建立三維地籍的關鍵技術研究

文/付美芳、付榮芳 江西省地礦測繪院 江西南昌 330001

建立三維地籍的關鍵技術研究

文/付美芳、付榮芳 江西省地礦測繪院 江西南昌 330001

本文研究的目的：探索和尋求建立三維地籍的方法，分析建立三維地籍的關鍵技術。本文研究的方法：本文研究的方法主要是通過文獻法和實際操作過程中解決問題的方法(實踐法)。研究的結果：研究的結果有以下兩個：1.三維地籍是地籍發(fā)展的一個必然趨勢，目前乃至今后一段時間內，三維地籍的解決方案主要有建模法和注釋法；2.建立三維地籍的關鍵技術主要包括三維地籍建模與數(shù)據(jù)庫技術(既三維地籍數(shù)據(jù)的存儲、表示與應用)。

三維地籍；建模；數(shù)據(jù)庫

1、引言

我國城鎮(zhèn)已基本建立了以宗地為基礎的地籍，這是一種二維地籍，即人們將現(xiàn)實生活中的三維地籍要素和其他空間實體投影到二維平面上，轉化為二維目標，將與第三維有關的信息（如建筑物高度、層數(shù)等）作為屬性處理，這在許多場合下給地籍空間信息的表達與管理帶來一定困難。

土地在三維空間的利用狀況，僅僅在土地登記的過程中進行了簡單的記載，不能全面地反映土地利用在空間上的分布狀況，使得二維地籍在保障土地使用者權益和為社會經濟發(fā)展規(guī)劃提供基礎數(shù)據(jù)等方面存在著一定的缺陷。

三維地籍是社會發(fā)展、地籍學發(fā)展的必然趨勢，三維地籍的建立能有效的為國土部門、為社會更好的服務。所以，三維地籍的研究和建立具有現(xiàn)實意義。雖然在現(xiàn)有的技術、經濟和法律條件下實現(xiàn)三維地籍，還存在著一定的困難，但是三維地籍的研究和建立對推動地籍的發(fā)展具有積極的作用。因本論文主要是探討建立三維地籍的關鍵技術，所以建立三維地籍存在的經濟和法律問題在此將不討論。

2、三維地籍簡介

2.1 三維地籍的定義

三維地籍是在地籍的概念中引入三維產權（空間產權）的含義。三維產權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利實體。三維權利實體的特征：基礎是一個封閉三維的空間，在空間上具有連續(xù)性；劃分的依據(jù)是不同權利，同時綜合考慮土地的利用類別、質量和時態(tài)等其他要素；是三維地籍中最小的單元，相當于現(xiàn)在地籍中的宗地。

三維地籍與二維地籍的不同在于：三維地籍建立的基礎是三維空間上的權利實體，它的三維邊界是明確的，在空間上是連續(xù)的，而二維地籍建立的基礎是二維平面上的宗地，在平面上具有明確的邊界，三維上沒有明確的邊界；三維地籍登記的權利是一個封閉的實體，二維地籍中登記的權利包括從地表到地心和地表以上的所有空間；三維地籍記載了封閉的權利實體所有的三維空間信息和屬性信息，而二維地籍記載的主要是宗地二維平面的空間信息和屬性信息，對三維信息的記載有限；三維地籍可以準確的反映出土地利用的空間分布情況，二維地籍在土地利用的空間分布上存在著不足。

2.2 三維地籍的現(xiàn)狀及解決方案

2.2.1 三維地籍現(xiàn)狀

現(xiàn)有的三維地籍的例子有：樓頂建筑、地上和地下的基礎設施、日益增多的電纜和管道和公寓住宅。這些三維自然對象通常與被明確定義的法律對象并不一致。因此，他們不能夠被定義為地籍圖中的地籍對象，也不能夠作為登記的基礎?？紤]到三維對象的不斷增加，業(yè)內人士與科學家正在尋求問題的解決方案。這些研究將涉及三維法律對象與三維自然對象的定義，以及它們在地籍中的登記方法和需建立的模型。

2.2.2 三維地籍的解決方案

目前，國際地籍學術界都在積極探索解決三維地籍的方法，并取得了一定的進展，尤其以荷蘭地籍最為顯著。但目前還沒有很好解決三維地籍的方法。本人在查閱和分析三維地籍方面的資料的基礎上，總結出以下兩種進行三維登記的可能解決方案。

2.2.2.1 建模法

建模法就是重新建立三維模型。這意味著引入三維財產權的概念。建立相應的地籍三維模型，它們互不相交、重疊和沒有空隙。在三維模型上進行日常的地籍登記。三維地籍建模不同于虛擬視覺和景觀建模，三維建模不但注重視覺和感觀上的逼真，而且注重內部結構的逼真，因為三維地籍的建模主要的目的是進行三維產權的登記。所以，三維建模更加注重實效，比一般的三維建模難度更大。

2.2.2.2 注釋法

注釋法就是在二維的基礎上對三維進行注釋。這意味著保留二維地籍，同時加上外部注釋表明三維狀況。復雜的三維利用情況用特別的方法進行登記。注釋可以通過多種不同的方式完成。最簡單的方法是在登記中（管理登記簿與地籍索引圖）貼上三維標簽，因此使用者可以在登記簿中找到詳細的信息。更加高明的選擇是在登記中增加三維描述。這種描述可以是模擬形式的，也可以是數(shù)字形式的(如計算機輔助制圖）。在后一種情況下，信息應當儲存在數(shù)據(jù)庫里。三維自然物體的投影輪廓也應登記在地籍圖中。

以上兩種方法各有優(yōu)劣：建模法是真三維地籍，但它對技術的要求比較高，需要大量的人力、物力和財力支持；注釋法是假三維地籍，只能起到說明三維的效果，既表達三維的意思，沒有真三維的立體效果，但它相對于建模法比較簡單，不需要太大的投入。在中短期內，有效表達三維自然對象的技術也將實現(xiàn)。然而，創(chuàng)建與保持三維拓撲結構不會很快變?yōu)楝F(xiàn)實。注釋法在技術應用上是最有前途的，而且這種方法已經得以實施。但從三維地籍的長遠發(fā)展來看，建模法更具潛力。

3、三維地籍的關鍵技術

三維地籍涉及到的技術主要是三維數(shù)據(jù)的采集和三維數(shù)據(jù)的建模、存儲、表達和應用。三維數(shù)據(jù)的采集在現(xiàn)有的測量技術下已不存在很大的技術問題。利用目前先進的測量技術，可以很容易的獲得地物的空間位置。

所以，要有效的解決三維地籍問題，三維地籍數(shù)據(jù)建模和三維地籍數(shù)據(jù)的存儲、表達和應用是兩個比較關鍵的技術。下面將分別從這兩方面敘述。

3.1 三維地籍建模技術

現(xiàn)在的三維建模技術已基本成熟，特別是基于圖像的建模技術，使得三維建模更加簡單和逼真，是三維建模的一個發(fā)展趨勢。目前，基于三維建模的軟件和產品也很多，著名的軟件有3DMax和AutoDesk公司；產品有杭州的edoushi等。

但三維地籍建模與普通的三維建模并不相同。從功能上來講，地籍三維功能更加強大，不僅要表示外觀上的三維，還必須滿足內部結構的三維；而且對技術的要求更高了，因為三維地籍必須滿足三維地籍登記的功能，所以要給用戶一種在現(xiàn)實中的感覺：讓用戶瀏覽每一單位時，能立即瀏覽到該單位的基本地籍信息(如面積、位置和權屬信息等)。

近年來，國內外在三維數(shù)據(jù)模型方面已取得一定的進展，所提出的三維數(shù)據(jù)模型大致可分為三類：一是基于表面表示的數(shù)據(jù)模型，如格網結構(GRID)、不規(guī)則三角形格網(TIN)、邊界表示(BR)和參數(shù)函數(shù)；二是基于體表示的數(shù)據(jù)模型，如三維柵格(Array)、八叉樹(Octree)、實體結構幾何法(CSG)、四面體格網(TEN)等；三是前兩類模型的集成（或混合）模型，如TIN與CSG的集成、TIN與Octree集成等。

建立三維地籍模式的技術難點就在于如何給三維中的每個單位附上地籍屬性。本人認為要解決這個問題有以下兩種方法：

（1）照片法

照片法就是在建好的三維地籍模型上，給每個單元附上相應的地籍屬性。可以以一種圖片的形式，在圖片上寫上該單元的地籍屬性，然后以紋理的形式附在該模型上。

該方法比較簡單，但工作量比較大，而且不易更新和維護。

（2）坐標法

坐標法就是建立真實的三維地籍坐標，給每個單元附上該單元屬處的坐標范圍，以來標識該單元的真實空間位置。可以將坐標值和地籍屬性數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中，形成對應關系。

該方法技術含量高，但一旦模型和系統(tǒng)建好以后，更新和維護非常方便。

3.2 數(shù)據(jù)庫技術

因為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中沒有拓撲結構的管理或線形網絡，難于更新數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中的幾何信息。雖然一直努力將OGC規(guī)范擴展為三維，但它至今還是二維的。在主流數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中空間數(shù)據(jù)類型的實現(xiàn)基本上也還是二維的。

在Oracle spatial 9i系統(tǒng)中支持的空間特征是點、線、面（包括弧段、方形和混合幾何集）。雖然Z值法用于代表三維特征（三維點、三維線和三維面），但是并不支持三維模型。其拓撲結構得不到體現(xiàn)（為真正的二維），三維的空間實體也不能夠進行表達與處理。實驗表明，在三維集合類型中定義的z值法不能夠用于空間查詢。缺乏三維拓撲關系的后果是找不到相鄰關系。

當物體保持拓撲特征時，其圖形特征可以通過拓撲特征獲取。這就是說，圖形特征可以通過存儲的拓撲關系派生出來。這個領域已經提出了許多概念。雖然這在主流數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中沒有被采用，但這方面的工作仍在繼續(xù)。

目前的數(shù)據(jù)庫都不能實現(xiàn)三維拓撲關系，所以單純的依靠數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)三維地籍的方法是行不通的。在目前的情況下只能采用三維建模和數(shù)據(jù)庫相結合的辦法。但三維地籍建模的數(shù)據(jù)量非常龐大，在數(shù)據(jù)庫中如何有效的、快速的存取三維地籍數(shù)據(jù)是一個必須解決的問題。

本人結合自己的實踐經驗，對于數(shù)據(jù)庫存取圖形文件，認為應首先考慮數(shù)據(jù)量的大小。三維地籍數(shù)據(jù)量非常之大，按照數(shù)據(jù)庫的存取數(shù)據(jù)的機制，超過10M的數(shù)據(jù)盡量避免以二進制的形式存儲，應以文件的形式存儲，數(shù)據(jù)庫只存儲文件的索引原則，本人認為三維地籍數(shù)據(jù)庫只存儲三維地籍圖形文件的索引為最佳。

結論：

本文所討論的是一種純三維地籍的實現(xiàn)情況。在目前，由于技術等各方面的限制，大部分三維地籍都是在二維的基礎上實現(xiàn)的。本文在分析三維地籍現(xiàn)狀，以及研究實現(xiàn)三維地籍的關鍵技術的基礎上得出以下幾點結論：

1.可操作

從技術角度看，三維地籍有相當成熟的技術支撐，如三維建模、數(shù)據(jù)庫和軟件等技術。所以說實現(xiàn)純三維地籍可操作性強。

2.實現(xiàn)的關鍵技術

實現(xiàn)三維地籍的關鍵技術是三維地籍建模和數(shù)據(jù)庫。三維地籍建模不同于普通的三維建模，它需要很強的內部結構或現(xiàn)實的坐標系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫目前還不能實現(xiàn)三維拓撲關系，只能通過存取圖形文件來實現(xiàn)三維地籍，所以數(shù)據(jù)庫能否實現(xiàn)三維拓撲關系和快速存取圖形數(shù)據(jù)直接影響著三維的地籍的發(fā)展。

3.發(fā)展趨勢

雖然目前大多數(shù)都是在二維上實現(xiàn)三維地籍，但純三維地籍具有其他三維地籍無可比擬的現(xiàn)勢性、感觀性和方便性。所以，三維地籍的發(fā)展方向最終將朝著純三維地籍的方向發(fā)展。

隨著法律、制度的不斷完善和技術的飛速發(fā)展，當建模技術和數(shù)據(jù)庫技術達到一定的標準時，有理由相信，實現(xiàn)純三維地籍只是水到渠成的事情。

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