又能明晰權(quán)利實(shí)體間的空間關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間查詢和分析。結(jié)合上述要求和上節(jié)對三維空間數(shù)據(jù)模型的介紹和分析，下面重點(diǎn)研究構(gòu)造出適合的三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型，并介紹數(shù)據(jù)建模過程。

2.1 基于CCDM的三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型

選用經(jīng)濟(jì)、方便、快捷的鉆鑿法進(jìn)行處理，在Ⅱ序槽段鉆槽時(shí)用沖頭鉆鑿Ⅰ序槽混凝土后，沖刷10遍左右，經(jīng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收合格后進(jìn)行下道工序施工。

CCDM以土地產(chǎn)權(quán)為核心，以宗地標(biāo)識碼為序，登記土地上的各種產(chǎn)權(quán)和法律關(guān)系，能夠滿足我國現(xiàn)行的土地登記制度，本文以CCDM為切入點(diǎn)，為我國地籍?dāng)?shù)據(jù)建模。按照土地登記的一般程序，地籍?dāng)?shù)據(jù)建模必須明確三個(gè)方面的內(nèi)容：(1)描述土地產(chǎn)權(quán)主體信息；(2)說明土地產(chǎn)權(quán)客體組成部分及其關(guān)系；(3)記錄權(quán)利信息，展示不動產(chǎn)物權(quán)及其狀態(tài)。

在二維地籍管理中，土地權(quán)屬界址主要包括界址點(diǎn)、界標(biāo)和界址線[7]。界址點(diǎn)是核心地籍要素，是宗地邊界線空間或?qū)傩缘霓D(zhuǎn)折點(diǎn)，用(X,Y)坐標(biāo)來確定宗地地理位置，界址點(diǎn)(Corner類)存儲無爭議的界址點(diǎn)，應(yīng)盡量采用野外實(shí)際測量得到的坐標(biāo)(CornerCoordinate類)，以保障地籍測量數(shù)據(jù)成果的精度。界址線(Boundary類)是界址點(diǎn)間的連線，與界址點(diǎn)、界標(biāo)一樣是土地確權(quán)的法律依據(jù)。宗地是一個(gè)封閉的多邊形，具有屬于同一權(quán)利人，以界址線為邊界。

在三維地籍管理中，以三維宗地代替二維宗地，成為地籍登記的主要登記對象。界址點(diǎn)連成界址線，界址線構(gòu)成界址面，界址面構(gòu)成體。界址點(diǎn)、界址線、界址面分別用點(diǎn)、線、多邊形三種幾何對象來描述其位置、大小和形狀[8]。

三維地籍界址點(diǎn)區(qū)別于二維地籍界址點(diǎn)，通常先獲取地面界址點(diǎn)的三維坐標(biāo)，在根據(jù)垂直方向上的高度height字段，計(jì)算出界址點(diǎn)的坐標(biāo)，最后存放在Corner_3D中。二維地籍管理中，多塊宗地以界址線為邊界來進(jìn)行區(qū)分和限制空間權(quán)利范圍。在三維地籍管理中，不同權(quán)利實(shí)體間以界址面為邊界進(jìn)行區(qū)分空間權(quán)利范圍，可見界址面與界址線一樣具有重要的空間關(guān)系。水平方向上的界址面存儲在ApartmentParcel_2D中，使用baseParcelID作為唯一的宗地標(biāo)識碼，與界址點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)。垂直方向上的界址面存儲在Section_Vertical中，以SectionID作為唯一標(biāo)志碼，并于垂直方向上的界址線Boundary_Vertical_3D進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

2.2 Geodatabase數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)

創(chuàng)建Geodatabase數(shù)據(jù)庫，與常規(guī)數(shù)據(jù)庫基本相同，它的一般程序是[9]：一是利用UML工具定義Geodatabase數(shù)據(jù)模式(Schema)；二是生成用戶模式；三是加載數(shù)據(jù)，填充用戶模式。GIS用戶可以采用以下三種方式建立Geodatabase數(shù)據(jù)模式。

2.2.1 通過ArcCatalog建立Geodatabase數(shù)據(jù)模式

通過ArcCatalog建立Geodatabase數(shù)據(jù)模式的過程是：(1)生成一個(gè)新的Geodatabase；(2)定義數(shù)據(jù)集、要素類和對象類；(3)定義子類和屬性域；(4)定義類間的關(guān)系類；(5)定義注記類；(6)定義幾何網(wǎng)絡(luò)；(7)定義拓?fù)湟?guī)則。

2.2.2 根據(jù)已有數(shù)據(jù)格式建立Geodatabase數(shù)據(jù)模式

根據(jù)已有數(shù)據(jù)格式(如Shapefile、Coverage、INFO Table、dBase Tables等)，建立Geodatabase數(shù)據(jù)模式的過程是：(1)生成一個(gè)新的Geodatabase；(2)按照已有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過ArcCatalog提供的映射機(jī)制，定義要素?cái)?shù)據(jù)集、要素類和對象類；(3)定義子類和屬性域；(4)定義類間的關(guān)系類；(5)定義注記類；(6)定義幾何網(wǎng)絡(luò)；(7)定義拓?fù)湟?guī)則。

表1 地籍?dāng)?shù)據(jù)庫圖層要素

2.2.3 利用CASE工具建立Geodatabase數(shù)據(jù)模式

利用UML和CASE工具，建立Geodatabase數(shù)據(jù)模式的過程是：(1)基于ArcInfo UML，定義用戶數(shù)據(jù)模型；(2)輸出為XML文件；(3)借助ArcCatalog中的Schema Wizard工具，將XML文件轉(zhuǎn)換為Geodatabase數(shù)據(jù)模式。

三種不同的方式折射出地理數(shù)據(jù)建模的不同理念，前兩種重點(diǎn)集中在物理建模上，忽略了數(shù)據(jù)建模并不是表簡單羅列的事實(shí)，第三種方式能建立復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，只需要對類對應(yīng)的圖形位置簡單調(diào)整，就可以對類進(jìn)行編輯修改，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，方便數(shù)據(jù)庫更新，建模效率高。因此，本文選擇利用UML和CASE工具實(shí)現(xiàn)Geodatabase地籍?dāng)?shù)據(jù)庫建立。

為了使構(gòu)建的地籍?dāng)?shù)據(jù)庫更加規(guī)范，參考《城鎮(zhèn)地籍?dāng)?shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)》中地籍?dāng)?shù)據(jù)庫建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)表1，利用UML將空間要素進(jìn)行分層管理。通過ESRIExportToXml工具將UML模型導(dǎo)出XML文件，并利用SemanticsChecker工具利用檢查UML模型語法，最后用ArcCatalog中Schema Wizard工具將模型導(dǎo)入Geodatabase數(shù)據(jù)庫中。本文主要研究三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫，將二維地籍?dāng)?shù)據(jù)主要用于展示二維平面的地籍?dāng)?shù)據(jù)信息，著重于三維地籍?dāng)?shù)據(jù)的管理和可視化查詢方面，因此二維地籍?dāng)?shù)據(jù)僅保留二維平面上的界址點(diǎn)、界址線、宗地以及相應(yīng)的注記信息。圖5和圖6分別為二維地籍Geodatabase數(shù)據(jù)庫和三維地籍Geodatabase數(shù)據(jù)庫。

圖5 二維地籍Geodatabase數(shù)據(jù)庫

圖6 三維地籍Geodatabase數(shù)據(jù)庫

3 結(jié)語

本文首先對現(xiàn)有的三維空間數(shù)據(jù)模型進(jìn)行比較、分析，選擇通用地籍核心模型CCDM作為原型系統(tǒng)的地籍?dāng)?shù)據(jù)模型，并結(jié)合我國土地登記制度，研究二維權(quán)屬界址建模和三維權(quán)屬界址建模，最后通過Geodatabase建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)二維、三維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫的建立，成功導(dǎo)入圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

[1]張玲玲,史云飛,郭仁忠,等.三維地籍產(chǎn)權(quán)體的定義與表達(dá)[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2010(2):207-213.

[2]詹長根,齊志國,趙軍華.三維地籍的建立分析[J].國土資源科技管理,2006(2):79-81.

[3]文小岳.三維地籍模型理論與方法[D].長沙:中南大學(xué),2010.

[4]王潤懷.礦山地質(zhì)對象三維數(shù)據(jù)模型研究[D].成都:西南交通大學(xué),2007.

[5]史文中,吳立新,李清泉,等.三維空間信息系統(tǒng)模型與算法[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[6]李德仁,李清泉.一種三維GIS混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究[J].測繪學(xué)報(bào),1997(2):128-133.

[7]汪斌.基于Oracle Spatial的地籍?dāng)?shù)據(jù)庫更新中若干關(guān)鍵技術(shù)的方法研究[D].長沙:中南大學(xué),2007.

[8]周曉光.地籍?dāng)?shù)據(jù)庫增量更新[M].北京:測繪出版社,2007.

[9]湯國安,楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

ResearchonBuilding3DCadastralDataModelandDatabase

SU Ying-bin

(Zhangzhou Institute of Surveying and Mapping, Zhangzhou Fujian 363000,China)

With the advancement of urbanization and growth of the population density, the contradiction between people and land has become strained, the land use development to portrait. The surface rights to the core of traditional 2D cadastre has been unable to meet the actual needs of the current cadastral management. Build 3D cadastre system is the fundamental way to solve these problems. This paper based on the analysis of common cadastral core model CCDM, according to our country’s land registration system, use UML for modeling land registered property and ownership of boundary, build two-dimensional cadastral data model and three-dimensional cadastral data model cadastral, then build the Geodatabase.

3D cadastre; Geodatabase; ArcGIS Engine

P273

A

2095-7602(2017)10-0048-05

2017-04-18

蘇鷹濱(1989- )，男，工程師，從事城市規(guī)劃測量研究。