基于三维GIS在城镇地籍中的应用研究

胡黎明，苏达，王树文

（1.天津市测绘院，天津 300381；2.天津市国土资源测绘和房屋测量中心，天津 300051）

1 前言

随着近年来土地管理工作的不断深化，我国城镇已基本建立了以宗地为基础的地籍信息系统，这是一种二维平面地籍，主要记载了土地在二维平面空间的信息。然而当前人口和产业在城市的不断集聚导致城镇人地矛盾日趋紧张，为了集约和节约用地，土地利用的立体化趋势越来越明显。以地表为核心的传统土地权利法规和地籍系统，已经不能满足人们对三维空间的占有和使用，特别是当与同一土地表面相关的空间归属权不同时，基于二维地表的传统土地登记和地籍系统将无法清晰的界定土地的权利空间。

随着计算机科学技术的发展，地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）已在国土行业中得到了越来越广泛的应用。然而，目前在国土行业中的广泛应用主要还是基于二维的地理信息技术系统，其空间表现和分析能力都有着一定的局限性。

因此，可以结合三维GIS技术建立一个规范、完整、适合本地区特点的新型地籍管理信息系统来解决土地利用向空间多元化发展中产生的问题。近年来，许多国家已开始探索和建立三维地籍管理信息系统，部分成果已应用于地籍管理实践中。我们在天津地区地籍信息系统建设的实践中也进行了有益的探索，对于规范地籍管理工作，科学开发土地资源和保证土地可持续利用，具有重要的指导作用和广泛的推广应用价值。本文以天津市城镇三维地籍管理系统为例，分析讨论了三维GIS应用于城镇地籍系统建设的一些关键技术问题。

2 三维地籍与二维地籍关系与区别

作为一个现代地籍系统，应该能够体现出一个原则，即不动产权利始终授予人们享有立体空间的权利而不仅仅是平面上的权利，否则土地的利用就无从谈起，不能充分满足实际需要的地籍模式有必要进行变革。三维地籍在地籍的概念中引入了三维产权（空间产权）的含义，它在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，是土地利用空间多元化发展的必然结果，同时符合地籍多用途功能实现的要求。

三维GIS与二维GIS一样，需要具备最基本的空间数据处理功能，如数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现等。相比于二维GIS，三维GIS具有以下优势：

1）空间信息的展示更为直观。从人们懂得通过空间信息来认识和改造世界开始，空间信息主要是以图形化的形式存在的。然而，用二维的图形界面展示空间信息是非常抽象的，只有专业的人士才懂得使用。相比二维GIS，三维GIS为空间信息的展示提供了更丰富、逼真的平台，使人们将抽象难懂的空间信息可视化和直观化，人们结合自己相关的经验就可以理解，从而做出准确而快速的判断。毫无疑问，三维GIS在可视化方面有着得天独厚的优势。虽然三维GIS的动态交互可视化功能对计算机图形技术和计算机硬件也提出了特殊的要求，但是一些先进的图形卡、工作站以及带触摸功能的投影设备的陆续问世，不仅完全可以满足三维GIS对可视化的要求，还可以带来意想不到的展示和体验效果。

2）多维度空间分析功能更加强大。空间信息的分析过程，往往是复杂、动态和抽象的，在数量繁多、关系复杂的空间信息面前，二维GIS的空间分析功能常具有一定的局限性，如淹没分析、地质分析、日照分析、空间扩散分析、通视性分析等高级空间分析功能，二维GIS是无法实现的。由于三维数据本身可以降维到二维，因此三维GIS自然也能包容二维GIS的空间分析功能。三维GIS强大的多维度空间分析功能，不仅是GIS空间分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分体现了GIS的特点和优越性。

构建三维地籍管理信息系统 （以下简称系统），不仅是对天津市国土资源与房屋管理局“一张图”管理、土地管理精细化及二维地籍图运用的延伸，还是对三维地图与城镇地籍管理相结合的综合应用，该系统还具有表达上的直观性，交互操作的灵活性等特点，为国土资源部门提供了一个直观、多用途的智能化工作平台。

本文以研发天津市三维地籍管理信息系统 （以下简称三维地籍系统）为例，提出了构建一种基于三维地理信息技术的地籍管理信息系统的方法。

3 三维地籍信息系统建立的技术支撑

地理信息系统、卫星遥感和航空摄影技术经过了数十年的发展，目前在建立三维地籍管理信息系统上已经具备了以下成熟的技术：

1）三维数字地面模型最初作为一个三维空间信息表达方式，不仅能够表达三维地表模型，还可以在上面叠加矢量空间数据和影像数据，以及三维地物模型。

2）卫星或航空摄影能提供高分辨率遥感影像的数据采集手段，采用卫星遥感如QuickBird能够提供分辨率为0.61M的卫星影像，航空摄影能够提供分辨率更高的影像，高分辨率的影像也能提供更为直观的地物景观，数字地面模型和影像数据以及矢量可以融合表达。

3）目前市场上主流的地理信息系统平台软件，如ArcGIS，已具备了建立、展示数字地面模型的功能，包括实现将影像、二维平面及三维地物模型叠加在三维数字地面模型上进行浏览、漫游的功能。

基于以上技术条件，可以认为实现三维地籍管理信息系统的技术条件已经成熟。虽然在法律上没有对三维权利建立完整的体系，但三维地籍是未来地籍发展的趋势。它将在社会、经济发展中发挥越来越大的作用，不断促进土地的集约利用和不断完善土地市场。

4 数据来源

天津市三维地籍数据库数据源分为三类：一是三维地形数据，该类数据由数字高程模型（DEM）与数字正射影像图（DOM）融合而成；二是三维地物数据，该类数据一般以二维矢量数据、地物高度数据及地物实景照片为基础，使用三维建模软件建模而成。三是地籍数据，该类数据主要包括带有高程信息的宗地、界址点、界址线、测量控制点、房屋等地籍要素的三维数据。其构成如图1所示。

图1 三维地籍数据库数据构成及来源

其中，数据高程模型根据外业对所有点的高程测量，通过ArcGIS的3D Analyst功能对所有高程点创建数字高程模型。数据正射影像通过ArcGlobe从Esri公司的影像库中下载。二维矢量数据、地物高度数据、地物实景照片直接从外业测量和地籍调查获得。

在三维建模之前，需要对建模所需的源数据进行预处理，以保证建模工作的有序进行。预处理的内容包括纠正二维矢量数据空间位置的偏差与错位，制作表面纹理，闭合处理建筑物的轮廓线以及将处理好的建筑物数据与楼高标注信息进行空间关联等。三维展示见图2。

图2 小区三维展示

5 系统体系结构

天津市城镇三维地籍管理系统采用基于ArcEngine技术的集成开发模式，以Windows系列平台为操作系统，以Microsoft Visualstudio.Net IDE为编程开发环境。系统的数据层利用ArcGIS的GeoDatabase数据模型进行二维和三维空间数据的统一管理。

系统开发框架如下图3所示，数据层采用PGDB和Oracle Database结构。

图3 系统开发框架

本系统是在获取三维城镇地籍要素的基础上，采用软件的形式满足城镇地籍信息管理的需要，在二维城镇地籍系统的基础上增加三维真实场景展示和三维信息的查询统计分析等功能。下图体现了整个三维系统建设过程中，软件系统所处的位置以及所能提供的功能。

图4 系统总体架构

6 系统功能

为实现城镇地籍数据空间组织和查询，虚拟现实展现、数据管理与分析的需要，系统提供以下功能：三维展示功能、三维查询分析功能和地籍信息管理基本功能。

6.1 三维场景展示

提供三维真实场景展示功能，提供放大、缩小、漫游、导航、飞行等基本空间浏览功能，主要包括以下几个方面：1）放大和缩小操作；2）全图操作；3）导航模式；4）飞行模式；5）移动操作；6）旋转操作。

6.2 三维信息查询与分析

（1）属性查询功能

属性查询是指在三维可视化场景中动态交互的进行地物——属性信息的双向查询，包括显示选中地物名称等属性信息，显示三维场景中各种地物的名称、信息及三维空间坐标，或已知地物的属性信息，对三维场景中的该属性地物进行定位查询等。

属性查询应立足于国家城镇地籍标准，提供对于宗地扩展属性查询、扫描件查询、图形属性的自定义条件查询功能。

（2）分析

可以实现基于DEM和Model的三维空间距离量算、地表距离量算、面积量算、地表面积量算等分析功能，在满足国土业务需求的同时，也可以用于工程、规划、水利等行业的基本应用。

（3）交互式定位功能

包括以下几个方面，可以缩放到某一具体图层，在查询到某些空间要素后，可以缩放到该要素的具体位置；列出该地区一些标志性建筑或者地址，然后可以快速定位到该处；通过对宗地权利人、坐落或地号的模糊查询，进行快速定位；标签功能，可以创建标签，之后按照标签位置进行快速定位。

图4 垂直距离量算

（4）二维与三维数据联动

比如在二维视图与三维视图中进行目标 （如建筑物）属性信息查询的时候，相对应的三维场景或二维地图中的同一目标高亮显示。

6.3 地籍信息管理

（1）数据统计与计算功能

根据数据成果统计出地类现状汇总表，可以根据宗地进行统计和根据图斑进行统计；根据数据成果统计城镇土地强度表，提供城镇宗地容积率、密度计算，城镇房屋隶属宗地计算，提供宗地椭球面积、平面面积、表面面积计算。

（2）专题图功能

根据数据成果产生各种基于宗地的专题图，包括宗地土地用途专题图、宗地权属性质专题图、宗地土地级别专题图、宗地使用权类型专题图等。

（3）图件输出功能

输出宗地图，地籍图，分幅索引图，三维宗地示意图等。

（4）空间分析功能

空间分析包括叠置统计分析，宗地区域分析、缓冲区分析、邻宗地分析，以上分析是基于二维的；三维的空间分析主要包括等值线分析、坡度坡向分析等。

7 结束语

三维地籍管理信息系统建设是一项复杂的系统工程，是集GPS技术、GIS技术、数据库技术、多媒体技术、网络技术等众多高新技术于一体的综合工程。

三维地籍与二维地籍的不同在于：

1.三维地籍建立的基础是三维空间上的权利实体，它的三维边界是明确的，在空间上是连续的，而二维地籍建立的基础是二维平面上的宗地，在平面上具有明确的边界，而三维没有明确的边界；

2.三维地籍登记的权利是一个封闭的实体，二维地籍中登记的权利包括从地表到地心和地表以上的所有空间；

3.三维地籍记载了封闭的权利实体所有的三维空间信息和属性信息，而二维地籍记载的主要是宗地二维平面的空间信息和属性信息，对三维信息的记载有限；

4.三维地籍可以准确的反映出土地利用的空间分布情况，二维地籍在土地利用的空间分布上存在着不足。

虽然目前三维地籍的应用还存在很多的问题，在法律上没有对三维权利建立完整的体系，在技术上对三维地籍的支持也不成熟，但三维地籍是未来地籍发展的趋势，它将在社会、经济发展中发挥越来越大的作用，不断促进土地的集约利用和不断完善土地市场。通过本文中的天津市三维地籍数据库系统和城镇三维地籍管理软件对三维GIS在城镇地籍管理应用中的探索，不难看出三维GIS可以灵活的组织各种空间数据及政务信息，可以直观、有效的提高管理的效率，降低管理的成本。

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