土地管理业务全要素关键领域模型构建与应用(博士学位论文)


博士学位论文 土地管理业务全要素关键领域模型 构建与应用 作 者:尹鹏程 导 师:李 钢 教授 中国矿业大学 二○一二年九月 学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定,同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理: 作为申请学位的条件之一,学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权,即:①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版,可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文;②为教学和 科研目的,学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外,根据有关法规,同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书)。 作者签名: 导师签名: 年 月 日 年 月 日 中图分类号 P208 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学 博士学位论文 土地管理业务全要素关键领域模型 构建与应用 Construction and Application of the Key Domain Model of Business Full Feature in Land Management 作 者 尹鹏程 导 师 李 钢 申请学位 工学博士 培养单位 环境与测绘学院 学科专业 地图制图学与地理信息工程 研究方向 土地信息系统 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一二年九月 论文审阅认定书 研究生 尹鹏程 在规定的学习年限内,按照研究生培养方案的 要求,完成了研究生课程的学习,成绩合格;在我的指导下完成本学 位论文,经审阅,论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同,论 文撰写格式符合学校的相关规定,同意将本论文作为学位申请论文送 专家评审。 导师签字: 年 月 日 致 谢 感谢导师李钢教授在论文研究及撰写过程中自始至终的悉心指导和亲切关 怀。从论文选题、研究路线制定、理论分析、工程实践到论文的最终定稿,都倾 注了导师大量的心血。近六年的博士求学之路,收获颇丰,感触亦深。土地信息 化工作需要不断的开拓创新、需要对土地管理政策的洞察,才能为土地管理创新 提供坚实的土地科技支撑。李钢老师的指导和关怀给予了学生无形的鞭策和激 励,同时也是最宝贵的财富。值此论文完成之际,谨向我的导师致以崇高的敬意 和诚挚的感谢。 感谢徐州市国土资源基础测绘中心诸位同事的帮助和支持。从城乡一体化土 地调查、地籍全要素管理、矿籍地籍一体化管理到国土资源“一张图”空间框架 下的基础测绘成果应用管理模式,徐州市国土资源信息化发展的每个阶段,都反 映出国土资源信息化管理理念的创新,反映出这是一个充满了生机和活力的国土 资源信息化工作团队。正是基于这样一个优秀的平台,使得论文的研究成果能够 更好的应用到国土资源管理工作中去,更快的在应用实践中发挥效能。 感谢顾和和教授、陈龙乾教授、汪应宏教授、杨敏副教授、王行风副教授等 在论文选题过程中提出的许多宝贵建议,使论文研究目标进一步明确;感谢王坚 教授、孙亚琴副教授等在论文撰写过程中提出的修改建议,使论文结构进一步完 善、内容进一步丰富;感谢徐嘉兴、宋韦剑、周永臣等师兄弟们在学习、生活中 的关心和帮助。 感谢武大吉奥信息技术有限公司黄金森副总经理和邓玉锋经理、武汉大学詹 长根副教授、中国土地勘测规划院地籍所姜栋所长和黄亮高工、中国测绘科学研 究院桂德竹博士、我的朋友喻存国高工在论文研究过程中给予的大力支持和帮 助。 感谢“十一五”国家科技支撑计划项目《城乡一体化土地调查与监测技术研 究》(2008BAJ11B07)、国土资源部公益专项基金项目《煤矿区国土资源管理一张 图关键技术开发与集成示范》(201211011)、江苏省国土资源科研基金项目《市 级国土资源数据中心建设研究》(2009034)等的资助。 在攻读博士学位期间,无论是家庭,还是单位的领导、同事,都给予了支持 和鼓励,使我在论文研究中能不断的坚持下来,在此致以深深的谢意! 最后,特别感谢百忙之中评阅本论文并提出宝贵建议和意见的各位专家、学 者! 摘 要 土地管理“源于地籍、归于地籍”。以“地籍”为核心,构建土地管理业务 全要素的信息集成模式,建立土地管理业务全要素信息系统,实现 “批、供、 用、补、查、登”等业务环节土地信息的集成整合,是现阶段土地信息系统建设 的热点和难点。本文针对土地信息系统建设中的“信息孤岛”、“业务孤岛”等 问题,结合本体论、软件工程等相关理论和技术,以土地管理业务全要素关键领 域模型构建、空间特征形式化表达、关键技术分析及工程应用为主线,对其基本 设计思想、空间数据组织、数学模型等都做了详细的探讨,并基于土地管理业务 全要素关键领域模型进行了工程应用。论文主要做了以下研究工作: (1)对国内外土地信息化发展现状、土地信息集成现状进行了分析,提出 了土地管理业务全要素的信息集成模式。从建立共享概念模型的角度,引入面向 本体的分析方法和土地管理业务全要素信息系统领域模型概念;从过程工程理论 的角度给出了土地管理业务全要素信息系统领域模型的四元组定义;根据土地管 理业务全要素信息系统的特点,提出从数据分析、数据关联及系统协同角度对土 地管理业务全要素信息系统关键领域模型进行构建的研究思路。 (2)从信息系统体系结构、空间数据组织管理、信息系统开发模式等方面, 基于本体构建了土地管理业务全要素信息系统关键领域模型。提出了多层本体集 成模式下的土地管理业务全要素信息系统本体体系结构模型、多层本体共享模 型、土地管理业务全要素信息系统应用模型;以地籍应用本体为例,采用本体分 析方法,分析了地籍本体概念及概念间关系,重组了地籍数据库结构,为概念 模型中应用本体的数据建模提供了分析方法。 (3)基于组份拓扑理论和位置理论,进行了土地管理业务全要素信息系统 关键领域模型空间特征的形式化表达。利用组份拓扑理论和位置理论产生的新公 理,对土地管理业务全要素信息系统多层本体共享模型和土地全要素业务空间 本体间的空间关系进行了数学描述;以土地管理业务全要素空间数据为例,基于 ArcEngine 实现了土地空间数据的拓扑检查。 (4)从土地生命周期管理、业务地块编码、土地管理业务全要素信息演绎 等方面,分析了土地管理业务全要素信息系统关键领域模型的若干关键技术。在 多层本体共享模型基础上,提出了基于事件语义的土地业务全要素生命周期管理 模式;在分析宗地代码编制规则基础上,提出了土地管理业务全要素地块编码规 则;通过设置数据表设计规范,分析了土地管理业务全要素信息在土地生命周期 内的演绎规律,为建立土地业务全要素生命周期管理关联树奠定了技术基础。 (5)从数据框架构建、数据建库方法、数据存储管理等方面,构建了集计 算、存储和应用为一体的土地管理业务全要素信息系统数据中心。从数据关联、 I 要素分类编码、信息共享可用性等方面展开分析,构建了土地管理业务全要素信 息系统数据框架体系;从土地管理业务全要素信息集成整合的角度,分析了数据 处理的总体技术框架;从数据存储管理的角度,分析了数据中心的逻辑拓扑结构, 设计了数据管理平台的功能结构,为土地管理业务全要素信息系统构建奠定了数 据基础。 (6)基于土地管理业务全要素信息系统关键领域模型和模块搭建的软件开 发框架,构建了原型系统。以徐州市为例,从需求分析、建设思路、技术框架、 开发模式、业务模式等方面,对领域模型内的若干关键技术进行应用。构建了土 地业务全要素生命周期管理关联树,基于此改进业务处理模式,实现了空间数据 与业务审批信息的深度融合;基于信息系统应用模型,分析了“一中心四平台” 应用系统的搭建式开发框架,对现阶段土地信息的集成整合进行了有益探索和实 践。 主要创新点有: (1)提出面向土地管理业务全要素的土地信息集成模式,基于本体构建了 土地管理业务全要素信息系统本体体系结构模型、多层本体共享模型、应用模型 等关键领域模型,分析了其若干关键技术,提出了土地业务全要素生命周期管理 模式、土地管理业务全要素地块编码方法及土地管理业务全要素信息演绎规则, 为土地信息系统顶层框架建设提供了设计思路。 (2)采用面向本体分析方法,分析了地籍本体组成,获取了地籍本体概念, 梳理了地籍本体概念间关系,建立了地籍应用本体概念模型,并基于地籍应用本 体模型,重组了地籍数据结构,为土地管理业务全要素信息系统专业模型的构建 提供了分析方法。 (3)基于土地管理业务全要素信息系统关键领域模型,提出了土地业务全 要素生命周期管理关联树的构建方法,实现了土地管理业务全要素空间信息的集 成;基于生命周期管理关联树,改进了业务处理模式,建立了单一业务地块与审 批流程的横向关联以及土地管理业务全要素间的纵向关联,为地理信息与地政业 务审批信息的一体化集成提供了技术方法。 该论文有图幅 67 篇,表 19 个,参考文献 173 篇。 关键词:土地信息系统;领域模型;本体论;土地生命周期模型;宗地统一代 码;土地管理业务全要素信息系统 II Abstract Cadastral information system, as a mature land information system, has been applied to land investigation and delimitation and land registration for a long time. But in other parts of the land business, such as the submission for approval of the constructive land and the tracking management of land using, the perfect and mature information systems have not been established. As a result, it may make serious dislocation of business computer-aided processing to cause lots of supervision blind spots. As we know, land management starts from cadastre and ends to cadastre. According to this thought, we can take the cadastre as the center to construct a management mode, and then develop the named land management business full feature information system which can connect all the processes of land business including “Approval, Supplying, Using, Supplement, Supervision and Registration”. This is one of the directions and requirement for the development of the land information system. However, many problem such as information isolated island, business isolated island and lack of the top-level design will be meet in construction of land management business full feature information system. This is also the research purpose of the dissertation. Land management business full feature information system ontology architecture, multilayer ontology sharing model and land management business full feature information system application model are put forward after the analysis of the concept model of land management business full feature information system which is based on information system architecture, spatial data organization and management and information system development. Meanwhile, through analyzing land business full feature lifecycle management mode, land management business full feature encoding rules and land management business full feature information deductive mechanism in land lifecycle based on the concept models, the key domain model of business full feature in land management is constructed. Basic design idea, spatial data organization and mathematical model of the key domain models have been discussed. Through the application in the project, it has been proved that the key domain model of business full feature in land management can satisfy the basic demand of land full feature management and has its effectiveness and practicality. The solution for information isolated island and business isolated island need to realize data association and information system coordination. After analyzing the III ontology architecture of land management business full feature information system, as an example, cadastre application ontologies are analyzed using ontology analysis method to make classification and recombination of cadastral ontology concepts so that cadastre data structure is optimized. This supplies an analysis mode for data management of application ontology. The land lifecycle management model is constructed based on the multilayer ontology sharing model. Then, we construct the land lifecycle management model and build the association tree of land business full feature lifecycle management which supplies technical idea for the organization and management and sharing of land management business full feature information. Business processes are improved to realize the deeply fusion of the spatial data and business approval information. Software development framework based on land management business full feature information system application model and module building are put forward to supply an implementation mode of land management business full feature information system based on “One center and four platforms”. The building of key domain model of business full feature in land management is useful for solving information isolated island and business isolated island, and can give a theoretical basis and technical support for land informatization. In this dissertation are there 67 diagrams and figures, 19 tables, and 173 references. Keywords:Land Information System; Domain Model; Ontology; Land Lifecycle Model; Unified Encoding of Land Parcel; Land Management Business Full Feature Information System IV Extended Abstract Cadastral information system is a mature land information system and has good applications in land management fields, such as land investigation and delimitation and land registration. But in many land management departments is the processing information of land use tracking management and constructive land examination and approving missing, so it makes serious dislocation of business computer-aided processing to cause lots of supervision blind spots. Land management starts from cadastre and ends to cadastre. According to this opinion, cadastre is taken as a core, all the land business processing of “Approval, supplying, Using, Supplement, Supervision and Registration” as land management business mainlines, to construct a business management mode which is named as land full feature management. It is a new direction and demand of the development of land information system to realize land whole processing tracking management which is named as land full feature management system. In the construction of land management business full feature information system are there many problem such as information isolated island, business isolated island and lack of the top-level design. To solve these problems, the basic design idea and spatial data organization and mathematics model are studied in detail based on the mainline of the building of business full feature key domain model in land management, the formal representation of spatial characteristics, the analysis of key technologies and the application in the project. Meanwhile, land management business full feature information system is developed based on the key domain model. This paper mainly does the following work: 1. Through studying the situation of land informatization at home and abroad, the problems of information isolated island, business isolated island and data standards limitations in the construction of land information system are analyzed; the integration mode of land management business full feature information is put forward, the ontology analysis method and the domain model concept of land management business full feature information system are introduced to establish a shared conceptual model. Besides, the definition of quadruple of land management business full feature information system domain model is given, and we put forward a research idea of construction of land management business full feature information system domain model which combines data analysis, data connetion and system connection V analysis on the basis of the characteristic of the land management business full feature information system. 2. Through analyzing concept model of land management business full feature information system based on ontology from information system architecture, spatial data organization and management and information system implementation, this dissertation gives ontology architecture of land management business full feature information system, multilayer ontology sharing model and land management business full feature information system application model, takes cadastral information system as an example to analyze the ontology conceptions and the connection between conceptions, improves and optimizes the cadastral database structure, and gives an analysis method to the application ontology in land management business full feature information system. 3. Based on mereotopology and location theory, the mathematical model of land full feature multilayer sharing model and the rules of spatial relationships between land business spatial ontologies are constructed. As an example, data processing tool is developed based on GIS COM of ArcEngine to check the topology of land full feature spatial data. 4. The analysis of key technology of business parcel lifecycle management, business parcel encoding rules and the business parcel information deductive rules of land full feature management constitutes the basis for construction of the association tree of land full feature lifecycle management. Meanwhile, the land full feature lifecycle management model based on the event semantic model and multilayer ontology sharing model is constructed; land full feature business parcel encoding rules which are based on the analysis of land parcel unified encoding rules are made; the deductive rules of land full feature information are made through the design specifications setting of the data table. These models and rules constitute the foundation of data association and system coordination in land management business full feature information system. 5. The data center of land management business full feature information system, as the core of the construction of land management business full feature information system, is an integration of calculation, storage and application. Through the analysis of the data association, the feature classification and encoding and the information sharing and usability, the data framework system of land management business full feature information system is constructed to guide the data engineering. Meanwhile, VI the logical topological structure of data center is analyzed and the functional structure of data management platform is designed to give a foundation of the prototype implement of land management business full feature information system. 6. Software development mode which is based on domain model and module combination is put forward and prototype system of land management business full feature information system is built through the mode. From requirement analysis, construction thinking, general technology framework, development mode and business processing mode is the prototype system of land management business full feature information system developed based on the concept model of land management business full feature information system. The association tree of land full feature lifecycle management is built to support land information analysis and statistics based on land business whole processes tracking management. The design of business processing mode is useful for the E-government to make an integration of GIS, MIS, OA and a business platform with maps. It is a beneficial exploration and practice to land information integration. Main innovations are as follows: 1. Key domain models of land management business full feature information system are built based on land full feature information integration mode to give reference for the top-level framework of land information system. Meanwhile, through analyzing the concept model of land management business full feature information system are the ontology architecture of land management business full feature information system, multilayer ontology sharing model and land management business full feature information system application model put forward; after the analysis of key technology of the construction of land management business full feature information system, land lifecycle management model and land full featuer encoding rules and the deductive rules of land full feature information are given. 2. The cadastral ontology concepts and the relationship between the concepts are analyzed by ontology-oriented analysis method. On this basis, the cadastral data structure is reorganized. This provides the analysis method for the building the applications ontology in land management business full feature information system. 3. The integration mode of GIS and E-government is implemented to improve business processing mode which is based on key domain model of land management business full feature information system and land full feature lifecycle association tree. At the basis of multilayer ontology sharing model, land full feature lifecycle VII management model based on the event semantic model, land full feature business parcel encoding rules and the deductive rules of land management business full feature information system are put forward to build land full feature lifecycle management association tree to implement the integration between GIS and business processing information in E-government. Keywords: Land Information System; Domain Model; Ontology; Land Lifecycle Model; Unified Encoding of Land Parcel; Land Management Business Full Feature Information System VIII 目 录 摘 要............................................................................................................................ I 目 录......................................................................................................................... IX 图清单...................................................................................................................... XIII 表清单.....................................................................................................................XVII 1绪论............................................................................................................................1 1.1 土地信息化现状.....................................................................................................1 1.2 土地信息集成现状.................................................................................................8 1.3 研究目的与研究内容...........................................................................................12 1.4 组织架构与章节安排...........................................................................................14 2 本体与土地管理业务全要素信息系统领域模型基础理论 ..................................18 2.1 本体概述...............................................................................................................18 2.2 本体分类与集成模式...........................................................................................19 2.3 本体与对象相关概念...........................................................................................23 2.4 土地管理业务全要素信息系统领域模型内涵分析...........................................24 2.5 本章小结...............................................................................................................28 3 基于本体的土地管理业务全要素信息系统关键领域模型建立 ..........................29 3.1 土地管理业务全要素信息系统业务框架...........................................................29 3.2 土地管理业务全要素信息系统关键领域模型...................................................31 3.3 实例分析——以地籍应用本体建模为例...........................................................35 3.4 本章小结...............................................................................................................43 4 土地管理业务全要素信息系统领域模型空间特征的数学描述 ..........................44 4.1 组份拓扑理论与位置理论...................................................................................44 4.2 多层本体共享模型的数学模型...........................................................................47 4.3 土地全要素业务本体空间关系描述...................................................................48 4.4 实例应用——土地管理业务全要素空间数据拓扑检查...................................53 4.5 本章小结...............................................................................................................56 5 土地管理业务全要素信息系统领域模型的若干关键技术研究 ..........................57 5.1 基于事件语义的土地业务全要素生命周期管理模式.......................................57 5.2 基于宗地代码编制规则的土地管理业务全要素地块编码方法.......................60 5.3 土地管理业务全要素信息在土地生命周期内的演绎规则...............................64 5.4 本章小结...............................................................................................................67 IX 6 基于关键领域模型的土地管理业务全要素数据中心建设 ..................................68 6.1 土地管理业务全要素信息系统数据框架...........................................................68 6.2 土地管理业务全要素信息系统数据库建设.......................................................78 6.3 土地管理业务全要素信息系统数据中心构建...................................................80 6.4 本章小结...............................................................................................................84 7 土地管理业务全要素信息系统原型实现 ..............................................................85 7.1 建设背景...............................................................................................................85 7.2 建设思路...............................................................................................................86 7.3 技术框架...............................................................................................................86 7.4 系统实现...............................................................................................................89 7.5 本章小结...............................................................................................................98 8 结论与展望 ..............................................................................................................99 8.1 研究结论...............................................................................................................99 8.2 主要创新.............................................................................................................100 8.3 研究展望.............................................................................................................100 参考文献 ...................................................................................................................102 作者简历 ...................................................................................................................112 学位论文原创性声明 ...............................................................................................114 学位论文数据集 .......................................................................................................115 X Contents Abstract .................................................................................................................... III Extended Abstract ...................................................................................................V Contents ................................................................................................................... XI List of Figures...................................................................................................... XIII List of Tables.......................................................................................................XVII 1 Introduction...............................................................................................................1 1.1 Current situation of land informatization................................................................1 1.2 Current situation of land information integration...................................................8 1.3 Purposes and contents of the study.......................................................................12 1.4 Organizational structure and chapters arrangement..............................................14 2 Basic theory of ontology and domain model of land management business full feature information system .......................................................................................18 2.1 Ontology Overview...............................................................................................18 2.2 Ontology classification and integrated organizational mode........................................19 2.3 Relevant concepts of ontologies and objects.................................................................23 2.4 Anal ysis of conotation of the domain model of land management business full feature information system.......................................................................................................24 2.5 Summary...............................................................................................................28 3 Construction of the key domain model of land full feature information system based on ontology.......................................................................................................29 3.1 Business framework in land management business full feature information system ......................................................................................................................................29 3.2 Key domain models of land management business full feature information system ......................................................................................................................................31 3.3 Examples - cadastral application ontology modeling...........................................35 3.4 Summary...............................................................................................................43 4 Mathematics representation of spatial characteristics of the land management business full feature information system domain model........................................44 4.1 Introduction of mereotopology and location theory .............................................44 4.2 Mathematics model of the multilayer ontology sharing model ............................47 4.3 Spatial relation describing about full feature business ontologies in land management .................................................................................................................48 XI 4.4 Instance of the application - the topology check of land management business full feature spatial data .......................................................................................................53 4.5 Summary...............................................................................................................56 5 Key technologies research of land management business full feature information system domain model ...........................................................................57 5.1 Land business full feature lifecycle management mode based on event semantics ......................................................................................................................................57 5.2 Land management business full feature parcel encoding based on unified encoding of land parcel................................................................................................60 5.3 Deductive mechanism of land management business full feature information in land lifecycle................................................................................................................64 5.4 Summary...............................................................................................................67 6 Construction of land managemetn business full feature data center based on key domain model ......................................................................................................68 6.1 Data framework of land management business full feature information system..68 6.2 Data engineering in land management business full feature information system 78 6.3 Data center construction of land management business full feature information system ..........................................................................................................................80 6.4 Summary...............................................................................................................84 7 Implement of the prototype system of land managemetn business full feature information system.....................................................................................................85 7.1 Requirement analysis............................................................................................85 7.2 Construction thinking............................................................................................86 7.3 Technical framework ............................................................................................86 7.4 Prototype implement.............................................................................................89 7.5 Summary...............................................................................................................98 8 Conclusions and prospects .....................................................................................99 8.1 Conclusions...........................................................................................................99 8.2 Main innovations ................................................................................................100 8.3 Propects...............................................................................................................100 References..............................................................................................................102 Author’s Resume ..................................................................................................112 Declaration of Dissertation Originality............................................................114 Dissertation Data Collection ..............................................................................115 XII 图清单 图序号 图名称 页码 图 1-1 土地数据类型及相互关系 2 Figure 1-1 Types and relationship of land data 2 图 1-2 AAA 模型组成示意图 3 Figure 1-2 The composition diagram of the AAA model 3 图 1-3 AAA 模型与 ISO、OGC 等标准的关系 3 Figure 1-3 The relationship of the AAA model and the standards such as ISO, OGC 3 图 1-4 ALKIS/ATKIS 参考模型 4 Figure 1-4 The reference model of ALKIS/ATKIS 4 图 1-5 已有数据库的整合流程 9 Figure 1-5 The data integration process of the existing database 9 图 1-6 新建数据库的建库流程 9 Figure 1-6 The building process of the new database 9 图 1-7 基于城乡土地一体化管理的地籍数据组织管理模型 9 Figure 1-7 The cadastral data organization and management model based on integrated management of urban and rural land 9 图 1-8 以地籍为核心的土地管理业务闭环逻辑 12 Figure 1-8 The closed logic loop of land management business based on cadastral business 12 图 1-9 研究技术路线 15 Figure 1-9 The technical route chart of the study 15 图 2-1 本体分类层次图 19 Figure 2-1 The hierarchy of the ontology classification 19 图 2-2 单本体、多本体和混合本体模式的体系结构 21 Figure 2-2 The architecture of the single ontology, multi-ontology and the mixing ontology mode 21 图 2-3 多层本体模式的体系结构 22 Figure 2-3 The architecture of the multilayer ontology mode 22 图 2-4 城镇地籍数据库数据表关系图 25 Figure 2-4 The relationship diagram of the tables of urban cadastral database 25 图 2-5 土地利用数据库数据表关系图 26 Figure 2-5 The relationship diagram of the tables of land use database 26 图 2-6 土地管理业务全要素信息系统领域模型层次结构图 28 Figure 2-6 Hierarchy diagram of the domain model of land management business full feature information system 28 图 3-1 土地管理业务全要素信息系统图形数据与属性数据关联模式 30 Figure 3-1 The associated mode of the graphics data and attribute data in land management business full feature information system 30 图 3-2 土地管理业务全要素信息系统主要内容 30 XIII Figure 3-2 The main content of the land management business full feature information system 30 图 3-3 业务型 GIS 子系统主要功能模块 31 Figure 3-3 The major business function modules of the land business GIS subsystem 31 图 3-4 土地管理业务全要素信息系统本体体系结构 32 Figure 3-4 The ontology architecture of land full feature information system 32 图 3-5 土地管理业务全要素信息系统多层本体共享模型 34 Figure 3-5 The multilayer ontology sharing model of land management business full feature information system 34 图 3-6 土地管理业务全要素信息系统应用模型 35 Figure 3-6 The application model of land management business full feature information system 35 图 3-7 地籍本体概念构成 38 Figure 3-7 The constitute of the cadastral ontology concept 38 图 3-8 地籍本体概念间关系 39 Figure 3-8 The relationship of the cadastral ontology concepts 39 图 3-9 基于土地管理业务全要素信息系统应用模型的地籍空间本体关系模型 40 Figure 3-9 The relationship model between the cadastral space ontologies based on application model of land management business full feature information system 40 图 3-10 权利主体与权利客体间权属关系模型 40 Figure 3-10 The ownership relationship model between the subject and object of rights 40 图 3-11 权利主体与权利客体间利用关系模型 40 Figure 3-11 The land use relationship model between the subject and object of rights 40 图 3-12 地籍管理信息系统涉及的主要本体概念模型 41 Figure 3-12 The main ontology concepts model in the cadastral management system 41 图 4-1 几种常见空间关系定义的新的公理 47 Figure 4-1 The defined new axioms of the several common spatial relationships 47 图 4-2 城乡一体化地籍管理中的数据组织模式 49 Figure 4-2 The data organization mode based on integrated management of urban and rural land 49 图 4-3 基于城乡土地一体化管理的空间对象层次模型 51 Figure 4-3 The hierarchical model of spatial objects based on integrated management of urban and rural land 51 图 4-4 拓扑检查设置界面 54 Figure 4-4 The settings interface of the topology checking 54 图 4-5 拓扑关系参考层设置 54 Figure 4-5 The reference layer setting of topological relations 54 图 4-6 拓扑检查操作界面 55 Figure 4-6 The operation interface of the topology checking 55 图 4-7 拓扑检查结果列表 55 Figure 4-7 The results list of the topology checking 55 图 5-1 事件语义模型中时空信息关系 58 XIV Figure 5-1 The relationship of spatial and temporal information in the event semantic model 58 图 5-2 土地生命周期中土地业务间的关联关系 59 Figure 5-2 The land business relationships in land lifecycle 59 图 5-3 基于事件语义的土地业务全要素生命周期管理模型 60 Figure 5-3 Land business full feature lifecycle management model based on event semantics 60 图 5-4 宗地代码结构 61 Figure 5-4 The code structure of the land parcel 61 图 5-5 地籍区、地籍子区划分示意图 62 Figure 5-5 The diagram of cadastral zoning and sub-zoning 62 图 5-6 土地管理中的业务全要素地块代码结构 63 Figure 5-6 The code structure of business full feature parcel in land management 63 图 5-7 空间图形、空间属性、业务属性数据表关系图 66 Figure 5-7 The data table relationships of space graphics, space properties and business properties 66 图 5-8 土地生命周期模型图 66 Figure 5-8 The association relationship between the business parcel information in land lifecycle 66 图 5-9 土地管理业务全要素信息系统中的土地信息演绎机制 67 Figure 5-9 The land management business information deductive mechanism in land full feature information system 67 图 6-1 土地全要素管理业务处理体系结构 69 Figure 6-1 The business processing architecture of land full feature management 69 图 6-2 土地管理业务全要素信息系统数据间的协同关系 70 Figure 6-2 The collaborative relationship between the land full feature information system data 70 图 6-3 土地业务数据流图 71 Figure 6-3 Data flow chart of the land business 71 图 6-4 土地管理业务全要素信息系统数据库框架结构 72 Figure 6-4 The database framework structure of land full feature information system 72 图 6-5 徐州市基础地理要素分类编码 72 Figure 6-5 The classification and coding of basic geographic features in Xuzhou 72 图 6-6 土地管理业务全要素信息分类编码规则 73 Figure 6-6 The classification and coding rules of land full features 73 图 6-7 土地管理业务全要素信息系统数据建库总体技术框架 78 Figure 6-7 The overall technical framework for the data engineering in land full feature information system 78 图 6-8 土地管理业务全要素信息系统数据中心逻辑模型 80 Figure 6-8 The logical model of the data center of land full feature information system 80 图 6-9 数据中心系统架构逻辑拓扑示意图 82 Figure 6-9 The logical topology diagram of the data center system architecture 82 XV 图 6-10 数据中心管理平台结构图 83 Figure 6-10 The structure diagram of the data center management platform 83 图 7-1 土地管理业务全要素信息系统总体技术框架 87 Figure 7-1 The general technical framework of land full feature information system 87 图 7-2 土地管理业务全要素信息系统层次结构图 89 Figure 7-2 The hierarchy diagram of land full feature information system 89 图 7-3 基于电子政务基础平台的搭建式软件开发 90 Figure 7-3 The combined software development based on the e-government basic platform 90 图 7-4 用于 C/S 模式搭建式开发的软件框架 91 Figure 7-4 The software framework of the combined software development using for C/S mode 91 图 7-5 搭建系统各部分间逻辑关系 91 Figure 7-5 The logical relationship between the parts using for the combined software development 91 图 7-6 地政业务数据库表间关联树 92 Figure 7-6 The association tree between land business database tables 92 图 7-7 空间地块与电子政务审批流程间的对应关系 93 Figure 7-7 Corresponding relationship between the space parcel and the e-government business process 93 图 7-8 徐州市土地勘测定界报告号编码规则 93 Figure 7-8 The encoding rules of land survey report in Xuzhou 93 图 7-9 地理信息与电子政务业务审批流程关联关系 94 Figure 7-9 The relationship between the geographic information and the e-government business process 94 图 7-10 以地块统一编码检索生成的土地业务全要素生命周期管理关联树 95 Figure 7-10 The retrieved relationship tree of land business full feature lifecycle by the land parcel unified coding 95 图 7-11 由土地生命周期关联树查询到的建设用地报批地块信息 95 Figure 7-11 The queried information about construction land through the relationship tree of land lifecycle 95 图 7-12 由土地生命周期关联树查询到的土地登记业务过程信息 96 Figure 7-12 The queried information about the process of land registration business through the relationship tree of land lifecycle 96 图 7-13 徐州市土地管理业务全要素信息系统界面 97 Figure 7-13 The system interface of land management business full feature information system in Xuzhou 97 图 7-14 土地全过程全要素精细化管理模式 97 Figure 7-14 The fine management mode based on land full feature management system 97 图 7-15 基于土地管理业务全要素信息的政务办公系统 98 Figure 7-15 The e-government systems based on land management business full feature information in Xuzhou 98 XVI 表清单 表序号 表名称 页码 表 1-1 德国 16 州 ALKIS 发展情况统计 4 Table 1-1 The statistics of ALKIS development in Germany's 16 states 4 表 3-1 地籍数据库空间表结构 36 Table 3-1 The space table structure of the cadastral database 36 表 3-2 地籍数据库业务表结构 37 Table 3-2 The business table structure of the cadastral database 37 表 3-3 宗地数据表结构 41 Table 3-3 The table structure of the cadastral parcel data 41 表 3-4 宗地利用关系表结构 42 Table 3-4 The table structure of the cadastral parcel about parcel using 42 表 3-5 注册登记数据表 42 Table 3-5 The table structure of the cadastral parcel about land registration 42 表 3-6 他项权利数据表 42 Table 3-6 The table structure of the cadastral parcel about other rights registration 42 表 4-1 多层本体共享模型的数学内涵 48 Table 4-1 The mathematics connotation of the multilayer ontology sharing model 48 表 5-1 土地全要素管理中的业务类型编码 63 Table 5-1 Business type coding of land full feature management 63 表 5-2 空间属性表设置规范 64 Table 5-2 The setting rules of spatial attribute table 64 表 5-3 空间图形表设置规范 64 Table 5-3 The setting rules of space graphics table 64 表 5-4 空间属性子表设置规范 65 Table 5-4 The setting rules of spatial attribute sub-table 65 表 5-5 业务属性表设置规范 65 Table 5-5 The setting rules of business attribute table 65 表 5-6 业务属性子表设置规范 65 Table 5-6 The setting rules of business attribute sub-table 65 表 6-1 图形码代码表 73 Table 6-1 The coding table of the graphics code 73 表 6-2 土地管理业务全要素信息系统中的要素分类编码 74 Table 6-2 The classification and coding of land management business full feature information system 74 表 6-3 土地管理业务全要素信息系统中的数据库要素分层与编码表 75 Table 6-3 The layering and coding table of the database features in land management business full feature information system 75 表 6-4 土地管理业务全要素信息共享可用性分析表 77 Table 6-4 The analysis table of the land management business full feature information sharing and usability 77 XVII XVIII 表 6-5 土地相关数据库及其对应的信息系统 76 Table 6-5 Land database and its corresponding system 76 1 绪论 1 绪论 1 Introduction 随着土地管理工作的深入开展,土地管理部门积累了丰富的土地资源数据, 并陆续建立、开发和完善了一系列土地业务应用信息系统,特别是“金土工程”、 “第二次全国土地调查”及国土资源“一张图”工程等项目的开展,为国家宏观 调控及土地资源的规划、管理、保护和合理利用提供了重要的数据基础和决策支 持系统。但定位于单一部门,甚至于部门个别业务的需求设计,使得数据缺乏战 略规划、系统缺乏统一构架等问题突出,导致数据冗余、语义异构及现有系统间 相互独立、协同性不足,形成了一个个独立的“业务孤岛”、“信息孤岛”,使 得土地信息的整合利用、共建共享及社会化服务应用步履维艰。 土地管理业务全要素关键领域模型是为解决土地信息化领域数据缺乏战略 规划、系统缺乏顶层框架而提出的,旨在基于国土资源“一张图”地理空间框架, 建立土地信息系统数据间及系统间的关联关系,实现信息化资源的整合和系统的 集成、优化,达到资源合理配置和系统整体联动的目标。 本文针对我国土地信息化建设中存在的问题,围绕土地信息集成和土地业务 全要素全过程跟踪管理的需要,结合本体论、过程工程理论、组份拓扑理论、软 件工程等相关理论和技术,建立面向本体分析的土地管理业务全要素信息系统关 键领域模型,分析其若干关键技术,并基于关键领域模型和模块搭建的软件开发 框架,对土地管理业务全要素信息系统进行工程实践,为土地管理业务全要素信 息系统建设提供理论基础和技术支撑。 1.1 土地信息化现状(Current situation of land informatization) 1.1.1 土地信息概念 土地信息通常由图件(如土地利用规划图、土地利用现状图、地籍图等)以 及各种表、卡、证、册、簿来表示,包括与土地相关的各种自然属性、经济属性、 权能属性和空间属性、以及这些属性间相互关联的信息。土地信息在形式上表现 为土地数据,从内容上可以归结为调查评价、规划、管理和综合研究4 种类型(见 图 1-1)[1]。调查评价类数据是由土地调查评价工作产生的基础性、公益性数据, 主要包括土地利用现状、遥感监测、地籍、地价、基础地理、后备资源调查等数 据,它们是规划类、管理类和综合研究类数据产生的主要来源和基础。规划类数 据是由土地规划工作产生的数据,主要包括国土规划、土地利用规划、土地开发 复垦整理规划、基本农田保护区规划等,是管理类数据形成的重要依据,一般通 过规划编制、修编和调整更新得到。管理类数据是在土地业务管理过程中产生的, 主要包括建设用地预审、建设用地报批、土地征收、土地供应、土地市场交易、 1 博士学位论文 土地开发复垦整理、土地登记等数据,通过日常业务管理同步更新。综合研究类 数据在对各类数据提取加工、综合分析基础上生成,主要由本级进行相应数据的 加工,并通过汇总进行管理。 图 1-1 土地数据类型及相互关系 Figure 1-1 Types and relationship of land data 对上述分析的四种土地数据类型进一步综合,可归为三类: (1)土地基础数据。主要包括调查评价类数据和规划类数据。 (2)土地业务数据。主要作为政务办公平台的数据支撑,包含业务办理过 程、结果及相关数据。 (3)土地综合研究类数据。主要是对土地基础数据库和土地业务数据库按 照一定周期抽取、清理后形成的数据,并定期进行装载和刷新,作为辅助决策系 统的数据支撑。 1.1.2 土地信息化发展现状 上世纪 70 年代,国外已经开始了地理信息系统(GIS)在土地管理领域的应 用实践,CGIS 是世界上第一个用于土地管理的 GIS 实践系统。随着经济社会的 不断发展,人们对土地信息的获取时效和精确度提出了更高的要求,这也促进了 土地信息科学在汲取计算机技术、数据库技术、空间技术、信息技术以及土地科 学最新研究成果的基础上,不断在设计模式、应用模式及服务模式等方面不断创 新。 德国土地信息化发展在欧洲走在前列,其地籍信息系统的发展经历了两个阶 段。第一阶段以二十世纪 70 年代建成的 ALB(自动化地籍簿)系统和 80 年代 建成的 ALK(自动化地籍图)系统为标志,前者存储宗地的文字性记录,后者 管理具有法律效应的宗地图形信息;两个系统虽然独立,但超过 75%的信息在两 个数据库中同时存在[2],给日常的应用管理和更新维护带来了不少人力、财力浪 2 1 绪论 费。因此,德国州测量管理专业小组(AdV)于 1997 年成立了一个工作组,以 ALKIS(官方不动产地籍信息系统)模型为研究核心,这是德国的第二代地籍信 息系统,也标志着德国地籍信息系统发展步入了第二阶段。在 ALKIS 建模过程 中,AdV 采用基于 ISO 标准的统一建模语言 UML(Unified Modeling Language) 对地籍模型进行描述,并尝试将 ALKIS、ATKIS(官方地形与制图信息系统) 和 AFIS(官方定位基准框架系统)模型统一,形成 AAA 应用模型(其组成部分 如图 1-2 所示)。AAA 模型与 ALKIS 的建模方法类似,也是基于国际技术规范 (ISO,OGC 和 W3C 等)进行模型描述的(如图 1-3 所示),它作为 AFIS-ALKIS-ATKIS 的集成模型,包括参考模型、数据模型、版本管理模型、元 数据模型等子模型。比如在其参考模型(如图 1-4 所示)[3]中,通过模型的描述, 定义了空间数据的生产及与外界的交互模式。 图 1-2 AAA 模型组成示意图 Figure 1-2 The composition diagram of the AAA model ISO 19109 用 UML 表达的 AAA 应用模型 ISO/TS 19103 ISO 19107-19115 ISO 19110 对象目录 (XML) 对象目录 (HTML, RTF, XML) 19118 L1 XML ISO 19136, WFS, FES, ISO/TS 19139 NAS 图 1-3 AAA 模型与 ISO、OGC 等标准的关系 Figure 1-3 The relationship of the AAA model and the standards such as ISO, OGC 3 博士学位论文 再生产 再生产 再生产 TIFF NAS TIFF DXF NAS 提供给特 定用户 提供给特 定用户 提供给需 处理信息 的用户 提供给纸质 地图用户 规则层 产品层 通信层 ALKIS 数据采集 数据采集 数据采集 印制 处理 地图及其 他文档 地 貌 正射 影像 数据库数据 AFIS ATKIS 附加数据 数据抽取 AFIS ATKIS ALKIS AFIS 地形图 ALKIS 描述 调整 对象目录(OK) 符号目录( SK ) AFIS ALKIS ATKIS 图 1-4 ALKIS/ATKIS 参考模型 Figure 1-4 The reference model of ALKIS/ATKIS AAA 模型的研究以《官方测量地理信息建模文档》(《Dokumentation zur Modellierung der Geoinformationen des amtlichen Vermessungswesens》)2002 年 2 月 13 日版本的发布为重要里程碑,到目前为止,已经过多次的修正和完善,包 括三维地籍模型的增加[4]。德国 16 个州基于地理信息建模标准对自身的土地信 息系统进行了不断的整合和完善,但各州发展状况并不均衡。截止 2011 年中期, 其 ALKIS 建设情况[5]如下表所示: 表 1-1 德国 16 州 ALKIS 发展情况统计 Table 1-1 The statistics of ALKIS development in Germany's 16 states 州名 ALKIS 迁移开始 日期 ALKIS 实际应 用日期 软件(EQK ALKIS/DHK/APK) 巴登-符腾堡 2011.6 2012 DAVID-kaRIBik(ibR/LGL)/DAVID-G eoDB(ibR)/GeoMedia(Intergraph),SGJ (CPA) 巴伐利亚 2012 2013 在开源软件基础上自己研发 柏林 2011 预计到 2013 3A Editor ALKIS(AED-SICAD)/3A Server(AED-SICAD) 勃兰登堡 2012 2012 DAVID-Expertenplatz(ibR)/ DAVID-GeoDB(ibR) 不莱梅 预计 2012 预计到 2013 汉堡 2009.12 2010.3 3A 数据处理及表达组件 (VPK)(AED-SICAD)/3A Server(AED-SICAD) 4 1 绪论 黑森 2009.8 2010.2 ibR 公司 DAVID 产品系列(AAA 桌 面)/DHK-APK 方案(Smallworld) 梅克伦堡-前波 莫瑞 2013 2013 DAVID-Expertenplatz(ibR)/SGJ-AAA -DHK(CPA)/SGJ-AAA-APK(CPA) 下萨克森 2011.3 2011.10 3A Editor(AED-SICAD)/DAVID-GeoDB( ibR)/3A Web(AED-SICAD) 北莱茵-威斯特 法伦 2008 预计到 2012 当前 ALKIS 提供所有商业流程解决 方案都可以使用 莱茵兰-普法尔 茨 2010.6 2010.12 DAVID-Expertenplatz(ibR/LGL)/DAV ID-GeoDB(ibR) 萨尔 2012 2012 3A Editor (AED-SICAD)/3A Server(AED-SICAD) 萨克森 2012 2013 DAVID-Expertenplatz(ibR)/3A Server(AED-SICAD)/3A Web(AED-SICAD) 萨克森-安哈尔 特 2013 2014 DAVID-Expertenplatz(ibR)/DAVID Geo-DB(ibR)/3A Web(AED-SICAD) 石勒苏益格-荷 尔斯泰因 2011 2011.8 3A 数据处理及表达组件 (VPK)(AED-SICAD)/DAVID-GeoDB (ibR) 图林根 2011 2013 DAVID(ibR)/DAVID-GeoDB(ibR)/D AVID(ibR)+Geoproxy 我国自 1984 年 5 月开始,实施了土地利用现状调查工作(简称土地详查), 到 1995 年 5 月全国 2843 个县级单位的调查任务完成,县级调查数据经逐级汇总, 统一变更到 1996 年 10 月 31 日。土地详查资料和数据是我国 2007 年以前较为全 面、翔实、准确的土地利用历史资料,并在土地资源调查、资源与环境监测,以 及土地利用变化、城市扩展等研究中得到了广泛的应用。“十一五”以来,随着 第二次全国土地调查、新一轮土地利用总体规划修编工作的开展,逐步建立和完 善了空间数据/非空间数据一体化的新一轮土地调查成果数据库和土地利用总体 规划数据库。数据库的建立在于应用,只有在应用过程中进行不断的更新和维护, 才能使数据更加精准、可靠。土地信息化作为规范和创新土地管理的重要手段, 可以为数据建设提优增效提供技术保障:(1)利用信息化手段对资源的数量、 质量、空间分布、开发利用现状和潜力进行全面掌控,并对资源的动态变化进行 监测、分析,为管理决策提供支持;(2)利用信息化手段对资源的利用过程依 法依规进行事前把关和事后监管,杜绝资源的非法使用和低效利用;(3)利用 信息化手段充分发掘土地信息资源的潜在价值,为经济发展和社会民生提供广泛 的信息服务;(4)利用信息化手段促进政务公开,规范权力运行,提供土地管 理部门的公信力。为推动土地信息化发展,2004 年始,国土资源部根据《国务 院关于深化改革严格土地管理的决定》的要求,组织实施了“金土工程”一期和 二期建设项目;为实现土地的精细化管理,在全国第二次土地调查工作开展的基 础上,国土资源部于 2008 年提出了构建国土资源“一张图”本底数据库的要求; 2008 年 12 月,为进一步加强建设用地动态监督管理,在新形势下加强资源监管 5 博士学位论文 及参与宏观调控,国土资源部启动了国土资源综合信息监管平台的建设工作,以 进一步集成整合多年来国土资源信息化建设积累的成果。新形势下的土地管理政 策为土地信息化建设提供了新的思路和进一步完善的动力。从 2004 年全国建设 用地暂停审批开始,个别地方就按照土地管理参与宏观调控的要求,开展了土地 征收、土地供应数据库建设,以摸清征、供地的情况(“批、供”),开展地籍 数据库建设,以掌握土地权属和土地利用情况(“用”);2007 年以来,按照 “保护资源、保障发展、维护权益、服务社会”以及城乡统筹建设的要求,开展 了“全国第二次土地调查”等工作,建立了城乡土地调查数据库,个别地方通过 “金土工程”项目的实施,构建了建设用地预审、建设用地报批、土地储备、土 地开发整理、执法监察等业务应用系统,进一步掌握了耕地保护、占补平衡、土 地执法情况(“补和查”);2009 年以来,为深入学习实践科学发展观,按照 扩大内需、“保发展、保红线”的新要求,实现国土资源精细化管理,各地相继 开始了国土资源“一张图”工程建设,以逐步实现“批、供、用、补、查”指标 数据的综合分析、批后跟踪和对比核查,加强国土资源监管与服务能力,为统筹 城乡国土资源管理制度创新提供信息服务和技术支撑。 总的来说,在信息化建设方面,从 20 世纪 80 年代开始,地籍信息系统已经 在我国大部分地区逐步建立并进行了不同层次的应用,在随后的土地管理工作 中,又根据业务需求在地籍信息系统基础上搭建了多种专题业务系统。特别是自 国土资源部成立以来,我国在土地利用现状调查、土地利用规划、地籍管理、建 设用地审批管理等业务管理中积极推进信息化建设[6],在标准体系制定[7]、基础 设施部署[8-10]、管理信息系统建设[11,12]、信息社会化服务[13-16]等方面取得了丰硕成 果。 1.1.3 存在问题 从我国土地信息系统的发展历程来看,其建设模式可以概括为:基于基础地 理数据,通过业务流程建模,建立各类专项业务数据库,实现专题数据表达,以 辅助业务办公。经过“十五”、“十一五”的努力,土地信息化建设取得了相当 程度的进展,信息技术已成为各级土地管理工作不可或缺的重要支撑。然而,从 总体上看,土地信息化建设还缺乏顶层设计,一些地方对信息化基本理念和建设 方法的认识还不到位,信息化建设的系统化和标准化程度还比较低,保障信息化 建设良性发展的各项措施还没有完全落实到位,信息化在规范和创新土地管理方 面的巨大作用还未能充分发挥,信息化建设的整体水平还不能适应土地管理的新 形势和新要求。在这种模式下,由于业务需求及应用视角的不同,诞生了各种各 样的土地管理业务应用系统,对土地资源的精细化管理和集约节约利用起到了一 定作用,但在其过程中,尚存在以下问题[17-31]: 6 1 绪论 (1)“信息孤岛”的存在 土地数据内容丰富,种类繁多。以土地调查数据为例,就包括土地详查数据、 城镇地籍调查数据、更新调查数据、第二次土地调查成果数据、历年年度变更调 查数据、集体土地所有权确权登记调查数据等不同土地管理阶段根据不同的土地 管理政策依据不同的土地调查标准生产的数据。这些数据大多存在获取时段、调 查精度、空间基准、投影类型等的不同[32]。这种语法和语义异构现象的存在,导 致了土地调查成果数据库等土地基础数据应用的单一性,而这种单一性又导致了 数据库后期更新维护的不可持续,形成了多个“信息孤岛”。另外,市场上可选 的土地信息化产品很多,而基于不同 GIS 平台的土地信息系统所产生的数据往往 无法直接共享。不同的 GIS 平台,就意味着一套特定格式的数据集,为土地基础 数据服务在业务系统中的分发和共享增添了难度。 (2)“业务孤岛”的存在 由于土地信息系统涉及的业务类型较多,且系统间关系比较复杂,因此,在 研制过程中,最常见的方法是按业务职能将信息系统划分成一个个职能子系 统,逐个研制和开发。但是,由于顶层框架的缺失,导致系统建设的分散、异构、 封闭,影响到个体与整体之间的协调与配合。从某一特定业务应用着手进行的土 地信息系统开发,导致了即使在一个部门,其业务信息系统亦可能有多个。如服 务于地籍管理部门的土地利用现状管理信息系统、城镇地籍管理信息系统、集体 土地所有权发证管理信息系统等,这些子系统间由于服务目标不同,其信息一般 也无法直接共享。如果由不同的软件开发商、基于不同的 GIS 平台提供解决方案, 情况会进一步复杂。由于土地管理部门内部业务子系统的各自为政,形成了诸多 “业务孤岛”,难以实现系统间互联互通。 (3)数据标准的局限性 标准化是信息化的基础,标准化与规范化是土地信息系统建设的重要技术保 障之一[33-36]。我国已初步形成比较完备的土地信息化规范体系[37,38]。以地籍数据 库标准[39-42]为例,我国在本世纪初出台了地籍数据库标准,并于 2007 年进行了 大幅度的标准修正,但无论对城镇地籍数据库还是对农村土地利用现状数据库而 言,其数据表都是直接在相关业务表格的基础上整理得到的,每个数据表都只针 对对应业务的需要,忽略了系统业务各个部分间的联系;没有根据地籍管理要素 进行抽象分类,土地利用管理要素和产权产籍管理要素界定不清,也导致了数据 结构的混乱杂糅及数据属性的重复。例如,本来一些相对独立的要素,变成了其 他要素中的一部分;一些原本属于权利主体的属性,被存储在属于权利客体的表 中,而一些属于业务的时效性很强的属性,却成了权利客体属性中固定的部分; 一些原本是独立的附件性质的文件,被作为一些实体的固定组成部分存储;还有 7 博士学位论文 一些类别不同的实体也被混到了同一张表中。这种标准中存在的不合理现象,很 大程度上是由于土地管理领域专家对相应信息系统概念模型认识的差异。 土地管理业务全要素关键领域模型的构建可以为上述问题的解决提供技术 思路。领域是由具有类似用户需求的一组或一族相关系统组成的一个系统集,它 展示了系统的共性、个性和可重用资源,并为相似系统的开发提供参考模型[43,44]。 领域模型是对领域内的概念类或现实世界中对象的可视化表示[45,46]。在面向目标 领域的软件开发中,领域模型的建立对合理组织领域业务逻辑、软件开发范式、 软件开发过程的建模和度量,以及软件的维护都有重大影响[47-72]。土地管理业务 全要素领域模型是对土地管理业务角色(如土地管理者等)和土地管理领域实体 (如土地管理信息和土地信息管理系统等)之间应该如何联系和协作以处理业务 的一种抽象。其研究的目的是通过分析土地管理业务全要素信息系统的体系框 架、空间数据组织管理模型以及用于信息系统开发的应用模型,提供对土地管理 业务全要素信息系统领域知识的共同理解,为构建顶层设计框架提供参考。土地 管理业务全要素关键领域模型的建立对解决土地信息化建设中的“信息孤岛”和 “业务孤岛”等问题具有现实意义,也可为现阶段土地管理业务全要素信息的集 成整合提供理论基础和技术思路。 1.2 土地信息集成现状(Current situation of land information integration) 1.2.1 土地信息集成 整合资源,优化系统,是信息化建设显著增效的迫切需要。由于土地管理业 务相对繁杂,各类业务系统间由于数据模型及业务流程的差异,在数据关联及系 统关联方面出现了一系列问题,如各业务系统之间信息交互困难、集成效率不高、 业务监管易出现漏洞等。因此,在土地信息系统集成实践中,国内土地信息化工 作者尝试采用不同途径对土地信息集成模式进行探索[73-80]: (1)数据源的集成及空间数据一体化共享模式。依据一定的数据建库标准 和建库规范,采用 ETL 数据整合的核心技术,分别实现已有数据的数据整合(如 图 1-5)及新增数据的数据整合(如图 1-6),进而实现土地信息多源数据的集 成与统一管理。 8 1 绪论 图 1-5 已有数据库的整合流程 Figure 1-5 The data integration process of the existing database 图 1-6 新建数据库的建库流程 Figure 1-6 The building process of the new database (2)城乡土地信息二元结构的集成模式。针对某一土地信息专题(如城乡 一体化地籍信息系统建设等),建立城镇和农村一体化共享机制,实现原有不同 业务结构信息之间的整合(如土地利用信息和土地权属信息的集成,见图 1-7), 初步实现了某一种土地专题信息业务层面的共享与集成。 图 1-7 基于城乡土地一体化管理的地籍数据组织管理模型 Figure 1-7 The cadastral data organization and management model based on integrated management of urban and rural land 9 博士学位论文 (3)基于元数据库和信息服务共享与交换体系的土地信息集成模式。根据 土地业务办理的特点,将业务型 GIS 子系统在元数据库和信息服务共享与交换体 系的基础上建立关联,利用业务流转方式使土地信息在各个子系统间实现初步共 享,但不同业务型 GIS 子系统间仍然无法直接进行数据流转,无法实现在国土资 源“一张图”上实现不同业务流程的办理与监管。 总的来说,国内的土地信息集成研究主要体现在以下三个方面:(1)业务 标准化。对土地管理所涉及的业务进行全面梳理,对涉及的全部业务信息系统进 行汇总,进而规范统一。(2)过程标准化。对所有业务进行业务流程分析、规 范作业流程,在此基础上进行各业务系统的关联性分析,确定业务系统间的内在 和外在联系。(3)数据结构的标准化。设计相应的业务系统数据库,充分考虑 业务系统的关联性,实现数据充分共享。比如在业务模型的构建方面,国土资源 部信息中心组织编写的《国土资源管理业务模型(计划单列市、地市、县市)》, 对计划单列市、地级市和县(市)土地管理工作的业务内容、业务处理过程、业 务操作以及各业务节点操作和使用的相关数据进行了建模,但仅作为项目研究成 果,尚未推广应用;在数据模型的构建方面,江苏省国土资源厅信息中心于 2005 年编制了《江苏省国土资源基础数据库标准(土地空间数据部分)》,标准规定 了土地空间数据信息的分类与代码、数据文件的命名规则、要素的层次划分、数 据的结构及元数据等,旨在指导土地数据的建库及相关信息系统的开发,但仍然 作为项目的研究成果,在实际的土地信息化工作中难以贯彻落实。 国外也非常重视土地信息的集成问题。德国州测量管理专业小组(AdV)针 对全国土地数据不兼容和不一致的问题,1997 年开始了集成办公地籍信息系统 模型的研究,旨在将 ALK、ALB 两个系统进行整合,此模型就是前面提到的 ALKIS 。目前 AdV 正在将 ALKIS 、 ATKIS 和 AFIS 整合为统一的 AFIS-ALKIS-ATKIS 应用模式[81],即 AAA 数据模型。AAA 模型的设计初衷就是 要实现不同数据的集成整合。 从国内外土地信息集成的实践来看,为了解决土地信息分散性的问题,在土 地信息系统的发展方面有不少共同之处:(1)为了实现数据整合,都是在同一 地理空间框架下,依据一定的规范、标准,对已有数据进行规整,消除由于生产 部门不同、生产时间不同、生产及使用地域不同造成的数据不一致性,旨在使不 同来源、不同类型的土地数据能够融合起来,实现无缝拼接及逻辑规则上的一致。 这类处理主要包括定位基准、分类标识方式、代码编制规范,以及元数据、(同 比例尺数据间)数据质量(精度)的统一等。(2)为了实现数据共享,都是采 用数据库技术等手段,提供数据交互应用。在发展较为完善的地籍数据库的基础 上,逐步拓展其他专题应用,逐步实现数据的集成。 10 1 绪论 1.2.2 基于本体的土地信息集成 本体作为共享概念模型的形式化规范说明,不仅能以面向对象方式描述特定 领域的主要概念,还能构造所需概念间的相互关系约束,非常适合表达信息领域 对象的语义,描述目标领域的通用概念及其联系[82-90]。关于空间信息的本体构建, 国内外已有大量研究,也有一些学者将本体论的思想及技术应用于土地资源管理 领域。 陈建杰等[91-93]基于本体对土地利用数据集成进行了研究,利用本体描述语言 OWL-S,对土地空间信息 Web 服务能力的知识进行了表达,完成了土地资源信 息服务检索与匹配功能的实现,并给出了一个基于本体目录服务的土地空间信息 服务框架;闫遂军(2009)在对地理本体相关理论研究的基础上,为解决异构空 间数据语义共享问题,基于地理本体给出了一个土地综合信息服务框架,实现了 分布异构系统在概念层次的集成,同时,对基于推理查询的土地综合信息服务进 行了研究[94];李宏伟(2007)以土地利用现状调查成果为例,利用本体论思想与 语义技术对土地利用领域本体进行了构建,给出了本体概念及概念间关系,分析 了语义相似度、结构相似度、语义相关度等语义关系,为实现土地利用信息组合 查询,以土地利用现状成果年度变更为例,对土地利用变更服务进行了语义描述, 基于本体对地理信息服务进行了组合研究[95];许欢(2009)将本体论思想引入到 土地资源管理领域,对土地信息系统中存在的语法异构和语义异构等问题进行了 分析,论文虽然没有建立完整的土地资源管理应用本体,但从实用性角度,对如 何利用本体理论工具来处理实际的行业应用问题进行了分析,并通过实例研究, 应用土地资源本体的知识类与规则库,对土地信息系统建设中的宗地编号亲缘关 系构建、土地利用新旧关系转换及城镇地籍数据库标准升级等三个具体问题进行 了研究[96]。 1.2.3 存在问题 随着信息化社会的发展,作为 GIS 应用典型的土地信息系统己经由原来相 对孤立的业务处理封闭系统演变为全方位开放的活跃业务系统。随着系统开放 维度的增加,系统的功能、结构日益复杂,其规模和边界也日益扩展。相应的, 由于土地信息系统运行环境的变化,新时期信息系统的综合集成必须基于系统 动态化、结构复杂化、方法技术多元化的复合信息空间来研究。土地信息系统 中发展比较成熟的是地籍信息系统,并已在土地管理业务的前期勘测定界和后期 登记发证中发挥了较好作用。而建设用地报批、批后征收实施、土地供应和供后 跟踪管理等业务信息化的不均衡,造成数据库中相应业务处理环节信息的严重脱 节,容易产生监管盲点。土地管理“源于地籍、归于地籍”。因此,以“地籍” 为核心,构建土地管理业务全要素集成模式,形成“批、供、用、补、查、登” 11 博士学位论文 等建设用地生命周期中各业务全程跟踪管理的闭环逻辑(如图 1-8),是新阶段 土地信息化发展的方向和客观需要。 图 1-8 以地籍为核心的土地管理业务闭环逻辑 Figure 1-8 The closed logic loop of land management business based on cadastral business 鉴于以上认识,本文拟通过土地管理业务全要素关键领域模型的构建和应 用研究,在数据分析、数据关联与系统关联分析的基础上,以综合集成的方法对 土地管理业务全要素信息系统内部各模块及相关要素进行集成、整合,以探讨、 激发土地信息系统的总体功能效应。 1.3 研究目的与研究内容(Purposes and contents of the study) 1.3.1 研究目的 土地管理的核心是地块的管理,只有把握住地块在土地管理业务中产生、演 绎、消亡等一系列变化过程,才能把握住土地业务全程管理的脉络。土地管理业 务全要素集成就是基于此而提出的。土地管理业务全要素信息系统是以土地业务 全要素管理为目标的多用途土地信息系统,体现了地块由土地规划至土地登记全 生命周期完整而现实的信息,包含了多用途、多用户所需要的基础数据及业务资 料。具体的,土地管理业务全要素集成就是在信息技术的支撑下,以地块为管理 单元,以土地资源的各类空间和属性要素为管理对象,以土地管理的批、供、用、 补、查、登等所有办理环节为管理线索,以土地管理业务要素由生到灭的生命周 期为管理范围的一种新型的土地信息集成模式。 本文的研究目的是:基于本体分析方法,从信息系统本体体系结构、多层本 体共享模型、信息系统应用模型三个方面构建土地管理业务全要素信息系统关键 领域模型,基于建立的概念模型,对土地管理业务全要素信息系统建设的几个关 键技术进行分析,建立数据间及系统间的关联关系,为土地信息系统建设的顶层 框架设计提供参考;在此基础上,通过土地业务全要素生命周期管理关联树的构 建,改进业务处理模式,以“信息协同、业务协同、资源协同”为基本设计思 12 1 绪论 想,将土地勘测数据融入各类土地审批流程,促进地理信息与土地业务审批信息 的一体化应用,优化管理模式,提高管理效能,突破在传统信息化系统建设中存 在的信息孤岛和业务孤岛的障碍;利用土地管理业务全要素信息系统应用模型进 行土地管理业务全要素信息系统原型的搭建式开发,以开放式的、可扩展的性能 实现内部机构、部门之间及公众之间的协同和互动,实现资源的合理配置和系 统的整体联动。 1.3.2 研究内容 论文拟在分析土地信息化发展现状及土地信息集成现状的基础上,结合本 体论、过程工程理论、组份拓扑理论、软件工程等相关理论和技术,对土地管理 业务全要素关键领域模型进行构建与应用。拟开展的主要研究内容如下: (1)对国内外土地信息化发展现状、土地信息集成现状进行研究,分析土 地信息系统建设过程中存在的“信息孤岛”、“业务孤岛”及数据标准局限性等 问题;针对这些问题,提出土地管理业务全要素的信息集成模式,从建立共享概 念模型的角度,引入面向本体的分析方法和土地管理业务全要素信息系统领域模 型;从过程工程理论的角度对土地管理业务全要素信息系统领域模型进行元组定 义。 (2)拟从信息系统体系结构、空间数据组织管理、信息系统软件实现等方 面,对本体支持下的土地管理业务全要素信息系统关键领域模型进行分析,构建 多层本体模式下的土地管理业务全要素信息系统本体体系结构模型、多层本体共 享模型、土地管理业务全要素信息系统应用模型;以地籍应用本体为例,采用本 体论的基本方法,对地籍本体概念及概念间关系进行分析,基于此对地籍应用 本体数据模型进行改进和优化。 (3)基于组份拓扑理论和位置理论,进行土地管理业务全要素信息系统关 键领域模型空间特征的形式化表达。利用组份拓扑理论和位置理论产生的新公 理,对土地管理业务全要素信息系统多层本体共享模型及业务要素空间本体间 的空间关系进行数学描述;以土地管理业务全要素空间数据为例,基于 ArcEngine 利用建立的规则对土地空间数据进行拓扑检查。 (4)拟对土地管理业务全要素信息系统关键领域模型中涉及的土地生命周 期管理模式、土地业务地块编码方法、土地管理业务全要素信息的演绎规则等关 键技术进行分析,构建基于事件语义的土地业务全要素生命周期管理模式、基于 宗地代码编制规则的土地管理业务全要素地块编码体系以及基于数据表设计规 范的土地管理业务全要素信息演绎机制。 (5)数据中心是土地管理业务全要素信息系统建设的核心。基于关键领域 模型,拟从土地管理业务全要素信息系统数据框架体系构建、数据建库技术框架 13 博士学位论文 分析、数据中心逻辑拓扑结构分析及数据管理平台功能结构设计等方面,为土地 管理业务全要素信息系统构建奠定数据基础。 (6)基于领域模型和模块搭建的软件开发框架,拟从系统需求分析、建设 思路、技术框架、开发模式、业务模式等方面,以徐州市为例,对构建的土地管 理业务全要素关键领域模型进行实践,建立土地管理业务全要素信息原型系统。 1.4 组织架构与章节安排(Organizational structure and chapters arrangement) 本文以土地管理业务全要素关键领域模型框架下的信息集成模式为研究线 索,首先对土地信息化发展现状和土地信息集成现状进行综述,在分析其存在问 题的基础上,针对新时期土地信息系统建设的实际需要,提出利用本体论的基本 方法,通过构建土地管理业务全要素关键领域模型以实现土地信息集成整合的 解决方案。即:在对土地管理业务全要素信息系统关键领域模型研究范围明确的 基础上,从土地管理业务全要素信息系统概念模型构建和土地管理业务全要素 信息系统建设关键技术分析的角度,对土地管理业务全要素信息系统关键领域模 型的构建进行研究。具体的,从信息系统体系结构、空间数据组织管理、信息系 统软件实现等方面,对本体支持下的土地管理业务全要素信息系统关键领域模型 进行分析,建立多层本体模式下的土地管理业务全要素信息系统本体体系结构模 型、多层本体共享模型、土地管理业务全要素信息系统应用模型,并以地籍应用 本体为例,探索本体论的基本方法在土地管理业务全要素信息系统中的应用模 式;接着,基于组份拓扑理论和位置理论,建立土地管理业务全要素多层本体共 享模型的数学模型,以奠定土地管理业务全要素信息系统关键领域模型空间数据 组织的理论基础。对土地管理业务全要素信息系统关键领域模型中涉及的土地生 命周期管理、土地业务地块编码、土地管理业务全要素信息演绎等关键技术进行 分析,基于土地管理业务全要素信息系统多层本体共享模型提出土地业务全要素 生命周期管理模式,基于宗地统一代码编制规则制定土地管理业务全要素地块编 码方法,基于数据表设计规范建立业务地块信息在土地管理业务全要素范畴下的 演绎机制,为土地全要素全过程管理信息系统建设中的数据关联和系统联动奠定 基础。鉴于土地管理业务全要素信息系统数据中心的重要性,从土地管理业务全 要素信息系统数据关联、要素分类与编码、信息共享可用性三个方面展开分析, 构建土地管理业务全要素信息系统数据框架,给出土地管理业务全要素信息系统 数据建库技术方法,分析土地管理业务全要素信息系统数据中心的逻辑拓扑结 构,并对数据中心数据管理平台的功能结构进行设计,为土地管理业务全要素信 息系统建设奠定数据基础。最后,在土地管理业务全要素信息系统关键领域模型 和搭建式软件开发的协同框架下,从系统需求分析、建设思路、技术框架、开发 14 1 绪论 模式、业务模式等方面,对土地管理业务全要素信息系统原型进行构建。论文研 究的技术路线如图 1-9 所示。 图 1-9 研究技术路线 Figure 1-9 The technical route of the study 15 博士学位论文 本文面向土地管理领域,围绕实现土地信息集成整合这一目标,按照土地 管理业务全要素信息系统关键领域模型建模、关键技术分析到土地管理业务全要 素信息系统原型构建的思路进行组织。论文的章节安排如下: 第一章《绪论》。研究土地信息化和土地信息集成发展现状,在分析其存在 问题的基础上,提出土地管理业务全要素的信息集成模式,通过构建土地管理业 务全要素信息系统关键领域模型,解决土地信息系统数据缺乏战略规划、系统缺 乏统一架构的问题,旨在基于国土资源“一张图”地理空间框架,建立土地管理 业务全要素信息系统数据间及系统间的关联关系,实现信息化资源的整合和系统 的集成、优化,形成资源的合理配置和系统的整体联动。 第二章《本体与土地管理业务全要素信息系统领域模型基础理论》。从本体 定义、本体分类及本体集成组织模式等方面对本体理论进行介绍,对本体与对 象、面向本体分析与面向对象分析等概念做了区分,对面向本体分析方法在土地 管理业务全要素信息系统领域模型中应用的可行性进行了分析;最后依据过程工 程理论,利用四元组定义土地管理业务全要素信息系统领域模型的内涵,并根 据土地管理业务全要素信息系统的特点,提出从数据分析、数据关联及系统关联 角度构建土地管理业务全要素信息系统关键领域模型的研究思路。 第三章《基于本体的土地管理业务全要素信息系统关键领域模型建立》。基 于多层本体集成组织模式,给出土地管理业务全要素信息系统本体体系结构、 提出土地管理业务全要素信息系统多层本体共享模型,基于土地管理业务全要素 信息系统本体体系结构和多层本体共享模型构建土地管理业务全要素信息系统 应用模型,从信息系统体系结构、空间数据组织管理及信息系统开发模式三个方 面对土地管理业务全要素信息系统关键领域模型进行构建。在上述概念模型建立 的基础上,以地籍应用本体为例,采用本体论的基本方法,对地籍本体概念及概 念间关系进行分析,重组地籍数据结构,为土地管理业务全要素信息系统应用 本体分析提供技术参考。 第四章《土地管理业务全要素信息系统领域模型空间特征的数学描述》。在 组份拓扑理论和位置理论基础上,对土地管理业务全要素信息系统多层本体共 享模型及土地全要素业务空间本体间的空间关系进行数学描述,就土地全要素 业务地块间空间拓扑关系的语义、描述与区分及表达问题进行探讨;以土地管理 业务全要素空间数据为例,基于建立的规则利用 ArcEngine 提供的拓扑检查接口 对土地空间数据进行拓扑关系检测。 第五章《土地管理业务全要素信息系统领域模型的若干关键技术研究》。对 土地管理业务全要素信息系统关键领域模型中涉及的土地生命周期管理、业务地 块编码、基于土地管理业务全要素的地块信息演绎等关键技术进行分析。在土地 16 1 绪论 17 管理业务全要素信息系统多层本体共享模型的基础上,构建基于事件语义的土地 业务全要素生命周期管理模式,进行土地管理业务全要素信息系统数据的组织管 理;在分析土地管理业务全要素地块代码编制规则的基础上,制定土地管理业务 全要素地块编码体系,为土地业务全要素管理下的每一地块赋予一个“身份证”; 通过设置数据表设计规范,建立业务地块信息在统一语义范畴下的演绎机制,建 立土地业务全要素管理下地块的“户口簿”,为系统实现奠定基础。 第六章《基于关键领域模型的土地管理业务全要素数据中心建设》。从土地 业务处理模式、土地管理业务全要素信息系统数据关联及系统关联的角度深入 剖析土地管理业务全要素信息系统业务处理模式间的相互关系,梳理土地管理业 务全要素信息系统数据间的协同关系,对土地信息要素进行分类和编码,对其共 享可用性进行分析,给出土地管理业务全要素信息系统数据框架体系;以此指导 土地管理业务全要素信息系统数据库建设,本着“信息协同、业务协同、资源协 同”的土地信息集成整合目标,给出土地管理业务全要素信息系统数据建库总 体技术框架;对土地管理业务全要素信息系统数据中心的逻辑拓扑进行规划,并 对数据中心数据管理平台的功能结构进行设计,为土地管理业务全要素信息系统 的实现奠定数据基础。 第七章《土地管理业务全要素信息系统原型实现》。在对徐州市土地管理业 务全要素信息系统需求分析的基础上,提出系统的建设思路,给出系统建设的 总体技术框架,分别从开发模式设计、业务模式设计及原型系统实现等方面对 土地管理业务全要素信息系统关键领域模型在系统构建中的应用进行实践。 第八章《结论与展望》。总结了论文研究的成果及经验,对该领域进一步工 作的方向和目标进行了展望。 博士学位论文 2 本体与土地管理业务全要素信息系统领域模型基础 理论 2 Basic theory of ontology and domain model of land management business full feature information system 本体论在计算机及相关领域的应用,主要是利用本体论的基本方法,通过 对现实世界实体的分析、抽象,理顺概念及概念间的关系,为构建共享概念模型 提供建模理论[97],为信息系统概念模型的建立提供方法。本文对本体的研究侧重 于本体理念在土地管理业务全要素信息系统关键领域模型构建中的应用,是在 土地信息化工作过程中,利用本体理论构建土地信息系统顶层框架的一种尝试。 本章主要就本体与土地管理业务全要素信息系统领域模型的基础理论及相关技 术进行论述,从本体的相关知识入手,在土地管理业务全要素信息系统领域模 型内涵分析的基础上,研究本体与土地管理业务全要素信息系统领域模型间的 关系,作为后续研究的理论和技术基础。 2.1 本体概述(Ontology Overview) 本体论(Ontology)原属于哲学范畴,经过信息科学领域学者的不断发展和 演绎,逐渐成为对现实世界抽象、分析、建模,从语义和知识层次上进行描述、 推理的理论和方法,并得到广泛关注和认同[98-126]。Neches 等最早给出了本体的 概念[127]:相关专题的基本术语和关系,以及利用这些术语和关系构成该专题的 规则的集合。在此基础上,不同学者从自身的研究角度,分别给出了不同的定义, 但最普遍的还是 Gruber(1998)对本体概念的描述[128]:本体是领域概念模型的 显式表示。 做为领域共享概念模型的形式化和显式描述,本体最重要的特征就是“形式 化”,即本体的语义应该是机器可以理解、计算机能够解释的[129]。此外,通过 对领域内概念及概念间关系的分析,可以构建本体系统,而本体系统通过高层概 念和底层概念及其间关系的定义,使本体具有层次性的特征,即高层概念更加抽 象和概括,而底层概念与具体的应用相关[130]。因此,本体的构造过程,就是领 域认知模型到领域概念模型的映射过程,进而可以发展为计算机能够处理的逻辑 模型、物理模型。 近年来本体发展非常迅速,已经成为信息科学界最热门的词汇之一,被广泛 应用于人工智能、信息检索、信息抽取、系统建模、异构信息集成等众多领域 [131-135]。另外,本体在知识系统、知识工程、知识表示等领域[136-138]和下一代互联 网语义 Web 领域[139-145]的应用研究也较为普遍。 18 2 本体与土地管理业务全要素信息系统领域模型基础理论 2.2 本体分类与集成模式(Ontology classification and integrated organizational mode) 2.2.1 本体分类 按照不同的划分标准,人们将本体划分为不同的类型。比如,根据本体表达 和描述形式化程度的不同,可以将本体划分为完全非形式化、结构非形式化、 半形式化和严格形式化四种类型,本体的形式化程度越高,越有利于计算机的自 动处理;依据本体应用主题的不同,可以将本体划分为领域本体、常识本体、知 识本体、语言学本体和任务本体。目前,应用较多的是 Guarino(1998)从详细 程度和领域依赖度给出的本体分类体系[146,147]。依据本体描述概念的详细程度和 对领域的依赖程度,Guarino(1998)将本体划分为四个类别(顶级本体、领域 本体、任务本体和应用本体),并构建了本体间的依赖关系,如图 2-1 所示(箭 头代表了类别之间的特殊化关系)。 顶层本体 应用本体 领域本体 任务本体 图 2-1 本体分类层次图 Figure 2-1 The hierarchy of the ontology classification 上图中的四个本体类别含义如下: (1)顶层本体:用来描述通用概念及概念间关系的本体,并不针对某一特 定领域,是任务本体、领域本体、应用本体的父本体,其描述的通用概念及概念 间关系,可以被任务本体、领域本体、应用本体引用、继承和扩展。 (2)领域本体:用来描述某一个领域相关概念及概念间关系的本体,相对 于应用本体而言是上层本体。其概念及概念间关系可以通过特殊化顶层本体中的 术语得到。 (3)任务本体:用来描述特定任务中的概念及概念间关系的本体,与领域 本体一样,其概念及概念间关系可以通过特殊化顶层本体中的术语得到。 (4)应用本体:用来描述某一特定领域和任务的概念及概念间关系,这些 概念经常对应于特定领域实体在执行活动时所扮演的角色。 19 博士学位论文 2.2.2 本体集成模式 本体通过对概念及概念间关系的明确定义,为克服语义异构提供了可行的方 法。基于本体的语义共享是以信息集成为基础的,而集成的组织模式通常有三 种:单本体集成模式、多本体集成模式和混合本体集成模式。清华大学范莉娅 (2008)在上述研究的基础上提出了多层本体集成模式[148]。下面分别介绍这四 种模式。 (1)单本体模式 单本体模式对所有的信息源只建立一个本体,即用一个全局本体作为所有 信息源的通用语义概念模型,见图 2-2(a)所示。全局本体可以通过原有本体的 合并得到,也可以面向所有异构信息源从底层重新开发。 在该模式下,用户只需遵循该全局本体中的概念以及概念间的关系进行操 作,便可实现语义级别的信息互操作,简单清晰、开发快速、实现方便。但由 于要求参与集成的信息源处于几乎相同的领域视角,实际应用中往往难以实 现。且该方法中全局本体是面向全部信息源的,对信息源的变化敏感。信息源的 任何改变,全局本体都要做出相应的修改,如增加、删除概念及其对应的本体与 信息源之间的映射关系,使得全局本体的管理、维护、一致性和有效性保持等 问题很难解决。这些不足导致了多本体模式的出现。 (2)多本体模式 多本体模式是每个信息源都各自构建一个局部本体加以描述,见图 2-2(b) 所示,局部本体可以是若干其他本体的组合,然而并不能因此而假定不同的局 部本体共享了相同的词汇。因此,多本体模式需要建立两类映射关系:①局部 本体与其对应信息源之间的对应关系;②局部本体间的对应关系。通过这两类 关系的建立对异构数据源进行集成。 该模式的优点是局部本体的构建不存在由于信息源领域视角不同造成的概 念提取困难问题,并且这种本体架构能够简化集成任务并支持变化,信息源的 变化只需要修改相应的局部本体即可,因此适用于动态性较强的信息源集成。 但由于缺乏共同的词汇,使得不同来源的局部本体的比较变得十分困难,也使 得建立局部本体间的映射关系难度较大,集成后信息的语义质量无法得到有效 保障,不适用海量信息源的信息集成。 (3)混合本体模式 混合本体模式是为了克服单一本体和多本体模式的缺陷而提出的,见图 2-2 (c)所示,类似于多本体模式,系统中每个信息源的语义仍旧由各自本体进行 描述,但在多本体模式的局部本体的基础上增加了一个共享词汇表描述领域内 本体概念的基本语义。共享词汇包含了领域的基本术语(元语),元语在局部本 20 2 本体与土地管理业务全要素信息系统领域模型基础理论 体中被组合用来描述更为复杂的语义,这使得局部本体间映射关系的建立得到 简化。 混合本体模式不仅能够实现无修改的新数据源增加,而且也支持本体的合 并与发展,兼顾系统的开放性、动态性和本体之间的耦合性。但对于信息源数 量和种类庞大、动态性较强的领域,共享词汇表的建立和修改比较困难;此外 对于不是基于共享词汇表而构建的现有本体的合并,则必须相应的修改共享词 汇表,不利于现有本体重用。 Global ontology 信息源 1 信息源 2 信息源 n … a.单本体方法 Local ontology 1 信息源 1 Local ontology 2 信息源 2 Local ontology n 信息源 n … … b.多本体方法 Local ontology 1 信息源 1 Local ontology 2 信息源 2 Local ontology n 信息源 n … … Global ontology c.混合本体方法 图 2-2 单本体、多本体和混合本体模式的体系结构 Figure 2-2 The architecture of the single ontology, multi-ontology and the mixing ontology mode (4)多层本体模式 多层本体模式通过层次化的集成框架,针对混合本体模式在信息源数量和 种类庞大、动态性较强领域中,共享词汇表建立和修改困难的缺点,通过引入领 域本体层而构建的一种本体集成组织模式。该模式如图 2-3 所示,分为全局本体 层、领域本体层和局部本体层三个层次。 21 博士学位论文 Global ontology Local ontology Local ontology Local ontology 信息源 信息源 信息源 … 全局本 体层 领 域 本 体 层 局部本 体层 图 2-3 多层本体模式的体系结构 Figure 2-3 The architecture of the multilayer ontology mode 其中,全局本体层对全局本体进行定义,全局本体只有一个,其作用是建立 用户请求与具体领域本体的对应关系,对用户的请求作出反应。由于不像单本体 模式中的全局本体那样需要建立所有信息源的通用语义模型,也不像混合本体 模式那样需要建立共享词汇表,仅仅是对领域层内各个领域之间的关系进行描 述,并且领域本体层新领域本体的加入,只需要对全局本体中相应的领域关系进 行改变即可,因而,相对容易建立。 这个模型的最大特点是引入了领域本体层,该层有多个领域本体,用来描述 各个领域的概念及概念间关系,是各个领域的知识库;并且这些领域本体是在全 局本体基础上构建的,相互之间具有一定的独立性,可根据需要,构建新的领域 本体并加入到领域层中,降低了领域本体的构建难度,有利于领域本体的重用。 此外,多层本体集成模式中领域本体层的引入,可以通过领域本体对各个数据源 (如数据库等)与局部本体间的操作规则进行定义,不用像多本体和混合本体集 成模式中那样需要建立局部本体之间的语义映射,可以有效解决由于信息源的变 动对整个本体体系的影响,实现基于领域本体的信息源的语义一致性协调。 局部本体层作为底层本体,包含多个局部本体,而每一个局部本体可以看做 一类业务应用本体,对应物理上存在的多个数据库或数据文件。局部本体可以通 过面向本体的分析方法,通过对相应信息源中概念及概念间关系的提取进行构 建。 因此,多层本体模式适合于信息量大、设计领域广泛、动态性强的土地信 息系统集成,本文的土地管理业务全要素信息系统本体体系结构及多层本体共 享模型拟采用多层本体集成模式进行组织。 22 2 本体与土地管理业务全要素信息系统领域模型基础理论 2.3 本体与对象相关概念(Relevant concepts of ontologies and objects) 2.3.1 本体与对象 参考传统面向对象方法中的对象定义,可以将本体和对象定义如下[149]: 本体可用一个七元组表示:(N,F,P,A,B,R,M)。其中,N 是本体 的名字,F 是本体的父本体名字,P 是指向本体涉及的和其它实体之间的关系指 针。A 是本体的属性集合,B 表示组成本体的对象的集合,R 是本体网络,由 P 中的实体之间的关系组成,M 是附加到本体的方法集。对象定义为一个四元 组:(N,F,A,M)。其中,N 是对象的名字,F 是对象的父类名字,A 是对 象的属性集合,M 是附加到对象的方法集。 从结构上看,本体模型和面向对象的模型方法很相似,但事实上,两者之 间有着本质的不同:在面向对象模型中,两个类之间的连接关系只具有继承关系 的子类连接,关系用作一个类的内部方法,不可能出现跨越两个类的关系,类 的唯一对外接口是消息模式,类之外的代码唯有通过传递消息才能与该类的方 法打交道;而基于本体的模型则不存在这个限制,它需要对跨越两个类的关系有 很好的语义协调机制。 此外,面向对象强调了对象之间的纵向关系(继承关系与集聚关系),但是, 现实世界是复杂的,对象之间的关系并不仅仅表现出纵向关系,特别在本体 中,还要考虑异域之间的联系,因此存在着大量的横向关系,从而体现出一种 语义网络,而概念间的语义网络是构成本体最基本的信息。在地理信息系统的 分析和设计阶段,当类和对象表达的是地理实体的内涵和外延时,它们与本体 概念和地理实体是等价的,是一个问题在两个不同阶段——系统设计和系统实 现过程的不同的表达方式。类和对象是面向对象编程中采用的技术,所以它们 不仅仅被用于表达本体概念——描述知识共享与互操作,还可以描述程序设计 中的软件复用思想。 2.3.2 面向本体与面向对象分析 面向对象分析在当前需求分析方法中最具代表性。目前,研究者们已经提 出了很多成功的方法,如 Jacobson 的 OOSE(object-oriented software engineering) 方法、Rumbaugh 的 OMT(object modeling technology)方法、Shaler 和 Mellor 的 OOSA(object-oriented system analysis)方法以及 Coad 和 Yourdon 的 OOA (object-oriented analysis)方法等。这些方法有一个共同点,就是它们都是基于 单个对象,以对象和对象类为中心进行分析的,其他方面的属性,如对象属性、 23 博士学位论文 对象间的关系、对象间的消息传递、对象的用户界面等,则相对处于次要地 位。 本体在工程上主要用于数据建模和知识库构建。在需求分析中,本体论通 过对问题和任务的理解描述,提高明确性,减小分析代价。同时,本体可进一 步作为软件设计的基础,以(半)自动方式检查需求和设计的一致性,提高软件 可靠性。面向本体分析与面向对象分析方法在粗粒度上是相似的,但是在细粒度 上,本体关注于声明方面,面向对象集中于性能相关的方面。在面向对象模式 中,类的意思、类间的关系以及方法都嵌入程序中且是不明确的;而在本体模 式中,对声明的描述大多保持其形式化和清晰化。OORA(ontology-oriented requirements analysis)方法就是借鉴本体论研究的这种观点,在面向对象方法中 引入对象关联,并给出各种关联的语义语用内涵。面向对象设计则是软件开发 的方法学——它是用来开发软件的,不是用来表示数据或者知识的。使用 OOP (object-oriented programming)开发软件确实首先要面向对象建模,也构建了概 念(class)、概念之间的关系(比如基类和派生类),但是 OOP 更重要的是把 建模转化成程序代码,并且要尽可能的构建灵活、各模块之间松散耦合的软件系 统。 2.4 土地管理业务全要素信息系统领域模型内涵分析(Analysis of conotation of the domain model of land full feature information system) 2.4.1 领域模型引入 信息化已经成为世界经济发展的重要驱动力,深刻的改变着世界的格局。土 地管理工作是依据一定的规范,完成土地利用总体规划、土地利用计划、土地利 用现状调查和监测、建设用地管理、基本农田保护、土地整理开发复垦、土地市 场管理、地籍管理、土地执法监察等业务活动。土地管理工作者应该充分利用国 家新一代网络等基础设施,积极借助互联网、物联网、云技术、智慧地球等新技 术、新理念,提高土地信息化水平。 从系统科学方法来看,信息系统的设计应包括管理业务的系统化、信息系统 的开放性、信息系统的模型化,信息系统的网络化以及软件功能的高覆盖性。信 息系统所要处理的对应关系广泛而复杂,可以看作是一个“神经”系统,它需要 在对客观世界的真实系统进行抽象的基础上构建自己的逻辑模型,从而利用计算 机和通讯技术根据逻辑模型建立相应的物理模型。模型是信息系统建立的基础。 以地籍信息系统的建设为例,好的地籍数据模型是一个优秀的地籍信息系统的基 础。 24 2 本体与土地管理业务全要素信息系统领域模型基础理论 从 20 世纪 80 年代开始,在土地详查和城镇地籍调查的基础上,我国部分县 级以上的土地行政管理部门逐步开展了地籍信息系统的建设。2007 年,为了符 合土地管理政策创新的需要,国土资源部对原城镇地区的《城镇地籍数据库标准》 和农村地区的《土地利用数据库标准》进行了大幅度的修订和完善,按土地利用 管理和土地权属管理的业务要求,从数据管理模型、数据组织模型等方面向城乡 一体化地籍管理的方向迈进了一大步。图 2-4 和图 2-5 是依据《城镇地籍数据库 标准》和《土地利用数据库标准》,参照其数据组织思路、数据表属性及表间关 系所建立的关系图[150]。从图中可以看出城镇地籍数据库和农村土地利用数据库 的设计思路:参照土地实际管理业务中的相关管理表格,根据其结构和内容,基 于实际业务管理特点进行设计。设计过程中,按照图属一体的原则,在相应的属 性数据表中,设置地理标识码,实现空间位置与属性信息的挂接,以此将属性信 息直接对应到某一空间标的,这些标识码也作为每个业务以及来源于业务的数据 表的关联依据。就农村地籍与城镇地籍而言,唯一的实体就是宗地(图斑),所 有表的设计都是围绕宗地(图斑)涉及的业务需求来进行的,每张表都相互独立, 只负责完成各自独立的基本业务管理需要,除此以外没有对其余的参与对象进行 聚类和概括。 宗地 标识码 要素代码 地籍号 宗地四至 通讯地址 土地坐落 权属性质 使用权类型 土地用途 实测面积 发证面积 NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(200) CHAR(100) CHAR(100) CHAR(2) CHAR(2) CHAR(4) FLOAT(15) FLOAT(15) 线状地物 标识码 要素代码 地籍号 地类编码 线状地物面积 线状地物名称 权属单位代码1 权属单位名称1 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(4) FLOAT(15) CHAR(60) CHAR(19) CHAR(60) 地类图斑 标识码 要素代码 地籍号 图斑预编号 图斑编号 地类编码 地类名称 权属性质 权属单位代码 座落单位代码 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(8) CHAR(8) CHAR(4) CHAR(60) CHAR(2) CHAR(16) CHAR(19) 申请登记扩展属性 标识码 要素代码 地籍号 土地证号 申请书编号 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(50) CHAR(50) 权属审批扩展属性 标识码 要素代码 地籍号 使用权面积 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) FLOAT(16) 权利人 标识码 要素代码 地籍号 土地证号 权利人名称 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(50) CHAR(100) 权属调查扩展属性 标识码 要素代码 地籍号 调查表号 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(50) DATE 注册登记扩展属性 标识码 要素代码 地籍号 登记卡编号 登记卡经办人 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(50) CHAR(50) 权属来源证明 标识码 要素代码 地籍号 土地证号 权属证明文件编号 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(50) CHAR(50) 所有权 标识码 要素代码 地籍号 宗地四至 权属单位代码 权属性质 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(200) CHAR(16) CHAR(2) FLOAT(15) 所有权界线 标识码 要素代码 地籍号 界线性质 界址线类别 权属界线协议书编号 权属争议原由书编号 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(6) CHAR(1) CHAR(30) CHAR(30) 界址点 标识码 要素代码 地籍号 界址点号 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(30) 界址线 标识码 要素代码 地籍号 界址线类型 界址线性质 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(30) CHAR(30) 地类界线 标识码 要素代码 地籍号 地类界线类型 地类界线类别 NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(30) CHAR(30) 他项权利登记扩展属性 地籍号 他项权利登记扩展_标识码 权属单位代码 权利人 权利人身份证件类型 义务人身份证件号 他项权利种类 ....... CHAR(19) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(100) CHAR(1) CHAR(20) CHAR(100) 房屋属性结构表 标识码 要素代码 隶属宗地 界址点号 房屋编号 ....... NUMBER(10) CHAR(10) NUMBER(10) CHAR(30) CHAR(3 BYTE) 房屋权利人属性结构表 标识码 要素代码 隶属宗地 房屋编号 权利人 ....... NUMBER(10) CHAR(10) NUMBER(10) CHAR(3 BYTE) CHAR(100 BYTE) 图 2-4 城镇地籍数据库数据表关系图 Figure 2-4 The relationship diagram of the tables of urban cadastral database 25 博士学位论文 宗地 地籍号 宗地_标识码 要素代码 宗地四至 通讯地址 土地坐落 权属性质 使用权类型 土地用途 实测面积 发证面积 CHAR(19) NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(200) CHAR(100) CHAR(100) CHAR(2) CHAR(2) CHAR(4) FLOAT(15) FLOAT(15) 地类界线 宗地_标识码 要素代码 地类界线类型 NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(30) 他项权利登记扩展属性 地籍号 他项权利登记扩展_标识码 权属单位代码 权利人 义务人 ....... CHAR(19) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(100) CHAR(100) 权属来源证明 地籍号 权属来源证明_标识码 权属单位代码 权属证明文件类型 权属证明文件编号 权属证明文件日期 CHAR(19) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(100) CHAR(50) DATE 注册登记扩展属性 标识码 要素代码 地籍号 登记卡编号 登记卡经办人 权属单位代码 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(50) CHAR(50) NUMBER(10) 权利人 标识码 要素代码 地籍号 土地证号 权利人名称 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(50) CHAR(100) 界址线 标识码 要素代码 地籍号 界址线类型 界址线性质 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(30) CHAR(30) 地类图斑 标识码 要素代码 地籍号 图斑预编号 图斑编号 地类编码 地类名称 权属性质 权属单位代码 座落单位代码 零星地物面积 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(8) CHAR(8) CHAR(4) CHAR(60) CHAR(2) CHAR(16) CHAR(19) FLOAT 界址点 标识码 要素代码 地籍号 界址点号 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(30) 零星地物 标识码 要素代码 地籍号 地类编码 权属单位代码 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(4) CHAR(16) 线状地物 标识码 要素代码 地籍号 地类编码 线状地物面积 线状地物名称 权属单位代码1 权属单位名称1 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(4) FLOAT(15) CHAR(60) CHAR(19) CHAR(60) 权属调查扩展属性 标识码 要素代码 地籍号 调查表号 ....... NUMBER(10) CHAR(10) CHAR(19) CHAR(50) DATE 图 2-5 土地利用数据库数据表关系图 Figure 2-5 The relationship diagram of the tables of land use database 上述地籍数据模型存在以下问题: (1)数据表关系混杂。在城镇地籍数据库和农村土地利用现状数据库中, 其数据表直接来源于相关的各种实际业务表格,对应于相应业务的需要,没有对 相关实体进行深层次的抽象、加工,进而聚类和概括,导致数据结构的混乱杂糅。 (2)数据冗余严重。数据组织结构的混乱,使得数据大量冗余。比如宗地 属性表具有 16 个字段,其中申报地价和取得地价应为在土地市场运作中土地登 记环节产生的数据,不属于宗地的基本信息;如果该宗地在不同权利人间流转时, 会造成宗地基本数据的重复存储,产生冗余。 (3)数据维护困难。在数据更新维护环节,由于数据结构设计中对第二范 式要求的缺失,导致数据在进行增、删、改、备份、规整等操作时,会消耗大量 的时间和空间,影响办公效率。 从目前地籍数据模型的研究现状来看,对于地籍本体的概念及概念间关系的 研究仍然欠缺。现有数据模型中没有根据地籍管理要素进行抽象分类,没有从土 地利用管理和产权产籍管理角度分析地籍数据模型,使得属性数据与空间数据相 混淆、事务性的数据与基本数据相混淆、土地调查数据与土地登记数据相混淆。 如果在地籍数据基础上搭建其它专项业务系统,地籍数据模型的混乱很可能使其 它专项业务系统的开发和应用陷入困境。 从当前信息系统的研发来看,模型与信息系统的关系日益紧密,土地信息系 统亦是如此,己发展成为以模型为基础、以信息管理和辅助决策为目的的,集数 26 2 本体与土地管理业务全要素信息系统领域模型基础理论 据处理、政务管理与决策支持为一体的、新型的集成化的信息系统。通过有效的 方法建立稳定的模型,可以为土地管理创新提供稳定的土地科技支撑。这也是本 文利用本体的分析方法对土地管理业务全要素信息系统领域模型进行构建的重 要原因。正如前述,领域模型是对领域内的概念类或现实世界中对象的可视化表 示,是由具有类似用户需求的一组或一族相关系统组成的一个系统集,它展示了 系统的共性、个性和可重用资源,并为相似系统的开发提供参考模型。 2.4.2 土地管理业务全要素信息系统领域模型内涵 领域建模是企事业业务过程重组和业务过程自动化的一种重要手段[151]。过 程工程理论是以构建企事业领域模型为研究对象,用来解决企事业综合集成问题 中的数据集成和过程集成的。过程工程理论中比较著名的模型是 COSMOS 模型 [152,153] ,由 Raymond T. Yeh 等人于 1991 年提出,该理论从基础设施模型 (Infrastructure Model)、协同模型(Coordination Model)和活动模型(Activity Model)三个方面对企事业领域模型进行了描述。 为了解决 COSMOS 模型对企事业过程的数据流向缺乏明确描述的问题,周 伯生(1997)对 COSMOS 模型进行了改进,从过程模型、协同模型、基础设施 模型、行为模型、数据模型等五个方面对企事业领域模型进行了描述[154-164]。 根据过程工程理论,信息系统作为一种目标领域模型,具有下面三种基本成 分:执行活动的角色(如岗位、机构、部门,或其他同类名词)、角色执行的活 动和活动作用的数据,同时,信息系统中各基本成分之间的关联需要通过协同 模型进行支撑。土地管理业务全要素信息系统亦不例外。土地管理业务全要素 信息系统领域模型是对土地管理业务角色(如土地管理者等)和土地管理业务全 要素信息系统领域实体(如土地管理业务全要素信息和土地管理业务全要素信息 系统等)之间如何联系和协作以执行业务的一种抽象。基于此,可以用四元组来 定义土地管理业务全要素信息系统领域模型:DM=〈PM,InforM,InfraM,CM〉。 其中,过程模型 PM(process model)描述土地业务全要素管理要进行的业 务活动、业务活动实施所需的基础设施支持、输入条件、实施后的输出结果及对 活动的控制和活动之间的偏序关系;信息模型 InforM(information model)描述 土地业务全要素管理过程中所需要管理和处理的数据,反映了业务流程中的数据 组成及其进化过程;基础设施模型 InfraM(infrastructure model)涉及土地业务 全要素管理需要的组织机构、人员、角色及权限本体;协同模型 CM(collaboration model)描述土地管理业务全要素之间的关联规则及系统之间的协同关系。 为了降低建模工作的复杂程度,实现建模工作的分工,土地管理业务全要素 信息系统领域模型可以从三个层次进行构建,分别是静态抽象层模型、静态具体 层模型、动态具体层模型,如下图所示。 27 博士学位论文 运行实例 基础设 施模型 信息 模型 过程 模型 协作 模型 应用 框架 组织、角 色等 数据 流程 模型 协作 规则 界面 描述 抽象层 具体层 静态 动态 图 2-6 土地管理业务全要素信息系统领域模型层次结构图 Figure 2-6 Hierarchy diagram of the domain model of land full feature information system 依据该三层模型,过程实例负责对所属的活动的使用和执行统计,同时充当 活动拥有者的功能;协同模型体现为活动与上层的过程实例以及后继活动之间进 行推理的过程规则,根据模型定义时确定的规则进行活动的转化;基础设施模型 包含组织结构、权限、人员和角色的对应关系等信息,通过对组织与人员进行统 一的封装描述,实现异构系统之间的无缝隙的识别与共享;信息模型记录和维护 所有资源的信息,包括土地基础信息及土地业务信息等。 由于过程模型和基础设施模型在信息系统建设中具有通用性,这方面的研究 较为成熟[165],本文侧重于土地管理业务全要素信息系统领域模型中信息模型和 协同模型的构建。信息模型侧重于数据的组成分析,协同模型侧重于数据的关联 性分析以及土地信息系统中各模块的协同性分析。具体的,本文拟基于本体分析 方法,从信息系统体系结构、多层本体共享模型、信息系统应用模型三个方面构 建土地管理业务全要素信息系统关键领域模型,在此基础上,对土地管理业务全 要素信息系统建设的几个关键技术进行分析,建立数据间及系统间的关联关系, 基于此,对土地管理业务全要素信息系统关键领域模型进行研究。 2.5 本章小结(Summary) 本章从本体定义、本体分类及本体集成组织模式等方面对本体理论进行介 绍,对本体与对象、面向本体分析与面向对象分析等概念做了区分,对面向本体 分析方法在土地管理业务全要素信息系统领域模型中应用的可行性进行了分析; 最后依据过程工程理论,利用四元组定义了土地管理业务全要素信息系统领域 模型的内涵,并根据土地管理业务全要素信息系统的特点,提出了从数据分析、 数据关联及系统关联角度对土地管理业务全要素信息系统关键领域模型进行构 建的研究思路。 28 3 基于本体的土地管理业务全要素信息系统关键领域模型建立 3 基于本体的土地管理业务全要素信息系统关键领域 模型建立 3 Construction of the key domain model of land management business full feature information system based on ontology 模型是信息系统建立的基础。本体作为共享概念模型明确的形式化规范说 明,在计算机及相关领域,已经发展成为一种在语义和知识层次上描述信息系统 概念模型的建模工具。本章拟采用本体的分析方法,从土地管理业务全要素信息 系统本体体系结构、多层本体共享模型及土地管理业务全要素信息系统应用模型 三个方面对土地管理业务全要素信息系统关键领域模型进行构建。具体的,首先 分析土地管理业务全要素信息系统的体系框架,基于多层本体集成组织模式给出 土地管理业务全要素信息系统本体体系结构;在土地业务全要素管理的语义范畴 下对土地管理业务全要素信息系统的数据组织管理及逻辑关联进行建模,提出土 地管理业务全要素信息多层本体共享模型;最后,给出土地管理业务全要素信息 系统应用模型,作为信息系统搭建式开发的基础。在上述土地管理业务全要素信 息系统概念模型构建的基础上,采用本体论的基本方法,对地籍本体概念及概念 间关系进行分析,基于此,对地籍应用本体数据模型进行改进和优化。 3.1 土地管理业务全要素信息系统业务框架(Business framework in land management business full feature information system) 土地管理业务全要素信息系统作为地理信息系统的一个分支,在技术实现 上和其他常规地理信息系统大体相似,都是对空间数据和对应的属性数据进行 管理,但在功能设计及配置上需要充分体现土地业务全要素管理的特点。其 中,空间数据包含地理实体的图形数据及与其密切相关的属性信息,属性数据 包含土地管理业务活动中的各种过程数据、报表数据、审批结果数据等。空间 数据和属性数据物理存储相互独立,逻辑应用相互依存。在系统应用过程中, 如果需要通过图形数据获取相关的属性信息,或是通过属性数据查询符合相关 条件的图形信息,则需要将空间数据和属性数据进行关联。目前连接空间数据 和属性数据的方法是采用标识码,即在空间数据的图形属性表中建立一个标识 码,同时在属性数据相对应的记录中设置相同的标识码,该标识码是全库唯一 的。属性数据通过各个表的关联字段进行内部关联,通过标识码与空间数据相 连,从而实现图属一体化管理。空间数据与属性数据关系模式如图 3-1 所示。 29 博士学位论文 土地管理业务全要素信息系统 空间数据 属性数据 图形及其内部关 联的属性数据 外部属性 数据 连接码 ID 图 3-1 土地管理业务全要素信息系统图形数据与属性数据关联模式 Figure 3-1 The associated mode of the graphics data and attribute data in land full feature information system 土地管理的主体是国家各级土地管理部门,客体是土地。土地管理业务涉 及行政、经济、法律、技术的各个层面,土地管理业务全要素信息系统的特点应 当适应土地管理部门的业务需求。因此,对涉及“批、供、用、补、查、登”业 务环节的土地管理业务全要素信息进行统一规划、实现数据库的系统管理成为 必然。土地管理业务全要素信息系统是在信息化条件下,满足土地业务全要素管 理的各类系统的统称。根据目前市(县)级土地管理活动的各项业务需求,作为 土地管理业务全要素信息系统,其内容主要包含基础地理信息子系统、业务型 GIS 子系统(含 GIS 数据处理模块)、电子政务审批子系统、综合监管子系统及 信息发布子系统五大类。在业务型 GIS 子系统中,又根据业务分工将其分为土 地利用规划管理、建设用地报批管理、土地征收管理、土地储备管理、土地市场 交易管理、土地供给管理、地籍管理等专项数据处理与分析子系统。土地管理 业务全要素信息系统涉及的主要内容如图 3-2 所示,其中,业务型 GIS 子系统包 含的模块结构如图 3-3 所示。 基础地理信息 子系统 电子政务审批 子系统 信息发布子系统 土地管理业务全要素信息系统 数字线划图管理模块 数字正射影像管理模块 …… 业务型 GIS 子系统 用地报批、土地征收、土 地储备、土地市场交易、 地籍…… 土地业务流程审批等 综合监管子系统 建设用地批后跟踪管理等 图 3-2 土地管理业务全要素信息系统主要内容 Figure 3-2 The main content of the land full feature information system 30 3 基于本体的土地管理业务全要素信息系统关键领域模型建立 建 设 用 地 报 批 模 块 基 本 农 田 保 护 模 块 土 地 后 备 资 源 管 理 模 土 地 勘 测 定 界 模 块 土 地 征 收 管 理 模 块 土 地 市 场 交 易 管 理 模 土 地 收 储 管 理 模 块 土 地 执 法 监 察 模 块 … … 地 籍 管 理 模 块 业务型 GIS 子系统 图 3-3 业务型 GIS 子系统主要业务功能模块 Figure 3-3 The major business function modules of the land business GIS subsystem 3.2 土地管理业务全要素信息系统关键领域模型(Key domain models of land management business full feature information system) 3.2.1 土地管理业务全要素信息系统本体体系结构 从信息学的视角来看,本体是一个领域里共享的概念化模型的形式化和显式 说明规范。本体系统由概念及概念之间的关系组成,这种层次性保证了在本体系 统中高层概念相对底层概念在语义上更加抽象和概括,描述了底层概念的基本特 性,而底层概念则较为具体,可以针对不同的应用。这样就可以显式和形式化地 表达概念类的内涵和类之间的关系。多层本体集成组织模式通过全局本体层、领 域本体层和局部本体层(应用本体层)进行信息集成,适合于信息量大、涉及领 域广泛、动态性强的土地信息集成。土地管理业务全要素信息系统领域模型涉及 基础设施数据集、业务流程数据集、土地信息数据集及土地业务全要素协同管理 规则,分属于不同的领域,其体系结构是对土地业务全要素管理角色(如土地管 理者等)和土地业务全要素管理领域实体(如土地管理业务全要素信息和土地管 理业务全要素信息系统等)之间如何联系和协作以执行业务的一种抽象,故可采 用多层本体模式对其进行组织。多层本体集成组织模式下的土地管理业务全要素 信息系统本体体系结构如图 3-4 所示,分为全局本体层、领域本体层和应用本体 层。 31 博士学位论文 土地管理业务全要素信息 系统本体 基础设施本体 业务流程本体 土地基础 信息本体 土地业务 信息本体 全要素信息协同管 理模型 土地征收本体 土地储备本体 土地供应本体 … 业务过程本体 业务活动本体 实例本体 … 组织机构本体 角色本体 权限本体 … 土地调查本体 土地利用规划本体 基本农田本体 … 全局 本体层 领 域 本 体 层 应 用 本 体 层 图3-4 土地管理业务全要素信息系统本体体系结构 Figure 3-4 n system (1) 素信息系统本体处于土地管理业务全要素信息系统本体 体系 相关的多个领域的领域本体构成,是与 基础 体层(局部本体层) 领域信息源直接对应的本体的集合。每 一个 例。利用应用本体可以对特定数据文件和数据库进行信息的交互。 The ontology architecture of land full feature informatio 全局本体层 土地管理业务全要 结构的顶层,不直接对应任何信息源,也不包含具体的内容,它只是对领域 本体层中的各个领域和领域间关系的一个描述,因此不是完全意义上的本体,或 者说不是完整的本体。它在用户请求和领域本体之间起到一个桥梁的作用。 (2)领域本体层(主题本体层) 领域本体层由与土地管理业务全要素 设施模型、过程模型和土地信息模型等直接对应的本体集合。这些领域是按 信息表达的主题来划分的,也可称为主题本体层,层内包含的本体称为领域本体 或主题本体。每个领域本体是在该领域所有应用本体的基础上构建的,是对该领 域内知识信息的具体描述,也是该领域知识的共同的概念化的表达。领域本体是 对领域知识的一个比较粗的框架,其中只包含领域的概念和关系,并不包含这些 概念的实例。 (3)应用本 应用本体层是与土地管理业务全要素 应用本体对应一个或多个信息源。每个应用本体只封装它所对应的信息源的 语义,是它所对应的信息源的语义概念模型,该概念模型与其它的信息源无关。 应用本体是针对对象而生成的本体,其中包含比较具体的概念、关系和概念的实 32 3 基于本体的土地管理业务全要素信息系统关键领域模型建立 3.2.2 土地管理业务全要素信息系统多层本体共享模型 土地信息包含与土地相关的各种自然属性、经济属性、权能属性、空间属性 理对象的属性 和空 组织模式下,采用多层本体共享机制对涉地空间本体进行组织管理,将同 一领 以及这些属性之间相互关联的信息。与空间地理信息仅描述空间地 间位置不同,土地信息还包括大量的非空间信息,如土地要素属性信息、要 素间相互关联信息以及土地管理业务过程信息。土地信息在形式上表现为土地数 据,其内容包括基础地理要素、土地利用规划要素、土地利用要素、土地权属要 素、土地征收要素、土地市场要素、供地要素和其他要素数据集等。土地数据是 土地管理工作的基础。土地管理工作要求适时对土地利用总体规划修编和土地区 位调整、征占用耕地、土地供应、土地开发利用以及违法违规用地案件查处等进 行查对分析,对建设用地利用情况进行动态监管,比如,我们需要了解一处土地 登记宗地由征用到供应的全部信息,传统的数据库由于知识单一,不能完成这一 目标;或者虽具备了各个业务环节的数据库,但这些数据库之间没有建立关联规 则,还需要大量人员参与,通过统计、分析,才能获取相关信息。土地全要素全 过程的管理要求对土地信息系统的现有空间数据组织模式提出了挑战,需要一个 语义协调机制实现上述数据的共享。土地管理业务全要素信息系统多层本体共享 模型作为概念模型,为满足这种需求的信息系统空间数据组织管理提供了建模思 路。 土地管理业务全要素信息系统多层本体共享模型(如图 3-5 所示)在多层本 体集成 域内,在同一时间位于同一空间的地理本体按其与本领域的不同关系,划分 为不同的层次,各本体层之间通过一定的规则演绎机制检索不同“信息孤岛”中 的数据(知识),以实现土地业务信息的共享和重用。即:为实现土地管理业务 全要素信息在土地生命周期内的信息演绎,首先构建土地管理业务全要素领域本 体,在该领域本体内依据土地管理业务全要素的内涵建立土地管理业务全要素应 用本体的相关规则,在其语义协调下建立建设用地报批本体、土地征收本体、土 地储备本体、土地市场交易本体、土地供应本体、土地登记本体等土地应用本体 层,各应用本体层之间通过“同一时间位于同一空间”这一时间切片规则描述产 生土地管理业务全要素信息本体——新的应用本体层,新产生的应用本体层记录 了“同一时间位于同一空间”覆盖土地全生命周期的土地管理业务全要素生命周 期关联树,通过这个生命周期关联树,可以检索到相关联的不同业务环节的空间 应用本体层的信息。 33 博士学位论文 土地管理业务全要素领域本体 土地权属本体库 土地供应本体库 土地征收本体库 用地报批本体库 … 领域本体层 应用本体层 同一时间位于同一空间切片 土地管理业务全要素信息本体 同一领域同一时间位于 同一空间的地理本体 图 3-5 土地管理业务全要素信息系统多层本体共享模型 Figure 3-5 The m system 的 图层 要素信息系统应用模型构建 理业务全要素信息 系统 ultilayer ontology sharing model of land full feature information 土地管理业务全要素信息系统多层本体共享模型与传统的基于空间分析 组织模型在图层表现上类似,但数据组织与生成规则不同:前者是在土地管 理业务全要素领域本体的语义协调下,通过数据共享与重用规则生成新的应用本 体层,即土地管理业务全要素信息本体,是一种规则演绎机制;后者是通过统计 整理现有数据并根据 GIS 空间分析功能生成新的图层,是一种数据归纳机制。两 者在本质上存在差异。 3.2.3 土地管理业务全 在土地管理业务全要素信息系统本体体系结构中,土地管 应用本体层对应土地权属、土地利用、土地征收、土地储备等应用本体,其 分别对应各自的应用信息系统或模块;而土地管理业务全要素信息系统领域本体 层包含基础设施本体、业务流程本体、土地管理业务全要素信息协同管理规则等, 这些是土地管理业务全要素信息系统中各应用本体所共用的、可以共享的概念集 合,也可以说,土地管理业务全要素信息系统领域本体库可以作为土地管理业务 全要素信息系统应用本体库的父本体库。本体库的建立为土地信息系统建模奠定 了基础。本体库一旦建立,很容易由概念模型向逻辑模型、物理模型转换,最终 实现为面向对象的类库。土地管理业务全要素信息系统应用模型(如图 3-6 所示) 是在土地管理业务全要素信息系统本体体系结构下,在 ISO、OGC 等标准框架 内,按照土地管理业务全要素信息系统多层本体共享模型的描述规则,在基本模 型中定义土地管理业务全要素协同管理的语义内涵,并定义土地管理业务全要素 信息系统的共有模板类,达到基于基本模型可以依次构建对应于各应用本体的专 34 3 基于本体的土地管理业务全要素信息系统关键领域模型建立 业模型的目的,进而为土地管理业务全要素信息系统的构建提供模型参考。同时, 土地管理业务全要素信息系统应用模型的建模过程也是土地管理领域内各类要 素数据在“一张图”地理空间框架下,以全国第二次土地调查数据为本底进行集 成整合的过程,并要求各个应用子系统在同一核心框架下,基于同一基本模型在 自己的领域内进行专业模型的搭建,以实现系统协同。如土地供应子系统的专业 模型在继承土地管理业务全要素信息系统应用模型基本模型空间要素定义、平台 核心框架等的基础上,可以在专业模型建模文档中详细说明土地供应子系统中数 据获取、数据质量要求、数据处理(包括数据的建立、数据维护、数据应用与传 递过程等)等的具体流程及技术要点。 图 3-6 土地管理业务全要素信息系统应用模型 Figure 3-6 Th stem 在 GI 核心的内 容。 amples - cadastral 以上的土地行政部门已开始进行地籍信 息系 e application model of land full feature information sy S 标准化的各项内容中,空间数据和信息技术标准是两个最为 在土地管理业务全要素信息系统领域建模方面,将空间数据标准和信息技术 标准紧密的结合起来,由此而构建的信息化领域模型将具有更强的指导性。信息 技术标准的不断发展,许多新技术的出现和标准的制定,应该在土地信息系统建 模标准体系中加以体现。将土地管理业务全要素信息系统设计视角仅仅停留在土 地管理业务领域,必然会导致标准、规范制定效果的滞后,难以达到理想的应用 效果。土地管理业务全要素信息系统应用模型的提出,是空间数据和信息技术标 准引入到土地管理业务全要素信息系统建模环节的探索。 3.3 实例分析——以地籍应用本体建模为例(Ex application ontology modeling) 20 世纪 80 年代开始,我国部分县级 统建设。随着计算机技术、数据库技术及空间信息技术的高速发展,地籍信 息系统建设的理念逐步发展和完善,正向全要素、多用途的方向发展。相应的, 35 博士学位论文 地籍的概念也不断地被人们赋以新的内涵,从单纯的城镇地籍发展到如今囊括城 乡土地利用和土地权属要素的城乡一体化地籍。地籍已经成为政府监管的以地块 为基础的公共土地信息系统,而地籍信息化水平也成了土地信息化程度的一个重 要指标。从我国的地籍信息化实践来看,地籍信息系统建模仍侧重于数据库标准 的制定和数据库建设方面。我国在十多年前出台了较早的地籍数据库标准,且在 2007 年针对土地管理的发展和变化,对城镇地区的《城镇地籍数据库标准》和 农村地区的《土地利用数据库标准》进行了大幅度的修改和完善。然而,诸如数 据结构不符合范式要求、数据表冗余、地籍实体对象界定不清等方面的问题在现 行地籍数据库中仍然存在,这是仅将视角停留在地籍管理业务领域的必然结果。 空间数据标准和信息技术标准的不断涌现和发展,许多新技术的出现和标准的制 定,应该在地籍信息系统建模体系中加以体现。本节拟在对地籍本体组成分析的 基础上,对地籍信息系统数据结构进行改进,为土地管理业务全要素信息系统的 应用本体建模提供技术参考。 3.3.1 地籍本体组成分析 (1)地籍本体概念获取 地籍本体概念获取建立在对地籍实体基本构成和层次关系分析的基础上,旨 在通 地籍数据库空间表结构 Table 3-1 The database 序号 过明确不同层次上地籍实体集的基本组成,使地籍中术语和概念含义标准 化、地籍管理的目标对象领域标准化。通过地籍本体组成的分析,特别是基于地 籍本体的数据库的建设,可以为地籍数据的组织、结构奠定规范统一的基础。由 于地籍信息系统发展较为成熟,且多由关系型数据库所支撑,因此,可以从现有 数据库中对地籍本体概念进行获取。现有地籍数据库空间表结构(见表 3-1)、 业务表结构(见表 3-2)如下: 表 3-1 space table structure of the cadastral 要素集 层名称 几何特征 属性表名 行政区 Polygon XZQ_XJ 行政区界线 Line XZQ_XZJ 1 行政区 行政要素注记 Annotation XZQ_ZJ 地籍区 Polygon DCQ_DJQ 地籍子区 Polygon DCQ_DJZQ 2 调查区 调查区注记 Annotation DCQ_ZJ 宗地 Polygon DK_ZD 宗地注记 Annotation DK_ZD_ZJ 界址线 Line DK_ZD_JZX 界址线注记 Annotation DK_ZD_JZX_ZJ 界址点 Point DK_ZD_JZD 3 土地 4 土地 权属 界址点注记 Annotation DK_ZD_JZD_ZJ 地类图斑 Polygon DK_DLTB 36 3 基于本体的土地管理业务全要素信息系统关键领域模型建立 地类图斑注记 n J Annotatio DK_DLTB_Z 线状地物 Line DK_XZDW 线状地物注记 tion J 记 ion J Annota DK_XZDW_Z 零星地物 Point DK_LXDW 零星地物注 Annotat DK_LXDW_Z 地类界线 Line DK_DLJX 表 3-2 地籍数据库业务表结构 Table 3-2 The bus database iness table structure of the cadastral 业务类型 数据表描述 数据表名 受理进 TDDJ_SLPROCESS 程 移交单 TDDJ_YIJIAO 移交单续表 申请书 记卡表 Q 事 BAO 土地登记 (含集体土地登 TDDJ_YIJIAOX 委托书 TDDJ_WEITUOSHU 土地登记 TDDJ_LANDREGAPPL 宗地基本信息 TDDJ_ZDBASICINFO 宗地用户属性 TDDJ_ZDUSERPROP 土地登记审批表 TDDJ_TDDJSP 土地登记卡表 TDDJ_TDDJK 共用宗使用权登 TDDJ_TDDJKSY 土地归户卡表头 TDDJ_TDGHK 土地归户卡内容 TDDJ_TDGHKX 土地证书 TDDJ_TDZS 土地证书记 TDDJ_TDZSJS 他项权利证书 TDDJ_TXQLZS 分割登记主表 TDDJ_TDFGSHEN 分割登记明细 TDDJ_TDFGSHENBAOX 登记卡注记信息 TDDJ_DJKZJINFO 记) 土地登记扫描件 TDDJ_DJSCANIMAGE 台帐表 TDLY_TZ 手工台帐 帐表 土地利用 TDLY_TZA 四舍五入台 TDLY_TZA45 管理区统计簿一 TDLY_TJBONE 管理区统计簿二 TDLY_TJBTWO 管理区统计簿三 TDLY_TJBTHREE 行政区统计簿一 TDLY_XZTJBONE 行政区统计簿二 TDLY_XZTJBTWO 行政区统计簿三 TDLY_XZTJBTHREE 临时统计分类表 TDLY_TEMPFLB 统计 台帐表 TDLY_TZ 从上面可以看出地籍要素数据组织的思路及表之间的关系。其中,地籍数据 库是按照土地利用调查、土地权属调查、土地登记业务的特点,参照业务中表格 的结构和内容进行设计的,记录了业务成果的各项信息;数据库设计中则依照地 理数据库的组织方式,在属性数据表中,设置地理标识码,将每项属性信息映射 到图上某一空间标的。可以看出,这种组织方式中,唯一的空间实体是宗地(图 37 博士学位论文 斑),所有数据表都是根据业务与宗地(图斑)的关联关系来设计的。从地籍所 涵盖的业务内容来看,地籍是记载土地归属的簿册,由土地调查册、土地登记册 和土地统计册组成。在这些簿册中,以地块为索引记载着权利主体(人)、权利 客体(地块)的信息及它们之间的权利状况和利用状况。此外,土地登记审批要 素作为土地登记业务流程的过程信息,应从作为土地基础信息本体的地籍应用本 体中剥离出来,在土地登记业务本体中加以体现。 从以上分析可以归纳出以下几个地籍本体: ①权利主体。在地籍数据库中的权利主体是所有与地籍权利客体具有权属关 系和 利用关系的地理实体, 包括 是权属主体在法律规定的范围内对权属客 体占 土地利用是人类通过一定的活动,利用土地的属性来满足 自己 利用关系的单位或个人,包括权利人、代理人等。 ②权利客体。权利客体是与权利主体具有权属关系和 点状要素、线状要素、面状要素等,如宗地、图斑等。其中,宗地是土地权 属界线封闭的地块或者空间;与宗地相关联的地理实体还有界址点、界址线等。 地类图斑是被行政区界线、权属界线以及单一线状地物分割的单一地类地块;与 其相关的地理实体还有地类界线等。 ③土地权属关系。权属关系反映的 有、使用、收益和处分的权利状况,主要在土地权属调查、土地登记等业务 的成果数据中体现。 ④土地利用关系。 需要的过程,如土地类型,是对土地的用途或利用方式的反映。 经上面的分析,地籍本体概念组成可用下图进行表示: 权利主体(权利人、 代理人等) 土地权属关系(权属 调查、土地登记等) 权利客体(宗地、图 斑等) 土地利用关系(建筑 密度、地类等) 图 3-7 地籍本体概念构成 Figure 3-7 The const concept (2)地籍本 成。地籍应用本体中不同的空间本体对应 着不 itute of the cadastral ontology 体概念关系的获取 地籍数据由空间数据和属性数据构 同的级别与层次,同一级别的空间本体又由若干下一级别的不同空间本体组 成。下一级空间本体的特征和属性影响上一级空间本体的特征和属性,如界址点 组成界址线,界址线封闭组成界址面,界址面加上空间尺度的约束构成宗地。地 38 3 基于本体的土地管理业务全要素信息系统关键领域模型建立 籍属性数据是指描述权利主体、权利客体及其间关系的数据,它是土地调查册、 土地登记册和土地统计册三个簿册共同的核心属性数据。通过分析土地调查册、 土地登记册和土地统计册的结构及其内容,地籍本体概念关系可以分为以下三 类: ①权利主体间关系 利人和代理人。权利人是拥有土地所有权的单位或拥有 土地 的是地类界线、界址点、界址线、地块之间的空间关联 及地 为权属关系和利用关系。从现有地籍数据结 构分 以上分析可以看出,地籍本体概念关系如下图所示: 权利主体主要包括权 使用权的单位、个人。代理人是根据代理契约、授权书或口头约定,向被代 理者收取一定佣金或免费在授权范围内和代理限期内代表被代理人或授权单位 行使被代理者权力的自然人。两者之间是委托与被委托、代理与被代理的关系。 ②权利客体间关系 权利客体间关系描述 块与地块间的空间关联(如相接、相离等)。平面地籍空间本体之间的关系 包括宗地、界址线和界址点之间的拓扑关系、宗地和地类图斑之间的剖分关系以 及地类图斑和地类界线间的拓扑关系等。 ③权利主体与权利客体间关系 权利主体与权利客体间关系体现 析中可以发现,在地籍权利客体信息中都或多或少地包含了一定的权属范畴 的信息和利用范畴的信息。前者如宗地属性表中的权属性质、使用权类型字段, 地类图斑表中的权属性质、权属单位代码、权属单位名称字段;后者如宗地表中 的建筑容积率、建筑密度和土地级别字段,地类图斑表中的地类编码、地类名称、 耕地类型、图斑地类面积等。这些信息又通常与相关的权利主体紧密联系,因此, 通过权属和利用这两种关系本体,可以把权利主体本体和权利客体本体进行关 联。 从 图 3-8 地籍本体概念间关系 Figure 3-8 The rela concepts 3.3.2 基于本 通过对地籍应用本体的分析,我们对地籍本体概念组成及概念间关系的了解 进一步加深。地籍本体的建立,为面向对象的类的设计奠定了坚实的概念层面的 tionship of the cadastral ontology 体分析的地籍数据结构重组 39 博士学位论文 基础。地籍信息系统中地籍空间本体间关系模型、权利主体与权利客体间权属关 系模型、权利主体与权利客体间利用关系模型如图 3-9、图 3-10、图 3-11 所示: 图 3-9 基于土地管理业务全要素信息系统应用模型的地籍空间本体关系模型 Figure 3-9 The relationship model between the cadastral space ontologies based on application model of land full feature information system 图3-10 权利主体与权利客体间权属关系模型 Figure 3-10 The ownership relationship model between the subject and object of rights 图3-11 权利主体与权利客体间利用关系模型 Figure 3-11 The land use relationship model between the subject and object of rights 从上面可以看出,在地籍管理中,最主要的地籍本体是权利主体和权利客体, 两者相互影响和制约,地籍管理的所有内容,都是紧紧围绕着地权关系(土地利 用关系 体和 相互 , 为关系实体(关系对象),建立权利客体与权利主体间的关系,通过面向本体的 和土地权属关 实际存在的实系)来进行的。因此,可以以地籍管理中 之间的关系为依据,将目前城乡一体化地籍数据库中的实体及实体关系归 纳、抽象、分类和聚合,根据土地调查、土地登记中涉及到的用户需求进行综合、 归纳与抽象,将原有数据库中的所有实体和关系,在地籍本体分析的基础上进行 概括和聚合,将权利主体(权利人、代理人等)剥离出来,作为一个实体(对象) 将土地登记所涉及的注册登记、它项权利登记以及地籍调查业务中的权属调查作 40 3 基于本体的土地管理业务全要素信息系统关键领域模型建立 分析方法建立稳定的模型,以克服现有地籍数据模型中存在的属性数据与空间数 据相混淆、事务性的数据与基本数据相混淆、土地调查数据与土地登记数据相混 淆的问题,克服由于地籍历史数据回溯和宗地与权利人多对多关系导致的共用宗 与混合宗的管理问题,实现对地籍数据库模型的优化。 地籍管理信息系统涉及的主要本体概念模型如图 3-12 所示: 图 3-12 地籍管理信息系统涉及的主要本体概念模型 Figure 3-12 The main ontology concepts model in the cadastral management system 按照上述概念模型设计的部分数据库结构如表 3-3 至表 3-6 所示: 表 3-3 宗地数据表结构 Table 3-3 The table structure of the cadastral parcel data 序 号 字段名称 字段代码 类型 长度 条件 备注 字段 字段 约束 1 标识码 BSM Int 10 M 2 要素代码 YSDM Char 10 M 3 宗地统一代码 ZDT M 4 权利 用途 Y C 土地座落 TDZL C 称 YDM Char 19 人标识码 QLR_BSM Int 10 M 5 6 T har har 1 100 M M 7 宗地四至 ZDSZ Char 200 M 8 权属性质 QSXZ Char 2 M 9 权利类型 QLLX Char 2 M 10 地类代码 DLDM Char 4 M 11 地类名 DLMC Char 20 M 12 面 积 MJ Float 16 M 41 博士学位论文 表 3-4 宗地 系 T e table s e of the al a t par using 代码 段 型 字 长度 约束 条件 备注 利用关 表结构 able 3-4 Th tructur cadastr parcel bou cel 序 号 字段名称 字段 字 类 段 1 标识码 BSM Int 10 M 2 宗地统一代码 DM ar 19 M 3 权利人标识码 QLR_BSM Int 10 M 4 5 建筑 JZ F 3 土地级别 TDJB C 2 ZDTY Ch 用途 T M 建筑容积率 JZRJL Float 4 M DYT Char 4 6 7 密度 MD loat har M M 8 申报地价 SBDJ Float 15 M 9 取得价格 QDJG Float 15 M 表 3-5 注册登 表 a le str the cadast el ut lan gistr 称 段代码 束 件 记数据 T ble 3-5 The tab ucture of ral parc abo d re ation 序 号 字段名 字 字段类 型 字段 长度 约 条 备注 1 标识码 BSM Int 10 M 2 宗地统一代码 DM 3 权利人标识码 QLR_BSM Int 10 M 4 5 登记 DJ 登记卡经办人 DJKJBR Ch 核人 R ZDTY Char 19 M 登记卡编号 DJKBH Char 50 M 登记日期 DJRQ Date 10 M 6 7 记事 JS Char ar 200 50 M O 8 登记卡审 DJKSH Char 50 M 9 土地证号 TDZH Char 50 M 10 归户卡号 GHKH Char 50 M 表 3-6 他项权利数据表 T e 3 tructure adastral p ou r ri reg abl -6 The table s of the c arcel ab t othe ghts istration 序 号 字段名称 字段代码 字段 类型 字段 长度 约束 条件 备注 1 标识码 BS M M Int 10 2 宗地统一代码 ZD M 3 土地证号 TDZH Char 50 M 6 他项权利种类 TXQ Char M 他项权利范围 TXQLFW C TYDM Char 19 4 权利人标识码 QLR 0 M 5 义务人标识码 YWR_YWR Char 100 M _BSM Int 1 LZL 100 200 7 har M 8 设定日期 SDRQ Date 10 M 9 权利顺序 QLSX Char 2 M 10 续存期限 XCQX Char 10 M 11 他项权利证号 TXQLZH Char 50 M 权属调查关系表结构可参照地籍调查表数据项进行设计。这样 地籍信息 中作为基础数据的核心要素进行了提取,与土地登记等审批业务进行了区分,有 利于提高地籍信息系统的运行效能;通过宗地统一代码与土地登记业务事项进行 关联,需 关联查 指标体系及土地登记信息采集与上报系统数据指标体系中得到体现。 ,将 要时可以进行 询。这种模式已在全国宗地统一代码电子文件管理 42 3 基于本体的土地管理业务全要素信息系统关键领域模型建立 43 3.4 及信息系 业务全要素信息系统关键领域模型进行了 构建 本章小结(Summary) 本章基于多层本体集成组织模式,给出了土地管理业务全要素信息系统本体 体系结构,提出了土地管理业务全要素信息系统多层本体共享模型,并基于土地 管理业务全要素信息系统本体体系结构和多层本体共享模型构建了土地管理业 务全要素信息系统应用模型,从信息系统体系结构、空间数据组织管理 统应用模式设计三个方面对土地管理 。在上述土地管理业务全要素信息系统概念模型构建的基础上,尝试利用本 体的分析方法,以地籍应用本体为例,对地籍本体概念及概念间关系进行了分析, 构建了地籍管理所涉及的主要本体概念模型,并对地籍数据库的数据结构进行了 改进,可以为土地管理业务全要素信息系统中应用本体的本体建模提供参考。 博士学位论文 4 土地管理业务全要素信息系统领域模型空间特征的 数学描述 4 Mathematics representation of spatial characteristics of land management business full feature information system domain model 在土地管理业务全要素信息系统中,“地块”是记载土地管理业务全要素信 息的核心载体,对其空间关系的描述是土地管理业务全要素信息系统建模的核心 环节。空间关系描述是采用数学、逻辑的形式化表达方法对空间本体及空间本体 间不同的空间关系加以区分的一种手段。作为本体论分支的组份拓扑理论 (Mereotopology),是以整分理论(Mereology)为理论基础,结合拓扑学 (Topology)的研究方法,以空间关系为研究对象,依靠哲学和逻辑的方法对空 间关系进行描述的有力工具。本章引入 Mereotopology 和位置理论(Location theory),对第三章构建的基于本体的土地管理业务全要素信息系统关键领域模 型中的空间特征进行数学描述,建立共享本体模型的数学模型;对土地全要素业 务空间本体间的关系进行语义描述,产生相应空间规则,并以土地管理业务全要 素空间数据为例,在空间数据处理工具中加以应用。 4.1 组份拓扑理论与位置理论(Mereotopology and location theory) “交互方法”和“交叉方法”是描述地理目标拓扑空间关系常用的两种方法, 前者如区域连接演算 RCC 理论,后者如九交模型等。而作为本体论分支的组份 拓扑理论(Mereotopology),则在 Mereology 和 Topology 的基础上,是从逻辑 连贯性的角度以逻辑的方法对空间关系进行形式化表达并加以区分的。它以 Mereology 为理论基础,结合 Topology 的研究方法,通过研究连通关系、相切关 系、边界-整体、内部部分-整体等空间关系,依靠哲学和逻辑的方法来建立其中 的概念和规则[166]。Barry Smith(1996)提出了一个相对完整的 Mereotopology, 并对其中的基本概念和关系进行了形式化表达,推动了 Mereotopology 的进一步 研究。目前,Mereotopology 已经在人工智能、地理信息系统、机器学习、知识 工程等领域内得到应用[167]。 Mereology 作为一种形式理论,研究部分与整体之间的关系,通过构建整体 与其组成部分间的一般规则[168],进而依据部分关系对整个论域进行研究和描述。 Mereology 的核心谓词是 part-of,比如 part-of(A,B)表示“A 是 B 的一部分”。 这里,要注意与本体论中的分类学(Taxonomy)进行区分:is-a 是分类学的基本 谓词,与 part-of 不同,前者用来描述实例与实例所属类别间的关系,而后者用 44 4 土地管理业务全要素信息系统领域模型空间特征的数学描述 来描述整体与其组成部分之间的关系。此外,与集合论中的“并”运算也不同, Mereology 中的“和”运算可以是“融合(fusion)”,也 可 以 是“ 连 接(join)”, 不是一个集合中各种实体的简单罗列。比如,对组成徐州市云龙区的“翠屏山”、 “黄山”、“新生里”等街道采用 Mereology 的“和”运算进行操作,得到的不 是{“翠屏山街道”、“黄山街道”、“新生里街道”…}等的简单集合,而是“云 龙区”这个整体。Topology 是用连通关系来描述空间对象间相对位置的理论, 一般通过对边界的形式化描述来定义各种连通关系,而描述的基础是对边界的定 义[170]。对 Topology 的定义根据边界定义的不同,又分为以真实边界为基础的 Topology 定义和以人为边界为基础的 Topology 定义。就真实边界关系而言,通 常用 B 表示, 表明 x 是空间对象 y 的真实边界。Location theory 的研究对 象是空间对象与空间对象占据的空间位置之间的关系,比如,空间对象 x 恰好位 于空间区域 y 可用 进行描述。 )y,x(B (L )y,x 黄茂军(2005)通过对 Mereology、Topology 以及 Location theory 的研究, 将与这三个理论相关的定义和公理进行了形式化定义,分别描述如下: (1)重叠(Overlap)关系及 Mereology 的若干公理 定义 1DP :     ;,,:, yzofpartxzofpartzyxO  公理 1AP : ;, xxofpart  公理 2AP :    ;,, yxxyofpartyxofpart  公理 :3AP     ;,,, zxofpartzyofpartyxofpart  公理 4AP :    ;,x,, yofpartyzOxzofpartz  公理 :5AP       ;,, zxOxxzyOzyxx   其中, 1AP - 4AP 分别对部分-整体关系的自反性、反对称性、传递性和可扩 展性进行了描述; 说明了每一个满足性质5AP  的对象,其和恰好构成满足性质  中的所有对象的集合。 (2)Topology 的相关定义与公理 定义 1DB :    ;,: xzBzxxc  公理 1AB : ;, xcxofpart  公理 2AB :  ;, xcxccofpart  公理 :3AB   ;ycxcyxc  定义 :2DB    ;,,:, xycOyxcOyxC  1DB 2 表示真实边界构成的真实闭包,是封闭区域 x 与其真实边界的和运算; 反映了真实边界的连通性。DB 1AB 和 2AB 由部分-整体关系的自反性关系派 生; 是对封闭区域 x 和 y 做和运算;同时,由真实边界的定义和 y 的 定义,我们可以进一步描述“内部部分关系”,用 3AB xO , IP 表示如下: 45 博士学位论文 定义 :3DB        ;,,,:, zxOyzBzyxofpartyxIP  (3)与 Location theory 相关的定义及公理 定义 :1DL     ;,,:, zxLyzofPartzyxFL  定义 :2DL     ;,,:, yzLxzofPartzyxPL  定义 :3DL   ;,,: zyLzxLzyx  公理 1AL :   ;,, zyzxLyxL  公理 2AL :      ;,,, yzFLxzofPartyxL  公理 :3AL      ;,,, zxPLyzofPartyxL  公理 4AL :  ;,, xyLyxL   公理 :5AL     ;,, wxzwofPartwyxofPartzy  公理 :6AL     ;yyxyxyyyy   1DL 表示 x 完全位于 y; 表示 x 部分位于 y; 定义了相合关系;2DL 3DL 1AL - 4AL 是 Location theory 的最小公理集合; 表明,若 y 与 z 相合,则其存 在相合的部分;公理 说明,若 y 具有性质 5AL 6AL  ,且 y 具有性质 蕴含 x 与 y 相 合,则 x 与具有性质 的 y 具有相合关系。 基于上述三个理论的定义及公理,黄茂军(2005)建立了一套新的公理体系, 可以用来对土地全要素业务空间本体的空间拓扑关系、空间位置、空间本体的边 界及部分-整体关系等进行形式化表达:     ;,,:,int yzofPartxzofPartzyxDisjo  // x、y 相离       ;,,,:, yzIPxzIPzyxOyxTouch  //x、y 相接;         ;,,,,,:, yzIPxzIPzyxofpartxyofpartyxOyxOverlap  // x、y 重叠;    ;,,:, xyofPartyxofPartyxEqual  //x、y 相等  ;,:, xyIPyxContain  //x 包含 y;  ;,:, yxIPyxWithin  //x 在 y 的内部;       ;,,,:, zxOyzBzxyofpartyxCover  //x 覆盖 y;        ;,,,:, zxOyzBzyxofpartyxCoveredBy  //y 覆盖 x。 46 4 土地管理业务全要素信息系统领域模型空间特征的数学描述 其关系示意见图 4-1 所示: 图 4-1 几种常见空间关系定义的新的公理 Figure 4-1 The defined new axioms of the several common spatial relationships 4.2 多层本体共享模型的数学模型(Mathematics model of the multilayer ontology sharing model) 在多层本体集成组织模式下,构建了土地管理业务全要素信息系统关键领域 模型中的多层本体共享模型,以利用该模型实现对土地全要素业务空间本体的统 一组织管理。如前所述,该模型的设计原理是:将土地管理业务全要素信息系统 领域内,在同一时间位于同一空间的土地业务空间本体按其与土地管理业务全要 素范畴的不同关系,划分为不同的层次,各本体层之间通过一定的规则演绎机制 检索不同空间本体层中的数据(知识),以实现土地业务信息的共享和重用。也 就是,为实现土地管理业务全要素信息在土地生命周期内的信息演绎,首先构建 土地管理业务全要素领域本体,在该领域本体内依据土地管理业务全要素集成的 内涵建立土地业务全要素中各应用本体的相关规则,在其语义协调下建立建设用 地报批本体、土地征收本体、土地储备本体、土地市场交易本体、土地供应本体、 土地登记本体等土地应用本体层,各应用本体层之间通过“同一时间位于同一空 间”这一时间切片规则描述产生土地管理业务全要素信息本体——新的应用本体 层。土地管理业务全要素信息本体不是通过数据归纳机制生成,而是通过规则演 绎机制生成的。新产生的应用本体层记录了“同一时间位于同一空间”贯穿土地 全生命周期的土地管理业务全要素生命周期关联树信息,通过这个生命周期关联 树,可以检索到相关联的不同业务环节的空间应用本体层的信息。这种多层本体 共享机制可以用以下数学模型进行描述: clXD , (式 4-1) 其中 代表符合土地管理业务全要素集成内涵且同一时间位于同一空间的 不同土地业务空间本体划分,cl 代表基于组份拓扑理论和定位理论的土地全要素 业务本体间的空间关系及信息演绎规则,两者共同构成了土地全要素业务空间本 体集合 X D 。式 4-1 体现了多层共享模型的数学内涵,其具体内容与逻辑结构见表 4-1。 47 博士学位论文 表 4-1 多层本体共享模型的数学内涵 Table 4-1 The mathematics connotation of the multilayer ontology sharing model 公式代码 数学内涵 多层本体共享机制功能 D 空间函数集合 土地全要素业务空间本体集合 X 空间函数 符合土地管理业务全要素集成内涵且同一时间 位于同一空间的不同土地业务空间本体划分 cl 数据关联和数据闭操作 基于组份拓扑理论和定位理论的土地全要素业 务本体间空间关系及信息演绎规则 4.3 土地全要素业务本体空间关系描述(Spatial relation describing about full feature business ontologies in land management) 4.3.1 土地管理空间对象层次及关系描述 土地管理空间对象层次模型是土地管理业务全要素信息系统空间对象组织 与管理的基础。以城乡一体化地籍管理系统为例,其本质是将城镇地籍、农村地 籍及土地利用现状调查等土地调查中不同的调查要求、不同的管理手段和不同的 数据模型,纳入到统一模型下,统一调查要求、统一管理手段、统一编码、统一 数据结构、统一监测体系,按土地利用管理和土地权属管理的业务要求,实现城 乡土地管理的统一,实现无区域差别的、动态的全要素调查与管理。同时,城乡 一体化地籍否定了原有土地利用管理和城镇地籍管理两项业务相互隔离的模式, 从业务模型、数据管理模型、数据组织模型和运行模型等方面按一体化管理的逻 辑进行了重构。 目前,大部分地区城镇地籍信息系统的管理模式主要按:县(市、区)-街 道-街坊-宗地(权属单位)-图斑组织管理数据,数据的组织单元为街坊;而 农村地籍管理采用:县(市、区)-乡(镇)-村-图斑组织数据,数据的组织 单元为行政村。从以上可以看出城乡地籍管理的数据组织方式有许多相似之处, 重要的是都是采用分级、分区管理,只是为实现各自的管理要求,对数据的描述 侧重面不一样,但其核心是一致的。从地籍管理的角度来说,农村地籍数据的描 述更能反映土地实际利用的情况,也更符合新的土地分类、统计分析的要求。可 以将城乡土地调查数据进行抽象化处理,其最基本的数据为地类图斑(用地地 块),如城市的一块绿化地、一块住宅,农村的一块耕地、一块林地。在这一数 据基础上,可以假定一个权属单位的用地是由若干个无缝隙的地类图斑组成。基 于这一基本假设,一个权属单位可理解为城镇地籍管理中的一个宗地,农村地籍 管理中的一个行政村或一个用地权属单位。这样就基本上确定了权属单位(宗地) 与图斑的关系。对城镇地籍管理来说,一个宗地可以由多个不同地类的图斑组成, 而对单一用地类别的宗地,一个宗地则只由一个地类图斑组成;对目前的农村地 籍管理来说,这一假设完全符合现行的农村地籍管理方式。 大部分地区城镇地籍数据管理模式: 48 4 土地管理业务全要素信息系统领域模型空间特征的数学描述 县(市、区)-街道-街坊-宗地 大部分地区农村地籍数据管理模式: 县(市、区)-乡(镇)-村-图斑 对地籍的土地利用数据和土地权属数据可简单表示为: 对所有权宗地: 市-区(县)-街道(乡、镇)-所有权宗地 其特点为:使用权宗地、所有权宗地、图斑为三个具有一定逻辑关系的数据 集(层);数据组织的基本单位为街坊;一个街坊可包含多个权属单位(使用权 宗地),如城镇中一个街坊有多个宗地,一个宗地又包含多个图斑;同时一个权 属单位用地(所有权宗地)可分别在多个街坊,如一体化地籍中一个行政村(权 属单位)的土地可分布在若干个街坊,但仍然可用村来进行统计等日常管理,其 数据来源就是作为数据最小组织单元的图斑,根据图斑的权属信息进行统计。土 地利用图斑、权属单位(行政村、宗地)、街坊、行政区等数据的组织结构和数 据关系的高度关联,是保持不同类型数据逻辑、拓扑关系一致性的重要基础,同 时也大大方便了数据的更新维护,使建立的系统易于操作、自动化程度更高。 总之,数据组织模式主要用于数据的方便、有效组织。在系统设计时,可以 将数据组织模式以管理区和行政区的模式体现。其管理区的结构如图 4-2 中左图 所示,主要用来组织和管理数据;而行政区如图 4-2 中右图所示,主要用于行政 辖区内数据的统计和管理。 图 4-2 城乡一体化地籍管理中的数据组织模式 Figure 4-2 The data organization mode based on integrated management of urban and rural land 49 博士学位论文 从上面可以看出,通过对土地利用和土地权属数据进行抽象化处理,其最基 本的数据为地类图斑(用地地块),如城市的一块绿化地、一块住宅,农村的一 块耕地、一块林地。在这一数据基础上,假定一个权属单位的用地是由若干个无 缝隙的地类图斑组成。基于这一基本假设,一个权属单位可理解为城镇地籍管理 中的一个宗地、农村地籍管理中的一个行政村(组)、或一个用地权属单位。这 样就基本上确定了权属单位(宗地)与图斑的关系,对城镇地籍管理来说一个宗 地可以由多个不同地类的图斑组成,而对单一用地类别的宗地,一个宗地则只由 一个地类图斑组成;对目前的农村地籍管理来说,这一假设完全符合现行的农村 地籍管理方式,并且实现了土地利用数据的城乡全覆盖,便于对城乡土地利用相 关统计分析模型辅助决策。目前,这种模式已经在我国东部地区城乡一体化地籍 管理的实践中得到应用(如徐州等地),并取得了较好的应用效果。 《宗地代码编制规则(报批稿)》在城乡一体化地籍空间对象层次模型研究 基础上,对土地管理业务全要素信息系统空间对象的组织管理模式进行了规范, 引入了调查区的概念,以行政区划为基准,按地籍区、地籍子区的模式进行编码。 其层次模型如图 4-3 所示: 行政区类(省级-市级-县级) 调查区类(地籍区-地籍子区(街道(乡、镇)-街坊(村)) 地块类 (宗地、 图斑等) 土地产权管 理:权属信 息表(登记 信息等) 土地利用管 理:图斑属 性表(地类 等) 图 4-3 基于城乡土地一体化管理的空间对象层次模型 Figure 4-3 The hierarchical model of spatial objects based on integrated management of urban and rural land 这种编码方法以地籍区、地籍子区的模式实现了土地权属信息的网格化管 理,反映了县域范围内社会经济管理和行政管理的要求。地籍区、地籍子区的划 分原则是在行政区范围内,依据乡(镇)、街道办事处界线,并且结合宗地和明 显线性地物进行划分,以保证地籍子区的区域全覆盖及对宗地要素的全覆盖。这 种以典型地物与行政区划相结合的宗地组织管理单元划分方法简便易行且方便 与现行编码方法衔接。数据组织模型主要用于数据的方便、有效组织。行政区主 要用于行政辖区内数据的统计和管理;调查区主要用来组织和管理数据;地块类 作为基本的数据单元。三者的内涵具体如下: (1)行政区类。包括省级、市级和县(区)级三个层次。行政层的界线采 用全国陆地行政区域勘测成果确定的界线。 50 4 土地管理业务全要素信息系统领域模型空间特征的数学描述 (2)调查区类。包含地籍区和地籍子区两个层次。地籍区是在县级范围内 首级划分的地籍业务管理区域。它以乡(镇、街道)级行政界线为基础,但不完 全等同于乡(镇、街道)级行政界线。地籍区一经划定,一般不随乡(镇、街道) 等行政管辖区域的调整而发生变化,较为稳定。在县级行政区内,地籍区是该区 域的严格剖分。地籍区可参照乡(镇、街道)级行政界线划分,主要是为了土地 调查成果的方便管理,如在某些行政界线存在争议的地区,可人为划定一条工作 界线作为地籍区界线。地籍子区在地籍区内划分,是地籍区的严格剖分。作为最 小的地籍调查组织管理单元,一般由河流、沟渠、互通道路等线形地物封闭,并 参照宗地空间位置进行划分。一般而言,地籍子区与行政村界线或街坊界线可以 重合,但在具有权属争议的区域,与地籍区划分处理方法一样,可人为划定一条 工作界线作为地籍子区界线。为了宗地编码的稳定性,地籍子区划分要保持稳定, 一般不随行政村和街坊界线的调整而改变。地籍区和地籍子区由外围封闭界线组 成,均不含岛状区域,其划分文字说明及图件应报上级国土资源行政主管部门进 行备案。 (3)地块类。包括宗地、地类地块及其他土地业务地块。宗地统一代码编 制规则将地块从空间上首先定位到地籍子区的层组中,继而定位到特定要素层中 的一个地理实体,基于该地理实体可以挂接宗地的土地利用及土地权属信息。这 里的宗地编码虽然仅仅从地籍管理的角度考虑,但是这种“以地块为索引进行数 据整合”的编码模式可以扩展到所有以地块为核心的业务上来,比如国土资源管 理的其他专题要素、林业管理、农业管理等。 土地管理空间对象层次模型间的拓扑关系可以描述如下: (1)在行政区类层次,省级、市级和县级行政界线由民政部门确认,各级 行政类空间对象内部不存在相互包含的关系,也不存在缝隙。 (2)在县级范围内,根据街道、乡镇的范围,结合各种永久性构筑物或显 著的地物地貌,划分成若干地籍区;在地籍区内,根据行政村、自然村、街区的 范围,结合各种永久性构筑物或显著的地物地貌,划分若干地籍子区,它是土地 调查的最小数据组织区域。地籍区和地籍子区界线只是地籍管理和土地调查的工 作区域界线,不是土地权属界线。各地籍区之间不重叠,也不存在缝隙。各地籍 子区之间不重叠,也不存在缝隙。之所以要设立地籍区和地籍子区两个层次的空 间对象,其原因有两个:一是简化概念,把乡镇、街道,街坊、行政村(自然村) 分别用地籍区、地籍子区替代,使城乡一体化管理工作的区域简单、统一;二是 乡镇、街道、街坊、行政村的概念本身有行政区划和土地权属的含义,它们的边 界经常会发生调整,并可能存在权属争议,如果把行政界线或权属界线作为工作 51 博士学位论文 区域界线,调查工作区域将处于不稳定状态,增加了土地调查的复杂性。地籍区 和地籍子区正因具有不随行政界线调整的特点而具有较高的稳定性。 (3)在地籍子区范围内,根据土地所有权的规定,将同一土地所有者相连 成片的用地范围划分成若干土地所有权宗地。我国土地除集体所有的以外,均为 国家所有。在城镇内部和农村地区,地籍子区可能仅有一个土地所有权宗地,其 界线与地籍子区界线完全重合;但是,地籍子区的范围内也可以大量存在两个或 两个以上的土地所有权宗地,如城郊结合部、独立工矿,道路、输电线路、水系 等穿越的区域。集体土地所有权宗地存在共同拥有的情况,集体与国家之间不存 在共同拥有的情况。 上述空间对象间的拓扑关系用一阶谓词描述为: (1)行政区与地籍区间 {“地籍区”P“行政区”}//地籍区是行政区的部分 {“行政区”Equal sum{“地籍区”}} //地籍区是行政区的严格剖分 (2)地籍区与地籍子区间 {“地籍子区”P“地籍区”}//地籍子区是地籍区的部分 {“地籍区” Equal sum{“地籍子区”}}//地籍子区是地籍区的严格剖分 (3)地籍子区与地块间: {“地块”P“地籍子区”} //地块是地籍子区的部分 {“地籍子区”Equal sum{“地块”}} //地籍子区内地块是地籍子区的严格剖 分 土地管理业务全要素信息系统中的土地业务空间本体可以在“一张图”地理 空间框架下,以地籍空间对象层次模型为基准进行统一管理。 4.3.2 土地全要素业务本体空间关系描述 空间关系描述的基本任务是,在空间关系语义研究成果的基础上,对区分出 的不同空间关系以数学或逻辑的方法给出形式化描述,为构造空间查询语言和空 间分析提供形式化工具。由于土地业务涉及的主要空间对象是地块,下面主要讨 论土地业务面状空间本体间的关系。 对于土地业务空间本体层内对象,可能具有以下特征: 规则 1:“空间本体间不能相交”拓扑规则 比如,在土地所有权宗地间、土地使用权宗地间、地类图斑间不存在相互交 叉重叠的关系。 用一阶谓词描述为: yxOverlapyx ,,  规则 2:“空间本体间不能有重叠”拓扑规则 52 4 土地管理业务全要素信息系统领域模型空间特征的数学描述 用一阶谓词描述为:  yxEqualyx ,,  规则 3:“空间本体间不能有空隙”拓扑规则 用一阶谓词描述为:   zxWithinzxTouchxz ,,  //z 是空间本体层内以某一点为中心的缓冲区域生成的空间本体,x 为该本 体层内的已存在的任一空间本体 对于土地业务空间本体层间对象,可能具有以下特征: 规则 1:“空间本体相等”拓扑规则 用一阶谓词描述为:  ;, yxEqual 规则 2:“空间本体相交”拓扑规则 用一阶谓词描述为:  ;, yxOverlap 规则 3:“空间本体相离”拓扑规则 用一阶谓词描述为:  ;,int yxDisjo 规则 4:“空间本体包含”拓扑规则 用一阶谓词描述为:  ;, yxWithin 规则 5:“空间本体相接”拓扑规则 用一阶谓词描述为:  ;, yxTouch 规则 6:“空间本体覆盖”拓扑规则 用一阶谓词描述为:  yxCover , 。 4.4 实例应用——土地管理业务全要素空间数据拓扑检查 ( Instance of the application - the topology check of land management business full feature spatial data) 图形拓扑关系的定义与检测是空间数据处理系统所要解决的重点和难点,为 了实现土地业务本体层内以及本体层间拓扑关系的检测,可以在上述土地业务本 体空间关系描述的基础上,通过在数据处理工具中进行空间关系检查规则配置, 基于 ArcEngine 提供的 ITopologyContainer(拓扑容器)、ITopologyRuleContainer (拓扑规则容器) 和 ITopology(拓扑操作集) 等一系列访问和管理地理数据 库(GDB)的接口来实现。其中,ITopologyContainer 用于创建和管理要素数据 集中的拓扑;ITopologyRuleContainer 用于添加、删除和访问位于拓扑中的拓扑 规则;ITopology 通过一系列拓扑规则来维护要素类之间的拓扑关系。拓扑检查 即检查数据的空间拓扑关系是否正确。拓扑检查依据拓扑容差设置和拓扑检查设 置,将当前数据与标准设置进行对照检查,将与标准配置中不一致的以错误报告 53 博士学位论文 的方式输出。拓扑检查分单层检查和多层叠加检查,多层叠加检查需要设置对应 的参考层。拓扑检查涉及到参考层的,须将参考层也一起添加到当前视图。 下面以土地管理业务全要素空间数据为例,对土地全要素业务本体间空间关 系规则的应用进行分析。在图形拓扑检测前,首先要对土地业务本体拓扑关系进 行定义,见“拓扑检查设置页”(如图 4-4 所示)。 图 4-4 拓扑检查设置界面 Figure 4-4 The settings interface of the topology checking 精度级别设置 1 为最高级,9 为最低级。精度级别只在数据自动处理时有效, 执行自动处理时,低精度的数据往高精度的数据上靠,高精度的数据保持不变。 错误级别分为错误和警告两类,错误级别只在数据检查入库、变更时用到。错误 级别显示为“错误”的数据必须修改无误后方可入库,而警告错误的数据入库可 以不作修改。选定要检查的拓扑规则,如果有参考层的,要指定参考层,见图 4-5: 图 4-5 拓扑关系参考层设置 Figure 4-5 The reference layer setting of topological relations 54 4 土地管理业务全要素信息系统领域模型空间特征的数学描述 错误描述可自定义进行说明,直接在错误描述列表中修改。待数据检查时, 数据检查错误列表中的错误类型将会列出对当前拓扑检查错误的描述。 加载要检查的数据,在图层列表中将要检查的数据设置为显示状态。在层组 名(或图件名)上点击右键,选择“拓扑检查”,如图 4-6 所示: 图 4-6 拓扑检查操作界面 Figure 4-6 The operation interface of the topology checking 数据处理模块将对指定层组下为显示状态的要素执行检查,检查的结果以列 表的方式显示在视图下部。检查结果列表中的错误类型回写拓扑检查设置中对应 的错误描述,见图 4-7: 图 4-7 拓扑检查结果列表 Figure 4-7 The results list of the topology checking 55 博士学位论文 56 4.5 本章小结(Summary) 本章基于组份拓扑理论和位置理论,利用组份拓扑理论和位置理论生成的新 的公理,对土地管理业务全要素信息系统多层本体共享模型及土地全要素业务本 体间的空间关系进行了数学描述,就土地全要素业务地块间空间关系的语义、描 述与区分及表达问题进行了探讨,集中解决了土地全要素业务地块间空间关系的 语义及其描述区分的问题,以土地管理业务全要素空间数据为例,基于建立的规 则利用 ArcEngine 提供的拓扑检查接口实现了土地业务数据的拓扑关系检测。 5 土地管理业务全要素信息系统领域模型的若干关键技术研究 5 土地管理业务全要素信息系统领域模型的若干关键 技术研究 5 Key technologies research of land management business full feature information system domain model 土地业务全要素管理的核心是地块的管理,只有把握住地块信息在土地管理 业务事件驱动下的产生、变化、消亡等一系列变化过程,才能把握住土地管理业 务全要素信息系统建设的脉络。土地业务全要素生命周期管理模式基于对位于同 一空间地块进行全生命周期管理的思想,通过对地块在各“生命环节”状态和相 关属性的详细分析,理顺各业务在“土地生命周期”中的内在关系,将地块在各 业务环节的信息进行有机结合,实现土地管理业务全要素信息的集成整合。本章 拟对土地管理业务全要素信息系统关键领域模型中涉及的土地生命周期管理、土 地管理业务全要素地块编码、土地管理业务全要素信息演绎规则等关键技术进行 探索,在多层本体共享模型基础上,构建基于事件语义的土地业务全要素生命周 期管理模式;在分析宗地统一代码编制规则的基础上,制定土地管理业务全要素 地块编码体系;通过设置数据表设计规范,建立土地信息在土地管理业务全要素 范畴下的演绎机制,为土地管理业务全要素信息系统建设奠定技术基础。 5.1 基于事件语义的土地业务全要素生命周期管理模式(Land business full feature lifecycle management mode based on event semantics) 在土地管理业务全要素信息系统本体体系结构框架下,土地数据主要分为土 地基础数据与土地业务数据。土地基础数据的状态较为稳定,而土地业务数据的 更新较为频繁。这里主要对日常管理中更新频繁的土地业务及业务数据间的关系 进行研究。 5.1.1 事件语义描述 在地理信息系统中,空间、时间和属性是地理实体的三个基本特征[171]。地 理实体的变化可以从空间语义、属性语义、时间语义等角度进行描述。其中,空 间语义刻画了地理实体的空间位置、空间分布与空间相关性;时间语义刻画了地 理实体的存在时间、变化状况、时间相关性。对于时间语义,有多种表达方式, 事件序列是其中的一种。事件的发生导致实体状态的不断改变,而这种改变涵盖 了实体变化的各个方面,包括对象状态的改变、空间位置的改变、对象属性的改 变以及对象的演变等(如图 5-1 所示)。地理实体的变化一般体现在两个方面: 空间实体的量变和空间实体的质变。空间实体的量变体现在空间变化和属性变 57 博士学位论文 化;空间实体的质变主要是空间对象本身发生了变化,如旧对象消亡的同时新对 象产生。因此,可以用五元组来描述地理实体的变化:<对象、时间、空间、事 件、属性>。这五个方面可以全面描述动态的地理实体:地理对象的空间、时间、 属性概括了地理实体的空间特性、时间特性和属性特性;对象的引入,有效区分 了地理实体的量变和质变;事件包含了时变信息,记录了地理实体发生变化的原 因。因此,可以从事件语义的角度对土地业务空间地块的时空变化进行建模。 图 5-1 事件语义模型中时空信息关系 Figure 5-1 The relationship of spatial and temporal information in the event semantic model 5.1.2 土地生命周期管理模式 广义的土地生命周期管理是以土地利用总体规划为生命起点,历经规划管 理、计划管理等生命计划孕育过程,再历经土地征收、土地储备、土地交易、土 地供应、土地登记、土地使用权收回等土地管理业务全要素生命周期过程的管理 [172]。狭义土地生命周期管理则是以建设用地项目报批为生命起点,历经土地征 收、土地储备、土地市场交易、土地供应、土地登记直到土地使用权终止为终点 的土地生命周期过程管理。两者的区别在于是否包含土地利用总体规划及年度计 划编制。对于基层土地管理业务,土地利用总体规划及土地利用年度计划的编制 (修编)本身需要一定的周期,而建设项目用地报批环节涉及到这些成果的管理 和应用,故这里论及的土地生命周期管理限定为狭义概念。对于土地全生命周期 管理,可以做如下直观的简要描述:根据土地利用总体规划和土地利用年度计划, 耕地经农转用征收后变为建设用地,纳入土地储备,进入土地储备库;再根据土 地供应计划,通过土地市场交易,土地从储备库进入市场,形成有效供应;被用 地单位开发建设投入日常使用;若干年后,根据城市规划进行旧区改造,政府收 回该地块,再次进入生命周期环节,完成一轮循环。土地业务全要素生命周期管 理涉及到的土地业务间的关联关系如图 5-2 所示。 58 5 土地管理业务全要素信息系统领域模型的若干关键技术研究 图 5-2 土地生命周期中土地业务间的关联关系 Figure 5-2 The land business relationships in land lifecycle 可以看出,在土地管理业务全要素生命周期中,随着土地管理活动的相继开 展,形成了土地管理业务间环环相扣的关系。在土地利用总体规划及土地利用年 度计划的制约下,通过建设用地报批,使地块相关属性发生改变,由农用地转为 建设用地,具有在土地市场流转的资格;土地征收是建设用地报批事项的批后实 施工作,是地块进入土地利用程序的关键;土地储备作为对土地市场进行调节的 手段,衔接土地征收和土地市场交易环节,此外,对已经开发利用的土地,由于 种种原因(如企业改制、破产等)亦可收储,使其进入新的生命周期进行循环; 土地市场交易则通过挂牌、拍卖、划拨、协议出让等手段,将地块推向市场,使 其价值得到体现;土地供应通过行政审批手段,使权利人用地合法,包括供地合 同管理和相关费用管理;土地登记是物权实现的重要环节,确认地块身份,可以 看做为其“上户口”。这六个业务环节紧密关联,体现了土地管理活动每个阶段 的核心信息,比如,在建设用地报批和土地供应业务基础上,可以建立批供关联 表,作为土地执法监察的重要依据。通过土地生命周期中各环节业务信息的关联 分析,可以综合判断土地管理在哪个环节出现了资源瓶颈,以采取相应的管理对 策。 在整个生命周期管理过程中,地块是载体,是不变化的,变化的是地块的形 态和附加在地块上的业务及属性信息。因此,可以以地块为索引,基于土地管理 业务全要素信息系统多层本体共享模型,通过同一时间位于同一空间不同业务特 征的分层模型将附加在地块上的过程信息组织起来。同时,在土地管理业务事件 59 博士学位论文 (如六个业务处理行为)的驱动下,随时间推移将土地业务环节的变化信息落实 在各个业务空间地块上。 如图 5-3 所示,基于事件语义的土地业务全要素生命周期管理模型是以建设 项目用地报批业务为起点,在土地征收、土地储备、市场市场交易、土地供应、 土地登记等业务事件的驱动下,使同一空间地块的形态及附加的属性信息随时间 不断演绎,并将量变或质变的结果反映在建设用地报批层、土地征收层、土地储 备层、土地市场交易层、土地供应层和土地权属层。土地业务全要素生命周期管 理模型中的业务活动集合可以看作驱动土地业务地块信息演绎的事件空间:<建 设用地报批,土地征收,土地储备,市场交易,土地供应,土地登记>。 土地权属层 建设用地报批层 土地供应层 土地市场交易层 土地储备层 土地征收层 用 地 报 批 事 件 土 地 征 收 事 件 土 地 储 备 事 件 市 场 交 易 事 件 土 地 供 应 事 件 土 地 登 记 事 件 同一时间位于同一空间的业务空间地块分布 随 时 间 推 移 事 件 驱 动 导 致 土 地 业 务 地 块 信 息 变 化 图 5-3 基于事件语义的土地业务全要素生命周期管理模型 Figure 5-3 Land business full feature lifecycle management model based on event semantics 5.2 基于宗地代码编制规则的土地管理业务全要素地块编码方 法(Encoding method of land management business full feature parcel based on unified encoding of land parcel) 5.2.1 宗地代码编制规则分析 宗地统一代码编制规则是在城乡土地统一管理、国土资源“一张图”工程建 设的工程实践中,基于当前土地资源统一管理的需求提出的。开展宗地编码工作, 是实施全国土地和城乡地政统一管理,提高土地资源管理准确性、科学性,促进 60 5 土地管理业务全要素信息系统领域模型的若干关键技术研究 土地统一登记的有效手段。宗地统一代码可以让全国每块土地都有一个唯一的 “身份证”,实现全国宗地代码编制的标准化,满足土地信息化管理的需求。宗 地统一代码编制的理念不仅仅局限于土地权属要素的代码编制,还包含了新时期 土地管理、土地信息化建设的新的理念和技术方法,适用于基于地块管理的其他 领域的大多数业务,如林业、农业等系统的调查、登记、统计和信息化管理等业 务。 按《宗地代码编制规则(报批稿)》规定[173],宗地代码采用“县级行政区- 地籍区-地籍子区-土地所有权类型代码-宗地特征码-宗地顺序码”的方案编制。 宗地代码结构如图 5-4 所示,采用五层 19 位层次码结构,按层次分别表示县级 行政区划、地籍区、地籍子区、土地权属类型、宗地号。 图 5-4 宗地代码结构 Figure 5-4 The code structure of the land parcel 可以看出,新的宗地代码编制规则具有以下特征: (1)以行政区划为基准,按地籍区、地籍子区的模式进行编码 这种编码方法以地籍区、地籍子区的模式实现了土地权属信息的网格化管 理,反映了县域范围内社会经济管理和行政管理的要求。地籍区、地籍子区的划 分原则是在行政区范围内,以乡(镇)、街道办事处界线为基础,结合宗地和明 显线性地物进行划分,以保证地籍子区的区域全覆盖及对宗地要素的全覆盖。这 种以典型地物与行政区划相结合的宗地组织管理单元划分方法简便易行,且方便 与现行编码方法衔接。以徐州市为例,其地籍区、地籍子区的划分如图 5-5 所示。 (2)以空间地理要素分层的思想进行编码 宗地是土地权属信息的基本载体,是地籍数据库和信息系统的基本操作实 体。新的编码在设计上对地块在权属类型上的逻辑关系进行了分析和规划,对当 前土地管理信息系统的设计和建设具有指导意义。比如,第 13 位编码从土地所 有权归属上对宗地进行了划分,实际上体现了宗地在土地所有权层面全覆盖的业 务特征,在信息化实践中应该将所有权宗地和使用权宗地置于不同的要素层中; 而地表、地上、地下等土地权属类型的划分则初步考虑了三维地籍登记的部分需 求,也为宗地要素的分层设计提供了指导。 61 博士学位论文 图 5-5 地籍区、地籍子区划分示意图 Figure 5-5 The diagram of cadastral zoning and sub-zoning (3)以地块为索引进行信息整合 宗地统一代码编制规则将地块从空间上首先定位到地籍子区的一系列要素 层组中,继而定位到特定要素层中的某一个地理实体,基于该地理实体可以挂接 宗地的土地利用及土地权属信息。这里的宗地编码虽然仅仅从地籍管理的角度考 虑,但是这种“以地块为索引进行数据整合”的编码规则可以扩展到所有以地块 为核心的业务上来,比如国土资源管理的其他专题要素等。 5.2.2 土地管理业务全要素地块代码编制 正如前述,在土地管理信息系统中业务类要素信息的管理过程中,地块是载 体,是不变化的,变化的是地块的形态和附加在地块上的业务及相关属性信息。 在土地业务全要素生命周期管理模型中,我们以建设用地报批为龙头、以地块为 纽带,理顺了土地征收、土地储备、土地市场交易、土地供给、土地登记等业务 间的关联关系,整合了各业务环节的信息资源,通过同一空间同一时间不同业务 特征的分层模型将附加在地块上的过程信息组织起来,形成了可动态更新的业务 数据链。而这一链条的组织,需要对地块进行编码,建立地块身份管理模型,即: 建立地块的身份登记系统,每个地块给一个“身份证”,并按“户口簿”方式对 地块之间的关系进行判别。参照全国宗地代码编制规则,土地业务全要素管理中 的土地业务要素代码结构编制规则如图 5-6 表示: 62 5 土地管理业务全要素信息系统领域模型的若干关键技术研究 图 5-6 土地管理中的业务全要素地块代码结构 Figure 5-6 The code structure of business full feature parcel in land management 这里与宗地代码编制规则不同的是,第 13、14 位反映的是土地业务全要素 管理过程中的业务类型(土地权属管理类除外),而非宗地代码编制规则中的土 地权属类型。因此,要对土地全要素管理中的业务类型进行编码,如表 5-1 所示。 表5-1 土地全要素管理中的业务类型编码 Table 5-1 Business type coding of land full feature management 土地业务 类型编码 建设用地报批 0P 土地征收 0Z 土地储备管理 0C 土地市场交易 0S 土地供给 0G 集体土地权属管理 J* 国有土地权属管理 G* 土地勘测界定 0K 违法用地监察 0W … … 这样,土地管理业务全要素地块代码结构的第 14 位表示土地管理业务全要 素信息系统中的业务要素类别,第 13 位除与土地登记相关的土地权属要素用 J、 G 分别表示集体所有土地和国家所有土地外,其余要素用 0 补齐。比如,对于土 地储备管理要素,第 13、14 位可用 0C 表示。 此外,为实现土地管理业务全要素地块间的信息检索,建立土地业务全要素 生命周期管理关联树,需要在各地块的挂接属性字段中设置地块来源字段,注明 生成该地块的父地块的编码信息,同时继承土地管理业务全要素信息系统应用模 型中的基本模型类库,进行历史地块的数据管理,以实现在土地业务全要素生命 63 博士学位论文 周期管理体系中,既可以反映土地管理中某一类业务的运行情况,又可反映其与 总体的关联情况。 5.3 土地管理业务全要素信息在土地生命周期内的演绎规则 (Deductive rules of land management business full feature information in land lifecycle) 5.3.1 土地管理业务全要素信息演绎规则 为实现土地管理业务全要素地块间的信息关联,需要在土地管理业务全要素 地块代码编制规则的基础上,建立土地管理业务全要素地块间的逻辑关联规则。 比如,空间属性与空间图形通过“TSTYBM(图属统一编码)”建立一对一的关 联;每一个空间图形赋予“DKTYBM”(地块统一编码)和“DKLYBM”(地 块来源编码)属性字段,前者作为该地块的业务编码(按土地管理业务全要素地 块编码规则编制),后者注明生成该空间地块的所有父空间地块的业务编码。这 样在土地全生命周期管理体系中,既可以反映土地管理中某一类业务的运行情 况,又可以依规则演绎生成土地管理业务全要素信息本体。表结构设计规范如表 5-2 至表 5-6 所示。 表 5-2 空间属性表设置规范 Table 5-2 The setting rules of spatial attribute table 项目 名称 规则 备注 表 T.A 空间属性 业务模块拼音缩写_实体名拼音缩_SX 如:土地登记_宗地属性表 命名为 TDDJ_ZD_SX TSTYBM 变长 36 位字符,主键,系统自动生成或 手工录入或从 T.B 表获取 图属统一编码,供图属关联 以及本业务层内历史追溯 用 DKTYBM (XXX) 变长 19 位字符,非空字段。用户输入或 者通过一定规则自动生成,类似于宗地 统一编码,按土地管理业务全要素地块 编码规则编制 地块统一编码,是业务编 码,根据具体要素特性制定 可读性高的字段名,比如 ZDTYBM、GDBH 等 LIFECYCLE 整形,可空 -1 为临时,0 为现实,1 为 历史 字段 … … … 表 5-3 空间图形表设置规范 Table 5-3 The setting rules of space graphics table 项目 名称 规则 备注 表 T.B 空间图形 业务模块拼音缩写_实体名拼音缩写 如:土地登记_宗地空间表 命名为 TDDJ_ZD ObjectID 整型,主键 SDE 自增长 BSM 整型,全库唯一,不可空 标识码,供交换用 字段 TSTYBM 变长 36 位字符,不可空,系统自动生成, 在图属关联时维护 图属统一编码,供图属关联 以及本业务层内历史追溯 用 64 5 土地管理业务全要素信息系统领域模型的若干关键技术研究 DKTYBM (XXX) 变长 19 位字符,用户输入或者通过一定 规则自动生成,类似于宗地统一编码, 按土地管理业务全要素地块编码规则编 制。 地块统一编码,是业务编 码,根据具体要素特性制定 可读性高的字段名,比如 ZDTYBM、GDBH 等 DKLYBM 记录该空间图形父业务地块的 DKTYBM, 两个以上(含两个)的用逗号隔开 记录关联地块编码 CSBSM 产生标识码,记录历史 XWBSM 消亡标识码,记录历史 … … … 表 5-4 空间属性子表设置规范 Table 5-4 The setting rules of spatial attribute sub-table 项目 名称 规则 备注 表 T.C 空间属性子表 业务模块拼音缩写_实体名拼音缩写_ 实体名拼音缩写 如土地登记_房屋_房产证 表命名为 TDDJ_FW_FCZ IDBH 变长 36 位字符,主键 记录编码 TSTYBM 变长 36 位字符,外键 字段 … … … 表 5-5 业务属性表设置规范 Table 5-5 The setting rules of business attribute table 项目 名称 规则 备注 表 T.D 业务属性 业务模块拼音缩写_实体名拼音缩 写 如土地登记_收件单 TDDJ_SJD SLBH 变长 36 位字符,主键 受理编号 TSTYBM 变长 36 位字符,外键 DKTYBM (XXX) 变长 19 位字符,用户输入或者通 过一定规则自动生成,类似于宗地 的统一编码 地块统一编码,是业务编码,根 据具体要素特性制定可读性高的 字段名,比如 ZDTYBM、GDBH 等 字段 … … … 表 5-6 业务属性子表设置规范 Table 5-6 The setting rules of business attribute sub-table 项目 名称 规则 备注 表 T.E 业务属性子表 业务模块拼音缩写_实体名拼音缩写_ 实体名拼音缩写 土地登记_收件单_收费 TDDJ_SJD_SF IDBH 变长 36 位字符,主键 记录编码 SLBH 变长 36 位字符,外键 受理编号 字段 … … … 具体的,在数据处理过程中,空间属性表 T.A 与空间图形表 T.B 通过 “TSTYBM”字段建立一对一的关联,无论谁先存在,另外一个应直接获取编码 或更新对应,其中 T.B 表里面“TSTYBM”字段不允许为空;空间地块入库的时 候,通过“TSTYBM”属性判断空间属性表 T.A 是否存在,如无,生成空间属 性表;如有,则通过空间属性表 T.A 得到“TSTYBM”的值,回填空间图形表 T.B;“DKTYBM”是业务编码,按照基于宗地统一代码编制规则的土地管理业 务全要素地块代码编制规则编制;业务属性表 T.D,在业务流程的某个环节,输 65 博士学位论文 入“DKTYBM”后,得到空间属性表 T.A 的“TSTYBM”,建立与空间数据的 关联。此外,作为业务编码,“DKTYBM”也可以根据具体业务要素特性用可 读性高的字段名进行代替,比如 ZDTYBM、GDBH 等,这里用“XXX”代替该 字段。空间图形、空间属性、业务属性等数据表的关系如图 5-7 所示。 图 5-7 空间图形、空间属性、业务属性数据表关系图 Figure 5-7 The data table relationships of space graphics, space properties and business properties 5.3.2 土地管理业务全要素信息演绎机制 土地时空变化过程是一种离散型的时空变化过程,如地块土地权属变化、土 地利用地类变迁等。在土地业务全要素生命周期管理模型和土地管理业务全要素 地块编码体系的基础上,对区域内每一地块以业务类型(宗地编码除外)进行统 一代码编制,并建立相应的档案,确保每个地块拥有唯一的身份证。依土地业务 规则建立土地管理业务全要素信息系统中业务地块信息间的关联关系如图 5-8所 示。在此基础上,可以分析土地管理业务全要素地块信息在土地生命周期管理模 型中的体现以及对土地管理协同办公的支撑作用。土地管理业务全要素信息系统 中的土地地块信息(假定为同一地籍子区的地块)演绎模型如图 5-9 所示。 图 5-8 土地生命周期中业务地块信息间的关联关系 Figure 5-8 The association relationship between the business parcel information in land lifecycle 66 5 土地管理业务全要素信息系统领域模型的若干关键技术研究 图 5-9 土地管理业务全要素信息系统中的土地信息演绎机制 Figure 5-9 The land information deductive mechanism in land full feature information system 可以看出,地块在不同的阶段由不同事件驱动可能被分割、合并,由于事先 基于土地业务全要素管理的语义规则设置了地块演绎的关联信息,因此,根据各 个地块唯一的“身份证”信息,可以按“户口簿”方式对地块之间的关系进行判 别,模型如图 5-9 所示:建设用地报批阶段的编号是 0P0001 和 0P0002,土地征 收阶段继承其相应信息,编号分别为 0Z0001 和 0Z0002,储备时 0Z0001 号地块 进行了分割,对应的土地储备阶段的地块编号为 0C0001、0C0002、0C0003,进 行交易时 0C0002 和 0C0003 号地块一起挂牌,地块 0C0002 和 0C0003 被合并成 了 0S0002,在宗地变更时,地块 OG0002 又被分割,变成了 GB0002 和 GB0003, 以此类推,保证了地块在各个生命周期环节变化过程中的“亲属”关系。 5.4 本章小结(Summary) 本章主要对土地管理业务全要素信息系统关键领域模型中涉及的土地生命 周期管理模式、业务地块编码、土地管理业务全要素地块信息演绎等关键技术进 行了分析。首先,在多层本体共享模型的基础上,构建了基于事件语义的土地业 务全要素生命周期管理模型,是土地全要素、全过程管理信息系统数据组织管理 的基础;接着,在分析土地管理业务全要素地块代码编制规则的基础上,制定了 土地管理业务全要素地块编码规则,为土地业务全要素管理下的每一地块赋予一 个“身份证”;通过设置数据表设计规范,建立业务地块信息在统一语义范畴下 的演绎机制,建立了土地业务全要素管理下业务地块的“户口簿”,为土地管理 业务全要素信息系统的实现奠定了技术基础。 67 博士学位论文 6 基于关键领域模型的土地管理业务全要素数据中心 建设 6 Construction of land management business full feature data center based on key domain model 土地管理业务全要素信息系统是以土地管理业务全要素集成为目标的多用 途土地信息系统,涵盖了土地业务全要素管理所需要的大量数据成果及业务资 料,因此,数据中心建设是土地管理业务全要素信息系统建设的关键环节。土地 管理业务全要素信息系统数据中心是计算、存储和应用的统一体。本章在前面章 节建立的土地管理业务全要素信息系统关键领域模型的基础上,拟以徐州市为 例,对土地管理业务全要素信息系统数据中心的建设进行分析。具体的,首先从 土地管理业务全要素信息系统数据关联、要素分层与编码、信息共享可用性三个 方面展开分析,构建土地管理业务全要素信息系统数据框架体系,接着分析土地 管理业务全要素信息系统数据建库技术框架,最后对土地管理业务全要素信息系 统数据中心的逻辑拓扑结构进行分析,并对数据中心数据管理平台的功能结构进 行设计。 6.1 土地管理业务全要素信息系统数据框架(Data framework of land management business full feature information system) 6.1.1 土地管理业务全要素信息系统数据关联分析 土地管理业务全要素信息系统数据关联分析涉及土地管理业务全要素信息 系统领域内的业务处理模型、相关数据模型及业务应用系统。土地管理业务全 要素信息系统业务处理模式包含以 GIS 数据处理为核心的 C/S 设计模式(如业务 型 GIS 系统、数据处理系统等)及以流程审批为核心的 B/S 设计模式(如地政业 务审批系统等);数据库包含基础地理数据库(含基础地理空间库和影像数据库 等)、土地数据库(土地利用规划数据库、基本农田数据库、地籍数据库、勘测 定界数据库、土地征收数据库、土地储备数据库、土地供应数据库、地价数据 库、土地市场交易数据库、土地执法监察数据库、土地整理开发复垦项目数据 库等)等;业务应用系统涵盖地籍信息系统、土地利用规划管理信息系统、建设 用地审批系统等。 土地业务全要素管理以土地利用规划、计划为指导,以建设用地审批为主 线,涉及土地的批、供、用、补、查、登全过程。土地管理业务全要素信息系 统从体系结构上分为 C/S 和 B/S 两种。前者侧重于功能,主要用于对业务空间数 据信息的处理、统计、分析;后者侧重于流程,主要用于政务信息的网上流 转、审批办理以及信息的对外发布。两种模式各有侧重,虽处理方法不同,但 68 6 基于关键领域模型的土地全要素数据中心建设 构建数据中心时要统筹规划,即数据的更新在系统的表现接口上都需要实时体 现。土地管理业务处理体系结构如图 6-1所示,业务申请由电子政务窗口统一受 理,在工作流引擎驱动下,通过挂接智能表单按角色、人员权限配置进行任务 分发和流转;当需要利用业务型 GIS 系统对 GIS 数据进行处理时,调用相应业 务型 GIS 处理系统;数据处理完毕,通过共享接口实现表单回填,在工作流引 擎驱动下继续业务流程,直至业务办结;同时,实现电子、实物档案归档。 GIS C/S B/S 业务型GIS系统(C/S) 基本农田保护系统 土地收储管理系统 土地勘测定界系统 土地利用管理系统 土地征收管理系统 数据处理系统 …… 业务受理 业务办理 是否需要GIS支持 是否已办结 电子、实物 档案归档 窗口发件 档案管理系统 数据库共享 是 否 否 图 6-1 土地全要素管理业务处理体系结构 Figure 6-1 The b anagement 一 业务 数据 usiness processing architecture of land full feature m 般的,土地基础数据数据量大、更新周期长、保密性要求较高;土地 数据量小、更新频率较快、安全性要求较高。针对这两部分数据,为了便于 管理和支撑各类应用,提高系统响应效率,土地基础数据和土地业务数据应分离 存储。土地调查评价和土地规划类基础数据作为业务型 GIS 系统运行的数据基 础;业务型 GIS 系统采集得到的专题数据直接支撑政务管理信息系统运行,并 通过社会服务信息化接口将需要公开的数据信息提供给社会用户;政务管理信 息系统与社会服务信息系统之间具有互动关系,政务管理信息系统为社会服务 信息系统提供后台数据支撑,社会服务信息系统为政务管理信息系统提供信息 公开门户,同时也是社会对土地管理工作监督的渠道之一。土地管理业务全要 素信息系统数据中心中土地相关数据间的协同关系如图 6-2 所示。 69 博士学位论文 信息 共享 社会服务 公开信息 网站 信息服务数 据库 专题系统数据库 数据处理平台 录入系统 专题系统 空间信息 属性信息 电子政务管 理系统 电子政务数 据库 业务办公 政务平台 政务属性信息 土地基础数据 管理系统 录入 系 统 土地基础数据 应用 专题信息系统 专题应用 土地基础数据 库 数据处理平台 土地基础数据 空间信息 属性信 息 信息 共享 图 6-2 土地管理业务全要素信息系统数据间的协同关系 Figure 6-2 The collaborative relationship between the land full feature information system data 随着时间的推移,与地块相关的地政信息在不断的发展和变化,并且在时间 序列上具有较强的因果关系。土地管理业务全要素信息系统数据中心构建的一个 关键问题是对各主题数据库的统筹规划,保证各主题数据库间的信息共享,使各 主题数据库信息在土地全生命周期上形成一个闭环逻辑,使数据流在空间上保持 继承、扩展等关联关系。具体的,以徐州市土地业务全要素管理为例,各个专题 业务活动均以土地规划为指导蓝本,对土地用途进行总体调控;土地勘测(测绘) 部门根据耕地保护处、储备中心、土地市场交易中心、土地利用管理处、监察支 队的需求,进行地块勘测定界,定界完成后,提交勘测定界成果给相应科室;勘 测定界成果分为征收、市场、储备、违法用地监察、供地等不同用途。其中,土 地征收地块的数据流向可能是储备中心、市场中心或土地利用处,即储备中心利 用该空间数据进行储备、市场中心利用该空间数据进行交易、或由利用处直接供 地;土地储备地块的空间数据流向可以是市场中心和利用处,及土地市场中心进 行交易、土地利用处供地;土地市场交易地块的数据流向为土地利用处,即土地 利用处进行供地。地块供地完成后,其空间数据可用来变更地籍数据、土地利用 现状数据和基础地理数据;涉及规划调整的,还要调整规划;涉及基本农田变化 的,需要调整基本农田信息。日常的土地利用活动,如土地开发复垦整理、生态 环境建设等,导致土地用途发生变化的,也需要对地籍数据、土地利用现状数据、 70 6 基于关键领域模型的土地全要素数据中心建设 基础地理数据、规划数据、基本农田数据进行相应的更新和调整。土地业务数据 流结构如图 6-3 所示。 图 6-3 土地业务数据流图 Figure 6-3 Data flow chart of the land business 在整体规划土地管理业务全要素信息系统数据中心所涉及的数据时,根据 土地管理活动的实际情况,尽可能考虑土地管理业务的交叉,做到在多个业务 系统中需要的同一数据项只出现一次,最大程度实现数据共享,对数据量少而 业务相关性又比较强的若干个业务系统尽可能规划到同一数据库中,避免建设 的数据库多而杂,以减少数据库间的重复访问。土地管理业务全要素信息系统 数据库框架的构建要按照统一的分类代码、统一的设计规范、统一的数据结构、 统一的数据格式等要求进行,整合各类数据,分层叠加各类土地基础数据和土 地业务数据,并建立数据快速索引目录,以便于快速检索。土地管理业务全要 素信息系统数据库设计应依照部、省相关规定,对土地管理数据进行统一编 码,包括土地基础数据、专题业务数据、政务信息数据及社会信息服务数据四 大方面,各类又有一个或若干个子数据库组成。每个数据库(包括四大类数据 库、各子类数据库以及同一数据库的不同数据层)除支持本系统运行外,需要将 共享信息进行规范,以支持其他系统运行。这样,既保证了系统的相对独立, 又保持系统相互衔接,最大限度实现数据共享,实现数据优化组合。数据库框 架结构见图 6-4 所示。 71 博士学位论文 共享 信息 业务系统 专题业务数据库 地政数据库 综合 数据库 ….. 基础地理数据库 DLG 数据库 影像 数据库 DEM 数据库 政务审批、监管 数据库 信息服务数据库 土地全要素信息数据库 共享 信息 基础地理信息系统 共享 信息 政务系统 网站 图 6-4 土地管理业务全要素信息系统数据库框架结构 Figure 6-4 The database framework structure of land full feature information system 6.1.2 土地管理业务全要素信息分类编码 一般的,土地管理业务全要素信息数据库中的基础地理数据主要分为基础 定位、水系层、居民地及设施、交通、管线、境界与政区、地貌、植被与土质 等;土地管理数据包含调查评价类数据、规划类数据、管理类数据和综合研究 类数据等。以徐州市为例,其结合现阶段及未来一段时期内对 1:500、1:1000、 1:2000 基础地理信息数字成果生产的需求,并考虑数字城市、数字区域对大比 例尺基础地理信息成果的要求,对基础地理信息要素分类和代码进行了扩充,采 用线分类法,根据分类编码通用原则,要素分类代码由 8 位数字码组成,如图 6-5 所示。 图 6-5 徐州市基础地理要素分类编码 Figure 6-5 The classification and coding of basic geographic features in Xuzhou 其中,左起第一位为大类码,按照国家标准《基础地理信息要素分类与代 码》(GB/T13923-2006)的大类码,取值范围为 1-9,分别代表 9 个大类,其中 72 6 基于关键领域模型的土地全要素数据中心建设 第 9 类目前暂未使用,今后可作为辅助层;左起第二位为中类码,是在大类码 的基础上细分的二级要素分类,取值范围为 0-9;左起第三、四位为小类码,在 中类基础上细分形成的三级要素分类,分别用两位数字顺序排列,取值范围为 00-99;左起第五、六位为子类码,是小类码进一步的细分,取值范围为 0-9;左 起第七位为扩展码,为子类码进一步的细分,取值范围为 0-9;左起第八位是图 形码,图形码的主要类型见下表所示。 表 6-1 图形码代码表 Table 6-1 The coding table of the graphics code 代码 图形类型 0 简单点 1 有向点 2 在房屋内依比例尺表示的点符号 3 线 4 有向线 5 中心线 6 辅助线 7 面 8 点注记 9 线注记 在土地管理业务全要素信息系统建设过程中,为实现基础测绘与土地空间 要素的一体化管理,根据分类编码通用原则,将土地管理业务全要素信息数据 库数据要素依次按大类、小类、一级类、二级类、三级类和四级类划分,要素 代码采用十位数字层次码组成,其结构如下: 图 6-6 土地管理业务全要素信息分类编码规则 Figure 6-6 The classification and coding rules of land management business full features 上图中,大类码为专业代码,设定为二位数字码。其中:基础地理专业为 10,土地信息专业为 20。小类码为业务代码,设定为二位数字码,空位以 0 补 齐。一至三级类码为要素分类代码,其中:一级类码为二位数字码、二级类码 为二位数字码、三级类码为一位数字码、四级类码为一位数字码。基础地理要 素的小类码、一级类码、二级类码共 6 位引用《基础地理信息要素分类与代码》 (GB/T 13923-2006)中的代码。各要素类中如含有“其他”类,则该类代码直 73 博士学位论文 接设为“9”或“99”。扩展一位三级类码,基础地理要素的四级类码为图形 码。 这种编码具有以下特点: (1)采用混合法,大类采用面分类法,小类以下采用线分类法,编码科 学; (2)土地管理业务全要素信息系统中的基础地理要素代码与《基础地理信 息要素分类与代码》(GB/T 13923-2006)和《城镇地籍数据标准》(TD/T1015 —2007)兼容,既适合“数字城市”建设的需求,又适合“数字国土”建设的需 求; (3)土地管理业务全要素信息系统中的基础地理要素代码采用 10 位编码, 最后两位为扩展码位,为地方进行扩展预留了码位; (4)将土地要素和基础地理要素纳入到国土资源“一张图”地理空间框架 下,为实现测绘成果和土地信息的要素一体化管理提供了编码基础。 土地管理业务全要素信息系统中的要素分类编码如表 6-2 所示。 表 6-2 土地管理业务全要素信息系统中的要素分类编码 Table 6-2 The classification and coding of land management business full feature information system 大类名称 大类代码 小类名称 小类代码 定位基础 10 水系 20 居民地及设施 30 交通 40 管线 50 境界与行政区 60 地貌 70 基础地理 要素 10 植被与土质 80 土地利用要素 01 土地利用遥感监测(栅格数据) 02 土地利用规划 03 土地开发整理规划要素 04 基本农田要素 05 土地权属要素 06 农用地分等要素 07 供地要素 28 地价要素 29 土地市场交易要素 30 土地储备管理要素 31 土地征收要素 32 违法用地要素 33 土地勘测界定要素 34 土地信息 要素 20 其他要素 99 74 6 基于关键领域模型的土地全要素数据中心建设 在此基础上,土地管理业务全要素信息系统中的数据库要素分层与编码如 表 6-3 所示: 表 6-3 土地管理业务全要素信息系统中的数据库要素分层与编码表 Table 6-3 The layering and coding table of the database features in land management business full feature information system 序号 层名 层名称 几何特征 属性表名 要素层代码 测量控制点 Point JCDL_CLKZD 1011000000 DOM 纠正控制点 Point JCDL_JZKZD 1012000000 1 定位基础 测量控制点注记 Annotation JCDL_CLKZD_ZJ 1019000000 2 … … … … … 地类图斑 Polygon TDLY_DLTB 2001010100 线状地物 Line TDLY_XZDW 2001020100 零星地物 Point TDLY_LXDW 2001030100 地类界线 Line TDLY_DLJX 2001040100 3 土地利用 特殊地类界线 Line TDLY_TSDLJX 2001040200 宗地 Polygon TDQS_ZD 2006010100 界址线 Line TDQS_ZD_JZX 2006020100 界址点 Point TDQS_ZD_JZD 2006030100 所有权 Polygon TDQS_SYQ 2006040100 所有权界线 Line TDQS_SYQ_JZX 2006050100 所有权界拐点 Point TDQS_SYQ_JZD 2006060100 地下空间宗地 Polygon TDQS_DXKJZD 2006070100 地下空间界址线 Line TDQS_DXKJZD_JZX 2006080100 地下空间界址点 Point TDQS_DXKJZD_JZD 2006090100 空中交叉宗地 Polygon TDQS_KZJCZD 2006100100 空中交叉界址线 Line TDQS_KZJCZD_JZX 2006110100 空中交叉界址点 Point TDQS_KZJCZD_JZD 2006120100 查封冻结层 Polygon TDQS_CFDJC 2006150100 抵押层 Polygon TDQS_DYC 2006160100 4 土地权属 超占层 Polygon TDQS_CZC 2006140100 面状旅游资源 Polygon LYGH_MZLY 2003011100 线状旅游资源 Line LYGH_XZLY 2003011200 点状旅游资源 Point LYGH_DZLY 2003011300 面状基础设施 Polygon LYGH_MZJC 2003011400 线状基础设施 Line LYGH_ XZJC 2003011500 点状基础设施 Point LYGH_DZJC 2003011600 主要矿产储藏区 Polygon LYGH_ZYKCCC 2003010400 蓄洪、滞洪区 Polygon LYGH_XHZH 2003010500 地质灾害易发区 Polygon LYGH_DZZH 2003010600 土地用途分区 Polygon LYGH_YTFQ 2003010100 生态环境建设 Polygon LYGH_STHJ 2003010700 面状重点建设项目 Polygon LYGH_MZXM 2003010800 线状重点建设项目 Line LYGH_XZXM 2003010900 点状重点建设项目 Point LYGH_DZXM 2003011000 基本农田保护区规划 Polygon LYGH_BHGH 2003010200 5 土地利用 规划 一般农田区 Polygon LYGH_YBNT 2003010300 6 供地要素 供地层 Polygon JSYD_TDGD 2008010100 综合基准地价层 Polygon DJ_ZHJZDJ 2009010100 7 地价要素 住宅基准地价层 Polygon DJ_ZZJZDJ 2009010200 75 博士学位论文 76 商业基准地价层 Polygon DJ_SYJZDJ 2009010300 工业基准地价层 Polygon DJ_GYJZDJ 2009010400 实际发生地价样点 Point DJ_FSYD 2009010500 地价动态监测点 Point DJ_JCD 2009010600 实际交易层 Polygon JY_SJJY 2010010100 8 土地市场 计划交易层 Polygon JY_JHJY 2010010200 实际储备层 Polygon CB_SJCB 2011010100 9 土地储备 计划储备层 Polygon CB_JHCB 2011010200 10 土地征用 土地征收层 Polygon ZS_TDZS 2012010100 11 土地监察 违法用地项目 Polygon JSYD_WFXM 2013010100 12 勘测界定 勘测宗地 Polygon KCDJ_KCZD 2014010100 13 其他 … … … … 6.1.3 土地管理业务全要素信息共享可用性分析 土地管理业务全要素信息共享可用性如表 6-4 所示。 具体涉及到的数据库如表 6-5 所示: 表 6-5 土地相关数据库及其对应的信息系统 Table 6-5 Land database and its corresponding system 序号 数据库名称 数据类型 对应子系统 1 土地利用现状数据库 基础数据 城乡一体化地籍子系统 2 地籍数据库 基础数据 城乡一体化地籍子系统 3 基础地理数据库 基础数据 城乡一体化地籍子系统 4 遥感、航测影像数据库 基础数据 城乡一体化地籍子系统 5 规划数据库(土地利用规划及各专项规划) 基础数据 土地规划管理子系统 6 基本农田数据库 基础数据 基本农田保护子系统 7 基准地价数据库 基础数据 地价管理子系统 8 土地开发复垦整理项目数据库 业务数据 土地开发复垦整理项目 管理子系统 9 建设用地报批数据库 业务数据 建设用地报批子系统 10 土地征收数据库 业务数据 土地征收管理子系统 11 土地储备数据库 业务数据 土地储备管理子系统 12 土地供应数据库 业务数据 土地供应管理子系统 13 土地市场交易数据库 业务数据 土地市场交易子系统 14 土地执法监察数据库 业务数据 土地执法监察子系统 6 基于关键领域模型的土地全要素数据中心建设 表 6-4 土地管理业务全要素信息共享可用性分析表 Table 6-4 The analysis table of the land management business full feature information sharing and usability 基础数据库 专题业务数据库 土地信息相关要素 土地利用 土地权属 土地利用规划 基本农田 建设用地报批 土地征收 土地储备 土地市场 土地供应 土地登记 基础地理要素 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 行政区要素 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 影像数据 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 土地利用要素 √ √ √ 土地权属要素 √ √ √ √ √ √ √ √ 土地利用规划要素 √ √ 土地利用规划实施要素 √ √ 基本农田保护区片块图斑 √ √ 基本农田界桩点 √ √ 基本农田保护界线 √ √ 建设用地报批要素 √ 土地征收要素 √ 实际储备要素 √ 计划储备要素 √ 实际交易要素 √ 计划交易要素 √ 土地供应要素 √ 77 博士学位论文 6.2 土地管理业务全要素信息系统数据库建设(Data engineering in land management business full feature information system) 6.2.1 数据建库技术框架 土地管理业务全要素信息系统数据库建设需要从总体上统一技术框架和总 体流程,以规范数据工程建设成果和技术体系。数据建库过程中的数据处理主要 包括数据采集、数据清理、数据整合三种方式。其总体技术框架见下图所示: 图 6-7 土地管理业务全要素信息系统数据建库总体技术框架 Figure 6-7 The overall technical framework for the data engineering in land full feature information system (1)数据采集 数据采集主要针对尚未建立关系数据库的业务。这些业务中,如果存在电子 文档的,将电子文档按照土地管理业务全要素信息系统数据标准进行数据转换, 然后导入到数据中心数据库中;如果尚未进行计算机管理,只有纸质材料的,根 据提供的业务资料或业务档案进行人工录入或数字化。数据采集可开发专门的数 据录入工具,数据录入工具可以进行部分数据管理功能,也可作为日后数据管理 系统的一部分进行开发,待建库项目完成后逐步整合到数据管理系统中。 (2)数据清理 数据清理是土地管理业务全要素信息系统数据库建设中比较繁杂的工作。不 同的业务类型,数据的清理方法、清理规则等都不相同。数据清理时,根据现有 数据质量情况,尽可能开发专门的数据清理工具进行自动清理;对于不能进行自 动清理的数据,须进行人工清理,必要时进行现场调查,以保证数据的准确性和 现势性。 (3)数据整合 数据整合前,首先按要求对需要整合的数据分别进行清理,保证整合前数据 的完整性和一致性,再根据整合规则进行统一整合。数据整合时要考虑业务数据 78 6 基于关键领域模型的土地全要素数据中心建设 之间的关联关系,确定清理整合的优先级,制定数据整合的技术规程,包括整合 内容、整合流程、成果检查与评价等内容。土地管理业务全要素信息系统数据整 合的一个重点就是依据土地管理业务全要素地块编码体系按照业务类型对地块 进行业务编码的赋值,再通过计算机辅助的方式对每一地块的“DKLYBM”(地 块来源编码)进行赋值,以构建土地业务全要素生命周期管理树,进而与业务审 批流程建立关联关系。 (4)数据工程相关数据标准 为确保土地管理业务全要素信息系统数据库与系统各功能模块之间的数据 分类、编码及数据文件命名的系统性和唯一性,满足系统正常高效运行以与各子 系统协同运作的要求,在数据工程建设中,除参考目前相关国标、行标外,还需 要遵循土地管理业务全要素信息系统关键领域模型中的相关技术指标,如本文所 建立的土地管理业务全要素地块编码规则、土地管理业务全要素信息分类与编码 规范、土地管理业务全要素信息数据表设计规范等。 (5)数据工程数据项目管理 土地管理业务全要素信息系统数据建库不同于信息系统开发,由于数据建设 需要涉及外业调查等工作、且数据成果将作为土地管理的工作基础,为辅助决策 服务,所以必须严格执行相关质量检测、加强数据工程项目管理,成立项目组, 并建立成果审核验收制度,确保数据工程进度和质量稳步推进。 以上几种建库数据处理模式中,都需要将工作结果存放到相应的临时工作库 中,按照项目管理相关规定,对数据分别进行审核,通过审核后的数据才能进入 正式数据库。 6.2.2 徐州市土地管理业务全要素数据库建设 在上述数据库建设技术框架下,以土地管理业务全要素信息分类编码及数据 表设计规范为指导,徐州市在已建成城乡一体化地籍数据库(含土地利用数据、 土地权属数据、基础地理数据及遥感、航测影像数据库)的基础上,于 2010 年 9 月至 2011 年 10 月开展了土地利用规划修编成果数据库、基本农田数据库、基 准地价数据库、开发复垦整理项目数据库(2001-2011 年度档案数据)、建设用 地报批数据库(2002-2011 年度数据,596 卷档案)、土地征收数据库(2003-2011 年度数据,1203 卷档案)、土地储备管理数据库(2001-2011 年度数据,197 卷 档案)、土地市场交易数据库(2005-2011 年度数据,540 卷档案)、土地供应 数据库(2003-2011年度数据,1824卷档案)和土地执法监察数据库(2005-2011 年度数据,229 卷档案)等的建设工作,涉及土地基础数据及“批、供、用、补、 查”等环节的业务数据,并参照土地管理业务全要素编码体系及土地管理业务全 要素信息系统数据表设计规则,在数据清理及数据整合过程中对建库数据结构进 79 博士学位论文 行了规范,加上原有数据库,共建立了 14 个数据库,为实现建设用地生命周期 全程管理及全要素信息系统奠定了坚实的数据基础。 6.3 土地管理业务全要素信息系统数据中心构建(Data center construction of land management business full feature information system) 6.3.1 土地管理业务全要素信息系统数据中心逻辑模型 目前,数据中心建设方面的研究主要倾向于计算机领域的认知,着重于防 电磁泄漏系统、通风系统、防火系统、防水系统、电力系统、门禁系统、布线 系统等的建设,而从土地信息系统领域数据分析和应用角度研究的较少。本节 从土地管理业务全要素信息集成的角度对以数据为中心的土地管理市级数据中 心逻辑模型进行分析。 以数据为中心构建土地管理业务全要素信息系统数据中心应遵循以下原 则:(1)将共享信息进行合并/联合;(2)集中对数据进行清理、去重和扩充; (3)将数据作为一项服务提供给使用这些数据的应用、业务流程和决策支持系 统。根据该原则构建的土地管理业务全要素信息系统数据中心逻辑模型如图 6-8 所示。 土地数 据库 数据 仓库 抽取、清理、 装载、刷新 数据管理 服务接口 服务接口 数据交换接口 省级数据中心 消息机制 县级数据中心 数据交换接口 消息机制 数据支撑 数据沉淀 数据支撑 数据沉淀 业 务 型 GIS 政 务 系 统 公 众 服 务 综 合 监 管 信息发布 数据支撑 数据中心框架 图 6-8 土地管理业务全要素信息系统数据中心逻辑模型 Figure 6-8 The logical model of the data center of land full feature information system 80 6 基于关键领域模型的土地全要素数据中心建设 图中数据管理部分实现市级数据建库和基础数据的日常管理,实现数据的 检查、数据编辑、数据查询、数据转换、图形操作、图形输出以及元数据、符 号库管理等功能,包括数据入库与更新、元数据管理、符号库管理等。数据中 心建立各级数据服务功能,也即建立 S0A 系统的服务提供者,比如数据交换服 务、元数据服务、数据共享服务、数据访问服务。同时,将服务和接口协议发 布到服务注册中心,以便服务使用者可以发现并访问这些服务,随时接受和执 行来自服务消费者的请求。服务的消费者可以是请求服务的应用、服务或者软 件模块,因此可以建立各级服务内部之间服务提供——消费关系,相互协助完 成某一项工作。数据交换接口实现与县级国土资源数据中心和省国土资源数据 中心的消息通信和数据交换业务,包括生成更新记录、更新消息生成与发送、 消息回执接受等功能。 6.3.2 徐州市土地管理业务全要素信息系统数据中心构建 在国土资源信息系统体系架构中,数据中心的建设是核心。依据土地管理 业务全要素信息系统数据中心逻辑模型,数据中心建设需要统筹规划,集成整合 各类土地数据,建设核心数据库与管理平台,实现数据的分层叠加显示、查询与 浏览、分析与挖掘,在此基础上支撑电子政务平台与综合监管平台的数据应用与 功能运行,支持土地全面、全程监管和辅助决策,提供对外服务。 根据土地管理业务全要素信息系统的建设需求,徐州市土地管理业务全要 素数据中心建设在合理利用原有设备的同时,按照功能定位的不同,将系统分 为主中心、容灾中心和网站中心三个部分(如图 6-9 所示)。其中,主中心作为 系统的核心,根据功能的不同分为三个区域,分别为:核心数据区、核心应用 区和系统管理区。核心数据区作为核心数据处理的区域,由两台高性能 Unix 小 型机、一套大容量 IP SAN存储设备以及一台 IBM 光纤存储设备构成,两台主机 分别承担不同的服务功能,并构成互为备份的双机集群系统,同时包含若干台 PC 服务器作为数据分析使用;核心应用区部署核心应用系统,通过应用服务器 操作系统自带的负载均衡集群功能,构建负载均衡的应用系统。系统管理区主 要作为系统管理、安全管理等辅助功能。 81 博士学位论文 图 6-9 数据中心系统架构逻辑拓扑示意图 Figure 6-9 The logical topology diagram of the data center system architecture 在数据处理区中,Oracle 数据库服务器采用高可用性集群技术对外提供数据 库服务;在核心应用区,两台安装了中间件软件的应用服务器对外提供基于 Web 界面的应用程序,应用服务器采用负载均衡的方式提供可靠性;两台安装了 GIS 空间数据引擎的应用服务器对外提供 GIS 应用。所有的数据处理交给了数据处理 区的两台小型机(小型机 A 和小型机 B 之间做负载均衡+热备),同时由容灾中 心的小型机 C 和磁盘柜 C 协同完成实时同步/异步对数据处理区的数据库备份和 数据备份。 为实现土地管理业务全要素数据的高效管理和灵活的应用服务,需要开发土 地管理业务全要素信息系统“数据中心”数据管理平台,采取 Oracle+ArcGIS 模 式进行数据管理。数据库管理平台的结构如下图: 82 6 基于关键领域模型的土地全要素数据中心建设 图 6-10 数据中心管理平台结构图 Figure 6-10 The structure diagram of data center management platform 上图中,数据库管理平台总体结构为“两纵四横”,即在全要素数据更新管 理机制以及数据库相关技术规范标准的支撑下对平台涉及的基础设施层、数据 层、管理维护层和应用服务层进行建设。 (1)基础设施层 基础设施层为土地管理业务全要素信息系统数据中心数据库管理平台提供 软硬件支撑环境。 (2)数据层 数据层汇集了经过 ETL、WebService、数据调用接口等方式整合集成而成的 土地管理业务全要素信息系统相关的基础数据、成果数据、专题数据、业务审批 数据和外部共享数据。 (3)管理维护层 管理维护层包括数据管理维护模块、数据调整与变更模块、数据查询与统计 分析模块、系统维护管理模块等,通过这些模块的开发建设,从而完成土地管理 83 博士学位论文 84 业务全要素信息系统涉及的各类数据采集、数据整合、数据质量检查、数据编辑、 数据处理、数据入库、数据浏览、数据查询与统计分析、数据变更等操作。 (4)应用服务层 应用服务层是土地管理业务全要素信息系统数据库管理平台建设的重点,通 过专题地图瓦片服务模块、应用服务模块及服务配置管理模块可以提供以下服 务:一是为用户提供土地管理业务全要素信息的查询、浏览和可视化展现;二是 为地政业务审批过程提供数据服务;三是为实现土地全面全程监管提供数据支 撑,促进资源监管方式的创新。 6.4 本章小结(Summary) 本章从土地业务处理模式、土地管理业务全要素信息系统数据关联及系统 关联的角度深入剖析了土地管理业务全要素信息系统业务处理模式间的相互关 系,梳理土地管理业务全要素信息系统数据间的协同关系,对土地信息要素进行 了分类和编码,对其共享可用性进行了分析,给出了土地管理业务全要素信息系 统数据框架;以此指导土地管理业务全要素信息系统数据库建设,本着“信息协 同、业务协同、资源协同”的土地信息集成整合目标,给出了土地管理业务全 要素信息系统数据建库总体技术框架;对土地管理业务全要素信息系统数据中心 的逻辑拓扑进行规划,并对数据中心数据管理平台的功能结构进行设计,为土地 管理业务全要素信息系统的实现奠定了数据基础。 7 土地管理业务全要素信息系统原型实现 7 土地管理业务全要素信息系统原型实现 7 Implement of the prototype system of land full feature information system 土地业务全要素管理作为一种土地信息集成模式,它以地块为索引,通过地 块编码体系及地块信息演绎规则建立土地业务全要素生命周期管理树,并关联业 务流程审批数据,将“批、供、用、补、查、登”等业务环节的信息集成起来, 实现土地管理业务全要素全过程的跟踪管理。其实质是把土地业务无缝的衔接 起来,使各部门协同办公,保障其土地管理客体信息在空间和时间上的完整性 和延续性,实现土地要素一体化、业务一体化管理。本章以徐州市为例,拟从系 统需求分析、建设思路、技术框架、开发模式、业务模式等方面,基于土地管理 业务全要素信息系统关键领域模型,对其关键技术进行实践,构建土地管理业务 全要素信息系统原型系统。 7.1 建设背景(Background of the construction) 通过十余年的国土资源信息化建设,徐州市国土资源局在网络基础设施、 数据库和应用系统建设上有了相当的积累。基于“一张图”地理空间框架,建 立数据间及系统间的关联关系,实现信息化资源的整合和系统的集成、优化, 形成资源的合理配置和系统的整体联动,是当前土地信息化建设提高效能的迫 切需要。徐州市开展土地管理业务全要素信息系统的研究和建设,主要基于以下 背景: (1)需建立顶层框架,整合现有系统,发挥土地信息化的整体效益 由于缺乏顶层框架,没有从业务关联及全局整体角度考虑系统间的信息交流 与信息共享,使得本来具有内在联系的业务在信息系统实现时相互独立,同时, 由于缺乏统一的规划和标准,缺少切实可行的机制促进部门间的信息交流和信 息共享,使得系统难以整合,严重制约土地信息化整体效益的发挥。土地管理业 务全要素集成模式作为一种新型的土地信息集成整合模式,构建土地管理业务全 要素信息系统关键领域模型,可以有效指导土地信息化的框架设计。 (2)需完善业务处理模式,建立基于信息系统的数据库动态更新机制 土地数据间不能互相融通、逻辑关系不强的现状,不能满足“主信息流”体 系(即自上而下的调控信息流和自下而上的反馈信息流)的要求。为了使土地信 息化成果具有长久的生命力,保证数据的现势性和完备性,需对土地数据库进 行动态更新,基于日常业务处理实现对土地数据库的动态更新是一条有效的途 径。土地管理业务全要素信息系统通过土地管理业务全要素空间地块信息与政 务审批流程的一体化作业模式及土地业务全要素生命周期管理关联树的构建,建 85 博士学位论文 86 立了空间地块信息与业务审批信息关联的新的业务设计模式,提供了基于信息系 统的数据更新维护手段。 (3)需集成现有数据资源,完善土地统计分析功能 对于现有的信息资源,因为缺少交流与共享机制,信息资源利用的深度和广 度不够;因为缺少有效和统一的集成机制,很难对这些信息资源进行深度挖掘。 土地管理业务全要素信息系统的建设可以为上述问题的解决提供技术方案。 7.2 建设思路(Construction thinking) 土地管理业务全要素信息系统依托“金土工程”、国土资源“一张图”工程 建设中对数据整合、业务规范、系统联动的需求,在土地管理业务全要素信息系 统本体体系结构的框架下,从分析土地管理各业务模块间信息流关联出发,在土 地业务全要素生命周期管理模型、土地管理业务全要素地块代码编制规则、土地 管理业务全要素信息演绎机制等关键技术研究的基础上,利用多层本体共享模 型实现土地全业务要素的组织管理,基于土地管理业务全要素信息系统应用模型 进行土地管理业务全要素信息系统的构建,以实现国土资源的全面、全程信息化 监测监管。 具体的,系统基于以下思路建设:在国土资源“一张网”基础之上,基于 土地管理业务全要素信息系统关键领域模型构建系统总体技术框架,理顺各业务 之间的逻辑关系,建立有机统一的“一张图”;对内基于“一张图”和“一张 网”构建业务系统框架体系,在土地管理业务全要素信息系统关键领域模型参 照下,基于同一应用模型实现对应于各自业务的专业模块开发,以保证各系统 间数据协同,便于集成、整合,创新土地管理业务设计模式,利用土地业务全要 素生命周期管理模型等技术实现地理信息与电子政务审批系统的一体化办公,实 现空间与属性信息的综合查询与分析,同时,建立土地管理业务全要素信息系统 及业务驱动下基于信息系统的数据更新维护机制,使每一地块的“批、供、用、 补、查、登”的详细情况都能通过系统跟踪反馈;对外通过外部门户服务器实现 公众信息服务。 7.3 技术框架(Technical framework) 土地管理业务全要素信息系统总体技术框架如图 7-1 所示。土地管理业务全 要素信息系统以“一中心四平台”为主线,进行数据的统一规划和系统的统一构 架。 7 土地管理业务全要素信息系统原型实现 图 7-1 土地管理业务全要素信息系统总体技术框架 Figure 7-1 The general technical framework of land full feature information system 87 博士学位论文 (1)数据中心。土地管理业务全要素信息系统数据中心(见 6.4 节)是基 于统一的基础地理空间参考,按照土地管理业务全要素信息分类与编码要求,以 第二次全国土地调查成果为统一的数据本底,以土地管理业务全要素地块编码体 系为基础和抓手,整合、关联和分层叠加各类土地基础数据、业务数据等的土地 管理业务全要素数据体系。作为业务管理工作的重要数据基础支撑,土地管理业 务全要素数据中心支撑业务审批、监测监管和社会服务的各类数据集中汇交,按 照“谁生产谁负责”的原则及时进行数据更新,保持数据的现势性,充分反映资 源的数量、质量、分布、潜力及开发利用状况,为调控资源供应总量、结构、时 序提供依据。 (2)业务型 GIS 平台(含数据管理平台)。主要用于 GIS 数据的建库、编 辑、入库及数据清理、规整、统计分析等工作,该应用平台的权限设置要严格控 制,所有空间数据的调整、变更均应由具有操作权限的操作人员处理。 (3)电子政务应用平台。主要以信息融合促进业务融合的方式,整合建设 用地预审、建设用地审批、土地供应、土地登记等业务审批系统,形成标准化、 公开化、规范化、格式化的审批流程,建立“一站式”办公平台,实现图文一体 的办公模式。 (4)综合监管应用平台。主要以土地管理业务全要素核心数据库为基础, 集成整合土地管理的各类数据信息,通过图上比对核查、信息关联印证、数据综 合分析等,实现对土地管理行为、土地市场交易、土地开发利用等业务处理环节 的全程全覆盖实时动态监管以及土地资源形势的科学分析研判。对应的业务系统 有建设用地批后跟踪管理系统等。 (5)公共服务应用平台。主要体现为公共服务平台政务版和公共服务平台 公众版,是以土地管理业务全要素地理空间框架数据为核心,建立一个面向政府、 公众和行业用户的、开放式的信息服务平台,促进各类专业地理空间数据跨部门 应用,提高对政府部门和公众的服务水平。 此外,总体技术框架由内部框架和外部框架组成,相互之间物理隔离。内部 框架和外部框架均采用相同的三层体系结构,即后台数据库层、中间应用服务层 和前端应用表示层。 前端应用表示层,主要体现为“四平台”,即电子政务应用平台、综合监管 应用平台、公共服务应用平台和业务型 GIS 应用平台。其中,电子政务应用平台、 综合监管应用平台、公共服务应用平台主要采用 B/S 模式实现业务应用操作,前 端应用操作通过采用 HTTP 协议和中间服务层进行通信;业务型 GIS 应用平台由 于涉及 GIS 数据的处理,采用 C/S 模式的实现方式。客户端在发布时均带有自动 升级功能以方便系统部署。 88 7 土地管理业务全要素信息系统原型实现 中间应用服务层,主要体现为电子政务基础平台和 GIS 数据管理平台,是土 地管理业务全要素信息系统建设的重心。其中电子政务基础平台是 B/S 模式应用 系统的基础支撑体系,各种业务应用服务和前端业务交互综合起来构成逻辑意义 上的业务应用系统,当业务发生变化时,只需要根据需求调整相应的服务;GIS 管理平台主要提供 C/S 模式应用系统的核心框架及组件服务。 后台数据库层,主要体现为集中式管理的数据库群,主要包括土地业务数据 库、土地基础数据库、电子档案数据库等数据。 7.4 系统实现(Prototype implement) 7.4.1 系统开发模式 在土地管理业务全要素信息系统关键领域模型基础上,基于数据中心构建土 地管理业务全要素信息化体系框架。框架采用多层架构体系搭建,在数据层通过 构建土地管理业务全要素信息系统数据中心实现数据的存储与交换,在基础平台 层支撑下,基于土地管理业务全要素信息系统应用模型实现应用系统的搭建。其 中,电子政务系统、综合监管系统、公共服务系统基于电子政务基础平台搭建系 统(包括流程搭建、业务搭建、界面搭建、WebGIS 图形浏览等),然后通过扩 展各自的专业模型(业务逻辑组件)以 B/S 模式向用户展现;业务型 GIS 系统(含 数据处理模块)则采用可搭建式开发的软件框架实现各类 GIS 数据的处理和服务 功能,以 C/S 模式提供用户接口。土地管理业务全要素信息系统层次结构如图 7-2 所示。 图 7-2 土地管理业务全要素信息系统层次结构图 Figure 7-2 The hierarchy diagram of land full feature information system 89 博士学位论文 (1)基于电子政务基础平台的搭建式软件开发 电子政务系统、综合监管系统、公共服务系统采用搭建式开发,其搭建平台 即电子政务基础平台,含电子政务运行平台、电子政务构建平台和支撑数据库 三个部分。基于电子政务基础平台的搭建式软件开发如图 7-3 所示。电子政务运 行平台是政务管理信息系统和社会化服务系统的支撑环境,电子政务构建平台 用于直接构建政务管理信息系统。搭建式开发的核心思想是:利用电子政务构 建平台定制和维护各项业务应用,同时自动建立电子政务平台支撑数据库;通 过电子政务运行平台对支撑数据库中的元字典的解释和调用,形成国土资源业 务应用系统(如电子政务系统、综合监管系统、公共服务系统等)。 图 7-3 基于电子政务基础平台的搭建式软件开发 Figure 7-3 The combined software development based on the e-government basic platform 在土地管理业务全要素信息系统应用模型的基本类模板中,对电子政务基 础平台的核心框架进行描述,基于基本类模板,可以进行扩展生成相应的专业 模型,实现电子政务系统、综合监管系统及公共服务平台的搭建。基本类模板中 主要描述以下功能:工作流引擎、图形发布访问引擎(WEBGIS)、内容管理引 擎、统计分析引擎、电子邮件管理、信息全文检索、日程安排、通讯录管理、 即时通讯等,定义了各种外部接口,如通用信息发布接口、外网网站接口、移 动终端查询接口、远程信息提供接口以及服务发布接口等。 (2)基于 GIS 数据管理平台的搭建式开发 业务型 GIS 系统主要基于 GIS 数据管理平台进行搭建。基本类模板中描述 的 C/S 模式的 GIS 数据管理平台框架如图 7-4 所示: 90 7 土地管理业务全要素信息系统原型实现 图 7-4 用于 C/S 模式搭建式开发的软件框架 Figure 7-4 The software framework of the combined software development using for C/S mode 其中,界面管理器主要用于菜单、工具栏等管理,命令管理器用于命令集合 调度,消息调度器对消息映射进行处理,符号管理器用于符号的装载、保存、修 改、编辑管理,Undo/Redo 框架支持回退和重复操作,插件管理器用于管理外部 插件集合,ArcEngine 控件用于显示和管理数据实体,编辑器调度一组与编辑有 关的并有一定逻辑关系的命令集合。它们的逻辑关系如图 7-5 所示: 业务逻辑组件 插件管理器 当前命令 命令管理器 消息映射 Undo/Redo框架 ArcEngine控件 图 7-5 搭建系统各部分间逻辑关系 Figure 7-5 The logical relationship between the parts using for the combined software development 基于搭建式开发的软件框架,在土地管理业务全要素信息系统关键领域模 型描述领域内业务系统间关系的基础上,通过信息系统应用模型描述系统的共 性,系统开发者可以在已有知识基础(基本模型)上更加专注于特定领域(专业 模型)的知识构建,并且新系统可以利用所复用的知识与现存的其他系统进行交 互。这样,描述性的知识、问题解决方法以及推理服务都可在系统间实现共 享,从而可以方便地构建出更大、更好的知识库。同时在框架中提供足够多的 91 博士学位论文 反映领域可变性的扩展点,在此扩展点上搭建各种类型构件,创建新的应用系 统,来满足土地管理业务全要素信息系统领域内不同具体应用的特定需求。 7.4.2 业务处理模式 信息系统的业务处理模式一方面取决于信息技术的发展水平,另一方面也 依赖于具体的业务需求。从内部因素看,土地业务全要素管理的内容和形式决 定了土地信息系统应该是一个将 GIS 和办公自动化系统(OA)高度集成的综合 系统;从外部因素看,政府信息化的实施决定了土地信息系统应该既能和各级党 政信息网互联,又要面向社会提供 Internet 服务,为构建“电子政务”创造基本 条件。因此,地理信息与电子政务审批流程信息如何更好的协同作业,一直是土 地信息化工作的一个热点。 土地管理业务全要素信息系统通过对领域模型内土地业务全要素生命周期 管理模型的研究,提出了一套地理信息与电子政务系统一体化协同办公的业务处 理模式。即:“批、供、用、补、查、登”等多业务环节的数据关联首先体现到 空间地块的关联上,通过全要素地块统一编码建立空间地块的逻辑关联树;再由 每一业务地块通过受理号与某项业务流程实例建立关联,还可通过归档号与档案 库建立关联,实现业务流程信息、电子档案信息与空间地块的映射。地政业务数 据库表间关联树如图 7-6 所示,业务地块与电子政务审批流程间的对应关系如图 7-7 所示。 图 7-6 地政业务数据库表间关联树 Figure 7-6 The association tree between land business database tables 92 7 土地管理业务全要素信息系统原型实现 图 7-7 空间地块与电子政务审批流程间的对应关系 Figure 7-7 Corresponding relationship between the space parcel and the e-government business process 具体的,土地管理业务全要素信息系统数据库包括土地规划、基准地价、遥 感影像、基本农田、土地利用现状、基础地理、勘测定界、建设项目报批、土地 征收、土地储备、土地市场交易、土地供应、土地权属等数据子库。其中,依据 土地勘测定界数据服务业务的不同,在土地调查环节对土地勘测定界报告号进行 编码,同时依据土地管理业务全要素地块编码规则对该勘测地块进行预编码,作 为电子政务业务审批流程中涉及地理信息业务环节的工作过程库。土地勘测定界 报告号由 10 位数字码组成,如图 7-8 所示。 X XX X XX X X XXX 宗号 调查子区 调查区 区号 年度码 业务码 图 7-8 徐州市土地勘测定界报告号编码规则 Figure 7-8 The encoding rules of land survey report in Xuzhou 其中,左起第一位为业务码,取值范围为 1-7,分别代表 7 个业务类型, 其中 1-征用上报,2-储备,3-市场,4-供地,5-违法用地;第二、三位为年度, 用二位表示,从 01 年开始;第四位为区号,其中 1-鼓楼区,2-云龙区,3-泉山 93 博士学位论文 区,4-九里区,5-金山桥区,6-新城区;第五至八位为调查区号,分调查区和调 查子区,第九至十一位为宗号,采用顺序编码。 以国有土地使用权协议出让工作流程为例(如图 7-9 所示),在利用处经办 环节,调用土地勘测定界图层数据,其中对应的供地类数据作为业务流程过程审 批的空间数据载体,以受理号为关联字段与业务审批流程挂接;在建设用地批准 通知书下达后,利用“勘测定界_供地”数据更新“土地供应”专项数据层,并 建立两者关联,作为业务审批结果数据进入土地业务数据库,为后期业务办理环 节提供土地供应信息。 建立关联 更新业务库 图 7-9 地理信息与电子政务业务审批流程关联关系 Figure 7-9 The relationship between the geographic information and the e-government business process 同样,我们可以通过任一地块的图形统一编码或某项业务审批流程的受理号 构建土地业务全要素生命周期管理关联树。比如以 320301008006GB00030 宗地统 一代码为查询条件,所建立的土地业务全要素生命周期管理关联树如图 7-10 所 示。 94 7 土地管理业务全要素信息系统原型实现 图 7-10 以地块统一编码检索生成的土地业务全要素生命周期管理关联树 Figure 7-10 The retrieved relationship tree of land business full feature lifecycle by the land parcel unified coding 土地业务全要素生命周期管理关联树的节点信息由地块的“地块统一编码” 和业务审批流程的“受理号”组成。如,点击“3203010080060P00001”节点调 用的空间图形如图 7-11 所示,点击“20120202010127”节点调用的土地登记业 务审批信息如图 7-12 所示。 图 7-11 由土地生命周期关联树查询到的建设用地报批地块信息 Figure 7-11 The queried information about construction land through the relationship tree of land lifecycle 95 博士学位论文 图 7-12 由土地生命周期关联树查询到的土地登记业务过程信息 Figure 7-12 The queried information about the process of land registration business through the relationship tree of land lifecycle 7.4.3 原型系统实现 在土地管理业务全要素信息系统关键领域模型及其关键技术研究的基础上, 利用土地管理业务全要素信息系统集成模式对徐州市土地数据库及相关应用系 统进行集成、优化,构建原型系统,初步实现了土地业务全要素管理的土地信息 集成模式。徐州市土地管理业务全要素信息系统是以 GIS 技术、安全控制、智能 表单及工作流为核心,是一套面向土地业务全要素管理的、由一系列相关专业 软件产品或模块组成的、整体性的信息化解决方案。 其中,业务型 GIS 应用系统共用相同的核心框架(如图 7-13 所示),分别 从数据生产、数据管理、数据应用三个方面分工协作,将土地业务地块信息按 照土地业务全要素生命周期管理模型进行了集成、整合,可以检索出一宗登记地 块从土地征收、土地储备、土地市场交易、土地供应、土地市场出让到土地登记 的全部业务过程信息及空间信息(如图 7-14 所示),了解这一地块的整个土地 管理活动的发生情况,为当前的土地管理活动提供决策依据,进行全过程全要素 的精细化管理;此外,系统通过其提供的模块搭建及二次开发功能,终端用户还 可搭建出满足多样特殊需求的各类专项应用模块。 电子政务系统、综合监管系统、公共服务系统结合 RIA、AJAX、关系数据 库等技术,不仅部署管理方便,而且在人机交互性、系统易用性、响应速度、 处理效率上与传统 C/S 架构系统相当,解决了以往 B/S 系统存在的诸多限制;通 过地理信息与地政业务审批一体化的业务处理模式,在业务审批过程中可以实时 了解业务地块的空间位置及相关信息(如图 7-15 所示),实现了土地管理业务 “以图管地”的要求,可为土地资源的精细化管理提供技术支持。 96 7 土地管理业务全要素信息系统原型实现 图 7-13 徐州市土地管理业务全要素信息系统界面 Figure 7-13 The system interface of land management business full feature system in Xuzhou 图 7-14 土地全过程全要素精细化管理模式 Figure 7-14 The fine management mode based on land full feature management system 97 博士学位论文 图 7-15 基于土地管理业务全要素信息的政务办公系统 Figure 7-15 The e-government systems based on land management business full feature information in Xuzhou 7.5 本章小结(Summary) 本章在对徐州市土地管理业务全要素信息系统需求分析的基础上,提出了系 统的建设思路,给出了系统建设的总体技术框架,分别从开发模式设计、业务模 式设计及原型系统实现等方面对土地管理业务全要素信息系统关键领域模型在 土地管理业务全要素信息系统构建中的应用进行了实践。构建的土地管理业务 全要素信息原型系统覆盖土地勘测定界、建设用地报批、土地征收、土地储 备、土地市场交易、土地供应、批后监管、执法监察等业务环节,参照宗地代 码编制规则,制定了“批、供、用、补、查”相关地块的全要素地块编码体 系,利用土地管理业务全要素生命周期演绎模型,实现了建设用地生命周期全 程管理,可为土地资源的精细化管理提供了技术支撑;同时,提出的业务处理模 式,将空间地块数据有效的融入到土地业务审批流程中,对原有政务审批系统进 行了改进,建立了以地理信息为承载、满足协同办公需求的图文一体化政务办公 系统,是对现阶段土地信息集成整合的有益探索和实践。 98 8 结论与展望 8 结论与展望 8 Conclusions and prospects 8.1 研究结论(Conclusions) 本文对土地管理业务全要素关键领域模型的基本设计思想、空间数据组织、 形式化表达及若干关键技术等进行了详细的探讨,并基于土地管理业务全要素关 键领域模型进行了工程应用。通过理论探讨和实际应用验证,提出的土地管理业 务全要素关键领域模型能够满足土地管理业务全要素信息系统建设的基本要求, 可以有效实现面向土地管理业务全要素的土地信息集成,可为土地管理业务全要 素信息系统的建设提供理论基础和技术支撑。 通过本文的研究,得到以下结论: (1)从过程工程理论的角度,采用四元组定义了土地管理业务全要素信息 系统领域模型内涵,在对关键领域模型界定的基础上,基于本体构建了土地管理 业务全要素信息系统本体体系结构模型、多层本体共享模型、土地管理业务全要 素信息系统应用模型。这些概念模型的构建,从信息系统体系结构、空间数据组 织管理及软件开发模式等角度对土地管理业务全要素信息系统进行了分析,可为 其顶层框架设计提供参考。 (2)基于组份拓扑理论和位置理论,采用形式化方法对土地管理业务全要 素信息系统关键领域模型中涉及到的空间特征进行了表达,构建了多层本体共享 机制的数学模型,以数学和逻辑的方法区分土地全要素业务空间本体间的不同空 间关系;基于此,利用 ArcEngine 平台实现了土地管理业务全要素空间数据的拓 扑检查,可以为明晰土地全要素业务空间本体的空间关系语义、开发空间处理工 具提供基础。 (3)从土地生命周期管理、业务地块编码、土地信息演绎等方面,对土地 业务全要素生命周期管理模式、土地管理业务全要素地块编码方法、土地管理业 务全要素信息演绎机制等土地管理业务全要素信息系统关键领域模型的若干关 键技术进行了分析,实现了土地业务全要素全过程管理对空间数据层面的关联要 求,为土地业务全要素生命周期管理树的构建提供了技术基础。 (4)尝试采用面向本体分析方法,分析了地籍本体概念及概念间关系,构 建了地籍应用本体概念模型,并对地籍数据结构进行了重组和改进,可以为土地 管理业务全要素信息系统本体体系结构中应用本体的建模提供分析方法,为土地 管理业务全要素信息系统专业模型的构建提供技术思路。 (5)数据中心是土地管理业务全要素信息系统建设的核心,本文将其单独 列为一章,从数据框架体系、数据处理技术框架、数据中心逻辑拓扑结构和数据 99 博士学位论文 管理平台的角度,分析了数据中心的建设模式。在数据框架构建、数据建库方法、 数据存储管理等方面,可以为构建集计算、存储和应用为一体的土地管理业务全 要素信息系统数据中心提供技术模式。 (6)在土地管理业务全要素信息系统关键领域模型应用中,建立了土地业 务全要素生命周期管理关联树,改进了业务处理模式,将土地勘测数据融进各类 土地审批流程,实现了业务地块与审批流程的横向关联以及全过程业务间的纵 向关联,加强了地理信息与业务审批信息的深度融合,为土地资源的统计、分析 提供了技术手段;基于关键领域模型和模块搭建开发框架的原型系统实践,提出 了“一中心四平台”的应用构架模式,是对现阶段土地信息系统集成整合的有益 探索。 8.2 主要创新(Main innovations) 本文的创新之处体现在以下几个方面: (1)提出面向土地管理业务全要素的土地信息集成模式,构建了土地管理 业务全要素关键领域模型,分析了其若干关键技术,可为土地信息系统建设的顶 层框架设计提供参考。基于本体分析了土地管理业务全要素信息系统概念模型, 提出了土地管理业务全要素信息系统本体体系结构模型、多层本体共享模型、应 用模型;分析了土地管理业务全要素信息系统关键领域模型中的若干关键技术, 提出了土地业务全要素生命周期管理模式、土地管理业务全要素地块编码方法及 土地管理业务全要素信息演绎机制。 (2)采用面向本体分析方法,分析了地籍本体组成,获取了地籍本体概念, 梳理了地籍本体概念间关系,构建了地籍应用本体概念模型,并基于地籍应用本 体模型,重组了地籍数据结构,为土地管理业务全要素信息系统专业模型的构建 提供了分析方法。 (3)基于土地管理业务全要素信息系统关键领域模型,改进了业务处理模 式,建立了土地业务全要素生命周期管理关联树,实现了地理信息与地政业务审 批信息的一体化。基于土地业务全要素生命周期管理模式、土地管理业务全要素 地块编码体系、土地管理业务全要素信息演绎机制,提出了土地业务全要素生命 周期管理关联树的构建方法,基于此,改进业务处理模式,不仅实现了单一业务 地块与审批流程的横向关联,还实现了地政全过程业务间的纵向关联。 8.3 研究展望(Propects) 本文从信息系统体系结构、空间数据共享机制、信息系统应用模型以及若干 关键技术等方面,对土地管理业务全要素关键领域模型及其实现机制进行了探 100 8 结论与展望 101 索,但本文侧重于土地信息系统软件建设过程中相关模型的构建和应用,许多方 面还有待全面深入的展开,做进一步深入的研究: (1)空间技术和信息技术在土地管理业务全要素信息系统建模体系中的进 一步引入和完善。在 GIS 标准化的各项内容中,空间数据和信息技术标准是两个 最为核心的内容。在土地信息系统建模方面,将空间数据标准和信息技术标准 紧密的结合起来,由此而编制的信息化规划具有很强的可实施性。其实,在土 地信息化实践中,许多工作我们已经做过了,但还缺乏总结和提炼,继而形成 完整的信息系统建模方案。信息技术标准的不断发展,许多新技术的出现和标 准的制定,应该在土地信息系统建模标准体系中加以体现。 (2)基础测绘成果在土地业务全要素信息管理中的应用模式研究。本文在 基础测绘数据与土地信息一体化编码方面进行了初步探索,基础测绘成果与土地 管理业务全要素信息的数据表达、编码体系、符号渲染等方面是实现测绘与土地 信息一体化整合的技术关键,也是国土资源信息化深入发展的一个研究方向。 (3)基于信息系统的更新维护机制在土地管理业务全要素信息系统应用中 的建立和完善。本文基于“一张图”地理空间框架,探索了如何建立数据间及系 统间的关联关系,以实现土地信息资源的整合和系统的集成、优化,形成资源的 合理配置和系统的整体联动;但是,如何基于“一张图”地理空间框架建立基 于信息系统的数据更新维护机制,以实现系统优化增效、提高信息化整体效能, 还需要进一步深入研究。 参考文献 [1]尹鹏程,李钢,王孝强,等.土地管理市级数据中心建设研究[J].地理与地理信息科学,2009, 25(5):55-58. 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[173]国土资源部.《宗地代码编制规则(报批稿)》[S].2011-12-20. 111 作者简历 一、基本情况 姓名:尹鹏程 性别:男 民族:汉 出生年月:1981-12 籍贯:河南省南阳市 1999-09—2003-07 中国矿业大学环测学院学士; 2003-09—2006-06 中国矿业大学环测学院硕士; 2005-10—至今 江苏省徐州市国土资源局工作; 2006-09—至今 中国矿业大学环测学院攻读博士学位; 2009-03—至今 徐州市国土资源局高级工程师; 2010-09—2011-05 中国矿业大学外文学院进修德语; 2011-06—2012-04 赴德国研修地籍管理与信息化专业。 二、学术论文 1. 尹鹏程,李钢,张培,等.地籍调查与基础测绘一体化管理模式研究[J].测绘科 学,2011,36(1):190-192. (核心期刊) 2. 尹鹏程,李钢,王孝强,等.土地管理市级数据中心建设研究[J].地理与地理信 息科学,2009,25(5):55-58. (核心期刊) 3. 尹鹏程,李钢,黄亮,等.土地业务全程管理模式研究[J].中国土地科学,2009, 23(10):59-65. (核心期刊) 4. 李钢,蔡先娈,尹鹏程.基于GIS的市级国土资源电子政务方案探讨——以徐州 市为例[J].中国土地科学,2007,21(4):65-70.(核心期刊) 5. 喻存国,李钢,尹鹏程.徐州市矿地一体化管理信息系统建设实践[J].中国矿业, 2011,20(5):87-89.(核心期刊) 6. 孙鸿睿,朱建军,尹鹏程,等.一种基于矢量地图特征点和分块的零水印算法 [J].地理与地理信息科学,2012,28(4):111-112.(核心期刊) 7. 蔡先娈,尹鹏程.德国土地信息化发展现状研究[J].国土资源信息化,2012(4): 107-111. 8. 尹鹏程,蔡先娈,桂德竹.土地调查运行数据库质量评价研究[J].测绘工程, 2009,18(1):53-56. 9. 尹鹏程,蔡先娈,李科心.国土地政全过程管理中的空间数据模式研究[J].国土 资源信息化,2009(1):16-19. 10. 尹鹏程,李钢,邓玉峰.测绘工程项目数据监理模式研究[J].测绘工程,2009, 18(6):17-21. 11. 尹鹏程,蔡先娈,李科心.土地调查系统中地籍图生产的关键技术探讨[J].国 土资源信息化,2008(6):31-35. 112 12. 尹鹏程,顾和和,蔡先娈.关于实施基层国土资源电子政务的思考[J].国土资源 科技管理,2007(1):74-78. 13. 李钢,蔡先娈,尹鹏程.地籍数据库管理模式研究——以徐州市为例[J].国土资 源科技管理,2007,24(2):52-55. 14. 尹鹏程,李钢.徐州市国土资源电子政务实施研究[J].国土资源信息化, 2007(5):17-21. 15. 尹鹏程,李钢.当前地籍管理存在的问题及对策研究[J].全国地籍管理学术研 讨会论文集[C].北京:地质出版社,2009:387-391. 16.合著专著.城乡一体化土地调查[M].北京:中国大地出版社,2012. 三、获奖情况 1.城乡一体化土地调查监测技术与工程应用,中国测绘科技进步二等奖,2012 年 (排名第 7); 2.基础测绘成果在土地管理中的应用模式研究,江苏省测绘科技进步三等奖, 2012 年(排名第 3); 3.城乡区域数据整合及空间数据组织关键技术研究,江苏省测绘科技进步三等 奖,2011 年(排名第 4); 4.徐州市“双百高层次人才培养工程”——徐州市拔尖人才称号,2010 年; 5.基于城乡一体的二次土地调查成果应用模式研究,江苏省土地管理优秀学术论 文一等奖,2009 年; 6.建设金土工程数据中心 全面提升国土资源监管水平,第七届徐州科技论坛优 秀学术论文一等奖,2009 年; 7.土地政务全程管理模式研究,江苏省土地管理优秀学术论文一等奖,2008 年。 四、研究项目 1.2011.12-2014.12 煤矿区国土资源管理“一张图”关键技术开发与集成示范.国土 资源部公益性行业专项基金项目,编号:201211011,技术负责; 2.2010.10-2011.09 国土资源“一张图”工程建设的关键技术研究.江苏省国土资源 厅国土资源科技项目,编号:2010008,技术负责; 3.2009.10-2010.09 市级国土资源数据中心建设研究.江苏省国土资源厅国土资源 科技项目,编号:2009034,项目负责; 4.2009.06-2010.05 基础测绘成果在土地管理中的应用模式研究.江苏省测绘科研 基金项目,编号 JSCHKY200906,项目负责; 5.2007.11-2010.10 城乡一体化土地调查与监测技术研究.“十一五”国家科技支 撑计划项目,编号 2008BAJ11B07,技术负责。 113 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文《土地管理业务全要素关键领域模型构建 与应用》,是本人在导师指导下,在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作 所取得的成果。据我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 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: 年 月 日 114 115 学位论文数据集 关键词* 密级* 中图分类号* UDC 论文资助 土地信息系统;领域模型; 本体论;土地生命周期模 型;宗地统一代码;土地 管理业务全要素信息系统 公开 P208 学位授予单位名 称* 学位授予单位代码 * 学位类别* 学位级别* 中国矿业大学 10290 工学 博士 论文题名* 并列题名* 论文语种* 土地管理业务全要素关键领域模 型构建与应用 无 中文 作者姓名* 尹鹏程 学号* WB0616015 培养单位名称* 培养单位代码* 培养单位地址 邮编 中国矿业大学 10290 江苏省徐州市 221008 学科专业* 研究方向* 学制* 学位授予年* 地图制图学与地 理信息工程 土地信息系统 3-6 年 2012 论文提交日期* 2012 年 10 月 导师姓名* 李 钢 职称* 教授 评阅人 答辩委员会主 席* 答辩委员会成员 盛业华 电子版论文提交格式 文本( ) 图像( ) 视频( ) 音频( ) 多媒体( )其他( ) 推荐格式:application/msword; application/pdf 电子版论文出版(发布)者 电子版论文出版(发布) 地 权限声明 论文总页数* 138 注:共 33 项,其中带*为必填数据,共 22 项。
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