一种水流类自然资源三维产权体建模与一体化登记方法及系统

本发明属于自然资源确权登记与三维地理信息，具体涉及一种水流类自然资源三维产权体建模与一体化登记方法及系统。

背景技术：

1、自然资源的清晰界定与统一登记是实现可持续资源治理、生态保护及陆水协同管理的重要空间基础。水流类自然资源（包括地表水与地下水）作为自然资源系统的重要组成部分，具有显著的空间异质性、明显的垂向分层结构以及多尺度动态相互作用特征。因此，如何准确表达水流类自然资源的空间范围与权属边界，是资源配置、监管执法与冲突调处中的关键问题。然而，在现行管理实践中，水流类自然资源的界定与登记仍主要依赖二维边界表达方式。尽管二维边界方法在操作层面具有一定便利性，但其本质上是将具有立体属性的自然系统简化为平面几何对象，难以有效刻画水流资源的垂向结构、空间叠置关系及地下连通特征。这种水系统三维自然属性与二维登记模式之间的结构性不匹配，正逐渐成为制约精细化资源管理的重要因素，尤其在陆水关系复杂、地下结构发育的区域表现得尤为突出。

2、近年来，三维地理信息技术的发展为自然资源确权登记提供了新的技术手段。如中国发明专利cn122288953a公开了一种基于三维模型的自然资源确权登记方法，该方法将三维地形模型离散为体元集合，并引入时间轴构建四维时空框架，通过构建随时间变化的动态边界曲面函数，实时判定体元在不同时刻的资源属性，进而根据持续时间占比确定权属主体及权利份额。该方法通过引入时间维度，在一定程度上解决了潮间带、季节性湿地等动态自然资源的确权问题。然而，该方法仍存在以下不足：第一，该方法以规则体元（立方体网格）对三维地形模型进行离散化处理，体元的空间分辨率固定且全局统一。这种规则体元离散方式虽然便于计算，但无法适应水流类自然资源形态不规则、边界非平直的特征——对于河流蜿蜒岸线、湖泊不规则边界及湿地复杂地形，规则体元在边界处会产生严重的阶梯状误差，导致确权边界与实际资源边界之间存在系统性偏差。第二，该方法仅关注地表水（水面/滩涂）的资源属性切换问题，未涉及地下水资源的三维确权与登记。地下水具有含水层垂向分层、与地表水存在补排关系等复杂三维结构特征，专利cn122288953a的方法完全无法适用于地下水资源的立体确权。第三，该方法将三维地形模型离散为规则体元后，对每个体元独立进行属性判定和权属计算，割裂了体元之间的空间关联关系。规则体元离散方式本质上仍是对连续三维空间的离散化近似，而非对自然资源产权单元本身的直接建模，无法表达河流、湖泊、湿地等具有整体性的水流资源单元的完整产权边界。第四，该方法未涉及三维空间冲突检测。在确权登记实践中，不同资源类型之间、资源与建设利用之间经常存在空间叠置和权属冲突，需要有效的冲突识别与量化分析手段。

3、综上，现有技术中尚缺乏一种能够将水流类自然资源由二维边界向三维产权体进行转变、同时覆盖地表水与地下水、并具备三维空间冲突检测能力的建模与登记方法。

技术实现思路

1、发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供了一种水流类自然资源三维产权体建模与一体化登记方法及系统。

2、技术方案：本发明所述的一种水流类自然资源三维产权体建模与一体化登记方法，包括以下步骤：

3、s1：获取研究区的多源异构数据，所述多源异构数据包括空间几何数据、水文地质属性数据和动态监测数据，对所述多源异构数据进行预处理，建立标准化空间数据库；

4、s2：分别针对地表水资源和地下水资源的资产产权体进行三维产权体建模，将水流类自然资源的权属单元由二维边界拓展为具有明确体量和空间结构的三维产权体；

5、s3：将地表水产权体模型与地下水产权体模型在统一三维空间参考系下进行集成，构建地表水与地下水一体化三维产权体模型；

6、s4：基于所述一体化三维产权体模型进行三维空间冲突检测，识别并定位产权体与相关管理要素之间的空间叠置关系。形成用于辅助登记确权的三维登记成果数据。

7、步骤s4中输出的三维空间冲突检测结果，包括冲突区域的空间位置、范围及对应的产权体编号。将所述冲突检测结果与所述一体化三维产权体模型中的各产权单元进行关联存储，形成包含产权体空间范围、权属信息及冲突检测结果的三维登记成果数据，用于校验产权体空间范围的合法性与合规性，为水流类自然资源资产产权体的登记确权与统一管理提供技术依据。

8、进一步的，步骤s2中所述地表水资源资产产权体的三维建模包括：

9、针对河流湖泊产权体，融合水下地形数据与水面边界信息，基于不规则三角网（tin）构建水底数字高程模型（dem），将水底数字高程模型与水面范围多边形进行融合，生成连续封闭的三维河流产权体模型；其中，湖泊体积l通过积分公式计算：

10、，

11、式中，l为湖泊体积，slake为湖泊水面面积，为水面高程值，为湖泊水底数字高程模型；

12、并引入水量平衡方程进行动态模拟，水量平衡方程为：

13、，

14、式中，v为水体体积，t为时间，和分别为进出流量，为降水速率，e为蒸发速率，为水面面积；该模型支持参数化动态模拟，可准确反映季节性水位波动对湖泊储量的影响；

15、针对湿地产权体，采集水域深度、植被层厚度及基底高程多层信息，采用栅格叠加与分层拉伸算法，构建湿地三维产权体模型：

16、，

17、式中，ld为湿地三维产权体模型，m为结构层总数，为湿地水底数字高程模型，∆ℎ为第层厚度（如水域、植被、覆土），为对应层的空间范围。该模型可清晰表达湿地的立体结构与生态功能空间分布。

18、进一步的，步骤s2中所述地下水资源资产产权体的三维建模包括：

19、以水文地质单元为基本登记单元划定地下水产权边界，依托监测网络实时跟踪水位波动，按预设周期更新边界图件并标注水位变动带作为弹性管理区，所述预设周期可设为每季度，并可根据水文地质条件调整；

20、采用广义三棱柱（gtp）与多层delaunay三角网（md）混合算法进行地下水三维建模，以广义三棱柱体元模拟地层空间分布，构建含水层三维产权体模型。

21、进一步的，所述广义三棱柱与多层delaunay三角网混合算法包括以下步骤：

22、（1）获取研究区的地面delaunay三角网；

23、（2）从所述地面delaunay三角网中提取一个三角形，设定为第一个广义三棱柱的上三角形；

24、（3）依据所述上三角形三个顶点的地层编号，沿钻孔向下扩展生成下三角形；

25、（4）根据所述上三角形与所述下三角形的对应关系及钻孔点链，构建广义三棱柱体，并将所述下三角形设置为新的上三角形；

26、（5）重复执行步骤（3）至（4），直至上三角形的顶点均为各自钻孔的底部点为止；

27、（6）重复执行步骤（2）至（5），直至所述地面delaunay三角网的全部三角形遍历完毕；

28、（7）当新增水文地质钻孔数据时，仅在地面局部修改所述delaunay三角网后沿钻孔向下扩展生成新的广义三棱柱，避免全局网格重构。

29、进一步的，步骤s4中所述三维空间冲突检测采用融合碰撞检测框架（fusioncollision detection framework，以下简称为fcdf），包括以下步骤：

30、s41：对参与冲突检测的三维产权体模型进行凹多面体判断，若存在凹点则执行凹多面体分割，将凹多面体分解为凸多面体集合；

31、s42：对凸多面体集合计算闵可夫斯基差（minkowski difference），所述闵可夫斯基差定义为：

32、，

33、式中，a、b分别为两个多面体，a∈a，b∈b，a和b分别为多面体a和b中的点；

34、s43：采用单纯形循环判断方法（scdm）判断原点是否位于闵可夫斯基差集内，若原点位于差集内则判定两个产权体存在空间冲突。

35、进一步的，步骤s41中所述凹多面体分割包括：

36、遍历多面体顶点，计算每个顶点的内角，将内角大于180°的顶点标记为凹点；

37、针对每一凹点计算其凹角的角等分线，在剩余非邻近顶点中寻找到该等分线几何距离最近的点；

38、以寻找到的最近点与凹点连接作为分割线将凹多面体分割为两个子多面体；

39、对分割生成的子多面体递归执行凹点判断与分割操作，直至所有子多面体均为凸多面体。

40、进一步的，步骤s43中所述单纯形循环判断方法包括：

41、s431：选择初始搜索方向，在闵可夫斯基差集中找到该方向搜索支撑点作为最远点，将该最远点加入单纯形点集；

42、s432：根据当前单纯形的几何特征更新搜索方向，在闵可夫斯基差集中沿更新后的方向搜索新的支撑点，将新的支撑点加入单纯形点集以更新单纯形；

43、s433：判断当前单纯形是否包含原点，若包含原点则判定两个多面体相交，返回true；

44、s434：迭代执行步骤s432和s433，若在某一搜索方向上无法找到跨越原点的支撑点，则判定两个多面体不相交，返回false。

45、进一步的，所述方法还包括模型精度验证步骤：对地表水产权体模型，以高分辨率遥感影像和/或实地测量数据为基准真值，计算平面中误差和高程中误差进行定量化精度评估：

46、 ，

47、

48、式中，l为平面中误差，l为高程中误差，为采样点数，,、,分别为第i个采样点的平面坐标观察值与真值，,、,分别为第i个采样点的高程观测值与真值；该评价方法可全面反映模型在水陆交界、水下地形及生态空间结构方面的还原能力。

49、对地下水产权体模型，采用未参与模型构建的独立水文地质钻孔作为验证样本，在钻孔平面位置处从三维模型中提取对应的模型预测剖面，计算含水层顶板埋深误差和分层厚度误差，并分别计算平均绝对误差（mae）和均方根误差（rmse）作为评价指标。

50、在含水层顶板埋深精度评价中，设虚拟钻孔第 i 个对应的含水层顶板埋深为，实测顶板埋深为，则其顶板埋深误差 定义为：

51、，

52、在含水层厚度精度评价中，设虚拟钻孔第 个对应的含水层分层厚度为，实测分层厚度为，则其分层厚度误差定义为： ，

53、为全面反映模型误差特征，分别计算平均绝对误差（mae）和均方根误差（rmse）作为主要评价指标。其中，顶板埋深误差的mae和rmse分别为：

54、 ，

55、，

56、相应地，含水层厚度误差的mae和rmse分别为：

57、 ，

58、，

59、其中，maed为顶板埋深平均绝对误差，rmsed为顶板埋深均方根误差，maeh为分层厚度平均绝对误差，rmseh为分层厚度均方根误差，n为参与统计的有效对应层位总数。与仅采用单一均值指标相比，mae能够反映模型预测误差的总体偏离程度，rmse则对较大误差更为敏感，二者结合可更全面地表征地下水wnrp模型的垂向精度。

60、进一步的，步骤s1中所述数据预处理包括：对多源异构数据进行数据清洗剔除异常值，对缺失属性通过空间插值或邻近区域资料进行填补；将所有空间数据统一转换为cgcs2000坐标系；基于mysql和geodatabase分别管理属性数据与空间数据，建立标准化空间数据库。

61、本发明还提供了一种水流类自然资源三维产权体建模与一体化登记系统，包括：

62、数据采集与预处理模块，用于获取并处理研究区的多源异构数据，建立标准化空间数据库；

63、地表水三维产权体建模模块，用于基于不规则三角网构建水底数字高程模型，生成河流、湖泊和湿地的三维产权体模型；

64、地下水三维产权体建模模块，用于采用广义三棱柱与多层delaunay三角网混合算法构建含水层三维产权体模型；

65、一体化集成模块，用于将地表水产权体模型与地下水产权体模型在统一三维空间参考系下进行集成；

66、三维空间冲突检测模块，用于基于融合碰撞检测框架识别并定位产权体之间的空间叠置关系；

67、三维登记与可视化展示模块，用于实现产权体模型的三维可视化展示、产权信息查询及空间量算。

68、进一步的，所述三维空间冲突检测模块包括：

69、凹多面体分割单元，用于对三维产权体模型进行凹点识别并将凹多面体递归分割为凸多面体集合；

70、闵可夫斯基差计算单元，用于计算两个凸多面体的闵可夫斯基差集；

71、单纯形循环判断单元，用于通过迭代构建单纯形判断原点是否位于闵可夫斯基差集内，输出冲突检测结果及冲突区域的空间位置和空间范围。

72、有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下显著优点：

73、（1）本发明以“产权体”为基本空间单元，将水流资源的权属对象从二维面域拓展为具有明确体量和空间结构的三维实体，实现了权属表达从“体元属性标记”到“产权体直接建模”的范式转变。

74、（2）本发明首次将地表水与地下水资源统一纳入同一三维空间框架进行表达与管理：地表水采用不规则三角网精细表达水下地形起伏，地下水采用广义三棱柱与多层delaunay三角网混合算法刻画含水层结构，实现了“异构建模、统一表达”，填补了地下水三维产权体建模的技术空白。

75、（3）本发明采用不规则三角网（tin）和广义三棱柱（gtp）等非规则单元进行建模，单元大小和形状可根据地形和地层复杂度自适应调整，在同等精度要求下所需单元数量更少，在同等单元数量下边界拟合精度更高。实施例验证表明，地表水产权体平面边界误差控制在0.1m以内，远优于规则体元离散方法在相同分辨率下的边界表达精度。

76、（4）本发明提出的融合碰撞检测框架（fcdf），通过对凹多面体进行分割解决了不规则产权体难以直接参与碰撞检测的问题，通过引入闵可夫斯基差与单纯形循环判断方法将复杂的三维相交判定转化为稳定、高效的几何计算过程，使空间冲突能够从主观判读转变为可计算对象，为权属纠纷调处提供了量化依据。

77、（5）本发明通过引入水量平衡方程实现了湖泊产权体体积的动态模拟，能够准确反映季节性水位波动对湖泊储量的影响；通过广义三棱柱模型的局部更新机制，避免了传统建模中因数据增删导致的全局网格重构问题，特别适用于动态变化的含水层系统。

78、（6）本发明建立了系统的精度评价体系，分别针对地表水和地下水产权体模型提出了定量化的精度验证方法，为模型的可靠性和适用性提供了客观依据。