穆超，孟丹，謝菲

（湖北省國土測繪院，武漢430010）

1 引言

由于傳統(tǒng)的地籍管理模式以地籍制圖為目的，以二維宗地在垂直方向上的權(quán)籍的一致性為理論基礎(chǔ)[1]，基于二維宗地對土地表面進(jìn)行連續(xù)、無縫的分割，土地的所有權(quán)以及其他權(quán)利是以宗地為單位進(jìn)行注冊的[2]，僅考慮與地籍登記發(fā)證有關(guān)的事務(wù)工作，對土地在地上和地下空間的利用狀況只是進(jìn)行了簡單的記載，不能充分反映土地在三維空間的利用狀況[3]。如何利用三維空間信息技術(shù)科學(xué)地管理地籍?dāng)?shù)據(jù)，已成為新時期地籍管理工作的迫切要求。

三維GIS的研究對象是三維空間，能對與三維對象相關(guān)的信息進(jìn)行建模、表示、管理、操作、分析和決策。因此，將三維GIS應(yīng)用于地籍管理工作中，不僅能實現(xiàn)傳統(tǒng)地籍管理中特定地籍基于空間信息意義上的幾何屬性，定義土地地塊的權(quán)屬，同時也能在三維空間對土地利用的不同層面進(jìn)行權(quán)利劃分和登記，準(zhǔn)確反映土地在不同層次空間的利用情況。本文結(jié)合三維GIS技術(shù)，探討三維地籍管理的內(nèi)容和構(gòu)建要素，研發(fā)出三維地籍信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)空間產(chǎn)權(quán)的明晰化管理，為三維GIS在實際土地管理中的普及與應(yīng)用提供理論及技術(shù)支撐，并進(jìn)行了展望。

2 三維地籍管理

將三維GIS應(yīng)用在地籍管理方面，結(jié)合三維空間數(shù)據(jù)庫和三維空間信息技術(shù)，產(chǎn)生了三維地籍的概念，成為地籍管理的必然發(fā)展方向。

三維地籍是在地籍的概念中引入三維產(chǎn)權(quán)（空間產(chǎn)權(quán)）的含義。三維產(chǎn)權(quán)是指將一定的三維空間劃分為沒有交叉、空隙和重疊的三維權(quán)利實體。三維權(quán)利實體的特征：基礎(chǔ)是一個封閉的三維空間，在空間上具有連續(xù)性；劃分的依據(jù)是不同權(quán)利，同時綜合考慮土地的利用類別、質(zhì)量和時態(tài)等其他要素；它是三維地籍中最小的單元，相當(dāng)于現(xiàn)在地籍中的宗地。

三維地籍中三維空間實體的相互關(guān)系主要通過三維空間模型來實現(xiàn)，在二維地籍的情況下，要實現(xiàn)三維空間屬性的登記，一般是在登記過程中進(jìn)行簡單的文字描述。而三維地籍圖可以直觀、真實地描述現(xiàn)實世界中土地權(quán)利的分割情況。圖1a是在同一地塊的垂向上包括 V1、V2、V3、V4和 V55 個權(quán)利實體。在二維地籍中，該地塊將表示為由 V1、V2、V3、V4和 V55 個權(quán)利人共用的共用宗地。而在三維地籍中，可以將地塊在三維空間劃分為5個不同的三維權(quán)利實體，分別歸屬5個不同的權(quán)利人。圖1b包括地上的私人宗地和地下的道路用地2種用地類型，在傳統(tǒng)的地籍管理模式中，很難明確表示這種復(fù)雜的用地類型，而在三維地籍管理模式中，可以借助三維地籍模型，清楚地看到道路穿過了宗地的地下空間，從而非常明確地表示土地的詳細(xì)使用狀況。

圖1 三維地籍圖實例

相對比傳統(tǒng)的二維地籍管理模式來說，三維地籍管理的優(yōu)勢主要有：在空間上對土地利用的不同層面的權(quán)利進(jìn)行劃分和登記，準(zhǔn)確反映了土地在不同層次空間利用的分布情況；三維地籍提供的有關(guān)不動產(chǎn)的幾何形態(tài)的計算（如體積），為不動產(chǎn)稅費(fèi)的征收和評估提供了科學(xué)的方法；三維地籍依托三維GIS的相關(guān)技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)產(chǎn)權(quán)體的有效查詢、分析和管理等功能，而且還可以通過虛擬現(xiàn)實、可視化等手段，給管理者或業(yè)主一個非常直觀的產(chǎn)權(quán)體的空間形象，便于管理、提高工作效率等。因此，三維地籍是土地利用空間多元化的必然結(jié)果，而且三維地籍在保障土地使用者的合法權(quán)益，制定城市規(guī)劃和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)方面比二維地籍更具有優(yōu)勢。

3 三維地籍信息管理實驗研究

本次研發(fā)三維地籍管理原型系統(tǒng)可以做到與現(xiàn)有二維地籍系統(tǒng)的數(shù)據(jù)兼容，保證現(xiàn)有界址點(diǎn)、界址線、宗地等圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)都可以在系統(tǒng)中方便調(diào)用，使地籍信息系統(tǒng)管理更生動、更形象。

3.1 系統(tǒng)實施軟件平臺

系統(tǒng)實施軟件平臺包括：（1）三維建模平臺：Google SketchUp；（2）系統(tǒng)開發(fā)平臺：C#.net；（3）GIS 二次開發(fā)平臺：ArcEngine 10；（4）數(shù)據(jù)管理平臺：Access個人數(shù)據(jù)庫。

3.2 三維地籍?dāng)?shù)據(jù)模型

本次研究采用一種基于矢量結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型—ESRI公司的多面體MultiPatch數(shù)據(jù)模型。為了在功能上向3D擴(kuò)展，ArcGIS在以二維矢量數(shù)據(jù)模型（點(diǎn)、線、面）表達(dá)對現(xiàn)實地理世界的抽象時，在點(diǎn)對象模型里提供了一個Double型的字段以保存Z方向的值，由點(diǎn)組成線、由線組成面。同時為了提供對三維GIS的支持，ArcGIS使用如圖2所示的3D表面數(shù)據(jù)模型（MultiPatch模型）。MultiPatch是一系列3D表面的集合。這些3D表面在幾何上主要由Triangle Strips（三角片），Triangle Fans（三角扇），和 Rings（ring-groups）（環(huán)）所代表（見圖 2）。有了三角片、三角扇和環(huán)這三種基礎(chǔ)構(gòu)成單元后，就可以按照平面構(gòu)成多面體了，多面體由多個平面構(gòu)成。

圖2 M ul t i Pat ch數(shù)據(jù)模型[5]

3.3 三維地籍?dāng)?shù)據(jù)采集

本三維地籍原型系統(tǒng)主要包括5類數(shù)據(jù)：地面高程數(shù)據(jù)、地面紋理數(shù)據(jù)、建筑物模型及紋理數(shù)據(jù)、三維產(chǎn)權(quán)體數(shù)據(jù)、地籍相關(guān)屬性數(shù)據(jù)。

為了能滿足地籍應(yīng)用的精度要求，地面高程數(shù)據(jù)和地籍屬性數(shù)據(jù)來自現(xiàn)有地籍?dāng)?shù)據(jù)庫中。

地面紋理數(shù)據(jù)來自實驗區(qū)正射影像圖。

建筑物模型是以二維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫中的房屋矢量圖層為基礎(chǔ)底圖，參照建筑物真實尺寸和比例制作，建筑物高度數(shù)據(jù)是通過航空攝影測量方法實際測量得到。建筑物紋理貼圖的獲取主要有2種方法：通過紋理貼圖素材庫和實地攝影采樣；建筑物的屋頂紋理是從高分辨率的航空相片中提取。

三維產(chǎn)權(quán)體數(shù)據(jù)主要是三維界址點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)。三維界址點(diǎn)數(shù)據(jù)應(yīng)該來自實際測量，因為三維產(chǎn)權(quán)體還沒有在實際地籍管理工作中投入使用，沒有真實的數(shù)據(jù)可利用，所以在本次研究中三維界址點(diǎn)數(shù)據(jù)根據(jù)現(xiàn)有建筑物形狀模擬確定。

3.4 三維模型的構(gòu)建

本次研究的三維建模平臺選用Google SketchUp軟件，通過其插件SketchUp ESRI能夠很好的與ArcGIS實現(xiàn)交互。將制作出來的三維模型導(dǎo)入到ArcGIS中使用，從而構(gòu)建出逼真的三維場景。三維模型的構(gòu)建主要包括幾何建模和紋理貼圖制作2步。

3.4.1 幾何建模

對地物要素的建模主要包括對點(diǎn)狀、線狀、面狀地物模型的構(gòu)建。

在地理環(huán)境中，對于抽象成點(diǎn)狀要素的樹、路燈、垃圾桶等簡單地物的建?？梢栽赟ketchUp中直接拉伸繪制。

本次涉及的線狀要素主要是道路。建模時將這些線要素視為具有一定面積的立體面。首先在SketchUp中將其擴(kuò)展成面的形式，才能對其進(jìn)行紋理貼圖制作。對于那些位于起伏地形基礎(chǔ)上的道路，可以使用Sandbox（沙盤）工具中的Drape工具，將一條平面上的道路投影到起伏地形的曲面之上。

地理環(huán)境中很多地物以面狀要素形式存在，如建筑物、草坪、空曠場地等。本系統(tǒng)中建筑物是最重要的地物。對建筑物的建?；揪褪钱嬀€成面，擠壓成型。所用到的工具有：推拉工具和路徑跟隨工具。對于形狀較為規(guī)則的建筑物三維建?？梢岳肧ketchUp從二維平面數(shù)據(jù)直接拉伸自動創(chuàng)建，而對于標(biāo)志性且造型獨(dú)特的建筑物的詳細(xì)建模則需要經(jīng)過3個步驟：定位建筑物地理坐標(biāo)—繪制建筑物三維模型—修飾建筑物三維模型。

3.4.2 紋理貼圖

對于現(xiàn)有的建筑物，為使模型形象逼真，需要在模型上映射實景照片來代替模型細(xì)部，但是實景照片的分辨率不宜太高，否則影響速度。SketchUp中可以設(shè)置貼圖的具體尺寸，并通過改變貼圖坐標(biāo)來調(diào)整貼圖的位置，使用吸管工具完成具有相同貼圖的面的貼圖操作，實現(xiàn)貼圖的無縫拼接。如果建筑物不規(guī)則，則必須用Photoshop對圖片截取，然后分別對建筑物各個面貼圖，調(diào)整貼圖坐標(biāo)，使圖片與建筑物表面相吻合。

3.5 空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

三維模型建好后會以Multipatch（多面體）形式導(dǎo)入到Geodatabase數(shù)據(jù)庫中，與建筑物或三維產(chǎn)權(quán)體相關(guān)的屬性信息、權(quán)屬信息也存在地理數(shù)據(jù)庫中，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)通過共同的ID字段進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以便實現(xiàn)空間信息和屬性信息的雙向查詢與交互。

4 系統(tǒng)功能介紹

4.1 基本瀏覽功能

原型系統(tǒng)包括導(dǎo)航、漫游、飛行等基本功能，可以通過鼠標(biāo)測量長度和面積值。

用戶可以設(shè)置書簽，方便快速訪問場景，可以錄制飛行錄像，并且可以根據(jù)實際模型數(shù)據(jù)量大小設(shè)置軟件所用內(nèi)存，把性能和資源占用調(diào)到最佳狀態(tài)。

4.2 地籍管理功能

地籍管理功能包括：

1）點(diǎn)擊查詢：點(diǎn)擊任意建筑物、宗地等可以查看相關(guān)屬性信息；

2）屬性查詢：可以根據(jù)圖層數(shù)據(jù)庫表字段構(gòu)造查詢表達(dá)式對所有圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，并在地圖上進(jìn)行結(jié)果定位；

3）空間查詢：利用不同圖層之間的空間位置關(guān)系進(jìn)行查詢，并可定位到每個查詢到的要素，查看相關(guān)屬性信息；

4）宗地編輯：可以對宗地的相關(guān)屬性信息、權(quán)屬信息進(jìn)行編輯、修改；

5）二維宗地導(dǎo)入：現(xiàn)有二維宗地數(shù)據(jù)可以批量導(dǎo)入本系統(tǒng)生成三維產(chǎn)權(quán)體數(shù)據(jù)，直接為本系統(tǒng)所使用。

5 總結(jié)與展望

借助三維技術(shù)進(jìn)行地籍管理越來越成為地籍管理工作人員關(guān)注的重點(diǎn)。作者團(tuán)隊根據(jù)三維地籍管理需要，開發(fā)了一套地籍三維原型系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了三維地籍的查詢管理功能，其中還有很多高級功能有待于進(jìn)一步實現(xiàn)。未來還可在以下方面作進(jìn)一步的探索：

1）當(dāng)建模區(qū)域面積較大時，如何使用建模軟件實現(xiàn)大范圍批量建模，提高工作效率；

2）如何在三維場景下制作與輸出地籍圖、宗地圖等專題地圖；

3）結(jié)合地籍管理實際需要，如何利用ArcGIS三維空間分析模塊做更多空間分析與數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，從而提高三維技術(shù)在地籍管理上的應(yīng)用深度。