穆超，孟丹，謝菲

（湖北省國(guó)土測(cè)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(duì)土地表面進(jìn)行連續(xù)、無(wú)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(cè)的[2]，僅考慮與地籍登記發(fā)證有關(guān)的事務(wù)工作，對(duì)土地在地上和地下空間的利用狀況只是進(jìn)行了簡(jiǎn)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(shí)期地籍管理工作的迫切要求。

三維GIS的研究對(duì)象是三維空間，能對(duì)與三維對(duì)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(shí)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(shí)也能在三維空間對(duì)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(shí)現(xiàn)空間產(chǎn)權(quán)的明晰化管理，為三維GIS在實(shí)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(kù)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(méi)有交叉、空隙和重疊的三維權(quán)利實(shí)體。三維權(quán)利實(shí)體的特征：基礎(chǔ)是一個(gè)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(shí)綜合考慮土地的利用類(lèi)別、質(zhì)量和時(shí)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(shí)體的相互關(guān)系主要通過(guò)三維空間模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，在二維地籍的情況下，要實(shí)現(xiàn)三維空間屬性的登記，一般是在登記過(guò)程中進(jìn)行簡(jiǎn)單的文字描述。而三維地籍圖可以直觀、真實(shí)地描述現(xiàn)實(shí)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(gè)權(quán)利實(shí)體。在二維地籍中，該地塊將表示為由 V1、V2、V3、V4和 V55 個(gè)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(gè)不同的三維權(quán)利實(shí)體，分別歸屬5個(gè)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(lèi)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(lèi)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(guò)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(shí)例

相對(duì)比傳統(tǒng)的二維地籍管理模式來(lái)說(shuō)，三維地籍管理的優(yōu)勢(shì)主要有：在空間上對(duì)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(dòng)產(chǎn)的幾何形態(tài)的計(jì)算（如體積），為不動(dòng)產(chǎn)稅費(fèi)的征收和評(píng)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)權(quán)體的有效查詢(xún)、分析和管理等功能，而且還可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)、可視化等手段，給管理者或業(yè)主一個(gè)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(huì)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(shì)。

3 三維地籍信息管理實(shí)驗(yàn)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(xiàn)、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(dòng)、更形象。

3.1 系統(tǒng)實(shí)施軟件平臺(tái)

系統(tǒng)實(shí)施軟件平臺(tái)包括：（1）三維建模平臺(tái)：Google SketchUp；（2）系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)：C#.net；（3）GIS 二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)：ArcEngine 10；（4）數(shù)據(jù)管理平臺(tái)：Access個(gè)人數(shù)據(jù)庫(kù)。

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(xiàn)、面）表達(dá)對(duì)現(xiàn)實(shí)地理世界的抽象時(shí)，在點(diǎn)對(duì)象模型里提供了一個(gè)Double型的字段以保存Z方向的值，由點(diǎn)組成線(xiàn)、由線(xiàn)組成面。同時(shí)為了提供對(duì)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(jiàn)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(gè)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(lèi)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(mǎn)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(lái)自現(xiàn)有地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)中。

地面紋理數(shù)據(jù)來(lái)自實(shí)驗(yàn)區(qū)正射影像圖。

建筑物模型是以二維地籍?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)中的房屋矢量圖層為基礎(chǔ)底圖，參照建筑物真實(shí)尺寸和比例制作，建筑物高度數(shù)據(jù)是通過(guò)航空攝影測(cè)量方法實(shí)際測(cè)量得到。建筑物紋理貼圖的獲取主要有2種方法：通過(guò)紋理貼圖素材庫(kù)和實(shí)地?cái)z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(lái)自實(shí)際測(cè)量，因?yàn)槿S產(chǎn)權(quán)體還沒(méi)有在實(shí)際地籍管理工作中投入使用，沒(méi)有真實(shí)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(tái)選用Google SketchUp軟件，通過(guò)其插件SketchUp ESRI能夠很好的與ArcGIS實(shí)現(xiàn)交互。將制作出來(lái)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(chǎng)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(duì)地物要素的建模主要包括對(duì)點(diǎn)狀、線(xiàn)狀、面狀地物模型的構(gòu)建。

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

本次涉及的線(xiàn)狀要素主要是道路。建模時(shí)將這些線(xiàn)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(duì)其進(jìn)行紋理貼圖制作。對(duì)于那些位于起伏地形基礎(chǔ)上的道路，可以使用Sandbox（沙盤(pán)）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(chǎng)地等。本系統(tǒng)中建筑物是最重要的地物。對(duì)建筑物的建?；揪褪钱?huà)線(xiàn)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(duì)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(dòng)創(chuàng)建，而對(duì)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(guò)3個(gè)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(duì)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(shí)景照片來(lái)代替模型細(xì)部，但是實(shí)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(guò)改變貼圖坐標(biāo)來(lái)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(shí)現(xiàn)貼圖的無(wú)縫拼接。如果建筑物不規(guī)則，則必須用Photoshop對(duì)圖片截取，然后分別對(duì)建筑物各個(gè)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(huì)以Multipatch（多面體）形式導(dǎo)入到Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)中，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)通過(guò)共同的ID字段進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以便實(shí)現(xiàn)空間信息和屬性信息的雙向查詢(xún)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(guò)鼠標(biāo)測(cè)量長(zhǎng)度和面積值。

用戶(hù)可以設(shè)置書(shū)簽，方便快速訪問(wèn)場(chǎng)景，可以錄制飛行錄像，并且可以根據(jù)實(shí)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(xún)：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(xún)：可以根據(jù)圖層數(shù)據(jù)庫(kù)表字段構(gòu)造查詢(xún)表達(dá)式對(duì)所有圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)，并在地圖上進(jìn)行結(jié)果定位；

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

4）宗地編輯：可以對(duì)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?cái)?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(lái)越成為地籍管理工作人員關(guān)注的重點(diǎn)。作者團(tuán)隊(duì)根據(jù)三維地籍管理需要，開(kāi)發(fā)了一套地籍三維原型系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了三維地籍的查詢(xún)管理功能，其中還有很多高級(jí)功能有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。未來(lái)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(shí)，如何使用建模軟件實(shí)現(xiàn)大范圍批量建模，提高工作效率；

2）如何在三維場(chǎng)景下制作與輸出地籍圖、宗地圖等專(zhuān)題地圖；

3）結(jié)合地籍管理實(shí)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(jì)功能，從而提高三維技術(shù)在地籍管理上的應(yīng)用深度。