（地图学与地理信息系统专业论文）时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究.pdf

龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 专业：地图学与地理信息系统 硕士生：龚磊 指导教师：张新长教授 摘要 地籍信息具有显著的时间特性，将地籍数据的时间、空间及属性三者合理地 组织在地籍信息系统中的研究具有重要意义。时态性是地籍信息的显著特性，传 统地籍信息系统反映的是某个历史时刻的一个瞬态，不能纪录地籍信息变化的历 史，己越来越不适应新的发展要求。于是，考虑地籍信息的历史、现状及未来预 测信息的时态地籍信息系统，成为当前每一个地籍信息系统研究人员面临的课 题。时空数据模型是实现时态地籍信息系统的基础，研究适合地籍管理信息特点 的时空数据模型，对于建立真正的基于时态的地籍信息系统具有非常重要的意 义。 本文分析了现有时空数据模型的特点，通过比较认为基态修正时空模型由于 其存储冗余小、查询效率高的特点比较适合地籍时态信息的管理。在此基础上以 变更事件为驱动力，对基态修正模型进行适当修改，修改后的模型使得地籍变更 在时间上具有连续性，更加符合实际业务情况。针对地籍管理系统中宗地变更和 历史回溯的需求，将数据库分为历史库、变更库和虚拟现势库，比较好的实现了 宗地管理要求，有效弥补了有些时空数据库过于臃肿、系统运行效率低下等缺陷。 然后基于面向对象空间数据模型g c o d a t a b a s e ，完成了地籍时空数据库设计， 最后以两个功能模块分析了地籍变更和历史回溯的应用实例。 关键字：时空数据模型，宗地变更，地籍数据，历史回溯 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本人 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：红，艿年厂月 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：垒磊 日期：沙辟月7 日 导师签名：冰新水0 日期：t 一年月日 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 3 ) 对地籍时空数据库的时空索引进行了相关研究，提出并应用实现了一种 简单的时空索引方式，提高了系统查询的效率。 4 ) 对地籍宗地数据的时态查询和历史回溯反演进行了研究，实现了部分时 态宗地数据的历史查询及回溯反演功能。 1 3 2 主要创新点 1 ) 将时空数据库划分为历史库、变更库和虚拟现势库，各个子库即相互独 立又紧密联系； 2 ) 地籍宗地变更中不再孤立考虑宗地，而是界址点、界址线和宗地这三个 地籍对象统一动态变更管理，更符合日常实际业务情况； 3 ) 在对历史地籍回溯中设计了时空索引，和空间索引一起构成了系统的双 索引机制，提高了对海量数据的查询回溯效率。 1 4 论文章节安排 本论文的章节安排如下： 第1 章绪论主要介绍论文的研究背景和意义，国内外研究现状，研究的主 要内容及相关创新点。 第2 章主要介绍地籍时空数据库设计，分析了目前时空数据库现状以及本 论文对时空数据模型的修正扩展，以及在时空数据模型的基础上设计地籍时空数 据库结构，并进行数据组织。 第3 章对日常地籍变更业务管理迸行了较为详细的理论研究，介绍了地籍 对象，分析了地籍宗地变更及其变更特点，对宗地变更的类型及各个变更类型的 具体实现操作做了详细的研究分析。 第4 章本章主要介绍地籍宗地历史回溯，对时空查询语言做了相关研究。 本章对历史回溯主要从时空历史数据查询和历史数据回溯反演这两个方面来阐 述。 第5 章本章主要以一个实际的开发案例来介绍时空数据模型在地籍变更管 理和历史回溯中的应用，介绍了主要功能模块的技术支持，模块的功能操作实现。 第6 章主要是对本论文的回顾与总结，以及对下一步工作的展望。 6 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 第二章地籍时空数据库设计 时态数据库和空间数据库作为现代数据库的两个分支，都已经发展得比较成 熟，也出现了支持时态和空间数据库的商业d b m s 系统、t g i s 系统等。随着数据 库技术的发展，用户也提出了越来越高的要求，如：当用户需要查询1 9 8 2 年广州 市北京路的历史宗地面貌时，单独的时态或空间数据库都无法满足，在这种情况 下时空数据库的诞生成为必然。 2 1 地籍对象介绍 国土地籍领域是由大量的空间对象( 宗地、界址点等) 和非空间对象( 权利人、 土地证书、土地登记卡、土地归户卡等) 组成。整个地籍空间对象可以分为面状 地籍对象、线状地籍对象和点状地籍对象三个大类。面状地籍对象包括行政区、 街道或乡镇、街坊或村、宗地等，其中宗地对象是核心；线状地籍对象包括街坊 界线、宗地界址线、行政界线等，宗地界址点对象是核心；点状地籍对象包括界 址点、注记等，界址点对象是核心。在空间对象中，宗地对象由界址点、界址线 对象构成，因此宗地对象、界址线对象和界址点对象是最基本的地籍空间实体， 有必要对这些地籍对象做简要介绍。 2 1 1 宗地对象 关于宗地对象的含义，有多种说法。在城镇地籍调查规程中，宗地是指 由权属界线封闭的独立权属地段。宗地是地籍管理的基本空间单元，是具有固定 位置和明确边界和确定的权利、利用类别、产权和时态等土地基本要素的最小地 块。宗地在空间上表现为一个具有封闭边界的多边形，其封闭边界的拐点就是界 址点，界址点间的连线就是界址线。宗地在其生命期内有一个惟一的标识宗 地编号。 要阐述宗地的定义，必须先给出地块的定义。地块是一个连续的区域，并可 辨认出唯一同一同类属性的最小土地单位。这里所说的同类属性可以是法律的、 生态的或经济的，以土地利用类别表达的地块称为使用地块，其在土地利用现状 调查工作中称为图斑。 7 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 杂，对研究人员要求较高。相对三维的空间数据，时态数据仅仅是简单的一维， 在数据库中已有很多字段可以对应，研究人员只需要重点考虑时态属性信息之间 的关系，而且现已有很多高效成熟的具有空间数据库引擎支持的商用数据库。所 以，从空间数据库中扩展时空数据库是目前流行的方法，这也是本文地籍时空数 据库设计的技术基础。 2 2 2 时空数据库设计原则 在地理信息系统中，数据是血液，数据库则是核心。地籍时空数据库设计必 须充分考虑所有系统功能设计的需求，因为整个地籍管理系统都是建立在地籍时 空数据库之上的，若在设计时空数据库时对所应用的地籍管理系统没有较好的考 虑，那么在系统完成的过程中就会出现很多问题，有些问题在意料之内，有些则 在意料之外，所以在设计时空数据库时就必须遵照一定的参考原则。基于广东省 地籍管理系统的实际，在参考数据库设计通用原则的基础上，对时空地籍数据库 设计提出了以下应遵照的几个原则： 标准化原则 地籍数据库建库要符合国土资源部颁发的相应数据库建库规范标准、国家已 经发布的许多基础的行业分类、代码标准，以及在信息化建设过程中形成的一些 可操作性强的数据库设计标准。对于地方性标准和国家标准或上级国土部门相冲 突的情况，以维持地方性标准的可操作性为基本原则，但要尽量考虑标准的兼容 性、开放性、可移植性。 系统性原则 数据库建库要在技术指标、标准体系、产品模式、库体结构等方面具有系统 性，各数据库之间具有良好的衔接性和相关性。 先进性原则 充分利用当前先进的技术手段，采用先进的设计方案、技术标准、硬件平台、 数据库和g i s 软件平台，确保数据库的科学性和先进性，使数据库内容规范统一， 各项技术指标恰当，数据质量优良，数据库结构及组织协调合理，实现多种类型 海量空间数据的集成化管理，应用方便快捷。同时，系统的设计要保证数据库具 有很好的前瞻性，可以很好地进行更新和维护，保持数据库的持续发展。 l o 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 安全性原则 保证数据操作的正确性，具有良好的数据恢复能力，使数据具有较高的固有 安全性。在此原则下，一是采用数据库用户一角色一运行用户三级访问机制，通 过角色对权限的控制，达到对数据的安全操作；二是在数据库表的设计上，对重 要数据有备份，周期性地对数据库备份。三是增加日志，跟踪数据库库操作等。 开放性原则 数据库管理软件和应用软件采用组件式设计，可根据实际的应用环境进行伸 缩；选择大型通用的数据库管理平台，采用标准的空间数据模型，同时提供良好 的数据交换能力，以利于数据共享和系统集成。 现势性原则 通过建立共建共享的地籍信息更新机制和政策，疏通获取各种专业信息和资 料的渠道，扩展各种信息来源，采用各种高科技手段，提高数据获取的效率，最 大限度地获取最新的地籍信息，以保证广东省地籍管理数据库的现势性，满足用 户不断增长的需要。 网络化原则 地籍管理数据库系统是一个具有开放性特点的系统，其用户涉及到地籍管理部 门以及上级主管部门的相关政府职能部门及社会公众，数据库建设要顺应网络化 发展的需求，采用c l i e n t s e r v e r 和b r o w e r s e r v e r 相结合的混合模式、分布式 数据库管理、互联网信息发布等先进技术。 2 3 模型现状分析及选择修正 时空数据模型是人们为了一定的应用目的，根据自己对客观地理世界的认 识，以数字数据的形式建立的对客观地理世界的模拟系统【h 】。时空数据模型是时 空数据库建库的模型实现基础，是一种有效组织和管理时态地理数据、属性、空 间和时间语义更完整的地理数据模型。 2 3 1 时空数据模型现状 目前，规范化的时空数据模型尚处在探索阶段，以m a x j e g e n h o f e r 、d o n n a p e q u e t 、m i c h a e lf w o r b o y 为代表的学者们从概念、理论、结构、实现技术等 方面对时空数据模型进行了广泛的研究。目前研究比较有影响的时空数据模型有 龚磊时空模型在地歉更和历史回翱中的应用研究 其基本思想是基于起始时刻对象的不断修正，任何后续时刻对象的变化都以 增量的形式存储，也叫“矢量修正丹【1 。丌。该模型保证了地学对象的完整性，可以 直接检索对象的变化历史，但变化信息是基于图层的，时间是以图层属性形式存 在，不支持对象时态拓扑关系的运算。基态修正模型对每个对象只存储一次，每 变化一次，仅有很少量的数据需要记录。基态修正模型也称为更新模型，有矢量 更新模型和栅格更新模型n 剐。其缺点是较难处理给定时刻时空对象间的空间关 系，且对很远的过去状态进行检索时，几乎对整个历史状况进行阅读操作，效率 很低，如图2 2 所示。 图2 2 基态修正模型( 图片来源熊登亮) 时空立方体模型 时空立方体模型用几何立体图形表示二维图形沿时间维发展变化的过程，表 达了现实世界平面位置随时间的演变，将时间标记在空间坐标点上。给定一个时 间位置值，就可以从三维立方体中获得相应截面的状态，也可扩展表达三维空间 沿时间变化的过程【1 9 】。缺点是随着数据量的增大，对立方体的操作会变的越来越 复杂，以至于最终变的无法处理。 1 3 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 图2 3 时空立方体模型( 图片来源翟亮) 时空对象模型 时空对象模型认为世界是由时空原子( s p a t i o - t e n 平o r a la t o m ) 所组成，时空 原子为时间属性和空间属性均质的实体。在该模型中时间维是与空间维垂直的， 它可表示实体在空间和属性上的变化，但未涉及对渐变实体的表示。缺点是随着 时间发生的空间渐进的变化不能在时空对象模型中表示，没有一个描绘变迁、过 程的概念。 面向对象的时空数据模型 面向对象方法是在节点、弧段、多边形等几何要素的表达上增加时间信息， 考虑空间拓扑结构和时态拓扑结构。一个地理实体，无论多么复杂，总可以作为 一个对象来建模。缺点是，没有考虑地理现象的时空特性和内在联系，缺少对地 理实体或现象的显式定义和基础关系描述。除上述几种模型之外，还有其它多种 时空数据模型，这里作者不再一一叙述。 目前，t g i s 在地籍管理或变更中的应用有许多研究，已提出了许多时空数 据模型，但基本上处于概念和模型的研究完善阶段，还没有实际意义上成熟的应 用系统，t g i s 在地籍管理中的应用还需要做出进一步的努力研究。 2 3 2 模型扩展改进 时空数据模型的应用很广泛，不一一列举。不同的时空g i s 功能，要求选择 不同的数据组织和时空数据模型，本章主要介绍在地籍宗地变更方面模型的选择 1 4 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 应用。地籍宗地管理的内容不是一成不变的，地籍信息具有时间、空间属性、非 空间属性三种特性于一体。地籍信息的初始时间来源于第一次记录，为了维护地 籍信息的现势性，实现时间上的连续，随时要进行地籍变更调查，将所有变化都 作完整的记录，如宗地的产生和消亡时间、宗地存在时的位置等。而且地籍宗地 采用的是1 ：5 0 0 大比例尺数据，精度高、数据量大，目前随着城市化的快速发 展，宗地信息变更比较频繁，需要选择采取合适的模型应用到地籍宗地管理中。 就广东省地籍管理数据库系统中的应用开发研究中发现，在目前的主要时空数据 模型中，基态修正模型非常适用于全局变化较少，而局部变化较多的情形。基态 修正模型的每个对象只需储存一次，每变化一次，只有很小的数据量需要记录， 同时只在有事件发生或对象发生变化时才存入系统，减少了数据冗余。 自从基态修正模型提出以后，许多学者对其进行了扩展和完善，基态修正是 对数据存储而言的，国内外学者对模型的修正主要为以下几种代表【2 9 】： l l k 各个历史时刻卜一总时间段l ，_ 一基态 图2 4 各种基态修正方式对比图( 图片来源子余志文) 图2 4 ( a ) 是l o n 蓼姐的基态修正方式，只记录了一个数据基态和相对于基态 的变化值，当搜索过去状态时，查询速度很慢。图2 4 ( b ) 是张祖勋【3 l 】等改进后的 基态修正方式，他们把时间段t 分成两部分，对前半段时间，从起始状态不断阅 读差文件，状态不断沿着时间轴正向变化，直到查询到所需时刻为止。而对后半 段时间，从现在状态不断阅读差文件，状态不断沿着时间轴反向变化，直到查询 到所需时刻为止。图2 4 ( c ) 是曹志月【3 2 】等对基态修正方式，采用动态多级索引方 1 5 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 的变更数据存储在变更库中。从逻辑上时空地籍数据库也就分为具有相似数据结 构的历史库( 历史数据) 、变更库( 变更数据) 及虚拟现势库，如下图所示： 图2 5 地籍时空数据库逻辑结构 地籍信息系统的主要职能之一就是处理日常地籍变更业务，频繁的宗地变更 要求地籍信息系统不仅要保证地籍数据的现势性，还要进行历史数据的管理。每 一宗变更业务的产生都包含着地籍时间、空间或属性的变更，由于一旦产生变更 就会产生历史数据，所以地籍信息系统具有强时态内聚性，按照上诉的内聚性强 度指标，其变更数据和历史数据宜存储在同一数据集中，但在现实的地籍信息管 理中，对历史数据的操作一般在历史回顾、历史查询、预测预报分析时发生，在 日常业务中并不体现。如果将变更数据和历史数据单纯地存储于同一数据集，则 频繁的变更会造成操作对象数据集非常庞大而影响系统效率。鉴于这样的考虑， 本时空数据库便将历史库和变更库分成两个数据集存储操作，历史库和变更库在 数据库中物理存在，由于现势数据包括历史数据和变更数据，通过相关的算法分 析将变更数据和历史数据通过觚e n g i n e 相关组件组织起来即得到当前现势数 据，故数据库中就不再物理存储现势数据，现势库便虚拟存在。现势库是动态变 化的，是面向用户的，但是现势库的形成过程却是对用户透明的。历史库和变更 库并不是完全独立的，历史库的数据来源是变更库，变更库中也有历史数据，所 以就需要定期将变更库中的历史数据备份到历史库中。而且日常频繁的变更业务 操作基本上都是在变更库中进行的，对变更数据也能进行有效地管理。 1 8 一 ， 、，：i：、t，il：，一 、 ： 龚磊 时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 2 5 时空索引设计 时空索引是时空数据结构的重要组成部分，为基于位置、形状、时间相关参 数的时空对象的信息提取提供了有效手段。在地籍宗地变更中，由于地籍宗地存 在父子继承关系，新宗地的产生可能是有多个宗地变更而来，这多个宗地在逻辑 上就应该都是新宗地的父宗地。一个宗地也可能会分割变更成多个子宗地，则从 数量对应上来讲，父子宗地的对应关系就是m ：n ，一种多对多的关系。在日常 变更业务中，具体的变更事件操作都是在具体某一天完成的，也就是说，每一级 的宗地变更的时间单位是“日”。现在假设一种比较理想的情况，某一宗地是由 2 宗宗地合并变更而来，这2 宗父宗地也是有2 块宗地合并变更而来，每一级的 宗地均由其2 宗父宗地合并变更而来，那么这些父子宗地的逻辑关系可以用节点 数来表示，如图所示： 图2 - 6 父子宗地逻辑关系 宗地变更的时间单位是“日，则在上述假设理想的情况下，某一宗地的父 宗地个数和时间单位之间有如下关系式： q = 2 ，n 为某一宗地变更次数。 若推广到一般情况，宗地操作的类型有很多种，合并、分割、界址线调整等等， 而且参与变更的父宗地的数量也是不定的，涉及到的父宗地可能有多个，那么上 述公式就变为： q = m 3 ，m 为某一变更后子宗地数量m o ，n 为某一宗地变更次数。 1 9 羹磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 在这个公式的基础上，假设在进行历史查询或历史回溯反演时，没有时空索引的 情况下每一宗地查询需要的时间为t ，则每一级的宗地变更历史查询所需要的时 间t 则为： t = m j 室，t 为系统没查询一个宗地所需时间。 对历史动态回溯反演，若要反演追溯到起始宗地，则所需要的总时间t 为： t = ( m 。) 謇，t 为系统没查询一个宗地所需时间。 通过上述公式可知，若要对某一宗地进行回溯反演查询，随着宗地变更次数的增 加，查询所需要的时间也较多，需要进行优化，所以本论文设计时空索引。从我 国学者唐常杰等人的最新研究成果“动态数据变粒度分段存储策略中知道 1 3 】， 各个历史时期查询的频繁程度是不同的，离现在时刻越远的历史时期，查询的频 繁程度越小；离现在时刻越近的历史时期，查询的频繁程度越大。设计时空索引 的设计是将整个数据按时空分布聚集状态划分为不同的时空分区，不同的时空数 据划归到不同的时空分区内，一般考虑将生命周期相近、空间上聚集于同一区域 的所有时空对象归入某一时空分区，并标示每一对象的时空分区编码。经过试验 得知，在后台数据库有1 万宗宗地时，系统每一个宗地查询时间为约1 6 m s ，随 着数据量的增多，查询时间会增加，图2 7 为模拟后台数据在1 0 万一1 0 0 万宗宗 地数据时，历史查询时间图，横轴单位为：万宗，纵轴单位为l o 毫秒。 图2 7 历史宗地查询时问图 龚磊时空模型在遗籍变更和历史回溺中的应用研究 而言，为了便于管理和适应不同地籍数据的需要，将不同性质( 如点、线、面) ， 不同类别( 如界址点、界址线、宗地等) 的地籍数据在数据库中分层存储管理。利 用成熟的g e o d a t a b a s c 空间数据结构模型，将时空数据的时间维作为单独的字段 添加到现有g d a t a b a s c 空间数据结构中。宗地变更操作类型o t ( 唧i o nt y p e ) 及由变更操作产生的宗地父子逻辑关系中的父宗地字段( f i d ) 也添加到 g e 0 d a t a b a s e 空间数据结构中，和时间字段一起实现宗地历史数据回溯。 根据时态地理信息系统( t g i s ) 的观点，由于时间维的加入，使宗地数据有了 标示其存在的生命期。每次宗地变更都会伴随着新宗地的创建和旧宗地的删 除，所以宗地都有其创建时间c t ( c r e a t et i m e ) 和删除时问d t ( d e l c t e1 甑e ) ，而 宗地的生命期就被定义为宗地的创建时间和删除时间之间的这段时间。宗地在其 生命期内有一个惟一的标识号宗地号。由于用户最为关心的是宗地在业务中 的变更，所以宗地生命期也被定义为宗地在现实世界中发证、注销等地籍业务管 理上的时间。考虑到生命期的精度，一般宗地发生业务变更都是在某天完成的， 所以生命期时间精确到“日”已满足精度要求。同一业务时间内可能有多块宗地 发生变更，在这些宗地中只有同一变更操作的宗地才具有父子逻辑关系。 对于界址点、界址线数据，如果采用宗地的累加模式存储，很显然会积累大 量冗余数据。界址点、界址线对象的作用是对宗地对象定标划界，所以对界址点、 界址线对象的处理就比较简单。对于界址点对象的处理如下：界址点和新宗地的 空间关系有三种：点在宗地外( 相离) 、点在宗地边线上和点在宗地内。界址点 在宗地外，表明新宗地不包括此界址点，可以直接删除此界址点；点在宗地边线 和宗地内，表明新宗地需要此界址点定标，此界址点就保留，宗地关联界址点号 字段中记录此界址点号。由于某些界址点的删除可能会导致某些历史宗地界址点 的缺失，这是必然的，这将会从技术上解决。g e o d a t a b a s e 模型中面在几何上也 是有节点( n o d e ) 的，且由于宗地地籍的特殊情况，这里面宗地几何节点和界址点 一一对应，鉴于宗地地籍在数据处理上的这种特殊性，对于历史宗地，其界址点 的匹配就可以通过其几何节点来获取。采取这种处理方式的好处是，在宗地变更 时，某些界址点会删除，而又会产生一些新界址点对象，这样数据库界址点层就 不是对象累加，而是一种动态变化。具体到一次变更，界址点总数量可能增加， 也可能减少，界址点对象总数量趋近与数据库中现势宗地的几何节点总量。对数 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 据库界址线层的处理类似与对界址点的处理，这里就不做详细叙述。在宗地表中 添加两个索引字段分别存储界址点和界址线对象编号。宗地图层数据结构如下 表： 表2 1 地籍宗地数据结构表 e n u m 字段类型在程序设计中表示为枚举类型，表示变更操作类型，具体的 变更操作将在下面的小节中将有详细的研究叙述。考虑到宗地变更操作即可能在 历史库宗地数据的基础上变更，也可能在变更库宗地数据上变更，故便于数据回 溯，如果父宗地来自历史库，则在父宗地编号字段的值前加字母“n ，若父宗 地来自变更库，则父宗地编号的值前字母改为“b - 以示区分。宗地关联的界址 点号和界址线号这两个字段，由于是索引字段，这里采用s t r i n g 类型，因为宗 地和界址点、界址线的对应关系是一对多的关系，所以将关联的界址点、界址线 号按规则连接成一个字符串存储，当需要时在按着规则解释。 龚磊时空模型在地籍变更和历史回期中的应用研究 第三章地籍变更管理设计 地籍的日常变更管理是地籍信息系统的主要职能，而宗地变更管理则是其中 的核心。当今城市的快速发展导致宗地变更是个频繁和长期的过程，因此需要 提供一个合理的数据更新机制和规则，既能保证地籍宗地数据的现势性，又能进 行历史宗地数据的管理。宗地是地籍对象的核心，对宗地的管理应考虑到和宗地 对象密切相关的其它地籍对象，如界址点、界址线等，以及这些地籍对象之间的 关系。 3 1 宗地对象变更 宗地数据除了具有空间、属性特征以外，还具有明显的时间特征【2 4 1 。随着时 间的变化，宗地产权发生转让，空间属性出现变更，利用方式也可以发生变化， 因此，地籍信息是个动态变化的过程【2 5 】。宗地作为地籍数据中的核心实体，也是 土地产权的基本空间载体。地籍数据的动态变化过程即是新宗地的产生、旧宗地 的消亡的过程。变化的形式包括宗地的空间信息变化、属性信息变化和空间属性 信息同时变化。这就要求地籍信息系统及时更新变更信息，以保持地籍数据的现 势性，同时要求将已经发生变更的数据作为历史数据保存起来，以便日后用于土 地利用变化的统计、动态监测以及数据回溯【2 6 1 。宗地的这些内容不是一成不变的， 它经常随着时间的变化而变化，这就构成了地籍宗地变更。本章主要从以下几个 方面叙述宗地变更： 3 1 1 宗地编号变更 宗地变更是地籍变更的核心，而宗地编号变更是数据库中宗地变更处理的关 键，因此必须对变更宗地制定编号变更规则，使系统能自动对变更宗地进行编号， 以随时保持宗地编号的唯一性。在长期的地籍管理过程中，一个宗地号对应着唯 一的一个宗地。宗地合并、分割、边界调整时，宗地形状会改变，这是宗地必须 赋予新号，旧宗地号将作为历史，不复再用，新宗地赋予新号。在广东省地籍管 理信息系统的研究开发中，结合全国土地第二次调查，宗地编号变更规则可以采 取如下规则： 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 如宗地改变其非几何属性，则宗地号不变，支号继该宗地号下的最大支号加 0 0 1 。 如宗地划归相邻街坊，必须改变该宗地的地籍号，亦即：在新街坊中的最大 宗地号加1 ，宗地支号取o o l 。 如街坊标示码未变，街坊内某宗地分割为两块或两块以上的新宗地，则分割 生成的所有宗地都沿用原宗地的号，其支号按面积由大到小，继对应宗地号下的 最大支号递增编写。 如街坊未变，在街坊内合并多块宗地整体，则合并生成的宗地以最小宗地号 加支号表示，其支号继该宗地主号下的最大支号递增编写。 当同时发生几种不同类型的变更时，其变更优先级规则按具体变更情况人机 对话确定。 新增宗地地籍号的变更应分为两种情况：若新增宗地划归原街道、街坊内， 其宗地编号须在原街道、街坊内宗地最大宗地号后续编；若新增宗地属新增街道、 街坊，其宗地号须按城镇地籍调查规程的规定编号，新增街道、街坊编号须 在调查区最大街道、街坊号后续编( 第二次全国土地调查培训教材，2 0 0 7 ) 。 3 1 2 宗地界址点号变更 宗地界址点是指宗地权属界线的转折点，即拐点，它是标定宗地权属界线的 重要标志。在宗地变更中，界址点编号的变更规则可以采取如下规则： 界址未发生变化的宗地，宗地界址点号不变。因行政界线区划变化引起界址 点号变更，应取消原宗地界址点号，按新地籍街坊界址点编号原则，编界址点号， 并在原宗地界址点编号上加盖“变更 字样。 因界址发生变化，需要新增界址点的，新增界址点按宗地所在街坊界址点编 号原则编号，其他界址点编号不变。因界址发生变化，需要废除的界址点，取消 废除界址点号，永不再用，并在原宗地界址点编号上加盖“变更”字样( 第二次 全国土地调查培训教材，2 0 0 7 ) 。 3 1 3 宗地面积变更 宗地面积亦称土地面积，是指宗地权属界址线范围内的土地面积。根据权利 羹磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 人对宗地的使用情况，分为独用面积、共用面积、共用分摊面积。宗地面积变更 应在充分利用原成果资料的基础上，采取高精度代替低精度的面积值。属原面积 计算有误的，在确认重新量算的面积值正确后，须以新面积值取代原面积值。在 具体宗地面积变更中，用新的较精确的宗地面积取代旧的精度较低的面积值，由 此而引起的街坊内宗地面积之和与街坊面积的不符合值可不作处理，统计也按新 面积值进行。如果新旧面积精度相当，且差值在限值之内，可仍保留面积。宗地 合并时，合并后的宗地面积应与原几个宗地面积之和相等；宗地分割时，分割后 的几宗地面积之和应等于原宗地面积，闭合差按比例配赋；边界调整时，调整后 的两宗地面积之和不变，闭合差按比例配赋。 作为地籍变更业务核心的宗地变更，涉及到方方面面的变更信息。宗地发生 了变更，则界址点、界址线及相互间的组合关系也会发生相应的变更。上述仅仅 从3 个方面简要叙述了和宗地变更密切相关的变更信息，其它的诸如地籍图变 更、宗地图变更、界址点坐标变更及和宗地面积的汇总表变更等等，本章便不再 一一赘述，读者若需迸一步深入研究，现第二次全国土地调查也陆续开展，可参 考相关研究资料( 第二次全国土地调查培训教材，2 0 0 7 ) 。 3 2 宗地变更类型研究 现在的宗地变更业务都有一套复杂严谨的变更工作流程，这里并不叙述具体 的宗地变更业务，而是通过研究者的角度，摈弃繁琐复杂的具体变更流程，从最 基本的过程上看，宗地变更实际上就是新宗地的产生和旧宗地的消亡过程。在变 更过程中宗地的变化又可简单概括这三种情况，即宗地空间形状变化，属性不变 化；宗地空间形状不变，属性变化；宗地空间和属性同时变化。在实际变更操作 中，经过具体宗地业务变更研究发现，这三种变更情况主要分为以下六种基本变 更操作类型： 宗地创建和宗地删除。 宗地创建指新创建一块宗地；宗地删除指删除注销已有宗地。宗地创建和删 除由于父宗地或子宗地不存在，故这种变更操作使得宗地不存在父子逻辑关系。 主要需要考虑的是新创建宗地的创建时间和删除已有宗地的删除时间。宗地创建 操作主要指地籍初始建库和集体土地征用的时候，其操作过程为：根据界址点坐 龚磊时空模型在埴籍变更和历史回溺中的应用研究 标生成宗地几何图形，然后将宗地属性信息同几何图形关联起来，将宗地创建时 间记录下来。宗地删除操作相对简单，只需要将待删除的宗地的删除时间记录下 来即可。由界址点坐标生成界址线对象，并标注所属宗地编号，作为新数据分别 更新界址点、界址线数据层。 宗地合并 宗地合并指多块宗地p 1 ，p 2 ，p n ( n 1 ) 合并成一块新宗地p 的过程，可 以表示为p 1 + p 2 + + p n - p 。宗地合并操作前p 1 ，p 2 ，p n 这n 块宗地均为 父宗地，合并操作后产生的新宗地p 为子宗地，父子宗地逻辑对应关系为n ：l ， 即多对一的关系。宗地合并操作示意图如下：宗地l 、2 、3 、4 合并操作后生成 宗地5 。 厂 弋厶并。 弋 l， 1 。弋 乡 _ - ， 图3 1 宗地合并操作 具体操作为：将原宗地p 1 ，p 2 ，p n ( n 2 ) 的几何图形合并成一个新的图形，并 设置新宗地的属性信息和创建时间，合并后的新宗地p 加入到变更库宗地层中， 相应设置其创建时间c t 和父宗地编号字段值为其父宗地的i d 值。同时设置旧 宗地p 1 ，p 2 ，p n ( n 2 ) 的删除时间d t ( d t = c t ) 。对合并操作的界址点、界址线的 处理为：界址点、界址线在新宗地边界内的删除，宗地的p i d ，u d 存储没有变 化的界址点、界址线编号。 宗地分割 宗地分割是指一个宗地p 分割为多个宗地p 1 ，p 2 p n ( n 1 ) 的过程。宗 地分割可以看做是宗地合并操作的逆操作。分割操作前的宗地p 为父宗地，分割 后的多块宗地p 1 ，p 2 ，p n 为子宗地，父子宗地逻辑对应关系为1 ：n ，为一 对多的关系。宗地分割操作示意图如下：宗地1 分割成宗地2 、3 、4 和5 宗地。 新添加的界址点生成界址线，并一起保存宗地对象的属性字段中。 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 5 l 3 b 三彳 n ab 曼一 8 止 | 辩 1 3 l l 夕今弋1 2 e 图3 5 宗地变更过程详解模拟图 宗地变更管理在历史库宗地层中的变化如表3 1 所示： f 表3 1 历史宗地数据表( 部分) 变更操作后所产生的新的宗地保存在变更库的宗地层中，变更库宗地层变化如表 3 2 所示： o dg e o d a 汕勰ec td to tf 加l d t oben i l l l t ot 2dn l l l l t l 1 3 e h l ，2 他t 5gb4 亿t 4fb4 1 3b5 1 r 3 即，5 1 3t 4fb3 t 4 b j ，1 0 t 4 b 一7 ，1 0 t 5 b6 表3 2 变更宗地数据表( 部分) 3 0 o l 2 3 3 4 5 6 7 8 9 1 l l l 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 第五章模型应用开发案例 模型的设计最终还是需要相关实例应用来检验。在本章前小节所介绍的改进 的基态修正模型，以及以此模型设计的时空数据库，以两个独立模块应用到广东 省地籍管理数据库系统上。本节就主要介绍模块的实例应用。 5 1 案例开发工具介绍 在目前面向对象技术流行的今天，程序越来越复杂庞大，功能也越来越多， 所以现在已经不可能在从底层去开发一个独立的模块，特别是在应用性的系统。 在原来技术、程序的基础之上开发独立功能模块是个十分快捷的方法。本模块实 例应用e s 公司a r c s d e 做后台服务器，前台用心c e n g 矗坞组件做交互界面。 5 1 1a r c s d e 空间数据库引擎 e s 公司的基于大型数据库平台的空间数据库引擎舡c s d e 可以提供对空 间、非空间数据进行高效率操作的数据库服务，并且觚s d e 采用的是客户服 务器体系结构，因此，大量用户可同时对同一数据进行操作。在觚s d e 应用体 系中，客户端应用程序是最终用户运行的软件，从应用开发的角度看，觚s d e 是开发者开发应用系统的工具。e s 刚的时c g i s ，m a p o b j e c t s ，觚i n 佑以及 觚s d ec a d 客户端等产品都能作为心c s d e 的客户端。也可以在c c + + ， v i s u a l b a s i c 或a v e 肌e 和j a v a 等开发环境下使用觚s d e 应用程序接口编程。e s 砒 a r c s d e 应用体系结构如下图所示。s d ea - p ica 】印l i c a t i o np r 0 伊a m m i n gi n t e r f k e ) 是为那些要访问觚s d e 软件功能的开发人员提供的。s d ea p i 包括c a p i ，在 s d e 9 中还全面支持了j a v a 环境的开发，s d e a p i 提供心c s d e 所有的能力，是 所有a r c s d e 客户端软件访问缸c s d e 的基础。a r c s d e 对数据的访问，是基于 结构化查询语言s q l 中定义的标准指针模式。 龚磊时空模型在地籍变更和历史回罚中的应用研究 燃 旬噶d e 服务器程序 n 关系数据库管理系统 i - d 一、。 、，一_ 一 空间佩i 生数据 、。_ - 图5 - la r c s d e 应用体系结构 在服务器端，有a r c s d e 服务器处理程序、关系数据库管理系统和实际的数 据。服务器在本地执行所有的空间搜索和数据提取工作，它仅将满足搜索条件的 数据在服务器端缓冲存放并发回到客户端。缓冲处理收集大块的数据，然后将整 个缓冲区中的数据发往客户端应用，而不是一次只发一条记录。在服务器端处理 并缓冲的方法大大提高了效率，并使网上荷载大大降低。这在应用操纵数据库中 成百上千万的记录时变得至关重要。a r c s d e 采用协作处理方式，即处理既可在 a r c s d e 客户机也可在心c s d e 服务器，这将取决于具体的处理在哪里更快。有 的功能不需要与服务器通讯，像多边形叠加和分割这类主要耗费c p u 资源的任 务，可以在客户机上完成，这样可避免大量的网上操作。所有的服务器任务都是 在心c s d e 服务器所在的平台上完成的。而客户端应用程序则可运行于多种不同 的平台和环境，去访问同一个觚s d e 服务器和数据库。 5 1 2a r c e n g i n e 组件技术 心c g i se n g i i l e 是一组完备的并且打包的嵌入式g i s 组件库和工具库，开发 人员可用来创建新的或扩展已有的桌面应用程序。使用a k g i se n g 妯e ，开发人 员可以将g i s 功能嵌入到已有的应用软件中，如自定义行业专用产品；或嵌入 到商业生产应用软件中，如m i c r o s o rw o r d 和e x c e l ；还可以创建集中式自定义 应用软件，并将其发送给机构内的多个用户。觚g i se n g 硫由两个产品组成： 构建软件所用的开发工具包以及使已完成的应用程序能够运行的可再发布的 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 黜匝瞳矗m ( 运行时环境) 。觚g i se n 星曲e 开发工具包是一个基于组件的软件开发 产品，可用于构建自定义g i s 和制图应用软件。它并不是一个终端用户产品， 而是软件开发人员的工具包，适于为w i n d o w s 、u n 或l i n u x 用户构建基础 制图和综合动态g i s 应用软件。a r c g i se n g i l l er i m t i i m 是一个使终端用户软件 能够运行的核心觚o b j e c t s 组件产品，并且将被安装在每一台运行觚g i s e n 豳e 应用程序的计算机上。缸c g i se n g 毗将支持四种开发环境( c + + ， c o m ，n e t ，以及j a v a ) ，能够实现跨平台部署( w i n d o w s ，u n i x ，和l i 肌x ) 。 5 1 3 面向对象g e o d a t a b a s e 数据模型 现实世界是复杂的，g i s 的应用也变得越来越复杂，觚i n 南推出了新的面 向对象的空间数据模型g e o d a t a b a s e ，在这个模型中，通过给要素添加更加贴切的 自然行为，使得g i s 数据集中的要素更加智能化，数据集中的属性可以被赋予自然 行为，属性间的任何类型的关系都可以在g e o d a t a b 嬲e 中定义。g e o d a t a b 弱e 数据 模型使得物理数据模型与其逻辑数据模型更加接近。g e o d a t a b 嬲e 中的数据对象最 接近于逻辑模型中定义的对象。每一个对象都定义成一个组件，允许用户在这些 基本模型基础上扩展自己的面向对象的数据模型。g e o d a t a b 2 u s e 中的数据对象是面 向用户的概念。例如：地块与建筑物，变压器与保险丝，而不是面向系统的概念， 如：点、线、面。 g e o d a a b a s e 数据模型是在汲取以往数据模型工作成果的基础上，采用面向对 象的思想而提出的一种适用于关系型数据库管理系统的空间数据模型。它的许多 优点是以往空间数据模型所不具备的【3 5 1 。g e o d a t a b a s e 数据模型在逻辑上统一了 觚i n 如以往空间数据模型，为上层应用提供了统一的数据接口如图5 2 。 g e o d a a b 鹤e 的空间对象集不仅可以表达关系型数据库中的地理数据，同时也可以 表达c o v e r a g e 和s h a p e f i l e 格式的空间数据。在开发中，统一的数据接口可以降低 应用程序与数据结构的相关性，提高了代码的可重用性；同时，由于数据模型与 数据格式的无关性，也使得不同的数据源在应用系统中可实现无缝集成。 3 7 龚磊 时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 a f c 恂 a r c 殛t趾c c 划。窖 fff g 岫切州e c t 翻州d 图5 2g e 0 d a t a b a s e 应用体系结构( 图片来自于e s i u 公司) 5 2 模块功能介绍 本模型案例应用以两个独立的功能变更管理功能和历史回溯功能，嵌入 到广东省地籍管理数据库系统中。案例所使用的试验数据为江门市江海区l ：5 0 0 城乡一体化的地籍数据，主要包括界址点层、界址线层，宗地数据层以及相关扩 展表。系统经过用户密码登陆后即进入模块功能选择界面，如图5 3 ： 图5 3 系统模块选择界面 由于本案例试验的功能集成在系统的管理模块中，所以在系统的模块选择界 面中点击“地籍数据管理模块，系统便进入管理主界面。在界面左侧的树状行 3 8 龚磊时空模型在地藉变更和历史回溯串碥应用研究 政区目录中选择点击“江海区，系统后台便从变更库和历史库中做相关运算， 分别获取江海区现势数据，构成虚拟现势库显示到界面中，如图5 4 所示。 图5 4 系统后台数据运算获取现势库 后台数据库经过一段时间的刷新运算后得到当前时空地籍数据，时空数据显 示到主界面中，如图5 5 所示为当前江海区宗地时空数据。 图5 5 江海区当前地籍时空数据 5 2 1 宗地变更管理 宗地变更管理操作女上述小节所述的那样设计了6 种具体操作，这里不一一 详述。以宗地归并、宗地合并以及界址线调整这三个操作为例介绍系统变更功能。 3 9 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 1 宗地归并 1 ) 选择宗地进行归并：在“管理”菜单中选择“变更管理”，选择要归并的 宗地。选择的宗地边界会高亮显示如图5 6 ，系统选择了3 块宗地参与归并变更。 图5 6 选择宗地变更 2 ) 进行归并操作：宗地选择完毕后，在“管理”菜单下选择“宗地归并” 菜单。在前面的叙述中将宗地归并操作定义为从若干个宗地的一部分合并组成新 宗地。具体操作可以在系统中输入新宗地的界i _ e 点坐标，或直接在地图上用鼠标 在新宗地界址点坐标位置上沿着一定的方向( j 颐时针或逆时针) 点击，如图5 7 。 图5 7 鼠标在新宗地界址点位置上点击 3 ) 完成归并：归并操作完成后，归并前的宗地就“消失”了，归并后新产 龚磊时空模型在地籍变更和历史回溯中的应用研究 生的宗地出现。操作前选择的3 块宗地现在归并成4 块新宗地，系统用不同的颜 色区分他们。用户可以在弹出的属性编辑界面中给相应的宗地添加属性数据，系 统自动产生的关联信息已经显示在窗体中了。操作十分简单，大量繁琐的中间过 程都在后台中处理了，用户只需关注变更业务。 2 宗地合并 图5 8 宗地归并操作后产生新宗地 宗地合并操作和上述的归并操作步骤一样，先选择要合并的宗地。再在“管 理”菜单中选择“宗地合并”，系统后台运行合并操作。合并后的新宗地及其界 址点、界址线对象均显示在界面j 二，用户可以修改其权属信息，如图5 9