靳 婷

(1. 北京市測繪設(shè)計研究院， 北京 100045; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室， 北京 100045)

0 引言

隨著新基建的大力推進，數(shù)字孿生技術(shù)也越發(fā)凸顯其重要性。“數(shù)字孿生”是針對物理世界中的實體，集成了人工智能、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，在數(shù)字空間用高精度的數(shù)字模型來映射真實世界中的事物，并將真實世界中采集的數(shù)據(jù)信息反映到數(shù)字模型，使之能夠隨現(xiàn)實的情況變化而不斷更迭，并能夠基于數(shù)字模型聯(lián)動多源數(shù)據(jù)信息進行預(yù)測性的仿真分析和全生命周期過程的可視化[1-4]。隨著近年來城鎮(zhèn)化進程的加快，城市走向信息化、智能化、智慧化的腳步也在加快，特別是智慧城市的發(fā)展讓城市發(fā)生了翻天覆地的變化。此時，需要有更新、更科學(xué)的方法指導(dǎo)數(shù)字城市建設(shè)，推動智慧城市高質(zhì)量構(gòu)建。數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)，為智慧城市的發(fā)展提供了新思路和新理念，或者說是顛覆性的創(chuàng)新。隨之提出的數(shù)字孿生城市也必然成為智慧城市發(fā)展的一種必然趨勢。數(shù)字孿生城市是數(shù)字城市發(fā)展的目標(biāo)，是新型智慧城市建設(shè)的新高度[5]。而數(shù)字孿生技術(shù)所依靠的海量數(shù)據(jù)資源是基礎(chǔ)，也是新型智慧城市建設(shè)的數(shù)字底座[6]。

本文將基于北京市中心城區(qū)的核心區(qū)1 km2試驗區(qū)范圍內(nèi)的空間資源，進行多維多角度摸底，構(gòu)建二三維數(shù)據(jù)信息資源庫，為搭建核心區(qū)空間二三維一體化[7-10]展示平臺提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并研究如何利用二三維GIS技術(shù)，整合核心區(qū)全息三維模型數(shù)據(jù)和各類專題數(shù)據(jù)，搭建地上地下、室內(nèi)室外、二三維一體化的二三維展示應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)二三維空間展示、全要素信息查詢、統(tǒng)計分析等功能，為核心區(qū)精細(xì)化管理提供有力支撐，也為北京市未來數(shù)字孿生城市的建設(shè)積累初步經(jīng)驗。

1 設(shè)計思路

主要圍繞數(shù)據(jù)資源建設(shè)和二三維GIS展示系統(tǒng)建設(shè)兩方面開展，設(shè)計思路如圖1所示。數(shù)字資源建設(shè)方面，主要是：①在核心區(qū)1 km2試驗區(qū)范圍內(nèi)，基于現(xiàn)狀一張圖、基礎(chǔ)地形圖完成房屋建筑的空間圖形處理，并根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)進行建筑高度的采集；②基于不動產(chǎn)數(shù)據(jù)、房屋普查數(shù)據(jù)、房屋管理數(shù)據(jù)、國土三調(diào)數(shù)據(jù)、歷史建筑數(shù)據(jù)、城市體檢數(shù)據(jù)等，完成區(qū)域內(nèi)所有房屋建筑權(quán)屬的內(nèi)業(yè)初步摸排工作；③基于內(nèi)業(yè)初步成果，完成房屋的權(quán)屬外業(yè)調(diào)查工作，包括單位名稱、單位性質(zhì)、門牌地址、總用地面積、用地權(quán)屬單位、房屋權(quán)屬單位、地上總建筑面積、地下總建筑面積、建筑層數(shù)(地上、地下)、建成時間等信息調(diào)查；④搭建核心區(qū)內(nèi)房屋建筑GIS數(shù)據(jù)庫，內(nèi)外業(yè)成果的數(shù)據(jù)掛接與歸一化處理。二三維GIS展示系統(tǒng)建設(shè)方面，主要是采用二三維GIS技術(shù)，整合核心區(qū)全息三維模型數(shù)據(jù)和各類專題數(shù)據(jù)，搭建地上地下、室內(nèi)室外、二三維一體化的展示應(yīng)用系統(tǒng)。

圖1 設(shè)計思路

2 數(shù)據(jù)資源建設(shè)

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組織

收集各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，涉及行政區(qū)劃、地籍區(qū)、地籍子區(qū)、環(huán)線、街道等基礎(chǔ)圖層數(shù)據(jù)，以及土地數(shù)據(jù)、物業(yè)小區(qū)數(shù)據(jù)、核心區(qū)自然幢與邏輯幢數(shù)據(jù)、房屋戶數(shù)據(jù)、歷史建筑數(shù)據(jù)、道路及公共設(shè)施專題數(shù)據(jù)、地下空間專題數(shù)據(jù)等空間和屬性數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.2 三維數(shù)據(jù)組織

三維數(shù)據(jù)組織是從用地、房屋單體、分層分戶、城市部件等四方面收集信息。其中用地信息整理是以宗地信息為主，結(jié)合國土三調(diào)、國情普查等數(shù)據(jù)完善屬性信息，提取主要屬性信息與地塊掛接；房屋單體屬性信息整理是以房屋登記信息為基礎(chǔ)，結(jié)合國情普查數(shù)據(jù)、房屋普查數(shù)據(jù)進行房屋單體屬性數(shù)據(jù)整理，提取主要屬性信息與房屋單體掛接，并將相關(guān)人口數(shù)據(jù)掛接在房屋上；分層分戶信息整理是對房屋進行分層、分戶建模，并按照實際使用情況，利用房屋登記、街道提供的材料等數(shù)據(jù)，對分層、分戶的屬性信息進行掛接；城市部件擴展屬性信息整理是針對城市的燈桿、井蓋、公交車站、地鐵站、變電站等部件進行屬性數(shù)據(jù)采集并掛接。

2.3 空間信息編碼

空間信息編碼是按照空間單元、地物單體、室內(nèi)分層分戶三方面進行分類編碼?？臻g單元編碼是將作業(yè)區(qū)按照主要道路邊線進行劃分，即大區(qū)用4位數(shù)字表示，每個大區(qū)內(nèi)部按照道路圍合情況，細(xì)分為地塊級別的小區(qū)，以小區(qū)作為空間管理單元。地物單體分類是按照對象類別和主要用途組合編碼，比如建筑按照住宅、商業(yè)、公共設(shè)施、辦公、工業(yè)等用途編碼，地下空間按照地下停車場、人防工程、地下管線、地下室等用途編碼。室內(nèi)分層分戶編碼是按照對象類別、用途、樓層、單元號、4位順序碼組合編碼。

2.4 其他資料收集

其他資料的收集范圍包括規(guī)劃審批數(shù)據(jù)、竣工驗收數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、人防數(shù)據(jù)、航片或衛(wèi)片數(shù)據(jù)、興趣點(Point Of Interesting，POI)數(shù)據(jù)，以及地鐵、地下管線數(shù)據(jù)。

2.5 內(nèi)業(yè)提取信息整理

根據(jù)收集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)、其他數(shù)據(jù)資料進行屬性信息整理，對于部分不確定或者沒有值的屬性字段，通過內(nèi)業(yè)登記檔案查閱和外業(yè)調(diào)查的方式進行核查，并將調(diào)查的信息補錄至數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫字段主要包括地上建筑面積、地下建筑面積、地上建筑層數(shù)、地下建筑層數(shù)、房屋建成時間、單位名稱、單位性質(zhì)、門牌地址、總用地面積、用地權(quán)屬單位、房屋權(quán)屬單位等。

2.6 建筑空間圖形處理

以不動產(chǎn)自然幢為基準(zhǔn)，以自然幢不動產(chǎn)單元號為唯一標(biāo)識。整合不動產(chǎn)自然幢數(shù)據(jù)，西城普查平房數(shù)據(jù)，西城普查房屋現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和單體一張圖數(shù)據(jù)。整合原則是優(yōu)先認(rèn)定不動產(chǎn)登記落宗數(shù)據(jù)為準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)視建筑對象分情況排列使用優(yōu)先級。對初步整合完成的建筑空間圖形，依據(jù)最新的影像進行比對，通過內(nèi)業(yè)方法將新增、拆除、改擴建的建筑進行標(biāo)記，進一步核實后形成最終的建筑空間圖層。

2.7 外業(yè)信息采集

外業(yè)信息采集分為二維數(shù)據(jù)外業(yè)采集、三維空間數(shù)據(jù)外業(yè)采集。二維數(shù)據(jù)外業(yè)采集是通過外業(yè)查看的形式進行單位名稱、門牌地址、建筑層數(shù)(地上、地下)、建成時間等屬性的調(diào)查核實，通過對街道進行走訪、調(diào)查等形式進行單位性質(zhì)、用地權(quán)屬單位、房屋權(quán)屬單位、地上總建筑面積、地下總建筑面積等屬性信息的核實。三維空間數(shù)據(jù)外業(yè)采集主要包括：①建筑立面信息采集，對試驗區(qū)1 km2范圍內(nèi)室外建筑底部照片可全面拍照采集，主要用于發(fā)現(xiàn)變化、貼圖獲取以及屬性獲取等，拍攝時盡量避開相機鏡頭與建筑實體之間的雜物，如汽車、行人、電線、衣物等等，尤其是實體上的廣告牌，盡量不能讓雜物遮擋住字面和畫面，也可通過車載移動測量系統(tǒng)(圖3)采集室外機動車可行駛的街道兩側(cè)點云和全景影像數(shù)據(jù)，同時也可采集面積較大、全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)信號較好的停車場數(shù)據(jù)；②地下空間及室內(nèi)空間信息采集，可攜帶打印的內(nèi)部圖紙，到建筑內(nèi)部進行拍照，在實地拍照探勘過程中對圖紙的現(xiàn)勢性和準(zhǔn)確性進行核實，對圖紙上不清晰的門窗和出入口進行標(biāo)注，記錄房間信息，同時記錄拍攝位置圖，或采用推掃式三維激光掃描車或背包式三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)采集；③道路及附屬設(shè)施信息采集，可通過拍照采集地面、景觀小品、綠植、道路、橋梁等，對于城市精細(xì)部件，可采用手持式三維激光掃描儀對其進行快速采集。

圖3 車載移動測量系統(tǒng)

2.8 三維模型生成

三維數(shù)據(jù)從結(jié)構(gòu)上分為地面、地上、地下三部分組成，如圖4所示。其中地面部分由數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)和真正射影像圖(True Digital Orthophoto Map，TDOM)空間疊合生成三維地形；地上部分分為樹木、道路和橋梁、建筑物、附屬設(shè)施等單體模型，建筑可進一步精細(xì)化實現(xiàn)分層分戶模型，并且進行室內(nèi)三維建模；地下部分主要指地下空間的三維重建，包含地鐵、人防工程、地下管線和普通地下空間。三維數(shù)據(jù)按照表現(xiàn)細(xì)節(jié)和表達內(nèi)容的差異，分為不同層級和不同類別。

圖4 三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

2.9 內(nèi)業(yè)與外業(yè)數(shù)據(jù)整合

對于內(nèi)業(yè)已有數(shù)據(jù)成果與外業(yè)采集的信息，可采取ArcGIS 10和CityMaker Builder 6等二三維地理信息化技術(shù)，依托內(nèi)業(yè)制作的三維模型，通過唯一關(guān)聯(lián)字段和地理空間位置完成外業(yè)采集的屬性信息的關(guān)聯(lián)與整合，質(zhì)檢合格后統(tǒng)一整理入庫，建立內(nèi)外業(yè)一體的數(shù)據(jù)整合成果數(shù)據(jù)庫。

具體技術(shù)實現(xiàn)如下：

(1)將未貼圖的三維結(jié)構(gòu)模型在CityMaker Builder6中進行整合。

(2)從三維場景數(shù)據(jù)導(dǎo)出MDB數(shù)據(jù)文件，包含三維模型數(shù)據(jù)的中心點坐標(biāo)信息及三維模型名稱(BuildingID)。

(3)將MDB數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到ArcGIS中，以X插入點為x值，以Y插入點為y值。

(4)將文件由CGCS2000轉(zhuǎn)為北京地方坐標(biāo)系。

(5)根據(jù)空間位置掛接房屋普查數(shù)據(jù)中的項目或小區(qū)名稱、地址、地上層數(shù)、地下層數(shù)、房屋類型、使用類型、竣工年代信息，無法掛接的在備注中填寫原因。

(6)進行兩級檢查并對問題進行修改。

(7)形成dbf格式的成果，成果中BuildingID作為三維模型的唯一編碼。

3 二三維GIS展示應(yīng)用系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)技術(shù)路線

系統(tǒng)平臺采用分層架構(gòu)，各層次之間功能獨立且耦合度低，每層再劃分獨立模塊，組件化封裝，實現(xiàn)不同模塊之間的分離，提高開發(fā)效率，增強系統(tǒng)的擴展性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護性，同時安全保障體系和運維保障體系不可或缺。技術(shù)架構(gòu)如圖5所示。

注：HTML是超文本標(biāo)記語言；CSS是層疊樣式表；JavaScript是爪哇腳本；Vue是用于構(gòu)建用戶界面的漸進式框架；J2EE是為大企業(yè)主機級的計算類型而設(shè)計的Java平臺；SSM(SpringMVC、Spring、MyBatis)是由輕量級的Java開發(fā)框架Spring、SpringFrameWork的后續(xù)產(chǎn)品Spring MVC、基于Java的持久層框架MyBatis組成的三大框架的整合框架；WebServer是網(wǎng)頁服務(wù)器。

基礎(chǔ)層是系統(tǒng)運行的前提，包括網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)組成的運行環(huán)境，以及數(shù)據(jù)庫和WebServer(網(wǎng)頁服務(wù)器)，其中數(shù)據(jù)庫為PostgreSQL[自由的對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器(數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))]。WebServer采用Tomcat+Nginx(Tomcat服務(wù)器是一個免費的開放源代碼的Web應(yīng)用服務(wù)器；Nginx是一款輕量級的Web服務(wù)器/反向代理服務(wù)器及電子郵件代理服務(wù)器。)。

支撐層包括二維GIS服務(wù)引擎和三維GIS引擎。用于構(gòu)建集中管理的、支持多用戶的、具備高級二三維GIS功能的企業(yè)級二三維GIS應(yīng)用與服務(wù)。

業(yè)務(wù)層是基于J2EE SSM[J2EE是為大企業(yè)主機級的計算類型而設(shè)計的Java平臺；SSM(SpringMVC、Spring、MyBatis)是由輕量級的Java開發(fā)框架Spring、SpringFrameWork的后續(xù)產(chǎn)品Spring MVC、基于Java的持久層框架MyBatis組成的三大框架的整合框架]框架開發(fā)，SSM框架由SpringMVC、Spring、MyBatis三個開源框架整合而成，常作為數(shù)據(jù)源較簡單的web項目的框架。

表現(xiàn)層是基于HTML(超文本標(biāo)記語言)、CSS(層疊樣式表)與JavaScript(爪哇腳本)進行開發(fā)。通過Vue(用于構(gòu)建用戶界面的漸進式框架)的組件機制對前端頁面進行組件化拆分，提高頁面的響應(yīng)效率與用戶的交互體驗。

3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)二三維地圖瀏覽、地上地下、室內(nèi)室外、分層分戶等各種二三維展示功能。同時可查看樓棟及分層分戶屬性信息、樓盤表、使用情況、產(chǎn)權(quán)情況、物業(yè)管理等具體信息。

基于核心區(qū)1 km2試驗區(qū)范圍內(nèi)的三維空間立體模型，可將相應(yīng)關(guān)鍵屬性信息賦予三維模型上，主要以土地用途、規(guī)劃用途、主要權(quán)利人性質(zhì)、樓幢地下空間進行分類，按照土地數(shù)量、土地面積、樓幢數(shù)量、樓幢建筑面積、樓幢地下層數(shù)等主要屬性指標(biāo)統(tǒng)計分析，便于直觀便捷查詢或瀏覽目標(biāo)，用于領(lǐng)導(dǎo)決策或熱點區(qū)域分析。

4 結(jié)束語

首次嘗試對北京市中心城區(qū)的核心區(qū)1 km2試驗區(qū)范圍內(nèi)的空間資源，進行多維多角度摸底，整合試驗區(qū)范圍內(nèi)全息三維模型數(shù)據(jù)和各類專題數(shù)據(jù)，構(gòu)建二三維數(shù)據(jù)信息資源庫，搭建核心區(qū)空間二三維一體化展示平臺。建設(shè)成果為后期大規(guī)模開展核心區(qū)房屋建筑空間邊界和權(quán)屬底數(shù)的摸底提供了解決方法和工作思路，為核心區(qū)空間資源摸底專項工作打下堅實數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與信息化基礎(chǔ)。但系統(tǒng)建設(shè)層面更多側(cè)重展示核心區(qū)空間二三維一體化信息，對于融合多部門、多維度的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、動態(tài)感知以及智能管控關(guān)注較少。未來須結(jié)合核心區(qū)盡可能多的相關(guān)各部門信息數(shù)據(jù)，比如覆蓋政務(wù)和社會大數(shù)據(jù)(交通、教育、醫(yī)療、公共設(shè)施、文化設(shè)施等)，實現(xiàn)人、地、房、事、物、組織等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)深度融合，對建筑、社區(qū)、街區(qū)等不同空間尺度城市運行狀態(tài)進行實時感知和響應(yīng)，推動核心區(qū)全時全域動態(tài)感知與智能分析，并繼續(xù)探索與BIM結(jié)合的二三維一體化的應(yīng)用場景，摸索出一條有效的數(shù)字孿生城市發(fā)展路徑，同時不斷嘗試與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等最新技術(shù)的互補融合，提升仿真預(yù)測和虛實融合互動能力，助力孿生城市的協(xié)同“共智”[11]。