張敬波，王貴和，吳洪橋，李 堃

（1. 自然資源部信息中心， 北京 100830；2. 北京超圖軟件股份有限公司，北京 100015）

0 引言

近年來，三維空間技術快速發(fā)展，應用的行業(yè)和領域不斷拓寬和深化。三維空間技術集三維表達、三維建模、三維可視化等技術于一體，提供了通過構建事物的三維空間模型逼真模擬現實世界的有效途徑，以更加符合人類認知的方式[1]，消除了人們對傳統(tǒng)二維空間世界的依賴，突破了傳統(tǒng)二維空間技術與思維方式的局限，實現了現實世界與虛擬世界的融合，使虛擬世界變得立體而真實；同時也為相關行業(yè)和領域的現代化管理與發(fā)展提供了創(chuàng)新性技術途徑。

目前，我國正在開展自然資源統(tǒng)一確權登記制度建設。自然資源作為自然資源統(tǒng)一確權登記的核心對象，既是物權語境中權利客體，更是現實世界中地理實體。自然資源作為地理實體，在我國的國土空間內既占有特定的空間位置，又天然具有立體特性。通過三維空間技術應用對自然資源進行三維空間表達與建模，獲得自然資源實體空間模型和真實、準確、可信的自然資源空間數據，可夯實自然資源確權登記對“物”的特定性和確定性要求；對三維空間數據進行可視化，可以提高自然資源確權登記工作效率和質量，為自然資源登記簿的法定效力更具權威性奠定基礎。為此，本文以自然資源確權登記管理單元——自然資源登記單元為核心對象[2-3]，首先，分析了自然資源登記單元的空間要素組成與特征，明確了三維空間要素；其次，依據主流的三維建模技術，對自然資源登記單元中的三維空間要素進行三維表達；最后，應用已開發(fā)的自然資源確權登記成果展示系統(tǒng)進行自然資源登記單元三維空間數據的可視化展現。

1 自然資源登記單元及其空間要素

1.1 自然資源登記單元的含義與空間特征

具有明確的對象所指是任何制度建立與實施的前提，自然資源確權登記制度實施的最終指向對象是自然資源登記單元。自然資源登記單元被賦予了多層含義。從認知層面看，自然資源登記單元作為自然資源確權登記制度語境下的一個核心概念，具有特定的內涵和外延，自然資源登記單元是指所有權主體清晰、自然資源種類明確、生態(tài)功能完整、集中連片和邊界封閉的空間范圍[4]；自然資源登記單元依據自然資源類型與特征分為海域、無居民海島、自然保護地、水流、濕地、森林、草原、荒地、探明儲量的礦產資源、其他等類型。從操作層面看，自然資源登記單元是自然資源統(tǒng)一確權登記的基本單位，是各項自然資源統(tǒng)一確權登記工作展開的起點和終點。從表現形式層面看，自然資源登記單元與自然資源登記簿關系緊密，自然資源登記單元是自然資源登記簿物的編成表征方式，是自然資源登記簿的組織單位，其信息是自然資源登記簿的內容；自然資源登記簿是自然資源登記單元的外在形式。自然資源登記單元盡管含義豐富，卻依空間屬性表征其存在。自然資源登記單元具有如下空間特征。

（1）空間要素類型多樣。自然資源登記單元由自然資源登記單元邊界、權屬邊界、自然資源類型邊界等多專題空間要素組成，其中權屬邊界分為全民所有區(qū)、集體所有區(qū)和權屬爭議區(qū)邊界，自然資源類型邊界分為森林、水流、濕地、草原、荒地等。這些專題要素表達了自然資源登記單元的多方面特征，體現自然資源登記單元空間要素類型的多樣性。

（2）空間區(qū)域組合性。一個自然資源登記單元既可代表一塊連續(xù)、界線封閉的自然資源生態(tài)空間，也可以代表多塊獨立分離、各自界線封閉的自然資源生態(tài)空間。自然資源登記單元與自然資源生態(tài)空間之間存在一對多的組合關系，體現自然資源登記單元的空間區(qū)域組合性特征。

（3）空間邊界的復雜性。一個自然資源登記單元空間邊界既取決于自身的生態(tài)空間邊界，也取決于邊界內是否存在生產空間或生活空間。如邊界內存在生產空間或生活空間，一個自然資源登記單元空間邊界由生態(tài)空間外邊界和去除生產空間或生活空間后的內邊界共同構成，這種由一個外邊界、多個內邊界構成的環(huán)狀多邊形體現自然資源登記單元空間邊界的復雜性。

（4）自然資源異質性。不存在只有一種自然資源的自然資源登記單元。一個自然資源登記單元總是存在多種自然資源類型，也就是不同類型的自然資源及其空間共同構成了自然資源登記單元空間，如南湖國家公園登記單元同時存在水流、森林、濕地、草原等自然資源類型。自然資源登記單元存在的多種自然資源類型體現了自然資源異質性，也體現了空間異質性。

1.2 自然資源登記單元的空間要素組成

與自然資源確權登記劃分“四條邊界”的工作要求相對應，自然資源登記單元的空間要素可分為三類。第一類空間要素是登記單元，具體要素包括登記單元界址點、登記單元界址線、登記單元面，既表征了登記單元代表的生態(tài)空間邊界，又表征了不同層級政府行使所有權的邊界。第二類空間要素是權屬空間，具體要素包括全民所有區(qū)、集體所有區(qū)和權屬爭議區(qū)，分別表征了登記單元空間內全民所有和集體所有之間的邊界與不同集體所有者之間的邊界以及客觀存在的因爭議而無法確權的區(qū)域。第三類空間要素是自然資源類型要素（斑塊），包括水流自然資源類型邊界（水流斑塊）、森林自然資源類型邊界（森林斑塊）、草原自然資源類型邊界（草原斑塊）、濕地自然資源類型邊界（濕地斑塊）、荒地自然資源類型邊界（荒地斑塊）、海域自然資源類型邊界（海域斑塊）、無居民海島自然資源類型邊界（無居民海島斑塊）、探明儲量礦產自然資源類型邊界（礦產斑塊），表征了在登記單元空間內不同自然資源類型的邊界及空間。

除了構成自然資源登記單元的空間要素外，還有與自然資源登記單元緊密相關的空間要素，包括基礎地理要素（行政區(qū)、地籍區(qū)、影像等）、專題要素（地類圖斑等）、空間管制要素（生態(tài)紅線、規(guī)劃分區(qū)等）和關聯要素（不動產、取水權、排污權等）。

1.3 自然資源登記單元的三維空間要素

自然資源登記單元的空間要素代表著不同的空間實體，這些空間實體分為人為設定空間實體和客觀存在空間實體。人為設定空間實體是一種虛擬實體，在現實中沒有對應物，包括登記單元界線、權屬界線等，其三維特征隨相關的客觀實體獲得?？陀^存在的空間實體與現實空間或現實實物（自然物或人造物）相對應，具有現實世界的三維空間特性（占據空間位置、具有幾何形狀等）。這些客觀存在的空間實體又依據空間連續(xù)或離散特征，分為連續(xù)空間實體和離散空間實體。下面對自然資源登記單元中客觀存在的空間實體進行三維特征分析，如表1所示。

表1 自然資源登記單元空間實體三維特征分析

2 自然資源登記單元三維空間要素表達

2.1 自然資源登記單元的連續(xù)三維空間要素表達

自然資源登記單元的連續(xù)三維空間要素主要包括登記單元、全民所有權宗地、集體土地所有權宗地、權屬爭議區(qū)、森林斑塊、草原斑塊、荒地斑塊、濕地斑塊、無居民海島斑塊等，可以用數字高程模型（DEM）進行表達。DEM是用已知的X、Y、Z坐標點表達地形表面的一種數據模型，一般擁有規(guī)則格網（Grid）和不規(guī)則三角網（TIN）兩種構造方式[5]，如圖1所示。TIN模型以三角面網絡模擬地形，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的測點的密度和位置。Grid模型以格網模擬地形，格網大小與地形復雜性密切相關。在實際工作中，如何利用TIN模型或Grid構建DEM需要根據自然資源登記單元所在空間的地形特征進行選擇。

圖1 DEM構造方式

2.2 自然資源登記單元的離散三維空間要素表達

自然資源登記單元的離散三維空間要素主要包括有界樁的界址點、水流斑塊、海域斑塊和礦產斑塊，可用三維點線面模型、不規(guī)則四面體網格（TIM）、體元柵格、混合面-體單元等三維數據模型進行表達。三維點線面模型是一種表達離散空間的簡單模型，其中三維點用單個的X、Y、Z坐標表示；三維線用一系列有序的X、Y、Z坐標串表示；三維面用一系列有序的X、Y、Z坐標串表示，最后一個點的坐標必須與第一個點的坐標相同。TIM通過拓撲連接高精度的N個不規(guī)則四面體構成，最小單元為不規(guī)則四面體，可以用來表達礦體，如圖2所示。體元柵格（Voxel Grid）通過離散三維空間點集獲得，對三維連續(xù)空間的規(guī)則（立方體/正六棱柱）進行劃分，結構簡單?；旌厦?體單元結合了面模型和體模型的優(yōu)點，可以更好地模擬三維連續(xù)空間實體。

圖2 礦體的TIM模型示意

2.3 自然資源登記單元的三維空間要素建模方法

自然資源登記單元的三維空間要素建?？刹捎脙A斜攝影自動化建模、三維激光點云等技術。傾斜攝影自動化建模技術通過同一飛行器的多臺傳感設備同時從垂直、傾斜多個角度采集影像，并全自動批量建模生成傾斜攝影模型，能夠直觀準確地反映地表真實情況，具有高精度、高效率、高真實感和低成本的優(yōu)勢，可以為自然資源登記單元提供地表三維數據。三維激光點云技術利用激光測距原理，通過記錄被測物體表面大量、密集點的三維坐標、反射率、顏色和紋理等信息，可快速構建被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據，已成為自然資源登記單元三維空間數據的重要獲取途徑。

此外，自然資源登記單元的三維空間要素建模也可針對特定的空間實體采用BIM、手動建模等技術，實現精準建模。

3 自然資源登記單元的三維空間可視化技術

3.1 三維瀏覽

三維瀏覽可對自然資源登記單元的三維空間進行放大、縮小、旋轉、俯視角度、俯視高度、全景視圖等操作；可對水體、礦體的三維模型進行全方位瀏覽；可與各類自然資源斑塊二維要素疊加進行拉簾瀏覽等操作。

3.2 三維空間運算

三維空間運算可對自然資源登記單元的三維空間進行空間查詢、空間運算（交、并、差）等操作，三維體對象空間運算后的結果仍是三維體；通過對模型進行截面、投影等操作可以獲取二維數據，達到降維效果；通過對二維數據進行拉伸、放樣、直骨架等操作獲取模型數據?？蓪ψ匀毁Y源登記單元的三維空間進行包含、相交、相離等空間關系判斷。

3.3 三維量算技術

三維量算技術可在自然資源登記單元的三維空間內進行三維量算，支持空間距離量算、貼地距離量算、水平距離量算、空間距離量算、空間面積量算、貼地表面積量算、高程量算等功能。三維量算示例如圖3所示。

圖3 三維量算示例

3.4 三維分析

可在自然資源登記單元的三維空間內進行三維分析，支持剖面線分析、等高線分析、坡度坡向分析等功能。三維剖面線分析可針對水體、礦體等三維對象，在任意方向畫出一條切線，自動生成剖面線圖，并且支持在剖面線圖上進行量算、位置查詢等功能。等高線分析可在三維空間內任意指定范圍，自動獲取并通過分層設色策略實時繪制此范圍內的等值線，并可設定等值線的顯示模式、線顏色、紋理顏色表、透明度、最小高程、最大高程、等值距等屬性。坡度坡向分析可在地形上指定任意范圍，自動獲取并通過分層設色策略和繪制指示箭頭生成坡度坡向圖，可根據顏色和箭頭指向直觀地查看地形起伏大小和起伏方向；并支持設置最大、最小可見坡度，顏色表及查詢單點的坡度坡向數值功能。

3.5 三維飛行

可以在自然資源登記單元的三維空間內進行多種方式的模擬三維飛行?？梢宰远x飛行航線，如在自然資源登記單元內以一條河流的河道為航線、以自然資源登記單元邊界線為航線等；可以設定飛行方向，如逆時針或順時針方向；可以設定飛行速度和飛行高度；可以飛行航線回溯等。三維飛行可以整體了解自然資源登記單元空間內的地形地貌和自然資源分布狀況，如圖4所示。

圖4 三維飛行示例

4 結語

利用三維空間技術進行自然資源確權登記三維空間數據表達和可視化技術研究，是開展三維自然資源確權登記的必要性和前提性工作。本文在自然資源確權登記工作實踐基礎上，對自然資源登記單元的空間要素組成與空間特征、自然資源登記單元三維空間數據表達、自然資源登記單元三維空間數據可視化等內容進行了初步研究，對各地正在或將要開展的三維自然資源確權登記工作具有技術借鑒和啟發(fā)意義。隨著三維空間技術在自然資源確權登記工作中的深入應用，將繼續(xù)關注三維空間技術的最新進展和實踐，并針對不同自然資源登記類型的自然資源登記單元三維空間數據建模和表達展開深入探索和研究，以期待推動三維自然資源確權登記工作盡快實現。