三維地籍數據模型與數據庫建立研究

蘇鷹濱

(漳州市測繪設計研究院，福建漳州 363000)

三維地籍數據模型與數據庫建立研究

蘇鷹濱

(漳州市測繪設計研究院，福建漳州 363000)

隨著城市化進程的推進和人口密度的增長，人地之間的矛盾日趨緊張，導致土地利用向縱向空間拓展。以地表權利為核心的傳統二維地籍已無法滿足當前地籍管理的實際需要，建立三維地籍系統是解決問題的根本途徑。本文在分析通用地籍核心模型CCDM的基礎上，結合我國現行的土地登記制度，采用UML分別建立土地登記權利模型和權屬界址模型，并建立二維、三維地籍數據模型，構建Geodatabase數據庫。

三維地籍；Geodatabase；ArcGIS Engine

以二維宗地為基本單元，以地表權利為核心的傳統二維地籍，在垂直方向上具有同一屬性，主要記載了土地二維平面空間信息和屬性信息[1]，缺乏權利實體在三維空間上的有效記載，不能充分反映土地利用空間的分配和有效管理三維空間中交錯的宗地，限制了地籍管理的多用途功能[2]。本文主要在三維地籍的概念及建模理論的基礎上，對現有的三維空間數據模型進行比較分析，結合我國土地登記制度，設計和實現了基于CCDM的國內二維、三維地籍數據模型，采用UML進行三維權屬界址的建模，并通過Geodatabase建模技術建立地籍數據庫。

1 三維空間數據模型

三維地籍數據模型用來描述三維地籍數據庫的概念，包括精確描述三維地籍數據、三維地籍數據空間關系和完整性約束條件[3]，能夠充分表達地籍要素類以及類與類間的關系，方便進行類之間的關聯查詢，減少三維地籍數據存儲的冗余。三維空間數據模型按三維數據結構的幾何特征可以分為基于面的數據模型和基于體的數據模型。

1.1 基于面的數據模型

1.1.1 3D FDS模型

三維形式化數據結構(3D Formal Data Structure，3D FDS)模型支持多種空間數據描述，能夠明確地表達三維空間實體的位置、邊界、形狀和拓撲關系，實現幾何特征和屬性特征的關聯，但缺乏對空間實體的內部結構的描述。該模型適合表達規則的建筑物對象，難以表達不規則的復雜三維空間實體[4]。圖1描述了三維形式化數據結構模型的概念模型。

OO3D模型為了描述現實中的三維對象，將三維空間實體對象抽象為點、線、面、體四種幾何對象和五個約束規則，使用三類基本空間對象作為三維空間數據模型的基本組成元素，可以構造出復雜的點、線、面模型。面模型通過組合可以形成閉合的體模型，最簡單的體模型是四面體，體與體模型之間可以通過一系列的組合方式構造出現實世界中復雜對象的3D模型[4]，圖2描述了OO3D模型的概念模型[5]。

圖1 三維形式化數據結構模型的概念模型

圖2 OO3D模型的3D復雜對象的概念模型

1.2 基于體的數據模型

1.2.1 Octree模型

八叉樹模型(Octree模型)是二維四叉樹模型在空間的擴展，是對Voxel模型的壓縮改進。在模型中，根結點代表了目標的立方體，若目標正好充滿整個立方體，則不再分割；否則分成八個大小一致的子立方體繼續分割到不需要分割為止[6]。Octree模型對復雜形體的體對象表達效果好，布爾運算和及和特征計算效率高，但表示精度受限制，難以進行幾何變換，拓撲查詢效果差。圖3描述了Octree數據模型。

圖3 Octree數據模型

1.2.2 TEN模型

四面體網格模型(Tetrahedral Network，TEN模型)是不規則三角網的三維擴展，優點是結構簡單，能有效地描述幾何實體內部特征，精確表示復雜的三維空間對象，可以快速地進行幾何變換和可視化顯示，快速地處理拓撲關系和表示復雜的空間拓撲關系。然而TEN模型難以自動生成結構，在表達三維線狀、面狀目標時存在一定的缺陷。圖4描述了TEN數據模型。

圖4 TEN模型

2 三維地籍數據庫設計

考慮到三維地籍數據模型需要能滿足表現權利實體的邊界特征、權利實體內部的權利空間以及權利實體間的關聯性，選擇的三維地籍數據模型既要能精確表達三維地籍空間權利實體，準確給出權利實體的權屬范圍，便于權利實體的可視化，又能明晰權利實體間的空間關系，進而實現空間查詢和分析。結合上述要求和上節對三維空間數據模型的介紹和分析，下面重點研究構造出適合的三維地籍數據模型，并介紹數據建模過程。

2.1 基于CCDM的三維地籍數據模型

選用經濟、方便、快捷的鉆鑿法進行處理，在Ⅱ序槽段鉆槽時用沖頭鉆鑿Ⅰ序槽混凝土后，沖刷10遍左右，經監理工程師驗收合格后進行下道工序施工。

CCDM以土地產權為核心，以宗地標識碼為序，登記土地上的各種產權和法律關系，能夠滿足我國現行的土地登記制度，本文以CCDM為切入點，為我國地籍數據建模。按照土地登記的一般程序，地籍數據建模必須明確三個方面的內容：(1)描述土地產權主體信息；(2)說明土地產權客體組成部分及其關系；(3)記錄權利信息，展示不動產物權及其狀態。

在二維地籍管理中，土地權屬界址主要包括界址點、界標和界址線[7]。界址點是核心地籍要素，是宗地邊界線空間或屬性的轉折點，用(X,Y)坐標來確定宗地地理位置，界址點(Corner類)存儲無爭議的界址點，應盡量采用野外實際測量得到的坐標(CornerCoordinate類)，以保障地籍測量數據成果的精度。界址線(Boundary類)是界址點間的連線，與界址點、界標一樣是土地確權的法律依據。宗地是一個封閉的多邊形，具有屬于同一權利人，以界址線為邊界。

在三維地籍管理中，以三維宗地代替二維宗地，成為地籍登記的主要登記對象。界址點連成界址線，界址線構成界址面，界址面構成體。界址點、界址線、界址面分別用點、線、多邊形三種幾何對象來描述其位置、大小和形狀[8]。

三維地籍界址點區別于二維地籍界址點，通常先獲取地面界址點的三維坐標，在根據垂直方向上的高度height字段，計算出界址點的坐標，最后存放在Corner_3D中。二維地籍管理中，多塊宗地以界址線為邊界來進行區分和限制空間權利范圍。在三維地籍管理中，不同權利實體間以界址面為邊界進行區分空間權利范圍，可見界址面與界址線一樣具有重要的空間關系。水平方向上的界址面存儲在ApartmentParcel_2D中，使用baseParcelID作為唯一的宗地標識碼，與界址點建立關聯。垂直方向上的界址面存儲在Section_Vertical中，以SectionID作為唯一標志碼，并于垂直方向上的界址線Boundary_Vertical_3D進行關聯。

2.2 Geodatabase數據庫實現

創建Geodatabase數據庫，與常規數據庫基本相同，它的一般程序是[9]：一是利用UML工具定義Geodatabase數據模式(Schema)；二是生成用戶模式；三是加載數據，填充用戶模式。GIS用戶可以采用以下三種方式建立Geodatabase數據模式。

2.2.1 通過ArcCatalog建立Geodatabase數據模式

通過ArcCatalog建立Geodatabase數據模式的過程是：(1)生成一個新的Geodatabase；(2)定義數據集、要素類和對象類；(3)定義子類和屬性域；(4)定義類間的關系類；(5)定義注記類；(6)定義幾何網絡；(7)定義拓撲規則。

2.2.2 根據已有數據格式建立Geodatabase數據模式

根據已有數據格式(如Shapefile、Coverage、INFO Table、dBase Tables等)，建立Geodatabase數據模式的過程是：(1)生成一個新的Geodatabase；(2)按照已有數據結構，通過ArcCatalog提供的映射機制，定義要素數據集、要素類和對象類；(3)定義子類和屬性域；(4)定義類間的關系類；(5)定義注記類；(6)定義幾何網絡；(7)定義拓撲規則。

表1 地籍數據庫圖層要素

2.2.3 利用CASE工具建立Geodatabase數據模式

利用UML和CASE工具，建立Geodatabase數據模式的過程是：(1)基于ArcInfo UML，定義用戶數據模型；(2)輸出為XML文件；(3)借助ArcCatalog中的Schema Wizard工具，將XML文件轉換為Geodatabase數據模式。

三種不同的方式折射出地理數據建模的不同理念，前兩種重點集中在物理建模上，忽略了數據建模并不是表簡單羅列的事實，第三種方式能建立復雜的數據庫系統，只需要對類對應的圖形位置簡單調整，就可以對類進行編輯修改，數據庫數據結構不發生變化，方便數據庫更新，建模效率高。因此，本文選擇利用UML和CASE工具實現Geodatabase地籍數據庫建立。

為了使構建的地籍數據庫更加規范，參考《城鎮地籍數據庫標準》中地籍數據庫建設的標準，根據表1，利用UML將空間要素進行分層管理。通過ESRIExportToXml工具將UML模型導出XML文件，并利用SemanticsChecker工具利用檢查UML模型語法，最后用ArcCatalog中Schema Wizard工具將模型導入Geodatabase數據庫中。本文主要研究三維地籍數據庫，將二維地籍數據主要用于展示二維平面的地籍數據信息，著重于三維地籍數據的管理和可視化查詢方面，因此二維地籍數據僅保留二維平面上的界址點、界址線、宗地以及相應的注記信息。圖5和圖6分別為二維地籍Geodatabase數據庫和三維地籍Geodatabase數據庫。

圖5 二維地籍Geodatabase數據庫

圖6 三維地籍Geodatabase數據庫

3 結語

本文首先對現有的三維空間數據模型進行比較、分析，選擇通用地籍核心模型CCDM作為原型系統的地籍數據模型，并結合我國土地登記制度，研究二維權屬界址建模和三維權屬界址建模，最后通過Geodatabase建模技術實現二維、三維地籍數據庫的建立，成功導入圖形數據和屬性數據。

[1]張玲玲,史云飛,郭仁忠,等.三維地籍產權體的定義與表達[J].地球信息科學學報,2010(2):207-213.

[2]詹長根,齊志國,趙軍華.三維地籍的建立分析[J].國土資源科技管理,2006(2):79-81.

[3]文小岳.三維地籍模型理論與方法[D].長沙:中南大學,2010.

[4]王潤懷.礦山地質對象三維數據模型研究[D].成都:西南交通大學,2007.

[5]史文中,吳立新,李清泉,等.三維空間信息系統模型與算法[M].北京:電子工業出版社,2007.

[6]李德仁,李清泉.一種三維GIS混合數據結構研究[J].測繪學報,1997(2):128-133.

[7]汪斌.基于Oracle Spatial的地籍數據庫更新中若干關鍵技術的方法研究[D].長沙:中南大學,2007.

[8]周曉光.地籍數據庫增量更新[M].北京:測繪出版社,2007.

[9]湯國安,楊昕.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程[M].北京:科學出版社,2006.

ResearchonBuilding3DCadastralDataModelandDatabase

SU Ying-bin

(Zhangzhou Institute of Surveying and Mapping, Zhangzhou Fujian 363000,China)

With the advancement of urbanization and growth of the population density, the contradiction between people and land has become strained, the land use development to portrait. The surface rights to the core of traditional 2D cadastre has been unable to meet the actual needs of the current cadastral management. Build 3D cadastre system is the fundamental way to solve these problems. This paper based on the analysis of common cadastral core model CCDM, according to our country’s land registration system, use UML for modeling land registered property and ownership of boundary, build two-dimensional cadastral data model and three-dimensional cadastral data model cadastral, then build the Geodatabase.

3D cadastre; Geodatabase; ArcGIS Engine

P273

A

2095-7602(2017)10-0048-05

2017-04-18

蘇鷹濱(1989- )，男，工程師，從事城市規劃測量研究。