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《武汉大学》 2009年
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三维地籍空间数据模型及其关键技术研究

史云飞  
【摘要】:地籍是管理国家土地资源与资产的工具。传统意义上的地籍是以宗地为基本管理单元,以地表权利为核心的二维地籍,其存在的理论基础是同一宗土地在垂直方向上的权籍的一致性,即地下、地表和地上的权属空间属于同一个权利人。为了保证所注册权属的清晰性,要求宗地之间无重叠、无裂缝。二维地籍已经服务于土地管理领域一个多世纪了,并在社会管理和经济活动中发挥了重要的作用。然而,现实世界中诸如土地和房产之类的不动产都是三维的,这也暗示了地籍也应该是三维的。但由于过去经济发展的落后性,致使土地利用主要集中在二维地表,很少涉及土地立体利用的问题,因此,以地表权利为核心的传统二维地籍能够较好的满足社会的需求。但是,近几十年来,人口的剧增及向城市的聚集,使得城市地区尤其是商贸中心的土地利用的压力越来越大。为了提供更多的可利用空间,城市的发展不断向立体化延伸。风格迥异的建筑物、摩天大厦、多用途大楼、地下停车场、人防工程、地下交通基础设施、通信设施和管道设施等三维权利实体遍布了城市的地上、地表和地下的空间。这种立体化的土地利用方式使得垂直方向上产权主体变得多元化,即地表、地上、地下空间可以分层开发并分属不同权利人。土地的立体化利用对传统地籍管理理论和方法提出挑战。 传统二维地籍主要记载了土地在二维平面空间的信息。对于土地在三维空间的利用状况,通常采用投影的方式将三维权利实体(如建筑物)投影到二维平面上,以投影后的二维图形来代表其范围进行注册。第三维信息则作为属性数据进行处理,利用诸如楼层、单元号、地下室等属性字段进行记录,以对二维的空间信息进行辅助说明。这种管理模式在基于地表的土地利用方式和建筑物结构相对简单的情况下是适合的。但当同一宗土地的地上、地表和地下的不同空间分属不同的权利人,并且土地利用状况极其复杂时,再利用投影的方式将维权利实体投影到二维平面时,必然带来权属边界的交错重叠,极易引起法律纠纷。因此,迫切需要引入三维地籍来解决土地立体化利用带来的问题。 三维地籍是在地籍概念中引入三维产权(空间产权)的地籍,它不仅可以登记和洞悉二维宗地的权属状况,而且还可以注册、明晰和界定三维产权单元的空间权属。三维地籍的研究可以极大地促进和完善土地立体化利用的相关管理制度和体制机制,规范土地房产登记制度,减少不动产登记确权纠纷,提升政府公共服务效率和形象,具有显著的社会意义。三维地籍的研究可在法律、管理模式和技术三个层面上展开。本文主要研究技术层面上存在的问题,涉及到的研究内容如下: (1)产权体的定义与表达 正如二维地籍是以宗地作为基本单元和研究对象展开相关的工作一样,三维地籍同样需要一种与宗地相类似的基本单元作为研究对象来展开三维地籍相关的工作,这种基本单元在本文中称为产权体。本文将以土地和房产等权利实体为基础,以权利空间为参考,分析土地和房产的特性,给出产权体的定义、表达方式。 (2)三维地籍空间数据模型 在给出产权体的定义和表达方式后,进一步研究了如何将现实世界中的各类产权体,如公寓单元、复式楼单元、半地下室单元、地下车库以及那些带曲面、形态极不规则的产权单元等进行抽象,用诸如点、线、面、体等几何实体来建模和表达。然而,由于产权体的多样性和复杂性,在将现实世界中的界址点、界址线、各类墙体、楼板、权属单元等抽象为几何模型中的点、线、面、体等几何实体时,并不是一种简单的映射关系,而是一个复杂的构体建模过程。它不仅涉及到所要建模对象的几何模型,而且还要维持各类几何实体之间的拓扑关系。因此,需要选择恰当的几何模型和拓扑模型来准确的模拟和表达现实世界中的三维地籍实体。此外,三维地籍是一种多用途地籍,它不仅要表达产权体的空间形体,而且还要支持三维地籍相关的空间分析和计算。鉴于此二者,我们建立的一种集成面元模型和体元模型优点的混合模型。该模型不仅适合于产权体的几何形体的表达,而且还支持三维地籍所需求的空间分析和计算。 (3)三维地籍空间数据模型的实现基础与算法 我们所建立的三维地籍空间数据模型采用边界表达模型来表达产权体的形体,用不规则四面体网(TEN)模型来实现三维地籍空间分析和计算。TEN是TIN在三维空间的推广,是三维齐次单纯复合形。为了实现这两种模型的集成与转换,我们研究了单纯形、单纯复合形的相关理论以及TEN的生成算法,实现了表达模型中的产权体与TEN模型中的TEN的相互转换。 (4)基于TEN的三维地籍空间分析与计算 本文使用TEN作为空间分析计算的模型。TEN是四面体集合,为了实现这种模型,探讨了基于四面体的几何参数计算以及三维空间分析算法。 (5)试验系统 为了验证所提出的建模方法以及相关算法的可行性和有效性,建立一个原型系统。该原型系统实现了所提出的建模方法和算法,并重点对三维数据采集方法,三维对象重建技术,规则产权体三维数据生成、自动重建,产权体的合并与分割操作,产权体的约束Delaunay四面体剖分等关键技术进行剖析,给出它们的算法和试验结果图。
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