數(shù)字孿生城市空間網(wǎng)格框架與GDS數(shù)據(jù)平臺技術(shù)研究

來源:信息通信技術(shù)與政策 更新日期:2021-11-25 作者:程承旗,曲騰騰等

    摘要

    針對數(shù)字孿生城市亟需空間統(tǒng)一框架與數(shù)據(jù)高效組織問題,基于地球空間剖分理論及相應(yīng)的《地球表面空間網(wǎng)格與編碼》(GJB8896-2017)、《北斗網(wǎng)格位置碼》及《地球空間網(wǎng)格編碼規(guī)則》等國家標(biāo)準(zhǔn)編制成果,提出發(fā)展一種數(shù)字孿生城市空間網(wǎng)格框架與GDS(Grid Data System)數(shù)據(jù)平臺技術(shù)。城市多尺度立體剖分網(wǎng)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(nèi)一定落在某一或某幾個網(wǎng)格體中,由此發(fā)展的GDS技術(shù)面向空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織,有利于發(fā)展出面向空間建模的新型G-GIS、G-BIM等系統(tǒng),是對傳統(tǒng)GIS、BIM等面向?qū)ο蠼?shù)據(jù)系統(tǒng)的創(chuàng)新探索;有助于構(gòu)建統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)框架進(jìn)而實現(xiàn)城市多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的匯聚、關(guān)聯(lián)與高效計算,對支撐數(shù)字孿生城市建設(shè)具有理論與實踐意。

    關(guān)鍵詞:數(shù)字孿生城市;空間網(wǎng)格框架;GDS數(shù)據(jù)平臺技術(shù)

    1.數(shù)字孿生城市空間

    網(wǎng)格框架的基本概念

    數(shù)字孿生城市空間網(wǎng)格框架是指能支撐數(shù)字孿生城市空間管理的網(wǎng)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(dá)1.5cm粒度,是建立的一套城市或建筑空間的網(wǎng)格化劃分規(guī)則(見圖2)。

圖1 GeoSOT地球空間剖分網(wǎng)格模型

圖2 數(shù)字孿生城市空間網(wǎng)格框架概念示意圖

    數(shù)字孿生城市空間網(wǎng)格框架GeoSOT-City具有多尺度、全球統(tǒng)一、高效計算等特性。通過該框架,數(shù)字孿生城市中的人、設(shè)施、環(huán)境等萬事萬物可依據(jù)網(wǎng)格編碼,從物理空間映射至數(shù)字空間,可作為數(shù)字孿生城市進(jìn)行城市規(guī)劃仿真、城市建設(shè)管理、城市常態(tài)管理、交通信號仿真、應(yīng)急演練仿真、公共安全防范、公共服務(wù)升級等的基礎(chǔ)底座。

    2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

    現(xiàn)實世界是三維的幾何空間,任何事物都有其相應(yīng)的三維空間信息。通過空間信息的三維表達(dá),可以達(dá)到更好的空間認(rèn)知效果,有利于數(shù)字孿生城市中信息的傳遞,F(xiàn)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(shù)據(jù)尺度多樣、專業(yè)領(lǐng)域不同等特點。在空間數(shù)據(jù)組織上主要存在兩種組織方法。一種是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織技術(shù),以空間對象為基礎(chǔ)組織單元,將同一對象的相關(guān)空間數(shù)據(jù)存儲在一起;另一種是面向空間的數(shù)據(jù)組織技術(shù),它以空間為基礎(chǔ)組織單元,空間中相關(guān)數(shù)據(jù)組織在一起。

    2.1 面向?qū)ο蟮?/B>

    數(shù)據(jù)組織技術(shù)體系

    面向?qū)ο蟮募夹g(shù)體系,是指利用經(jīng)緯度等點坐標(biāo)系統(tǒng),利用矢量結(jié)構(gòu)描述空間對象的技術(shù),包括常用的GIS、BIM 、CAD等技術(shù),這些技術(shù)的數(shù)據(jù)模型均基于經(jīng)緯度或空間局域點坐標(biāo),利用矢量點標(biāo)識結(jié)構(gòu),構(gòu)建點、線、面、體對象模型。

    2.1.1  技術(shù)現(xiàn)狀

    按照空間數(shù)據(jù)的描述格式,面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織技術(shù)可分為矢量數(shù)據(jù)模型、柵格空間數(shù)據(jù)模型以及矢柵一體化空間數(shù)據(jù)模型3種。現(xiàn)有的三維空間數(shù)據(jù)模型種類繁多,不同的數(shù)據(jù)模型往往面向不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

    矢量數(shù)據(jù)模型:是面向空間對象的數(shù)據(jù)模型,其將復(fù)雜的空間對象抽象成簡單的幾種結(jié)構(gòu),如點、線、面、體等。三維矢量數(shù)據(jù)模型更側(cè)重于三維空間實體的表面信息描述。當(dāng)前主要有邊界模型(B-Rep)、線框模型(Wire Frame)、三維形式化數(shù)據(jù)模型(3D FDS)、面向?qū)ο笕S幾何目標(biāo)數(shù)據(jù)模型(OO3D)、結(jié)構(gòu)實體幾何(CSG)模型、四面體格網(wǎng)(TEN)模型、三維Voronoi圖模型和實體模型(Volume)。

    柵格空間數(shù)據(jù)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(dāng)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(shù)據(jù)模型:結(jié)合上述兩種模型的優(yōu)點,互為補(bǔ)充,在描述空間對象時集成使用多種數(shù)據(jù)模型。

    2.1.2  技術(shù)分析

    隨著空間信息應(yīng)用的不斷發(fā)展,特別是大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展,面向?qū)ο蟮募夹g(shù)體系,在數(shù)據(jù)空間交換方面存在一定短板,主要體現(xiàn)在幾個方面。

    空間標(biāo)識多樣,統(tǒng)一困難。這是由點線面體對象標(biāo)識的復(fù)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(biāo)對其外圍輪廓進(jìn)行標(biāo)識,每個人或每個機(jī)構(gòu)對同一個空間對象的輪廓標(biāo)識點的取值大多不一樣。標(biāo)識不統(tǒng)一、也很難統(tǒng)一,數(shù)據(jù)整合或數(shù)據(jù)計算十分復(fù)雜,需要大量的時間做數(shù)據(jù)預(yù)處理。

    空間數(shù)據(jù)庫快速更新遇到困難。每一個對象由于點坐標(biāo)串很難統(tǒng)一,又索引困難,目前的空間數(shù)據(jù)庫大多采用人為賦予ID碼的方式創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫空間索引,而ID碼沒有客觀標(biāo)準(zhǔn),造成空間數(shù)據(jù)庫的建庫工作必須人工操作,維護(hù)更新費(fèi)時費(fèi)力。

    多源異構(gòu)數(shù)據(jù)整合困難,F(xiàn)有的GIS、BIM、CAD、管線模型、遙感影像及各類空間屬性數(shù)據(jù),由于對象的組織方式不同,在空間數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)坐標(biāo)標(biāo)識上大多不一樣,各種多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在空間上沒有一個統(tǒng)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(biāo)構(gòu)建,相互間的空間計算,包括拓?fù)溆嬎、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(dǎo)致計算十分困難。

    2.2 面向空間的

    數(shù)據(jù)組織技術(shù)體系

    面向空間的技術(shù)體系,發(fā)展初衷是想重點解決面向?qū)ο蠹夹g(shù)體系遇到的短板,核心思想是構(gòu)建地球空間多尺度網(wǎng)格組織框架,設(shè)定萬事萬物在每一個時刻一定落在某個或某幾個網(wǎng)格空間中,將面向?qū)ο蟮墓芾磙D(zhuǎn)化成面向空間網(wǎng)格的管理,是一種重要的空間信息技術(shù)方法。

    2.2.1  平面空間網(wǎng)格技術(shù)

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

    2.2.2  立體空間網(wǎng)格技術(shù)

    面對三維空間的管理,傳統(tǒng)的點坐標(biāo)外輪廓面的描述方式在快速變化的空間管理中遇到挑戰(zhàn),如建筑內(nèi)部空曠空間的描述、磁場電場空間的描述等。立體空間網(wǎng)格技術(shù)是近幾十年發(fā)展較快的一個方向。其中,我國863、973及國家重點研發(fā)計劃近20年一直在支持這個方向的技術(shù)研究,取得了一些重要成果,在國際上處于技術(shù)領(lǐng)先地位,已發(fā)展出了國軍標(biāo)《地球表面空間網(wǎng)格與編碼》(GJB8896-2017)、北斗標(biāo)準(zhǔn)《北斗網(wǎng)格位置碼》(即將發(fā)布)、國標(biāo)《地球空間網(wǎng)格編碼規(guī)則》(即將發(fā)布)等標(biāo)準(zhǔn)成果,并已在消防、電力、燃?xì)獾阮I(lǐng)域開展若干應(yīng)用,對城市空間數(shù)據(jù)管理提供了一種重要的技術(shù)支撐。

    2.3技術(shù)發(fā)展趨勢

    目前,地理信息領(lǐng)域一直在試圖解決上述問題。經(jīng)典面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)組織方法,能夠較好完成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(矢量、柵格和模型)的組織。近些年來發(fā)展了元數(shù)據(jù)技術(shù)體系,但由于沒有統(tǒng)一的對象標(biāo)準(zhǔn),元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也變得越來越復(fù)雜,有的元數(shù)據(jù)庫已達(dá)十幾層,維護(hù)工作量很大。國內(nèi)外在探索的GIS-BIM一體化技術(shù)方案,能進(jìn)行模型幾何信息的初步轉(zhuǎn)換,但存在融合標(biāo)準(zhǔn)有待完善、跨平臺間系統(tǒng)難兼容等問題。上述技術(shù)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(tài)信息整合的瓶頸。

    立體空間網(wǎng)格技術(shù)逐漸成為空間數(shù)據(jù)管理與整合領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢。隨著立體空間網(wǎng)格技術(shù)的日趨成熟,結(jié)合立體空間網(wǎng)格剖分及時間剖分技術(shù),從空間和時間基本屬性入手,將空間或時間作為“抓手”,發(fā)展時空網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型,支持地理信息、建筑信息、管網(wǎng)信息、電網(wǎng)信息、燃?xì)庑畔、電磁信息等城市相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一聚集與關(guān)聯(lián),有望破解統(tǒng)一空間組織框架和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一關(guān)聯(lián)問題,實現(xiàn)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(wǎng)格技術(shù)解決數(shù)字孿生城市中面臨的兩大數(shù)據(jù)組織難題。

    統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)組織框架問題:一個面向數(shù)字孿生城市的多領(lǐng)域的統(tǒng)一空間數(shù)據(jù)組織框架,能夠支撐多源異構(gòu)的各類信息的整合、更新、分析與展示。

    多源異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一關(guān)聯(lián)問題:對于地理信息、建筑信息、管網(wǎng)信息、電網(wǎng)信息、燃?xì)庑畔、電磁信息等多源異?gòu)數(shù)據(jù),在存儲組織的同時還需要挖掘數(shù)據(jù)間的內(nèi)涵結(jié)構(gòu)、研究多維空間數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)約束方法,最終為數(shù)字孿生城市提供更加智能綜合的數(shù)據(jù)服務(wù)。

    3.數(shù)字孿生城

    市空間網(wǎng)格框架

    數(shù)字孿生城市空間網(wǎng)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(wǎng)格體。該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)從宏觀上看,使整個城市全域空間被多層形狀近似的網(wǎng)格體組成的“網(wǎng)格體元”所覆蓋,不同層次的“網(wǎng)格體元”大小呈遞歸變化關(guān)系,形成可根據(jù)需要靈活組合、拆分、管理的多維空間網(wǎng)格剖分體系(見圖3)。

圖3 數(shù)字孿生城市空間網(wǎng)格框架的點面體統(tǒng)一坐標(biāo)體系統(tǒng)

    數(shù)字孿生城市空間網(wǎng)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(wǎng)格編碼規(guī)則》的規(guī)定。地球表面空間網(wǎng)格剖分采用經(jīng)緯度坐標(biāo)空間,為了保證經(jīng)緯高的整度、整分、整秒的劃分,將地球空間擴(kuò)展成2的整數(shù)次冪的經(jīng)緯度空間,定義為512°×512°×512°網(wǎng)格,將每度的60′空間擴(kuò)展到64′,將每分的60″空間擴(kuò)展到64″,按照八分法逐級剖分至32級,最小表達(dá)精度可精確到1.5cm(見表1)。對于擴(kuò)展的經(jīng)緯度坐標(biāo)空間中180°×360°范圍內(nèi)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(dāng)高程為地球表面高度時,空間立體網(wǎng)格即為地球平面網(wǎng)格。

    表1  各層級網(wǎng)格尺度統(tǒng)計表

    數(shù)字孿生城市空間網(wǎng)格編碼是具有全球唯一性的二進(jìn)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(wǎng)格在上一級網(wǎng)格基礎(chǔ)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(wǎng)格所在的1級網(wǎng)格相關(guān),其中G0網(wǎng)格對應(yīng)東北半球、G1網(wǎng)格對應(yīng)西北半球、G2網(wǎng)格對應(yīng)東南半球、G3網(wǎng)格對應(yīng)西南半球(見圖4)。

圖4 數(shù)字孿生城市空間網(wǎng)格框架編碼方案

    4.GDS數(shù)據(jù)平臺技術(shù)

    本文基于GeoSOT-City數(shù)字孿生城市地球空間網(wǎng)格框架,提出一種GDS(Grid Data System)數(shù)據(jù)平臺技術(shù)(見圖5),包括面向空間建模的G-GIS、G-BIM及G-Visual網(wǎng)格數(shù)據(jù)系統(tǒng),可對傳統(tǒng)面向?qū)ο蟮腉IS、BIM技術(shù)補(bǔ)充增強(qiáng),并推動GIS+BIM+IoT融合發(fā)展。實踐中因建筑建模BIM技術(shù)在城市建設(shè)中的應(yīng)用較多,本文主要以建筑網(wǎng)格化建模(G-BIM)示例說明。

圖5 GDS數(shù)據(jù)平臺技術(shù)總體組成圖

    4.1數(shù)字孿生城市GDS網(wǎng)格數(shù)

    據(jù)平臺的G-BIM建模定標(biāo)技術(shù)

    多維城市空間GDS網(wǎng)格化建模定標(biāo)技術(shù)是研究將實體對象數(shù)據(jù)和場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格空間位置和網(wǎng)格空間屬性的技術(shù)。在轉(zhuǎn)換網(wǎng)格空間位置的過程中,涉及到原始模型所在的站心坐標(biāo)系到地球直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,可使用7參數(shù)法(3個旋轉(zhuǎn)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(biāo)位置,進(jìn)而計算出坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣;隨后根據(jù)地球橢球參數(shù)計算直角坐標(biāo)到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換;最后由大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到指定層級的立體網(wǎng)格編碼標(biāo)識(見圖6)。

圖6 城市空間 GDS建筑建模(G-BIM)網(wǎng)格定標(biāo)示意圖

    在轉(zhuǎn)換網(wǎng)格空間屬性的過程中,可針對數(shù)據(jù)源的類型,將網(wǎng)格空間屬性分為為兩類,針對不同的特性進(jìn)行轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究。實體屬性描述了來源于實體對象(建筑BIM數(shù)據(jù)、測繪圖、室內(nèi)管道等)的數(shù)據(jù)在網(wǎng)格空間中的屬性表達(dá)方式。

    根據(jù)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(shù)據(jù)集合所在的經(jīng)緯高,進(jìn)行經(jīng)緯度坐標(biāo)系和空間網(wǎng)格坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

    依據(jù)數(shù)據(jù)來源和需求的精度,選取適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格空間網(wǎng)格層級,確定實體覆蓋的空間網(wǎng)格,計算出空間網(wǎng)格集合。

    根據(jù)空間網(wǎng)格屬性填充算法,進(jìn)行空間屬性的填充;環(huán)境屬性描述了來源于場數(shù)據(jù)(溫度、濕度、磁場等)在網(wǎng)格空間中的屬性表達(dá)方式。

    根據(jù)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(shù)據(jù),確定場數(shù)據(jù)集合所在經(jīng)緯高,進(jìn)行經(jīng)緯度坐標(biāo)系和空間網(wǎng)格坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

    根據(jù)場數(shù)據(jù)特征和表達(dá)需求的精度,制定屬性表達(dá)規(guī)則,確定場數(shù)據(jù)數(shù)值和屬性等級對應(yīng)關(guān)系。

    根據(jù)空間網(wǎng)格屬性填充算法,進(jìn)行環(huán)境屬性的填充。

    該技術(shù)通過對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性抽象化,為數(shù)字孿生城市中涉及到的地理信息、建筑信息、電網(wǎng)信息、燃?xì)庑畔⒌榷嘣串悩?gòu)信息在城市網(wǎng)格框架數(shù)據(jù)底圖上的表達(dá)提供數(shù)據(jù)支持。

    4.2數(shù)字孿生城市GDS網(wǎng)格數(shù)

    據(jù)平臺的G-BIM快速轉(zhuǎn)換技術(shù)

    城市空間GDS網(wǎng)格化建?焖俎D(zhuǎn)換技術(shù),是將GIS、BIM與管線規(guī)劃圖等已有數(shù)字化成果結(jié)合實現(xiàn)城市空間的網(wǎng)格化快速轉(zhuǎn)換,在短耗時下迅速完成城市建筑、地貌、管網(wǎng)的網(wǎng)格化建模。

    該快速建模技術(shù)的核心問題在于實現(xiàn)三維矢量體對象的網(wǎng)格占據(jù)算法。目前常見的用于室內(nèi)平面設(shè)計的DWG、DXF等CAD產(chǎn)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(biāo)信息、點線關(guān)系拓?fù)、線面關(guān)系拓?fù)涞男问,表述對象的三維結(jié)構(gòu)。本技術(shù)將采用網(wǎng)格填充的方式,將傳統(tǒng)格式數(shù)據(jù)表達(dá)的三維對象轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格占據(jù)圖的形式,可預(yù)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(biāo)信息,與全球尺度的剖分網(wǎng)格坐標(biāo)存在差異;二是需要根據(jù)點線面拓?fù)湫畔,還原對象占據(jù)的三維空間并用立體網(wǎng)格對其進(jìn)行填充(見圖7)。

圖7 城市空間GDS建筑建模(G-BIM)網(wǎng)格轉(zhuǎn)換示意圖

    第一個難點可由網(wǎng)格定標(biāo)方法解決;第二個難點可用多種技術(shù)手段解決:一是根據(jù)點位坐標(biāo)和點線面拓?fù)湫畔ⅲ原得到三維面的占據(jù)格網(wǎng)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(luò)面內(nèi)部空間的網(wǎng)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(biāo)面上進(jìn)行投影面的二維網(wǎng)格填充,再向指定方向拉伸至三維網(wǎng)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(wǎng)格集合進(jìn)行求交、合并等空間運(yùn)算,也可得到對象的占據(jù)網(wǎng)格集合。

    5.應(yīng)用思路

    5.1實現(xiàn)數(shù)字孿生城市

    空間數(shù)據(jù)一體化標(biāo)識

    把整個城市空間劃分成連續(xù)的立體空間區(qū)塊,每個區(qū)塊都按統(tǒng)一的編碼規(guī)則賦予一個可計算的整型數(shù),由此形成的坐標(biāo)系稱為城市空間網(wǎng)格坐標(biāo)系。它既是在浮點坐標(biāo)系基礎(chǔ)上的一種離散網(wǎng)格坐標(biāo),又是全球網(wǎng)格體系在局部空間內(nèi)的拓展和細(xì)化,基于該區(qū)塊及其編碼可以對城市空間進(jìn)行位置標(biāo)識、空間建模與空間計算,從而支持各類室內(nèi)外位置服務(wù)(見圖8)。

圖8 基于城市空間網(wǎng)格框架的數(shù)字孿生城市空間一體化標(biāo)識示意圖

    其具體要求如下:

    空間標(biāo)識覆蓋整個城市空間。包括室內(nèi)外、地上下全空間的標(biāo)識和表達(dá)。使得數(shù)字孿生城市中囊括的全信息都能夠在網(wǎng)格的框架下進(jìn)行坐標(biāo)的標(biāo)識。

    空間標(biāo)識統(tǒng)一且唯一。基于網(wǎng)格坐標(biāo)對位置的標(biāo)識要統(tǒng)一且唯一。統(tǒng)一是指所有人按該規(guī)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(tǒng)內(nèi)其他位置的標(biāo)識編碼沖突。

    空間標(biāo)識能進(jìn)行高效空間計算。計算是坐標(biāo)的本質(zhì)特征,面對數(shù)字孿生城市中空域管控、地下空間導(dǎo)航、無人機(jī)路徑規(guī)劃等新興應(yīng)用需求,空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模型的坐標(biāo)需要支持高效的空間計算。

    5.2  實現(xiàn)數(shù)字孿生城市

    多源異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織

    在網(wǎng)格化的統(tǒng)一空間標(biāo)識的基礎(chǔ)上,可以對每個城市空間進(jìn)行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)屬性的寫入和關(guān)聯(lián),網(wǎng)格空間標(biāo)識成為了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)索引的主鍵。由此形成的數(shù)據(jù)管理體系稱為GDS管理體系。它是基于空間進(jìn)行數(shù)據(jù)組織的模型,同時又保留了多源數(shù)據(jù)原始的存儲方式;谄涿嫦蚩臻g的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),可以對城市空間的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間查詢、空間表達(dá)與空間分析,從而滿足數(shù)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(wǎng)格數(shù)據(jù)圖的數(shù)字孿生城市數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織示意圖

    其具體要求如下:

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

    單一層級的網(wǎng)格大小均勻。單一層級網(wǎng)格大小應(yīng)該是均勻的,方便對城市環(huán)境下各個局部區(qū)域數(shù)據(jù)的匯聚和整體區(qū)域數(shù)據(jù)的拆分。

    利用網(wǎng)格進(jìn)行統(tǒng)一組織。通過網(wǎng)格,對坐標(biāo)不同、結(jié)構(gòu)不同的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。

    6.結(jié)束語

    針對數(shù)字孿生城市多源異構(gòu)數(shù)據(jù)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(wǎng)格參考框架與GDS網(wǎng)格數(shù)據(jù)平臺技術(shù),將城市空間劃分成多尺度立體網(wǎng)格,立體網(wǎng)格覆蓋整個城市空間和每一個建筑空間;以剖分網(wǎng)格的惟一性作為媒介,對城市多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效組織、管理與應(yīng)用。從方法論角度,無論數(shù)據(jù)的時態(tài)、結(jié)構(gòu)等如何變化,利用空間網(wǎng)格的客觀惟一性,以不變應(yīng)萬變是應(yīng)對數(shù)字孿生城市多源異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織的有效手段。下一步研究將結(jié)合實際場景需求,進(jìn)一步發(fā)展G-GIS、G-BIM及G-Visual等專用工具,為數(shù)字孿生城市提供一種高效的數(shù)據(jù)組織技術(shù)體系。

    本文刊于《信息通信技術(shù)與政策》2020年第3期,版權(quán)歸原作者所有,轉(zhuǎn)載旨在分享。

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