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地籍空间实体的空间拓扑关系和变更类型分析

2018-09-26 07:20

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王康弘1 刘 利2 钟耳顺1
(1 中科院地理信息产业发展中心 htpp://www.gischina.com)
(2 北京师范大学资源与环境科学系,北京新外大街19号 100875)

[摘要]
界址线、界址点、宗地是地籍管理中基本的空间实体,其具有和普通空间实体不同的独特特征。本文从空间图论和拓扑分析的角度对界址线、界址点、宗地等基本地籍实体进行了定义和分析,并分析了界址线、界址点、宗地等实体的图形变更类型以及变更过程的特点,为利用地理信息系统技术在地籍信息系统中实现地籍图形变更及历史记录和回溯提供了理论分析依据。
[关键词]
地籍实体 图论 图形变更 历史回溯

1、引言
地籍管理是一项十分复杂的管理活动,建立地籍信息系统,实现地籍的信息化管理是我国土地管理当前最迫切的任务之一。地理信息系统技术的应用在地籍信息系统的建设中起了举足轻重的作用。由于传统的地籍测绘和地籍管理是按照手工管理为主,或者是局限于以计算机辅助制图为手段的管理方式,缺乏从空间信息分析的角度对地籍实体的综合和深入分析,而使得地籍信息系统建设相对滞后于地理信息技术的发展。 地籍管理的核心是土地产权关系的管理,产权关系的变更是产权管理最重要的内容之一。产权关系变更中有很多地方都涉及到地籍实体的图形变更,如宗地分割、宗地合并等。如何实现和处理这些图形变更是地籍信息系统中的重点和难点。地籍变更按照其数据变化性质可以分为属性变更和图形变更两部分。本文将从空间实体的角度分析地籍空间实体的图形变更的时空过程。
2、地籍基本空间实体的图论描述
地籍实体按照性质可以分为空间实体和非空间实体两部分。空间实体包括行政区实体、地籍区实体(街道或乡镇)、地籍子区实体(街坊或村)、宗地实体、界址线实体和界址点实体等,非空间实体主要包括权利人实体和土地证书实体等实体。在空间实体中,宗地实体由界址点实体和界址线实体构成。而宗地实体又是组成一个地籍子区实体的基础,地籍子区实体是组成地籍区实体以及行政区实体的基础。因此宗地实体、界址线实体和界址点实体是最基本的地籍空间实体。
2.1 界址点实体的描述
界址点实际上是由单个节点构成的,其图论定义如下:
  给定无向图G=,其中v={v0},e=Φ,因此G是一个零图并且是一个平凡图,符合这种条件图的点状实体就是界址点。
2.2 界址线实体的描述
(1)简单界址线的图论定义 简单界址线实际上是一条线段,其路径实际上是两个界址点的最短路径。其图论定义为:
  给定有向图G=,设定G中顶点和边的交替序列为Γ=v0e1v1,V={v0,v1},E={(v0,v1)},Γ满足如下条件:v0是e1的起点,v1是e1的终点,v0≠v1,且e1的路径是v0和v1 间的最短路径,Γ构成了v0到v1的初级通路,称符合这样一个初级通路图的界址线实体就是简单界址线。图1给出了简单界址线图的初级通路示意图。

(2)弧段界址线的图论定义 弧段界址线实际上是一条圆弧,其路径实质上是三个界址点构成的圆弧。其图论定义为:
  给定图G=,设定G中顶点和边的交替序列为Γ=v0e1v1 v2,V={v0,v1,v2},E={e1},Γ满足如下条件:v0是e1的起点,v2是e1的终点,v1是v0和v2间通路的一个点,并且v0≠v1≠v2,e1的路径是v0、v1 和v2构成的圆弧,Γ构成了v0到v1的初级通路,则称符合这样一个初级通路的界址线图为弧段界址线。图2给出了弧段界址线图的初级通路示意图。

2.3 宗地实体的描述
(1)简单宗地的图论定义
  简单宗地的基本条件是:宗地的所有界址线都是线段,宗地内不包含岛宗。根据图论可以给出简单宗地的图论定义:
  给定有向图G=,设G中顶点和边的交替序列为Γ=v0e1v1e2…elvl, ei是该宗地的界址线,vi是该宗地的界址点,有vi-1是ei的起点,vi是ei的终点,且ei 的路径为vi-1和vi的最短路径,I=1,2,…,l,并且有v0= vl,并且e1,e2……,el互不相同。实际上Γ构成了一个简单回路,凡是宗地的图符合简单有向回路标准的都是简单宗地。图3给出了简单宗地的简单回路的示意图。

(2)简单含弧宗地的图论定义
  在简单宗地的基础上,凡是其中包含一条弧段界址线或多条弧段界址线的宗地称为简单含弧宗地,简单含弧宗地不包含岛宗。根据图论给出简单含弧宗地的定义:
  给定有向图G=,其中V为该宗地的界址点集合,V={v0,v1,…vm},且v0=vm;E为该宗地的界址线集合,V={e1,e2,…en},且e1,e2,…en互不相同。 , el∈E*,v i-1,vi,vi+1 ∈V,v i-1是el的起点,v i+1是e1的终点,vi是vi-1和v i+1间通路的一个点,并且vi-1≠v i≠v i+1,el的路径是vi-1,v i和Vv i+1构成的圆弧,也即el弧段界址线;是~ E*为E*, ,ep是简单界址线。图4给出了一个简单含弧宗地的简单回路示意图。

(3)简单含岛宗地的图论定义
  简单含岛宗指的是宗地中包含一个或者多个岛宗的宗地,其可以定义如下:
  给定图G,G1,G2,…Gn,其中G,G1,G2,…Gn均可以独立构成简单宗地的图,并且Gi包含于G中,Gi∩Gj=ø(i,j=1,2…n), ,则G*是就可以构成一个简单岛宗的图。

(4)复杂宗地的图论定义
  复杂宗地实际上就是指既含岛又含弧的宗地。其定义只要综合(2)和(3)即可。
3、地籍基本空间实体间的拓扑关系
宗地、界址线、界址点相互之间的空间关系在满足普通空间点、线、面的特点的基础上,有自己独特的特点:
  (1)宗地和宗地之间必须是平铺的,也即不能有交叉、重叠的关系;
  (2)界址线之间不能有交叉的关系;
  (3)界址点不能在宗地之内;
  (4)没有孤立存在的宗地、界址线、界址点,三者是相伴出现的。
3.1界址点间的关系
(1)界址点共街坊
  给定界址点Pi,Pj,存在属于同一个街坊的宗地L1和L2,L1的图为G1=(V1,E1),Pi∈E1,L2的图为G2=(V2,E2),Pj∈E2。界址点的编号一般以街坊为单位。
  (2)界址点共宗地
  给定界址点Pi,Pj,存在宗地L,其图为G=(V,E),Pi∈E且Pj∈E。属于同一宗地的界址点必定属于同一个街坊,界址点在各宗地中有相应的序号。
  (3)界址点共界址线
  给定界址点Pi,Pj,存在一条界址线L,其图为G=(V,E),Pi∈E且Pj∈E。共界址线的界址点必定共宗地。
3.2界址点和界址线的关系
(1)界址点和界址线共街坊
  给定界址点Pi,界址线L,其都属于同一个街坊。
  (2)界址点和界址线共宗地
  给定界址点Pi,界址线L,存在一个宗地P,其图为G=(V,E),并且L∈V,Pi∈E。很显然,共宗地的界址点和界址线必然共街坊。
  (3)界址点在界址线上
  给定界址点Pi,界址线L,其图为G=(V,E),并且有Pi∈E。
3.3界址点和宗地的关系
(1)界址点和宗地共街坊
  给定界址点Pi,宗地P,其都属于同一个街坊。
  (2)界址点在宗地上
  给定界址点Pi,宗地P,其图为G=(V,E),并且有Pi∈E。
3.4界址线和界址线的关系
(1)界址线和界址线共街坊
  给定界址线L和M,其都属于同一个街坊。
  (2)界址线和界址线共宗地
  给定界址线L和M,存在一个宗地P,其图为G=(V,E),L∈V并且M∈V。
  (3)界址线和界址线相接(共界址点)
  给定界址线L和M,L的图为G1=(V1,E1),M的图为G2=(V2,E2),存在一个界址点Pi,Pi∈E1并且Pi∈E2。需要注意的是界址线和界址线相接,可能是属于同一个宗地也可能不属于同一个宗地,并且可能属于同一个街坊,也可能不属于同一个街坊。
3.5界址线和宗地的关系
(1)界址线和宗地共街坊
  给定界址线L,宗地P,其都属于同一个街坊。
  (2)界址线在宗地上
  给定界址线L,宗地P,宗地P的图为G=(V,E),L∈V。
3.6宗地和宗地的关系
(1)宗地和宗地共街坊
  给定宗地P1,P2,其都属于同一个街坊。
  (2)宗地和宗地共界址点
  给定宗地P1,其图为G1=(V1,E1),给定宗地P2,其图为G2=(V2,E2),存在一个界址点P0,P0∈E1并且P0∈E2。需要注意的是共界址点的宗地不一定在同一个街坊中。
  (3)宗地和宗地共界址线
  给定宗地P1,其图为G1=(V1,E1),给定宗地P2,其图为G2=(V2,E2),存在一个界址线L0,L0∈V1并且L0∈V2。需要注意的是共界址线的宗地也不一定在同一个街坊中。
  (4)宗地包围宗地
  在共界址点和共界址线的宗地间有一类特殊的关系,即一个宗地的界址点集合以及界址线集合全部是另外一个宗地的子集合,这种情形实际上是含岛宗和岛宗间的一种特殊包围关系。其可以描述为:给定宗地P1,其图为G1=(V1,E1),给定宗地P2,其图为G2=(V2,E2),其中V2 V1,E2 E1,则P1包围P2。
4、地籍基本空间实体的变更分析
地籍基本空间实体的变更都是以宗地变更为中心进行的。宗地发生变更的同时,界址线、界址点及其相互间的组合关系也会发生相应的变更。宗地变更在满足空间实体拓扑变化的基本特点基础上,有自己独特的特点,其中一个很重要的准则就是“土地面积守恒原则”,也就是参与变更的宗地及空隙地的面积总和必须等于经过变更产生的新宗地和空隙地面积之和。以下结合土地管理业务进行宗地变更分类的分析和描述。

4.1 宗地分割
由一块宗地裂变为多块宗地情形称为宗地分割,其一般发生在宗地产权的转让过程中,经过分割以后,父宗地消亡,新宗地产生。如图6所示,宗地A分割为宗地B与宗地C。宗地A的面积等于宗地B和宗地C的面积的和。如表1所示,A和B在空间上有交叉关系,A和C在空间上有交叉关系,并且都构成了父宗地和子宗地的关系。即B和C是由A演化而来。
                表1 宗地分割过程的父宗地和子宗地继承关系
父宗地 子宗地 空间关系
A C 交叉
A B 交叉

4.2 宗地合并
宗地合并是由多块宗地合并生成一块宗地的过程。如图7所示,A宗地和B宗地合并生成C宗地。如表2所示,A和C在空间上有交叉关系,B和C在空间上有交叉关系,并且其都构成了父宗地和子宗地的关系。即C是由A和B演化而来。
             表2 宗地合并过程的父宗地和子宗地继承关系
父宗地 子宗地 空间关系
A C 交叉
B C 交叉

4.3 宗地混合分并
一次变更过程中多块宗地参与变更,部分宗地分割出一部分与其他宗地进行组合生成一块或者多块宗地。一般有两种情形:
  如图8所示的是第一种混合分并的情况,在该种情况下,新宗地是直接覆盖参与变更的宗地的全部或者部分,这种情形一般发生在大片征地等成片开发的情况下。A、B、C、D、F宗地均被分割,其剩余部分分别生成新宗地A’、B’、C’、D’、F’,其被分割下的部分与宗地E的全部合并生成了新宗地E’。 如表3所示,A与E’,A与A’,B与E’,B与B’,C与E’,C与C’,D与E’,D与D’,E与E’,F与E’,F与F’,在空间上都有交叉关系,并且其分别构成了父宗地与子宗地的关系。即A’、B’、C’、D’、F’分别是A、B、C、D、F演化而来的,其父宗地分别只有一个;而E’是由A、B、C、D、E、F共同演化而来的,所以其父宗地有六个。

             表3 宗地混合分并(一)过程的父宗地和子宗地继承关系
父宗地 子宗地 空间关系 父宗地 子宗地 空间关系
A E’ 交叉 A A’ 交叉
B E’ 交叉 B B’ 交叉
C E’ 交叉 C C’ 交叉
D E’ 交叉 D D’ 交叉
E E’ 交叉 F F’ 交叉
F E’ 交叉 — — —
  图9所示的是第二种混合分并的情况,该种情况下实际上是前一种情况的一种继续,新宗地直接覆盖参与变更的宗地的全部或者部分,同时根据土地使用等情况,将其再分割成多块宗地。A、B、C、D、F宗地均被分割,其剩余部分分别生成新宗地A’、B’、C’、D’、F’,其被分割下的部分与宗地E合并在一起,被调整分割生成两个新宗地E’和G’。 A与E’,A与A’,B与E’,B与B’,C与E’,C与G’,C与C’,D与G’,D与D’,E与E’,E与G’,F与E’,F与G’,F与F’,在空间上都有交叉关系,并且其分别构成了父宗地与子宗地的关系。即A’、B’、C’、D’、F’分别是A、B、C、D、F演化而来的,其父宗地分别只有一个;而E’是由A、B、C、E、F共同演化而来的,所以其父宗地有五个;而G’是由C、D、E、F共同演化而来的,其父宗地有四个。

                  表4 宗地混合分并(二)过程的父宗地和子宗地继承关系
父宗地 子宗地 空间关系 父宗地 子宗地 空间关系
A E’ 交叉 A A’ 交叉
B E’ 交叉 B B’ 交叉
C E’ 交叉 C C’ 交叉
F E’ 交叉 D D’ 交叉
E E’ 交叉 F F’ 交叉
C G’ 交叉 — — —
D G’ 交叉 — — —
F G’ 交叉 — — —
E G’ 交叉 — — —
4.4 宗地界址的调整
界址调整可以分为几种情形:

第一种情形如图10所示,A宗地分割成A1和A2两块宗地,B宗地虽然没有参与分割,但是由于A与B的公共界址线上增加了一个界地址点,为了保持前后面积守恒,则B宗地相应也要加入该界址点。这样B实际上也发生了变更,这种变更就是一种界址变更。图10的变更过程的父子宗地继承关系如表5所示。
           表5 宗地界址调整(一)过程的父宗地和子宗地继承关系
父宗地 子宗地 空间关系
A A1 交叉
A A2 交叉
B C 交叉
第二种情形如图11所示,宗地之间的公共界线调整,图中A和B宗地间的界址进行了调整,生成A’和B’两块宗地。其父子宗地的继承关系如表6所示。B’是由B变更产生的,A’则是由A与B共同变更产生的。

          表6 宗地界址调整(二)过程的父宗地和子宗地继承关系
父宗地 子宗地 空间关系
A A’ 交叉
B A’ 交叉
B B’ 交叉
4.5 宗地间与地籍单元的拓扑关系变化
由于一个宗地总是处于地籍单元之中,宗地实体的对象识别和其所处的街坊有着密切的关系。而地籍单元不是一成不变的,其也处于变动之中,宗地有时需要划归到其他街坊中。这样宗地与地籍单元的拓扑关系就发生了变化。对于这种情况也需要记录父宗地和子宗地的关系,同时记录父子地籍单元之间的继承关系。

5、结论
本文分析了界址点、界址线和宗地等基本地籍实体的图形类型以及各实体间的空间关系,并详细分析了地籍空间实体的图形变更类型及新旧宗地之间的继承关系,为利用地理信息系统技术实现地籍变更提供了理论依据和操作方法。中国科学院地理信息产业发展中心在杭州等地籍信息系统的建设中,结合上述分析方法和时间GIS等技术手段,基于SuperMap 2000以及ArcInfo 8.0等软件成功实现了地籍的图形变更以及历史记录。
[参考文献]
[1] 时间拓扑关系和空间变化过程识别,唐新明等,GIS年会论文集(深圳1999年)
[2] 地籍信息系统中宗地数据库的设计,梁军、钟耳顺,GIS年会论文集(深圳1999年)
[3] 地籍实体的时间序列分析,王康弘等,浙江省首届青年学术论坛地球空间信息技术分论坛论文集(杭州2000年)
[4] 面向对象方法在地籍信息系统中的应用,刘利等,浙江省首届青年学术论坛地球空间信息技术分论坛论文集(杭州2000年)
[5] 土地信息系统建设中的若干问题,钟耳顺,第三届中国土地信息系统研讨会论文集,(常州2000年)