摘要

    針對數字孿生城市亟需空間統一框架與數據高效組織問題，基于地球空間剖分理論及相應的《地球表面空間網格與編碼》（GJB8896-2017）、《北斗網格位置碼》及《地球空間網格編碼規則》等國家標準編制成果，提出發展一種數字孿生城市空間網格框架與GDS（Grid Data System）數據平臺技術。城市多尺度立體剖分網格空間是一種地球空間的客觀存在，城市萬事萬物在某一時間內一定落在某一或某幾個網格體中，由此發展的GDS技術面向空間數據統一組織，有利于發展出面向空間建模的新型G-GIS、G-BIM等系統，是對傳統GIS、BIM等面向對象建模數據系統的創新探索；有助于構建統一的空間數據框架進而實現城市多源異構數據的匯聚、關聯與高效計算，對支撐數字孿生城市建設具有理論與實踐意。

    關鍵詞：數字孿生城市；空間網格框架；GDS數據平臺技術

    1.數字孿生城市空間

    網格框架的基本概念

    數字孿生城市空間網格框架是指能支撐數字孿生城市空間管理的網格參考系，本文提出的是一種地球剖分型立體空間框架（見圖1），由于依托GeoSOT地球剖分模型，也稱為GeoSOT-City框架，按目前需要，該框架剖分尺度為32級，最小尺度在赤道附近達1.5cm粒度，是建立的一套城市或建筑空間的網格化劃分規則（見圖2）。

圖1 GeoSOT地球空間剖分網格模型

圖2 數字孿生城市空間網格框架概念示意圖

    數字孿生城市空間網格框架GeoSOT-City具有多尺度、全球統一、高效計算等特性。通過該框架，數字孿生城市中的人、設施、環境等萬事萬物可依據網格編碼，從物理空間映射至數字空間，可作為數字孿生城市進行城市規劃仿真、城市建設管理、城市常態管理、交通信號仿真、應急演練仿真、公共安全防范、公共服務升級等的基礎底座。

    2.國內外研究現狀

    現實世界是三維的幾何空間，任何事物都有其相應的三維空間信息。通過空間信息的三維表達，可以達到更好的空間認知效果，有利于數字孿生城市中信息的傳遞。現階段，遍布在空、天、地、地下、水下多個空間層次的空間信息存在數據尺度多樣、專業領域不同等特點。在空間數據組織上主要存在兩種組織方法。一種是面向對象的數據組織技術，以空間對象為基礎組織單元，將同一對象的相關空間數據存儲在一起；另一種是面向空間的數據組織技術，它以空間為基礎組織單元，空間中相關數據組織在一起。

    2.1 面向對象的

    數據組織技術體系

    面向對象的技術體系，是指利用經緯度等點坐標系統，利用矢量結構描述空間對象的技術，包括常用的GIS、BIM 、CAD等技術，這些技術的數據模型均基于經緯度或空間局域點坐標，利用矢量點標識結構，構建點、線、面、體對象模型。

    2.1.1  技術現狀

    按照空間數據的描述格式，面向對象的數據組織技術可分為矢量數據模型、柵格空間數據模型以及矢柵一體化空間數據模型3種。現有的三維空間數據模型種類繁多，不同的數據模型往往面向不同的應用領域。

    矢量數據模型：是面向空間對象的數據模型，其將復雜的空間對象抽象成簡單的幾種結構，如點、線、面、體等。三維矢量數據模型更側重于三維空間實體的表面信息描述。當前主要有邊界模型（B-Rep）、線框模型（Wire Frame）、三維形式化數據模型（3D FDS）、面向對象三維幾何目標數據模型（OO3D）、結構實體幾何（CSG）模型、四面體格網（TEN）模型、三維Voronoi圖模型和實體模型（Volume）。

    柵格空間數據模型：利用柵格點（Pixel）的集合描述空間實體形狀，如照片、視頻、遙感影像等。當前主要有多層DEMs模型、體素（Voxel）模型和八叉樹（Octree）模型等。

    矢柵一體化空間數據模型：結合上述兩種模型的優點，互為補充，在描述空間對象時集成使用多種數據模型。

    2.1.2  技術分析

    隨著空間信息應用的不斷發展，特別是大數據技術的發展，面向對象的技術體系，在數據空間交換方面存在一定短板，主要體現在幾個方面。

    空間標識多樣，統一困難。這是由點線面體對象標識的復雜性帶來的，每一個空間對象（如一個樓房或一個房間）都要用一串點坐標對其外圍輪廓進行標識，每個人或每個機構對同一個空間對象的輪廓標識點的取值大多不一樣。標識不統一、也很難統一，數據整合或數據計算十分復雜，需要大量的時間做數據預處理。

    空間數據庫快速更新遇到困難。每一個對象由于點坐標串很難統一，又索引困難，目前的空間數據庫大多采用人為賦予ID碼的方式創建數據庫空間索引，而ID碼沒有客觀標準，造成空間數據庫的建庫工作必須人工操作，維護更新費時費力。

    多源異構數據整合困難。現有的GIS、BIM、CAD、管線模型、遙感影像及各類空間屬性數據，由于對象的組織方式不同，在空間數據格式、數據坐標標識上大多不一樣，各種多源異構數據在空間上沒有一個統一的組織框架，整合十分困難。

    空間計算困難。每個空間對象都由一串坐標構建，相互間的空間計算，包括拓撲計算、方位計算、疊加計算等，都要解矢量方程或矢量Overlay計算，效率極低。目前，對于一個中等城市的地塊矢量圖計算，兩到三層還可以計算出來，圖層一旦增多就會導致計算十分困難。

    2.2 面向空間的

    數據組織技術體系

    面向空間的技術體系，發展初衷是想重點解決面向對象技術體系遇到的短板，核心思想是構建地球空間多尺度網格組織框架，設定萬事萬物在每一個時刻一定落在某個或某幾個網格空間中，將面向對象的管理轉化成面向空間網格的管理，是一種重要的空間信息技術方法。

    2.2.1  平面空間網格技術

    平面空間網格技術有時也稱地球平面網格空間管理技術。我國歷史上的井田制管理技術實際就是較早的平面空間網格管理技術；德軍在二戰中使用大西洋網格來指揮潛艇 ，美軍二戰期間發展的MGRS系統，也是這方面的重要代表；特別是Google的數字地球，高德、百度的導航地圖，均采用了平面空間網格技術。平面空間網格技術已成為地球平面空間管理的重要技術代表。

    2.2.2  立體空間網格技術

    面對三維空間的管理，傳統的點坐標外輪廓面的描述方式在快速變化的空間管理中遇到挑戰，如建筑內部空曠空間的描述、磁場電場空間的描述等。立體空間網格技術是近幾十年發展較快的一個方向。其中，我國863、973及國家重點研發計劃近20年一直在支持這個方向的技術研究，取得了一些重要成果，在國際上處于技術領先地位，已發展出了國軍標《地球表面空間網格與編碼》（GJB8896-2017）、北斗標準《北斗網格位置碼》（即將發布）、國標《地球空間網格編碼規則》（即將發布）等標準成果，并已在消防、電力、燃氣等領域開展若干應用，對城市空間數據管理提供了一種重要的技術支撐。

    2.3技術發展趨勢

    目前，地理信息領域一直在試圖解決上述問題。經典面向對象的空間數據組織方法，能夠較好完成結構化數據（矢量、柵格和模型）的組織。近些年來發展了元數據技術體系，但由于沒有統一的對象標準，元數據結構也變得越來越復雜，有的元數據庫已達十幾層，維護工作量很大。國內外在探索的GIS-BIM一體化技術方案，能進行模型幾何信息的初步轉換，但存在融合標準有待完善、跨平臺間系統難兼容等問題。上述技術手段，都未從根本上解決城市多維空間信息的一體化整合，尤其是動態信息整合的瓶頸。

    立體空間網格技術逐漸成為空間數據管理與整合領域的技術發展趨勢。隨著立體空間網格技術的日趨成熟，結合立體空間網格剖分及時間剖分技術，從空間和時間基本屬性入手，將空間或時間作為“抓手”，發展時空網格數據模型，支持地理信息、建筑信息、管網信息、電網信息、燃氣信息、電磁信息等城市相關數據的統一聚集與關聯，有望破解統一空間組織框架和多源異構數據統一關聯問題，實現城市信息全空間全生命周期的一體化組織與管理。按此趨勢，本文擬利用立體網格技術解決數字孿生城市中面臨的兩大數據組織難題。

    統一的空間數據組織框架問題：一個面向數字孿生城市的多領域的統一空間數據組織框架，能夠支撐多源異構的各類信息的整合、更新、分析與展示。

    多源異構數據統一關聯問題：對于地理信息、建筑信息、管網信息、電網信息、燃氣信息、電磁信息等多源異構數據，在存儲組織的同時還需要挖掘數據間的內涵結構、研究多維空間數據之間的關聯約束方法，最終為數字孿生城市提供更加智能綜合的數據服務。

    3.數字孿生城

    市空間網格框架

    數字孿生城市空間網格框架把城市空間剖分成面積和形狀相似、無縫無疊的多層次離散網格體。該網格結構從宏觀上看，使整個城市全域空間被多層形狀近似的網格體組成的“網格體元”所覆蓋，不同層次的“網格體元”大小呈遞歸變化關系，形成可根據需要靈活組合、拆分、管理的多維空間網格剖分體系（見圖3）。

圖3 數字孿生城市空間網格框架的點面體統一坐標體系統

    數字孿生城市空間網格框架以本初子午線和參考橢球赤道平面的交點為原點，采用的劃分和編碼方案遵循《地球空間網格編碼規則》的規定。地球表面空間網格剖分采用經緯度坐標空間，為了保證經緯高的整度、整分、整秒的劃分，將地球空間擴展成2的整數次冪的經緯度空間，定義為512°×512°×512°網格，將每度的60′空間擴展到64′，將每分的60″空間擴展到64″，按照八分法逐級剖分至32級，最小表達精度可精確到1.5cm（見表1）。對于擴展的經緯度坐標空間中180°×360°范圍內的部分與實際地理空間一致，超過180°×360°范圍的部分沒有實際地理意義。當高程為地球表面高度時，空間立體網格即為地球平面網格。

    表1  各層級網格尺度統計表

    數字孿生城市空間網格編碼是具有全球唯一性的二進制一維整型編碼。編碼占用96bit，分為4段：27位度級編碼、18位分級編碼、18位秒級編碼和33位秒以下編碼。自全球依次向下八分編碼，下一級網格在上一級網格基礎上Z序編碼，賦予每一個剖分單元地球上惟一編碼。但Z序編碼方向與該網格所在的1級網格相關，其中G0網格對應東北半球、G1網格對應西北半球、G2網格對應東南半球、G3網格對應西南半球（見圖4）。

圖4 數字孿生城市空間網格框架編碼方案

    4.GDS數據平臺技術

    本文基于GeoSOT-City數字孿生城市地球空間網格框架，提出一種GDS（Grid Data System）數據平臺技術（見圖5），包括面向空間建模的G-GIS、G-BIM及G-Visual網格數據系統，可對傳統面向對象的GIS、BIM技術補充增強，并推動GIS+BIM+IoT融合發展。實踐中因建筑建模BIM技術在城市建設中的應用較多，本文主要以建筑網格化建模（G-BIM）示例說明。

圖5 GDS數據平臺技術總體組成圖

    4.1數字孿生城市GDS網格數

    據平臺的G-BIM建模定標技術

    多維城市空間GDS網格化建模定標技術是研究將實體對象數據和場數據轉化成網格空間位置和網格空間屬性的技術。在轉換網格空間位置的過程中，涉及到原始模型所在的站心坐標系到地球直角坐標系的轉換，可使用7參數法（3個旋轉因子、3個平移因子、1個比例因子），實地測繪得到3個以上控制點的站心、地球直角坐標位置，進而計算出坐標系轉換矩陣；隨后根據地球橢球參數計算直角坐標到大地坐標系的轉換；最后由大地坐標轉換得到指定層級的立體網格編碼標識（見圖6）。

圖6 城市空間 GDS建筑建模（G-BIM）網格定標示意圖

    在轉換網格空間屬性的過程中，可針對數據源的類型，將網格空間屬性分為為兩類，針對不同的特性進行轉化技術的研究。實體屬性描述了來源于實體對象（建筑BIM數據、測繪圖、室內管道等）的數據在網格空間中的屬性表達方式。

    根據多源信息對象涉及的點、線、面、體形式，解決路徑如下：

    確定點、線、面、體數據集合所在的經緯高，進行經緯度坐標系和空間網格坐標系的轉換。

    依據數據來源和需求的精度，選取適當的網格空間網格層級，確定實體覆蓋的空間網格，計算出空間網格集合。

    根據空間網格屬性填充算法，進行空間屬性的填充；環境屬性描述了來源于場數據（溫度、濕度、磁場等）在網格空間中的屬性表達方式。

    根據多源信息對象涉及的空間場形式，解決路徑如下：

    針對空間場數據，確定場數據集合所在經緯高，進行經緯度坐標系和空間網格坐標系的轉換。

    根據場數據特征和表達需求的精度，制定屬性表達規則，確定場數據數值和屬性等級對應關系。

    根據空間網格屬性填充算法，進行環境屬性的填充。

    該技術通過對多源數據進行屬性抽象化，為數字孿生城市中涉及到的地理信息、建筑信息、電網信息、燃氣信息等多源異構信息在城市網格框架數據底圖上的表達提供數據支持。

    4.2數字孿生城市GDS網格數

    據平臺的G-BIM快速轉換技術

    城市空間GDS網格化建模快速轉換技術，是將GIS、BIM與管線規劃圖等已有數字化成果結合實現城市空間的網格化快速轉換，在短耗時下迅速完成城市建筑、地貌、管網的網格化建模。

    該快速建模技術的核心問題在于實現三維矢量體對象的網格占據算法。目前常見的用于室內平面設計的DWG、DXF等CAD產品格式文件以及RVT、FBX等建筑三維信息模型文件，皆采用頂點的相對坐標信息、點線關系拓撲、線面關系拓撲的形式，表述對象的三維結構。本技術將采用網格填充的方式，將傳統格式數據表達的三維對象轉換為網格占據圖的形式，可預見兩個主要的難點：一是某些格式文件只存儲點位的相對米制坐標信息，與全球尺度的剖分網格坐標存在差異；二是需要根據點線面拓撲信息，還原對象占據的三維空間并用立體網格對其進行填充（見圖7）。

圖7 城市空間GDS建筑建模（G-BIM）網格轉換示意圖

    第一個難點可由網格定標方法解決；第二個難點可用多種技術手段解決：一是根據點位坐標和點線面拓撲信息，還原得到三維面的占據格網集合，隨后研究三維種子填充算法或三維掃描線算法對包絡面內部空間的網格填充；二是對于簡單的柱狀物體，可先將其投影到某一坐標面上進行投影面的二維網格填充，再向指定方向拉伸至三維網格集合；三是使用Cesium、3dsMAX或ArcGIS Pro等具有三維空間分析功能的成熟平臺，將對象原始模型與其外包的立體網格集合進行求交、合并等空間運算，也可得到對象的占據網格集合。

    5.應用思路

    5.1實現數字孿生城市

    空間數據一體化標識

    把整個城市空間劃分成連續的立體空間區塊，每個區塊都按統一的編碼規則賦予一個可計算的整型數，由此形成的坐標系稱為城市空間網格坐標系。它既是在浮點坐標系基礎上的一種離散網格坐標，又是全球網格體系在局部空間內的拓展和細化，基于該區塊及其編碼可以對城市空間進行位置標識、空間建模與空間計算，從而支持各類室內外位置服務（見圖8）。

圖8 基于城市空間網格框架的數字孿生城市空間一體化標識示意圖

    其具體要求如下：

    空間標識覆蓋整個城市空間。包括室內外、地上下全空間的標識和表達。使得數字孿生城市中囊括的全信息都能夠在網格的框架下進行坐標的標識。

    空間標識統一且唯一。基于網格坐標對位置的標識要統一且唯一。統一是指所有人按該規則給定的編碼都是一致的；唯一是指該編碼有且僅有一個，不會和系統內其他位置的標識編碼沖突。

    空間標識能進行高效空間計算。計算是坐標的本質特征，面對數字孿生城市中空域管控、地下空間導航、無人機路徑規劃等新興應用需求，空間網格結構模型的坐標需要支持高效的空間計算。

    5.2  實現數字孿生城市

    多源異構數據統一組織

    在網格化的統一空間標識的基礎上，可以對每個城市空間進行多源異構數據屬性的寫入和關聯，網格空間標識成為了多源異構數據索引的主鍵。由此形成的數據管理體系稱為GDS管理體系。它是基于空間進行數據組織的模型，同時又保留了多源數據原始的存儲方式。基于其面向空間的數據管理系統，可以對城市空間的數據進行空間查詢、空間表達與空間分析，從而滿足數字孿生城市用戶快速獲知信息的需求（見圖9）。

圖9 基于城市網格數據圖的數字孿生城市數據統一組織示意圖

    其具體要求如下：

    網格劃分具有多尺度性。支持不同尺度體塊的劃分，需要構成一個由面及點，面、點結合，可根據需要靈活管理、組合、拆分的多維空間網格剖分體系，與多源異構的數據形成天然的匹配，并且方便信息的層級索引。

    單一層級的網格大小均勻。單一層級網格大小應該是均勻的，方便對城市環境下各個局部區域數據的匯聚和整體區域數據的拆分。

    利用網格進行統一組織。通過網格，對坐標不同、結構不同的多源數據進行整合。

    6.結束語

    針對數字孿生城市多源異構數據組織面臨的瓶頸問題，本文提出了一種面向空間的、兼容性好的GeoSOT-City城市空間網格參考框架與GDS網格數據平臺技術，將城市空間劃分成多尺度立體網格，立體網格覆蓋整個城市空間和每一個建筑空間；以剖分網格的惟一性作為媒介，對城市多源異構數據進行有效組織、管理與應用。從方法論角度，無論數據的時態、結構等如何變化，利用空間網格的客觀惟一性，以不變應萬變是應對數字孿生城市多源異構數據統一組織的有效手段。下一步研究將結合實際場景需求，進一步發展G-GIS、G-BIM及G-Visual等專用工具，為數字孿生城市提供一種高效的數據組織技術體系。

    本文刊于《信息通信技術與政策》2020年第3期，版權歸原作者所有，轉載旨在分享。