数字孪生城市空间网格框架与GDS数据平台技术研究

    摘要

    针对数字孪生城市亟需空间统一框架与数据高效组织问题，基于地球空间剖分理论及相应的《地球表面空间网格与编码》（GJB8896-2017）、《北斗网格位置码》及《地球空间网格编码规则》等国家标准编制成果，提出发展一种数字孪生城市空间网格框架与GDS（Grid Data System）数据平台技术。城市多尺度立体剖分网格空间是一种地球空间的客观存在，城市万事万物在某一时间内一定落在某一或某几个网格体中，由此发展的GDS技术面向空间数据统一组织，有利于发展出面向空间建模的新型G-GIS、G-BIM等系统，是对传统GIS、BIM等面向对象建模数据系统的创新探索；有助于构建统一的空间数据框架进而实现城市多源异构数据的汇聚、关联与高效计算，对支撑数字孪生城市建设具有理论与实践意。

    关键词：数字孪生城市；空间网格框架；GDS数据平台技术

    1.数字孪生城市空间

    网格框架的基本概念

    数字孪生城市空间网格框架是指能支撑数字孪生城市空间管理的网格参考系，本文提出的是一种地球剖分型立体空间框架（见图1），由于依托GeoSOT地球剖分模型，也称为GeoSOT-City框架，按目前需要，该框架剖分尺度为32级，最小尺度在赤道附近达1.5cm粒度，是建立的一套城市或建筑空间的网格化划分规则（见图2）。

图1 GeoSOT地球空间剖分网格模型

图2 数字孪生城市空间网格框架概念示意图

    数字孪生城市空间网格框架GeoSOT-City具有多尺度、全球统一、高效计算等特性。通过该框架，数字孪生城市中的人、设施、环境等万事万物可依据网格编码，从物理空间映射至数字空间，可作为数字孪生城市进行城市规划仿真、城市建设管理、城市常态管理、交通信号仿真、应急演练仿真、公共安全防范、公共服务升级等的基础底座。

    2.国内外研究现状

    现实世界是三维的几何空间，任何事物都有其相应的三维空间信息。通过空间信息的三维表达，可以达到更好的空间认知效果，有利于数字孪生城市中信息的传递。现阶段，遍布在空、天、地、地下、水下多个空间层次的空间信息存在数据尺度多样、专业领域不同等特点。在空间数据组织上主要存在两种组织方法。一种是面向对象的数据组织技术，以空间对象为基础组织单元，将同一对象的相关空间数据存储在一起；另一种是面向空间的数据组织技术，它以空间为基础组织单元，空间中相关数据组织在一起。

    2.1 面向对象的

    数据组织技术体系

    面向对象的技术体系，是指利用经纬度等点坐标系统，利用矢量结构描述空间对象的技术，包括常用的GIS、BIM 、CAD等技术，这些技术的数据模型均基于经纬度或空间局域点坐标，利用矢量点标识结构，构建点、线、面、体对象模型。

    2.1.1  技术现状

    按照空间数据的描述格式，面向对象的数据组织技术可分为矢量数据模型、栅格空间数据模型以及矢栅一体化空间数据模型3种。现有的三维空间数据模型种类繁多，不同的数据模型往往面向不同的应用领域。

    矢量数据模型：是面向空间对象的数据模型，其将复杂的空间对象抽象成简单的几种结构，如点、线、面、体等。三维矢量数据模型更侧重于三维空间实体的表面信息描述。当前主要有边界模型（B-Rep）、线框模型（Wire Frame）、三维形式化数据模型（3D FDS）、面向对象三维几何目标数据模型（OO3D）、结构实体几何（CSG）模型、四面体格网（TEN）模型、三维Voronoi图模型和实体模型（Volume）。

    栅格空间数据模型：利用栅格点（Pixel）的集合描述空间实体形状，如照片、视频、遥感影像等。当前主要有多层DEMs模型、体素（Voxel）模型和八叉树（Octree）模型等。

    矢栅一体化空间数据模型：结合上述两种模型的优点，互为补充，在描述空间对象时集成使用多种数据模型。

    2.1.2  技术分析

    随着空间信息应用的不断发展，特别是大数据技术的发展，面向对象的技术体系，在数据空间交换方面存在一定短板，主要体现在几个方面。

    空间标识多样，统一困难。这是由点线面体对象标识的复杂性带来的，每一个空间对象（如一个楼房或一个房间）都要用一串点坐标对其外围轮廓进行标识，每个人或每个机构对同一个空间对象的轮廓标识点的取值大多不一样。标识不统一、也很难统一，数据整合或数据计算十分复杂，需要大量的时间做数据预处理。

    空间数据库快速更新遇到困难。每一个对象由于点坐标串很难统一，又索引困难，目前的空间数据库大多采用人为赋予ID码的方式创建数据库空间索引，而ID码没有客观标准，造成空间数据库的建库工作必须人工操作，维护更新费时费力。

    多源异构数据整合困难。现有的GIS、BIM、CAD、管线模型、遥感影像及各类空间属性数据，由于对象的组织方式不同，在空间数据格式、数据坐标标识上大多不一样，各种多源异构数据在空间上没有一个统一的组织框架，整合十分困难。

    空间计算困难。每个空间对象都由一串坐标构建，相互间的空间计算，包括拓扑计算、方位计算、叠加计算等，都要解矢量方程或矢量Overlay计算，效率极低。目前，对于一个中等城市的地块矢量图计算，两到三层还可以计算出来，图层一旦增多就会导致计算十分困难。

    2.2 面向空间的

    数据组织技术体系

    面向空间的技术体系，发展初衷是想重点解决面向对象技术体系遇到的短板，核心思想是构建地球空间多尺度网格组织框架，设定万事万物在每一个时刻一定落在某个或某几个网格空间中，将面向对象的管理转化成面向空间网格的管理，是一种重要的空间信息技术方法。

    2.2.1  平面空间网格技术

    平面空间网格技术有时也称地球平面网格空间管理技术。我国历史上的井田制管理技术实际就是较早的平面空间网格管理技术；德军在二战中使用大西洋网格来指挥潜艇 ，美军二战期间发展的MGRS系统，也是这方面的重要代表；特别是Google的数字地球，高德、百度的导航地图，均采用了平面空间网格技术。平面空间网格技术已成为地球平面空间管理的重要技术代表。

    2.2.2  立体空间网格技术

    面对三维空间的管理，传统的点坐标外轮廓面的描述方式在快速变化的空间管理中遇到挑战，如建筑内部空旷空间的描述、磁场电场空间的描述等。立体空间网格技术是近几十年发展较快的一个方向。其中，我国863、973及国家重点研发计划近20年一直在支持这个方向的技术研究，取得了一些重要成果，在国际上处于技术领先地位，已发展出了国军标《地球表面空间网格与编码》（GJB8896-2017）、北斗标准《北斗网格位置码》（即将发布）、国标《地球空间网格编码规则》（即将发布）等标准成果，并已在消防、电力、燃气等领域开展若干应用，对城市空间数据管理提供了一种重要的技术支撑。

    2.3技术发展趋势

    目前，地理信息领域一直在试图解决上述问题。经典面向对象的空间数据组织方法，能够较好完成结构化数据（矢量、栅格和模型）的组织。近些年来发展了元数据技术体系，但由于没有统一的对象标准，元数据结构也变得越来越复杂，有的元数据库已达十几层，维护工作量很大。国内外在探索的GIS-BIM一体化技术方案，能进行模型几何信息的初步转换，但存在融合标准有待完善、跨平台间系统难兼容等问题。上述技术手段，都未从根本上解决城市多维空间信息的一体化整合，尤其是动态信息整合的瓶颈。

    立体空间网格技术逐渐成为空间数据管理与整合领域的技术发展趋势。随着立体空间网格技术的日趋成熟，结合立体空间网格剖分及时间剖分技术，从空间和时间基本属性入手，将空间或时间作为“抓手”，发展时空网格数据模型，支持地理信息、建筑信息、管网信息、电网信息、燃气信息、电磁信息等城市相关数据的统一聚集与关联，有望破解统一空间组织框架和多源异构数据统一关联问题，实现城市信息全空间全生命周期的一体化组织与管理。按此趋势，本文拟利用立体网格技术解决数字孪生城市中面临的两大数据组织难题。

    统一的空间数据组织框架问题：一个面向数字孪生城市的多领域的统一空间数据组织框架，能够支撑多源异构的各类信息的整合、更新、分析与展示。

    多源异构数据统一关联问题：对于地理信息、建筑信息、管网信息、电网信息、燃气信息、电磁信息等多源异构数据，在存储组织的同时还需要挖掘数据间的内涵结构、研究多维空间数据之间的关联约束方法，最终为数字孪生城市提供更加智能综合的数据服务。

    3.数字孪生城

    市空间网格框架

    数字孪生城市空间网格框架把城市空间剖分成面积和形状相似、无缝无叠的多层次离散网格体。该网格结构从宏观上看，使整个城市全域空间被多层形状近似的网格体组成的“网格体元”所覆盖，不同层次的“网格体元”大小呈递归变化关系，形成可根据需要灵活组合、拆分、管理的多维空间网格剖分体系（见图3）。

图3 数字孪生城市空间网格框架的点面体统一坐标体系统

    数字孪生城市空间网格框架以本初子午线和参考椭球赤道平面的交点为原点，采用的划分和编码方案遵循《地球空间网格编码规则》的规定。地球表面空间网格剖分采用经纬度坐标空间，为了保证经纬高的整度、整分、整秒的划分，将地球空间扩展成2的整数次幂的经纬度空间，定义为512°×512°×512°网格，将每度的60′空间扩展到64′，将每分的60″空间扩展到64″，按照八分法逐级剖分至32级，最小表达精度可精确到1.5cm（见表1）。对于扩展的经纬度坐标空间中180°×360°范围内的部分与实际地理空间一致，超过180°×360°范围的部分没有实际地理意义。当高程为地球表面高度时，空间立体网格即为地球平面网格。

    表1  各层级网格尺度统计表

    数字孪生城市空间网格编码是具有全球唯一性的二进制一维整型编码。编码占用96bit，分为4段：27位度级编码、18位分级编码、18位秒级编码和33位秒以下编码。自全球依次向下八分编码，下一级网格在上一级网格基础上Z序编码，赋予每一个剖分单元地球上惟一编码。但Z序编码方向与该网格所在的1级网格相关，其中G0网格对应东北半球、G1网格对应西北半球、G2网格对应东南半球、G3网格对应西南半球（见图4）。

图4 数字孪生城市空间网格框架编码方案

    4.GDS数据平台技术

    本文基于GeoSOT-City数字孪生城市地球空间网格框架，提出一种GDS（Grid Data System）数据平台技术（见图5），包括面向空间建模的G-GIS、G-BIM及G-Visual网格数据系统，可对传统面向对象的GIS、BIM技术补充增强，并推动GIS+BIM+IoT融合发展。实践中因建筑建模BIM技术在城市建设中的应用较多，本文主要以建筑网格化建模（G-BIM）示例说明。

图5 GDS数据平台技术总体组成图

    4.1数字孪生城市GDS网格数

    据平台的G-BIM建模定标技术

    多维城市空间GDS网格化建模定标技术是研究将实体对象数据和场数据转化成网格空间位置和网格空间属性的技术。在转换网格空间位置的过程中，涉及到原始模型所在的站心坐标系到地球直角坐标系的转换，可使用7参数法（3个旋转因子、3个平移因子、1个比例因子），实地测绘得到3个以上控制点的站心、地球直角坐标位置，进而计算出坐标系转换矩阵；随后根据地球椭球参数计算直角坐标到大地坐标系的转换；最后由大地坐标转换得到指定层级的立体网格编码标识（见图6）。

图6 城市空间 GDS建筑建模（G-BIM）网格定标示意图

    在转换网格空间属性的过程中，可针对数据源的类型，将网格空间属性分为为两类，针对不同的特性进行转化技术的研究。实体属性描述了来源于实体对象（建筑BIM数据、测绘图、室内管道等）的数据在网格空间中的属性表达方式。

    根据多源信息对象涉及的点、线、面、体形式，解决路径如下：

    确定点、线、面、体数据集合所在的经纬高，进行经纬度坐标系和空间网格坐标系的转换。

    依据数据来源和需求的精度，选取适当的网格空间网格层级，确定实体覆盖的空间网格，计算出空间网格集合。

    根据空间网格属性填充算法，进行空间属性的填充；环境属性描述了来源于场数据（温度、湿度、磁场等）在网格空间中的属性表达方式。

    根据多源信息对象涉及的空间场形式，解决路径如下：

    针对空间场数据，确定场数据集合所在经纬高，进行经纬度坐标系和空间网格坐标系的转换。

    根据场数据特征和表达需求的精度，制定属性表达规则，确定场数据数值和属性等级对应关系。

    根据空间网格属性填充算法，进行环境属性的填充。

    该技术通过对多源数据进行属性抽象化，为数字孪生城市中涉及到的地理信息、建筑信息、电网信息、燃气信息等多源异构信息在城市网格框架数据底图上的表达提供数据支持。

    4.2数字孪生城市GDS网格数

    据平台的G-BIM快速转换技术

    城市空间GDS网格化建模快速转换技术，是将GIS、BIM与管线规划图等已有数字化成果结合实现城市空间的网格化快速转换，在短耗时下迅速完成城市建筑、地貌、管网的网格化建模。

    该快速建模技术的核心问题在于实现三维矢量体对象的网格占据算法。目前常见的用于室内平面设计的DWG、DXF等CAD产品格式文件以及RVT、FBX等建筑三维信息模型文件，皆采用顶点的相对坐标信息、点线关系拓扑、线面关系拓扑的形式，表述对象的三维结构。本技术将采用网格填充的方式，将传统格式数据表达的三维对象转换为网格占据图的形式，可预见两个主要的难点：一是某些格式文件只存储点位的相对米制坐标信息，与全球尺度的剖分网格坐标存在差异；二是需要根据点线面拓扑信息，还原对象占据的三维空间并用立体网格对其进行填充（见图7）。

图7 城市空间GDS建筑建模（G-BIM）网格转换示意图

    第一个难点可由网格定标方法解决；第二个难点可用多种技术手段解决：一是根据点位坐标和点线面拓扑信息，还原得到三维面的占据格网集合，随后研究三维种子填充算法或三维扫描线算法对包络面内部空间的网格填充；二是对于简单的柱状物体，可先将其投影到某一坐标面上进行投影面的二维网格填充，再向指定方向拉伸至三维网格集合；三是使用Cesium、3dsMAX或ArcGIS Pro等具有三维空间分析功能的成熟平台，将对象原始模型与其外包的立体网格集合进行求交、合并等空间运算，也可得到对象的占据网格集合。

    5.应用思路

    5.1实现数字孪生城市

    空间数据一体化标识

    把整个城市空间划分成连续的立体空间区块，每个区块都按统一的编码规则赋予一个可计算的整型数，由此形成的坐标系称为城市空间网格坐标系。它既是在浮点坐标系基础上的一种离散网格坐标，又是全球网格体系在局部空间内的拓展和细化，基于该区块及其编码可以对城市空间进行位置标识、空间建模与空间计算，从而支持各类室内外位置服务（见图8）。

图8 基于城市空间网格框架的数字孪生城市空间一体化标识示意图

    其具体要求如下：

    空间标识覆盖整个城市空间。包括室内外、地上下全空间的标识和表达。使得数字孪生城市中囊括的全信息都能够在网格的框架下进行坐标的标识。

    空间标识统一且唯一。基于网格坐标对位置的标识要统一且唯一。统一是指所有人按该规则给定的编码都是一致的；唯一是指该编码有且仅有一个，不会和系统内其他位置的标识编码冲突。

    空间标识能进行高效空间计算。计算是坐标的本质特征，面对数字孪生城市中空域管控、地下空间导航、无人机路径规划等新兴应用需求，空间网格结构模型的坐标需要支持高效的空间计算。

    5.2  实现数字孪生城市

    多源异构数据统一组织

    在网格化的统一空间标识的基础上，可以对每个城市空间进行多源异构数据属性的写入和关联，网格空间标识成为了多源异构数据索引的主键。由此形成的数据管理体系称为GDS管理体系。它是基于空间进行数据组织的模型，同时又保留了多源数据原始的存储方式。基于其面向空间的数据管理系统，可以对城市空间的数据进行空间查询、空间表达与空间分析，从而满足数字孪生城市用户快速获知信息的需求（见图9）。

图9 基于城市网格数据图的数字孪生城市数据统一组织示意图

    其具体要求如下：

    网格划分具有多尺度性。支持不同尺度体块的划分，需要构成一个由面及点，面、点结合，可根据需要灵活管理、组合、拆分的多维空间网格剖分体系，与多源异构的数据形成天然的匹配，并且方便信息的层级索引。

    单一层级的网格大小均匀。单一层级网格大小应该是均匀的，方便对城市环境下各个局部区域数据的汇聚和整体区域数据的拆分。

    利用网格进行统一组织。通过网格，对坐标不同、结构不同的多源数据进行整合。

    6.结束语

    针对数字孪生城市多源异构数据组织面临的瓶颈问题，本文提出了一种面向空间的、兼容性好的GeoSOT-City城市空间网格参考框架与GDS网格数据平台技术，将城市空间划分成多尺度立体网格，立体网格覆盖整个城市空间和每一个建筑空间；以剖分网格的惟一性作为媒介，对城市多源异构数据进行有效组织、管理与应用。从方法论角度，无论数据的时态、结构等如何变化，利用空间网格的客观惟一性，以不变应万变是应对数字孪生城市多源异构数据统一组织的有效手段。下一步研究将结合实际场景需求，进一步发展G-GIS、G-BIM及G-Visual等专用工具，为数字孪生城市提供一种高效的数据组织技术体系。

    本文刊于《信息通信技术与政策》2020年第3期，版权归原作者所有，转载旨在分享。