基于时空数据模型的土地地籍管理研究*

周晋

（信阳师范学院城市与环境科学学院，河南信阳　464000）



·问题研究·

基于时空数据模型的土地地籍管理研究*

周晋

（信阳师范学院城市与环境科学学院，河南信阳464000）

摘要土地是最基础与最重要的资源与资产，是国家经济政策拟定的依据，是实施规划纲要与落实方针政策的基础。土地是人类生存的基础，而且是不可再生的，只有加大土地管理的力度，高效合理地利用土地，才能实现我国可持续发展的目标。地籍管理是土地管理工作的重点领域，是土地产权得到保障的前提。目前的土地管理集中在对土地产权的管理，土地产权变化会涉及到地理实体时间、空间及属性的变化，时态GIS正好反映了此变化。目前时态GIS的研究集中在对时空数据模型的建构。时空数据模型决定了时态GIS系统的运行效率。无论是国内还是国外均对时空数据模型进行了研究，通过模型的构建的相应地提出了超过20种模型，而在实际的应用中，不同的模型有不同的特点。文章对典型的6种时空数据模型进行了分析，从模型的建模思路出发，分别探讨了模型的适合环境与优缺点，可以为人们在应用时空数据模型进行土地管理时提供帮助，有利于研究者对模型的进一步研究。

关键词土地管理时空数据模型地籍管理时态GIS

民以食为天，食以土为本。人类的生存资料主要来源于土地，人类的生存依赖于土地。土地是最基本的自然资源［1，2］。土地面积是有限的，土地资源是不可再生的，人类进入21世纪以后，一系列全球性的环境问题接连出现，这也使得土地可利用的资源进一步减少，土地资源的管理迫在眉睫。我们必须加强土地的管理，努力提高土地的管理水平，合理地利用土地，实现土地的可持续发展，造福于子孙后代［3］。地籍管理是土地管理工作的基础，是土地产权得到保障的前提［4］。地籍管理，有助于推进我国土地管理工作向着信息化的方向发展，有利于与国际地籍管理接轨［5］。因此，地籍管理工作必须放在土地管理工作的突出位置。

1　土地地籍管理概述

地籍，正如户口一样，土地也有自己的“户口”，主要是对土地的基本信息如土地产权、土地质量、土地利用状况进行文字记载，以文档保存的形式来记录土地的变化。地籍是进行土地管理的基础资料，加强地籍管理能够更好地维护土地产权权益，更快地推动土地使用制度改革的深入，同时还能够为我国经济社会发展计划的制定提供坚实的材料［5］。

土地地籍管理主要是对地籍信息进行组织管理，使之服务于土地的进一步管理，通过地籍管理可以了解土地的利用状况。它的工作内容主要有：地籍调查、土地统计、土地登记、土地评价［6］。目前的土地管理主要是对土地产权问题的组织管理，它涉及到时间、空间及属性的变动。要想进一步了解时间、空间及属性的变化，必须使用时态GIS。过去的静态地籍管理信息系统仅能反映当前的土地利用状态，无法观测土地的变化历程。而时态地理信息系统 （temporal GIS简称TGIS）能观测土地利用状况的动态变化［7］。TGIS不仅能够建构时空数据模型，用来对空间实体的时间、空间及属性的变化进行记录，并且还能对空间实体变化过程中产生的数据进行存储。时空数据模型使得TGIS的应用更加便利与高效，已经成为土地管理中不可缺少的工具。因此，通过对时空数据模型研究可以拓宽土地管理的路径，为土地管理工作提供便捷，并且对土地模型的研究提供理论基础［3］。

2　TGIS时空数据模型

Gail Langran于1992年最先提出了TGIS概念，并从此获得了较快的发展。时空数据模型正是随着TGIS的发展应运而生，并逐渐成为TGIS研究的焦点［8］。时空数据是反映地理空间实体变化的属性、时间、空间数据。时空数据模型能通过建模的方式对时空数据进行统一管理，使其反映出地理实体的变化［9］。时空数据模型决定了TGIS系统操作的便捷性及功效，并且影响与制约着TGIS其它方面的研究与发展［10-12］。为此，国内外学者们进行了大量的模型研究工作，提出了各种时空数据处理的方法。目前，主流的时空数据模型主要有6种，分别为时空立方体模型、序列快照模型、基态修正模型、时空复合模型、面向对象模型、基于事件的时空数据模型，以下分别对几种主要的时空数据模型进行了简单的分析。

2.1序列快照模型 （Sequent snapshots）［13］

序列快照模型又称为连续快照模型，分为矢量快照模型与栅格快照模型。基本思路是对于某一时间下空间实体的状态，可以用快照的方式进行图片的存储，而对于空间实体的连续变化，可以以一定的时间间隔进行快照保存一系列的图片，通过这些图片的连续变化可以反映地理现象的时空演化过程，如果需要观测某一时刻的时空变化可以对保存的时间片段进行指定时间的播放［10］。这种模型对于矢量与栅格时空快照模型操作较为简单，通过对过去状态的数据作为归档文件存储，可以随时根据现实的需要来观察空间目标的变化［14］。

这种模型的优点为：（1）模型建构比较简单，在系统软件中易于实现［15-16］。（2）数据库可以保持可用状态，便于历史数据的查询［15-16］。缺点为：（1）数据冗余大，系统效率低。在进行快照存储时间片段的过程中模型会对未发生变化与发生变化的实体片段均进行保存，造成数据量变大，系统的效率会随着模型变化的频繁与数据量增大而急剧下降［10，17-18］。（2）无法进行历史数据回溯以及无法进行图层之间关系的描述。因为快照只能对特定时刻的空间实体进行保存，这是一个非连续的过程，而对于现实的空间实体，其变化是一个连续变化的过程，这样会使得该模型无法观测实体的连续变化以及探究不同时刻之间的关系［15，19-20］。

综上，此模型只能描述某一时刻的时空数据，无法进行数据的连续跟踪变化，这说明此模型比较适合那些处于静态过程、不用进行实时观测的系统［19］。目前该模型只处于概念层面，开发价值较小［15］。

2.2基态修正模型 （Base state with amendments）［21］

基态修正模型也称为底图叠加模型，它是在快照模型基础上的修正。由上文的分析可知，快照模型在进行快照存储时会将未发生变化部分特征重复记录，这会占用大量的数据空间，致使模型的运行效率降低。正是基于此，基态修正模型的建模首先对选定的初始状态的时空数据进行保存，然后在此基础上对不同时间点的变化了的数据进行存储。由于快照模型包括矢量与栅格模型，基态修正模型也对应的包括矢量修正模型与栅格修正模型。基态修正模型中基于选定的基态，只对变化的数据进行存储，因此每变化一次，只记录很少的数据量，大大地降低了数据的冗余；同时，除了基态，系统只在特定的时刻存入发生变化的数据，这使得空间实体发生变化的时间与状态变化一一对应，有利于对历史时刻空间状态的查询。基于此模型，Peuquet与Duan开发了基于事件的时空数据模型 （ESTDM）［10，28］。

该模型的优点是：（1）在时间序列上对空间实体的变化进行查询较为简便，可以直观地描述空间实体的变化状态信息，包含了空间实体在时间序列上的拓扑特征，因此，这使得观测空间实体的变化较为容易，并且通过一一对应的关系能较快的进行数据的错误检验，发现数据的不完整性［14，22，20］。（2）由于只存储变化量减小了存储数据容量，降低了数据冗余度［22］。缺点是：（1）只存储基态量与变化量导致空间无法避免实体被割裂，对实体的状态与变化查询比较困难，需要进行复杂的模型计算［10］。（2）与快照模型相似，无法探究空间实体之间的关系［9］。（3）运行效率取决于基态的设置，不适用于信息状态变化频率较大的动态时空数据，对非基态信息状态的获取与查询需要进行大量的叠加操作［22］。

2.3时空复合模型 （Time-space composite model）［23］

Chrisman于1983年首先提出了时空复合模型，随后在1988年Langran与Chrisman对它进行了详细阐释［15］。以基态修正模型为基础，时空复合模型主要是采用实体分割的方式将不同时间状态下的空间实体进行划分，然后人为地将划分后的空间状态进行叠加形成一个复合的图形。在进行分割时，空间实体的每一次状态变化都会有一部分区域从其本来的实体中割裂出来而形成新的独立地理实体，新的实体将会保持着原实体的时间变化属性或获得新的变化属性［20］。

该模型随着序列快照模型与基态修正模型的发展而发展，它克服了快照模型的缺点，兼具基态修正模型与快照模型的优点，数据冗余小，系统运行速度较快，同时能够进行空间实体的变化。但是，该模型也存在如下缺点：（1）在进行模型建构时会遇到对象标识更新困难的问题，需进行遍历搜寻与修改。（2）在模型建构过程中需要对空间实体进行分割，这样会打乱实体的整体性，如果需要对地理实体进行历史回溯，会使操作变得非常困难［22］。（3）无法进行属性变化的描述，当数据库更新时，时空复合的基本单元之间的关系需要重建。（4）在叠加过程中将带来多边形碎化，对关系数据库过分依赖等［16］。

2.4时空立方体模型 （Space-time cube）［24］

Hagerstrand于1970年提出了时空立方体模型［15］，该模型的基本思路是三维空间实体由三维空间坐标（x、y、z）进行表示，x与y轴代表2个空间维，z轴代表时间维，地理实体的变化可以由此三维空间坐标进行描述。根据需要可以观测任意时刻下的空间实体状态，具体操作时首先找到时间点并截取相应的平面 （x轴与y轴组成），此平面即现实世界在该时间点的平面几何状态。通过三维空间坐标时空数据的变化可以很好地描述出来［20］。

该模型的优点是：利用空间三维坐标重构时空实体的变化，使描述对象更加直观，通过一个时空体来描述时间与空间属性，对地理实体的变化能进行简单地描述［16］。缺点为：（1）操作效率易受数据量的影响。当数据量较大时，模型对立方体的计算会变得越来越复杂，产生了较多的数据冗余，使系统对时空数据的处理速度变得很慢［18］。（2）在运用模型过程中空间维度与时间维度的选择是关键，在实际应用设计中表达较为困难［22］；鉴于时空数据模型的研究现状，时空立方体模型的应用较为困难，目前只处于建模理论阶段。

2.5面向对象的数据建模 （Object-oriented models）［25］

面向对象是一种方法学，它随着程序设计方法学发展而逐渐成熟。随着上文几种模型的发展，面向对象的方法学逐渐被用于时空数据模型建立上，以此发展成了面向对象的数据建模，并取得了较好的结果［17，26-27］。其核心思想是通过对象来表示所要观测的系统，规范对象之间的相同性与相互作用方式，这可以简化逻辑过程的建模并使得其易于实现［15］。在时空数据建模中使用面向对象的思想有如下优点：（1）便于时空数据的历史查询，能够表征空间实体的连续变化过程。（2）运用面向对象的方法，将空间实体视为一个对象，查询简便快捷。（3）与其它的模型相比，它的时间数据的操作更为有效。

但是，目前面向对象的数据模型基本上是通过概念来对空间实体的关系进行描述，无法进行实体之间相互作用关系描述。而且，该时空数据模型在进行建模过程中会产生大量的数据冗余与信息不完整，从而破坏了空间实体的完整性［22］。由于面向对象技术没有形成统一的技术标准、缺少商业化的面向对象数据库的后台支持，现阶段面向对象的数据建模大多停留在理论层面［19-20］。

2.6基于事件的时空数据模型 （Event-based models）［28］

Peuquet与Duan于1995年提出了基于事件的时空数据模［28］，该时空数据模型的基本思路是将地理实体的动态变化通过变化的事件序列来描述。将空间实体在某一时刻的变化称为事件，事件主要包括了变化的属性值与空间位置，并且运用游程编码的方法对位置进行保存。由此，通过事件与时间序列我们可以观测空间实体的历史变化［16］。

该模型的优点是：（1）游程编码的方法对空间数据进行保存，使空间存储效率高，时空查询较为方便。（2）在进行历史回溯时，能够方便地定位于所要查询的时间点，并能很好地描述在此时间点的空间实体变化。（3）与修正模型相似，基于事件的模型只会进行变化量的存储，使此模型的数据量较小，不会造成较大的数据冗余［20，22］。缺点：（1）该模型以栅格数据为基础，无法阐述空间实体及其状态变化，对静态的空间拓扑关系与模型之外的地理特征也无法进行观测［14］。（2）对某一属性的阐述，不能进行多重属性的组织。（3）有多维属性的空间实体情况下，即属性特征数量较多时，对应于每个时刻的事件包括的数据较为复杂，这也会使模型的数据量增大，为数据的保存与系统的运行带来较大的挑战［22］。

3　总结与启示

时空数据模型能够体现时间与空间结构的变化，对地籍管理工作具有重要的应用价值，国内外学者对时空数据模型进行了大量的研究，仅近20年来就出现了超过20种模型，较多的模型在实际应用过程中对模型的选择产生了一定的困扰。该文对土地地籍管理进行了概述，重点回顾了6种经典时空数据模型的研究现状，分别对它们的优缺点进行了评议，从而为研究者在使用时空数据模型时提供帮助。无论是整体型的GIS，即由扩展的关系数据库系统管理空间数据库，还是面向对象的 GIS，即由面向对象数据库管理系统管理空间数据库，对于完善土地地籍管理、了解土地利用状况均显示了其重要性，未来寄希望于研究者们对现有各种模型进一步研究，并产生适用的新模型。

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SPATIOTEMPORAL DATA MODELS IN THE CADASTRAL MANAGEMENT

Zhou Jin
（College of Urban and Environmental Sciences，Xinyang Normal University，Xinyang，Henan 464000，China）

AbstractLand is the most fundamental and important resource and asset，and can help decide the national economic plan and strategies.It needs to put more emphasis on the land management and effectively utilization because the land is non-renewable resource.Cadastral management is the basis for land management and the precondition of property rights.The current land management is mainly property rights management which is related to the change of time，space and property，and can be reflected by the temporal GIS（TGIS）.The research focus in the TGIS field was spatiotemporal data model which not only determined the flexibility and effectiveness of TGIS system operation，but also influenced and restricted TGIS research and development in other areas.Domestic and foreign scholars had done a lot of researches about spatiotemporal data model and proposed two dozen models，but different models had different characteristics in practical applications.In this paper，six typical spatiotemporal data models were analyzed，and the advantages and disadvantages of each model were discussed.This research can provide scientific guidance in the application of Spatiotemporal data model，and a theoretical basis and reference for the expansion of new models.

Keywordsspatiotemporal data model；cadastral management；temporal GIS；cadastre；land management

中图分类号：F301.2；P208；P273

文献标识码：A

文章编号：1005-9121［2016］01-0111-05

doi：10.7621/cjarrp.1005-9121.20160118

收稿日期：2015-05-22

作者简介：周晋 （1978—），女，河南南阳人，硕士、讲师。研究方向：人文地理学。Email：zjxy1978@sina.com

*资助项目：河南省科技计划项目“基于地籍管理的时空数据模型研究”（112300410302）