测绘地理信息   2018, Vol. 43 Issue (2): 1-6
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应用3DGIS实现三维地籍:实践与挑战[PDF全文]
应申1,3, 郭仁忠1,2,3, 李霖1,3    
1. 武汉大学资源与环境科学学院,湖北 武汉,430079;
2. 深圳大学智慧城市研究院,广东 深圳,518060;
3. 国土资源部城市土地资源监测与仿真重点实验室,广东 深圳,518034
摘要: 人口的聚集和城市的建设使城市内形成许多复杂的三维空间,如跨街建筑、地上下一体化设施等。面对集约化土地利用和城市空间管理的需求,三维地籍应运而生。3DGIS提供3D目标建模技术,可以有效地进行3D目标几何表达与管理,并将其与空间对象的属性、语义或社会交易关联,为三维地籍的系统实现奠定技术基础。从三维地籍管理的需求和特征出发,探讨应用3DGIS实现三维地籍的产权体表达、建模、可视化等几个方面的实践和挑战。
关键词: 三维地籍     三维地理信息系统     可视化     数据模型     拓扑关系    
Implementation of 3D Cadastre with 3DGIS: Practices and Challenges
YING Shen1,3, GUO Renzhong1,2,3, LI Lin1,3    
1. School of Resource and Environmental Sciences, Wuhan University, Wuhan 430079, China;
2. Research Institute for Smart City, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China;
3. Key Laboratory of Urban Resources Monitoring and Simulation, Ministry of Land and Resource of China, Shenzhen 518034, China
Abstract: Population aggregation and rapid development has promoted the 3D land use in the urban environment with the increasing requirements of the complex interweaving, such as dwellings, commercial area, public transportation and urban utilities and infrastructure.It has become a huge cha-llenge for governments to manage 3D land space breaking through the traditional 2D information system, which need the support of 3D techniques.3D cadaster is raised to cater to the realistic requirements of them. At the same time, 3D techniques in 3DGIS, including 3D data collection, 3D data model, 3D data management and visualization, have been applied in the fields such as urban planning, virtual city, which provided a suitable background and base for developing 3D cadastral systems. Also 3DGIS offers proper methods to represent the geometry of 3D cadastral objects and to associate the property rights, semantics and transaction attributes to them. Aimed to apply 3DGIS techniques for 3D cadastre in urban environment to bridge the gap between urban simulation and urban space management system, this paper elaborates the details of the applications of 3DGIS for 3D cadastre from the aspects of 3D data and 3D modeling, 3D simulation and visualization, practice and decision-making support, and also the challenges we encounter during the practices are discussed.
Key words: 3D cadastre     3DGIS     visualization     data model     topological relationship    

人口的集聚和城市的快速发展促进了城市中三维空间的开发和利用,表现为复杂的建筑物,如居民楼、商业中心、交通中心甚至城市综合体。地籍、房产等不动产在社会、经济和日常生活中发挥着重要的作用,不动产登记的核心是登记土地和房产的法律状态和权利人所涉及的权力等。尽管2D地籍可以简化复杂的三维空间,具有表达简单的特点,但却无法描述复杂三维空间实体的空间形态、位置关系,为不动产的登记管理带来诸多困扰,因此,三维地籍应运而生。本质上,三维地籍对象就是对城市地理空间的分割和占有,并且登记土地和其他不动产的法律规定的状态和相应的权利、限制和责任[1]。突破二维信息系统来管理三维土地空间是当前政府部门面临的重要挑战,并引起了全球广泛的关注和研究[2]。国际测量师协会(International Federation of Surveyors, FIG)于2001年成立三维地籍工作组,致力于推动三维地籍的革新和发展。2010年, FIG对全球调研指出,众多国际专家和学者从三维地籍的概念、数学模型、法律制度等各个层面开展研究和实践,但尚未有任何一个国家提出一套可行的三维地籍管理方案[3]。中国深圳依据实际应用需求,在充分吸取国内外研究和实践经验的基础上开展三维地籍应用试点研究,其研究成果具有重大的理论意义和实践价值,深圳成为全球三维地籍的样板城市[3]

我国于2007年颁布的《物权法》明确规定:建设用地使用权可以在土地的地表、地上或地下分别设立,《物权法》的颁布和实施为建立三维地籍系统奠定了法律基础。三维地籍的关键内容是定义三维产权体、明确产权体的空间关系、表达三维产权空间和管理三维产权属性。构建三维地籍时,面临着诸多挑战:如何表达和管理三维地籍对象?如何处理地籍对象之间的关系?如何对三维地籍对象进行可视化?如何处理地籍对象的时空变化以及伴随的权利、限制和责任转移等?同时,3DGIS领域中很多技术都在发展,包括三维建模、三维几何元素构建等,这些技术提供适宜的方法对三维地籍对象进行三维建模,并支持地籍语义、权属和交易的表达,为发展三维地籍提供了坚实的基础。本文试图论述3DGIS对三维地籍发展的支持,阐述其对于城市环境模拟与城市空间管理之间的纽带作用。

Goodchild在总结20年GIScience的发展基础上,提出3D/4D数据的应用案例有哪些,GIS在表达建筑信息化时基本要素是什么,表达和应用之间的关系是什么等问题[4]。三维地籍是3D数据应用的典型案例,三维产权体是城市空间管理的基本三维单元,紧紧地把三维数据表达和领域应用连接起来。利用3DGIS来实现三维地籍,面临以下技术问题:①三维地籍的单元是什么,其三维空间指什么,具有什么特殊性?②3DGIS的数据采集可以用到三维地籍中吗?③三维地籍的三维建模与管理有什么特殊需求?④三维地籍与3DGIS的可视化有什么区别?⑤3DGIS可以为三维地籍的决策管理提供什么决策支持?⑥3D WebGIS技术能否用来分发三维地籍信息?为了得到这些答案,本文从三维地籍中“空间”的描述、数据采集与建模、可视化、空间分析与操作、业务应用与决策支持等几个方面来剖析3DGIS的支持度和扩展性。

1 三维地籍与三维地理空间

登记和权力是土地管理系统的本质核心,但它们都必须落实到核心的对象上——宗地;对三维地籍来说,其载体是三维产权空间,基本单元是三维产权体,它是以土地权利实体、房产及其他不动产的权利空间或实体为基础,以权利空间为参考,确立的单一权属的地理空间单元。三维地籍是对三维城市地理空间的离散化分割,许多城市中地理实体,如建筑、公园、地铁、隧道、地下空间、空中楼宇等,都是三维地籍对象的实例化。对三维地籍来说,从地理空间的角度分析,这些实体对象的本质是一致的、同质的,都是对地理空间的分割和占有,也是三维地籍的本质和基因[1]。在地籍实体对象上实施的、权属者所具有或承担的权利、限制和责任也同样作用于三维产权体的空间上。所以,从空间的分割和占有上来说,土地和其他不动产是一致的;统一一致的三维地理空间为三维地籍提供了统一的框架。三维产权体都唯一地定位在地理空间中,排他性地占有着空间位置和体积。三维产权体的基因(空间占有)的管理是实现三维地籍的构建与现有不动产空间信息管理升级的关键核心。

三维地籍的“空间”统一了物理实体的地理空间(简称物理空间)和法律权属规定的地理空间(简称法律空间)。通常,法律空间突出的产权体由于其包含了所有的权益,形态较为简单;而物理空间突出的产权体则可能比较复杂,随自身的形状而定。法律空间和物理空间的映射也会促进更多的应用(如三维空间监察、三维空间规划、三维空间评估)。地籍产权体都是占据一定地理空间的,然而该空间并非一定被实体所占有或充满。在三维地籍中,三维产权体的空间并不是在现实中都是可见的,它们可以与具体的物理实体关联,也可以不直接与物理实体产生关联,但是对该空间的描述是基于法律认定约束的一致空间[3, 5, 6]

在面对当前国内房产、地产两类典型不动产和不动产统一登记的情况下,可以定义或区分三维土地空间和三维房产空间两种空间[1, 3],三维土地空间是个容器,三维房产空间在其内部,当然它们之间的法律关系在法律框架的解释下进行。土地空间就是按照传统二维宗地划分形成的地表空间在垂直方向上的一定延伸(通常有规划或建筑要求约定),而建筑产权空间则是实体建筑或其近似的地理空间。一般情况下,土地空间是全包含建筑产权空间的,但是对独立或单独划分的三维产权体来说,它的三维空间不一定依赖地表宗地。

2 三维数据模型

3DGIS技术包括3D数据的获取、管理、建模与可视化等,并且已经提供了许多可用有效的方法来支持各种应用。在空间产权管理领域仅仅采用一部分的3DGIS技术,因此,3DGIS在处理三维地籍上仍有着极大的发展空间。

城市地理空间建模是三维地籍系统的基础,一般的3DGIS建模对象包括道路、街区、建筑等,而三维地籍则集中在创建所有地籍对象的三维模型,包括三维宗地、三维建筑、三维房产及其集合。三维地籍对象的特殊性在于其表达的体空间是个三维单元,该体空间是封闭的,可由多面体来表达其边界面,并且该三维体空间的所有边界点、线、面都是精确的。三维地籍需要包含两类数据:地籍数据以及所对应的语义、权属等属性信息。一般来说,地籍数据是由特定的人员和特定的市政部门来获取和认证的;地籍空间数据是由测量师来测量和绘制的;语义、权属等信息则是由具体的法律法规、合同或政府部门来批准和认可的。

3DGIS包含三维数据采集技术,如三维激光扫描、基于图像建模等,但是这些三维数据的采集都是针对目标实体的物理形状(外部或内部),得到的实体模型通常和三维产权对象的空间并不一致,因为三维产权体多以定界或解析得到边界面。按照当前三维城市模型的规则,每个建筑物是一个独立的完整的“包围盒外壳”状的形体,内部没有分割,亦难以得到三维产权划分的要求和精度。众包或VGI(volunteered geographic information)的测绘数据[7]则需要根据登记验证和确权时的资质性对数据进行筛选利用。

构建三维地籍的体空间几何对象主要有4种方式:①基于2D基底的拔高来生成三维产权体的边界[8, 9]。该方法可直接构建简单的三维体来表达较为常见的三维产权体(如房产),需要的条件就是已知每个楼层的平面图和一致的楼层高度(见图 1)。②基于AutoCAD的三维数据构建。现有城市规划、土地和房地产管理中广泛涉及建设用地方案图、宗地图和竣工测量报告等,其基本空间数据都是CAD数据,需要从三维空间管理的角度出发,有效地过滤和选择CAD数据,建立相邻高层平面图的匹配关系和邻接对应关系,增加相应的竖向界址线和界址面,并利用空间拓扑关系来构建三维产权的空间数据。③利用三维离散面片集中来构建三维几何体,该过程需要复杂的拓扑构建和三维体的约束[3, 10-12]。④某些三维模型建筑模型数据(如BIM(building information modeling))和城市模型数据(如CityGML)在特定的条件约束和边界定义一致的情况下,可以用来生成和补充三维地籍的空间数据。但它们之间有明显的差异,因为它们对要素的定义出发点是不同的。BIM或CityGML LoD2/LoD3中包含建筑、屋顶、房间、墙等实体要素,并且墙等要素是具有厚度的,尽管某些情况下产权的边界是由墙来界定的,但这些实体要素的位置与产权空间的边界一致性需要进一步的协调和确认,同时仍需要解决群集产权体的数据更新和模型重建问题以及特殊结构的建筑数据处理问题[13, 14]

图 1 基于基底的拔高生成三维产权体 Figure 1 3D Property Units Based on the Floor Plan

在三维地籍对象的建模中,必须重视三维产权体的有效性,特别是对群集三维产权体,需要保证产权体的几何位置精度和产权体之间的拓扑一致性[10, 12, 15]。每个地籍对象的三维体空间都是一个三维几何表达的封闭三维空间,需要确保其封闭性和内部的连通性。很多已有的solid建模方法或工具是把三维面片“聚集”在一起,而并没有真正做到其内在的三维几何来表达三维体;仅有的采用三维几何建模三维体空间的方法(如Oracle Spatial和CityGML中的定义)也局限在ISO19107的简单体(simple solid)的条件下。针对三维地籍,考虑到地籍数据的生成过程,从离散的边界数据(界址点、线、面)来正面直接构造三维几何体表达三维产权体是直接有效的方法[10-12]。当前的主要挑战表现在:①非流形体的几何(如三维内部存在自邻接);②面向宗地的开空间特征;③面向管理的几何表达的直线段特征(如PSLG(planar straight-line graph)或PLC(piecewise linear complexes))和曲线特征。这些是三维地籍空间数据模型的重要出发点,是对三维地籍空间表达的基本要求。

3DGIS为三维地籍提供了空间数据库来管理三维地籍对象,可以有效地提高3D信息管理水平。面向当前涌现的三维产权体(土地和房产),可通过定义三维体对象以及三维产权空间和三维建筑空间来描述产权体的空间和实体建筑的空间。拓扑元素是等级构造和关联的,即第n维拓扑元素是由n-1维拓扑元素来定义其边界,构建空间对象间的拓扑关系能有效地支持三维产权体的空间关系查询,进而在空间规划和管理中提供决策支持。

地籍的时空性是最为突出的,且建筑立体空间中产权与几何实体变化具有多样性与异步性。因此,四维地籍[6, 16]或五维地籍[17, 18]应在充分考虑三维地籍产权体对象间空间层次性和时间差异性的基础上,准确记录三维产权体的微观动态变化,力求达到记录产权体实体变化的完整性、准确性与最小灵敏度要求,建立基于多层次事件的三维地籍动态表示模型。

3 可视化

对三维地籍来说,可视化的核心是展示三维产权体的空间边界、位置及周边关系,而这些空间边界则是基于法律规定的权属关系来界定的,这种边界可能对应于现实世界中的实体(如墙体、地面等)。因此,三维地籍可视化过程涉及地上、地表和地下空间中包括规则或不规则产权体及带有时间特征的三维空间数据,不仅要展示三维空间产权的体分割、体占有和体关系,还需描述地籍产权体间复杂的动态时空逻辑关系,进而来支持政策对城市三维空间的管理和决策应用。

现有三维GIS中的可视化是对可见物体表面的建模和展现,三维地籍的可视化则不仅表达可见表面,还需要表达内部结构。将地籍管理中可见的外部边界和不可见的内部特征同时进行可视化表达,是三维地籍面临的核心技术问题之一。可运用视图变化、透明处理、聚焦技术等展现产权体对象的空间位置和姿态及与周围环境的关系,并通过虚拟现实技术实现产权体的有效查询、分析和管理[13]图 2(a)是通过抽屉方式把三维房产对象从群集中拉出,既突出了关注的个体三维房产单元,也展示了整体建筑的情形;图 2(b)是利用体素可视化技术来突显焦点房产对象。

图 2 抽屉式交互式可视化与体素可视化 Figure 2 Drawer Type Interactive Visualization and Body-Element Visualization of 3D Property Units

三维产权体的可视化和交互是三维地籍中的研究要点,虽然它和一般的三维城市模型可视化有较大的区别,但其本质是在三维城市模型的基础上对产权体的物理空间或法律空间的精细化表达。三维产权体可视化的重点包括:法律空间与物理实体的可视化选择和关联、群集三维产权体的可视化、地表在三维地籍可视化中的作用、垂直空间的可视化等。现有的三维产权体可视化技术日趋成熟,如二三维联动的可视化(见图 3),兼顾了传统平面的认知和新型三维的思维。带有纹理特征的虚拟现实三维模型(图 4(a))可展示土地空间与建筑空间的不同以及它们之间的包含关系,色彩、透明度等不同视觉变量可用于展现空间的内外关系和定位差别。以深圳西部通道中的空间权属分割为例,中国香港海关和桥梁通道等是一个特定的空间体,由深圳市按照中国法律制度出让给中国香港政府(图 4(b))[19]

图 3 二维地籍与三维地籍的联动可视化 Figure 3 Linked Visualization Between 3D Cadastre and 2D Cadastre

图 4 三维产权体的空间 Figure 4 Different Spaces of 3D Property Units

新型技术如BIM、WebGL(web graphics lib-rary)以及各种开源软件等为三维城市空间数据建模和管理提供了充分的技术支持,这些技术可以有效地、系统地展现土地开发、房产规划等过程,可有效地节省房产管理及可视化的成本。图 5描述了土体划定和房产三维构建的过程。

图 5 地楼房的动态可视化过程 Figure 5 Dynamic Visualization Progress of Parcels and Buildings

4 应用与实践

3DGIS技术可以应用于诸多领域,而三维地籍则是3DGIS发展的重要平台之一,三维产权体的集群或分布特征影响着三维空间的规划和决策。三维产权体管理流程的业务点包括:3D空间的规划和发展、3D空间的设计、3D审批和验证、3D空间的测量和定界、3D产权的权证分发等,这些都需要面向3DGIS技术的三维体构建与验证、三维体拓扑一致性与维护、三维体空间冲突检测、三维几何体的拓扑存储、三维产权体的可视化和空间分析等来支持。

对政府来说,三维地籍的重要性则体现在管理和决策支持中,尽管传统宗地的位置、统计、历史存储与追踪等在地籍系统中仍是主要内容,但更需要用三维地籍来管理和规划面向未来的三维空间城市。如三维交通中的地铁规划需要考虑地铁所经之处的地表宗地以及所有建筑产权的地下产权空间,涉及三维空间缓冲分析和三维空间冲突探测等技术。三层地铁(图 6(a))的垂直地表投影与地表宗地相交(图 6(b)),确定着地铁出入口的选址,这种复杂的空间位置和联通关系只有在3DGIS支持的可视化和关系描述中才能更好的体现。同时,三维产权体可以进行基本的体积计算,以便用于有关的征税、容积率等计算与评估。

图 6 地铁的三维规划 Figure 6 3D Planning of Metro Station

当前,在中国深圳开展基于三维地籍系统的业务化实践,在办公自动化系统中集成了三维土地规划、三维选址、三维宗地的招拍挂等相关业务步骤。深圳三维地籍的应用与实践是基于B/S架构的,该系统采用全三维模式开发,并兼容已有的二维地籍,图 7展示了办公系统的一个界面。

图 7 三维地籍办公平台 Figure 7 3D Cadaster System Based on B/S Architecture

5 结束语

地籍是一个综合概念,它有自然的一面,包括自然现实的客观实体,如土地、建筑等,至少有地理空间,几何形体是它的度量,并与周围对象保持一致的空间关系,因此它是一个几何敏感的三维对象;它又有社会的一面,包括权利人及权益、政府及其管理、交易等,人类的行为和规则对它有质的决定,因此,每个三维产权体都是一个行为敏感的三维对象。这种自然与社会复合的三维地籍是推动地籍管理的重要政策、技术和手段。三维产权体的3D空间描述与管理客观上强化政府的城市空间管理职能,明确公民的三维权属空间、降低权属纠纷,具有重大的社会效益。

本文在综述有关现状并提出面临的挑战的基础上,从空间区分、数据建模、可视化、应用与实践等角度论述了利用3DGIS来实现三维地籍,达到FIG预期中的二三维数据的一致性存储、二三维数据界线的逐渐消失和基于网络的数据处理[20]。中国深圳的三维地籍实践在探索和摸索中前行,为全球提供了示范和样板;三维地籍是城市立体空间规划和管理方法的整合与协作的综合体,也是当前不动产统一登记制度的技术框架基础。但完整实现三维地籍和三维权属管理仍是一个长久的过程,不仅需要3DGIS和相关技术的发展,还需要法律法规和政策体系的不断完善。

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