三维GIS在地籍管理中的应用研究

2019-04-08穆超孟丹谢菲

工程建设与设计 2019年6期

穆超，孟丹，谢菲

（湖北省国土测绘院，武汉430010）

1 引言

由于传统的地籍管理模式以地籍制图为目的，以二维宗地在垂直方向上的权籍的一致性为理论基础[1]，基于二维宗地对土地表面进行连续、无缝的分割，土地的所有权以及其他权利是以宗地为单位进行注册的[2]，仅考虑与地籍登记发证有关的事务工作，对土地在地上和地下空间的利用状况只是进行了简单的记载，不能充分反映土地在三维空间的利用状况[3]。如何利用三维空间信息技术科学地管理地籍数据，已成为新时期地籍管理工作的迫切要求。

三维GIS的研究对象是三维空间，能对与三维对象相关的信息进行建模、表示、管理、操作、分析和决策。因此，将三维GIS应用于地籍管理工作中，不仅能实现传统地籍管理中特定地籍基于空间信息意义上的几何属性，定义土地地块的权属，同时也能在三维空间对土地利用的不同层面进行权利划分和登记，准确反映土地在不同层次空间的利用情况。本文结合三维GIS技术，探讨三维地籍管理的内容和构建要素，研发出三维地籍信息管理系统，实现空间产权的明晰化管理，为三维GIS在实际土地管理中的普及与应用提供理论及技术支撑，并进行了展望。

2 三维地籍管理

将三维GIS应用在地籍管理方面，结合三维空间数据库和三维空间信息技术，产生了三维地籍的概念，成为地籍管理的必然发展方向。

三维地籍是在地籍的概念中引入三维产权（空间产权）的含义。三维产权是指将一定的三维空间划分为没有交叉、空隙和重叠的三维权利实体。三维权利实体的特征：基础是一个封闭的三维空间，在空间上具有连续性；划分的依据是不同权利，同时综合考虑土地的利用类别、质量和时态等其他要素；它是三维地籍中最小的单元，相当于现在地籍中的宗地。

三维地籍中三维空间实体的相互关系主要通过三维空间模型来实现，在二维地籍的情况下，要实现三维空间属性的登记，一般是在登记过程中进行简单的文字描述。而三维地籍图可以直观、真实地描述现实世界中土地权利的分割情况。图1a是在同一地块的垂向上包括 V1、V2、V3、V4和 V55 个权利实体。在二维地籍中，该地块将表示为由 V1、V2、V3、V4和 V55 个权利人共用的共用宗地。而在三维地籍中，可以将地块在三维空间划分为5个不同的三维权利实体，分别归属5个不同的权利人。图1b包括地上的私人宗地和地下的道路用地2种用地类型，在传统的地籍管理模式中，很难明确表示这种复杂的用地类型，而在三维地籍管理模式中，可以借助三维地籍模型，清楚地看到道路穿过了宗地的地下空间，从而非常明确地表示土地的详细使用状况。

图1 三维地籍图实例

相对比传统的二维地籍管理模式来说，三维地籍管理的优势主要有：在空间上对土地利用的不同层面的权利进行划分和登记，准确反映了土地在不同层次空间利用的分布情况；三维地籍提供的有关不动产的几何形态的计算（如体积），为不动产税费的征收和评估提供了科学的方法；三维地籍依托三维GIS的相关技术，不仅可以实现产权体的有效查询、分析和管理等功能，而且还可以通过虚拟现实、可视化等手段，给管理者或业主一个非常直观的产权体的空间形象，便于管理、提高工作效率等。因此，三维地籍是土地利用空间多元化的必然结果，而且三维地籍在保障土地使用者的合法权益，制定城市规划和社会经济发展规划提供依据方面比二维地籍更具有优势。

3 三维地籍信息管理实验研究

本次研发三维地籍管理原型系统可以做到与现有二维地籍系统的数据兼容，保证现有界址点、界址线、宗地等图形数据与属性数据都可以在系统中方便调用，使地籍信息系统管理更生动、更形象。

3.1 系统实施软件平台

系统实施软件平台包括：（1）三维建模平台：Google SketchUp；（2）系统开发平台：C#.net；（3）GIS 二次开发平台：ArcEngine 10；（4）数据管理平台：Access个人数据库。

3.2 三维地籍数据模型

本次研究采用一种基于矢量结构的数据模型—ESRI公司的多面体MultiPatch数据模型。为了在功能上向3D扩展，ArcGIS在以二维矢量数据模型（点、线、面）表达对现实地理世界的抽象时，在点对象模型里提供了一个Double型的字段以保存Z方向的值，由点组成线、由线组成面。同时为了提供对三维GIS的支持，ArcGIS使用如图2所示的3D表面数据模型（MultiPatch模型）。MultiPatch是一系列3D表面的集合。这些3D表面在几何上主要由Triangle Strips（三角片），Triangle Fans（三角扇），和 Rings（ring-groups）（环）所代表（见图 2）。有了三角片、三角扇和环这三种基础构成单元后，就可以按照平面构成多面体了，多面体由多个平面构成。

图2 M ul t i Pat ch数据模型[5]

3.3 三维地籍数据采集

本三维地籍原型系统主要包括5类数据：地面高程数据、地面纹理数据、建筑物模型及纹理数据、三维产权体数据、地籍相关属性数据。

为了能满足地籍应用的精度要求，地面高程数据和地籍属性数据来自现有地籍数据库中。

地面纹理数据来自实验区正射影像图。

建筑物模型是以二维地籍数据库中的房屋矢量图层为基础底图，参照建筑物真实尺寸和比例制作，建筑物高度数据是通过航空摄影测量方法实际测量得到。建筑物纹理贴图的获取主要有2种方法：通过纹理贴图素材库和实地摄影采样；建筑物的屋顶纹理是从高分辨率的航空相片中提取。

三维产权体数据主要是三维界址点的位置数据。三维界址点数据应该来自实际测量，因为三维产权体还没有在实际地籍管理工作中投入使用，没有真实的数据可利用，所以在本次研究中三维界址点数据根据现有建筑物形状模拟确定。

3.4 三维模型的构建

本次研究的三维建模平台选用Google SketchUp软件，通过其插件SketchUp ESRI能够很好的与ArcGIS实现交互。将制作出来的三维模型导入到ArcGIS中使用，从而构建出逼真的三维场景。三维模型的构建主要包括几何建模和纹理贴图制作2步。

3.4.1 几何建模

对地物要素的建模主要包括对点状、线状、面状地物模型的构建。

在地理环境中，对于抽象成点状要素的树、路灯、垃圾桶等简单地物的建模可以在SketchUp中直接拉伸绘制。

本次涉及的线状要素主要是道路。建模时将这些线要素视为具有一定面积的立体面。首先在SketchUp中将其扩展成面的形式，才能对其进行纹理贴图制作。对于那些位于起伏地形基础上的道路，可以使用Sandbox（沙盘）工具中的Drape工具，将一条平面上的道路投影到起伏地形的曲面之上。

地理环境中很多地物以面状要素形式存在，如建筑物、草坪、空旷场地等。本系统中建筑物是最重要的地物。对建筑物的建模基本就是画线成面，挤压成型。所用到的工具有：推拉工具和路径跟随工具。对于形状较为规则的建筑物三维建模可以利用SketchUp从二维平面数据直接拉伸自动创建，而对于标志性且造型独特的建筑物的详细建模则需要经过3个步骤：定位建筑物地理坐标—绘制建筑物三维模型—修饰建筑物三维模型。

3.4.2 纹理贴图

对于现有的建筑物，为使模型形象逼真，需要在模型上映射实景照片来代替模型细部，但是实景照片的分辨率不宜太高，否则影响速度。SketchUp中可以设置贴图的具体尺寸，并通过改变贴图坐标来调整贴图的位置，使用吸管工具完成具有相同贴图的面的贴图操作，实现贴图的无缝拼接。如果建筑物不规则，则必须用Photoshop对图片截取，然后分别对建筑物各个面贴图，调整贴图坐标，使图片与建筑物表面相吻合。