靳 婷

(1. 北京市測繪設計研究院， 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，數字孿生技術也越發(fā)凸顯其重要性?！皵底謱\生”是針對物理世界中的實體，集成了人工智能、機器學習等技術，在數字空間用高精度的數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據信息反映到數字模型，使之能夠隨現實的情況變化而不斷更迭，并能夠基于數字模型聯動多源數據信息進行預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、更科學的方法指導數字城市建設，推動智慧城市高質量構建。數字孿生技術的出現，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。數字孿生城市是數字城市發(fā)展的目標，是新型智慧城市建設的新高度[5]。而數字孿生技術所依靠的海量數據資源是基礎，也是新型智慧城市建設的數字底座[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)范圍內的空間資源，進行多維多角度摸底，構建二三維數據信息資源庫，為搭建核心區(qū)空間二三維一體化[7-10]展示平臺提供數據基礎，并研究如何利用二三維GIS技術，整合核心區(qū)全息三維模型數據和各類專題數據，搭建地上地下、室內室外、二三維一體化的二三維展示應用系統(tǒng)，實現二三維空間展示、全要素信息查詢、統(tǒng)計分析等功能，為核心區(qū)精細化管理提供有力支撐，也為北京市未來數字孿生城市的建設積累初步經驗。

1 設計思路

主要圍繞數據資源建設和二三維GIS展示系統(tǒng)建設兩方面開展，設計思路如圖1所示。數字資源建設方面，主要是：①在核心區(qū)1 km2試驗區(qū)范圍內，基于現狀一張圖、基礎地形圖完成房屋建筑的空間圖形處理，并根據三維模型數據進行建筑高度的采集；②基于不動產數據、房屋普查數據、房屋管理數據、國土三調數據、歷史建筑數據、城市體檢數據等，完成區(qū)域內所有房屋建筑權屬的內業(yè)初步摸排工作；③基于內業(yè)初步成果，完成房屋的權屬外業(yè)調查工作，包括單位名稱、單位性質、門牌地址、總用地面積、用地權屬單位、房屋權屬單位、地上總建筑面積、地下總建筑面積、建筑層數(地上、地下)、建成時間等信息調查；④搭建核心區(qū)內房屋建筑GIS數據庫，內外業(yè)成果的數據掛接與歸一化處理。二三維GIS展示系統(tǒng)建設方面，主要是采用二三維GIS技術，整合核心區(qū)全息三維模型數據和各類專題數據，搭建地上地下、室內室外、二三維一體化的展示應用系統(tǒng)。

圖1 設計思路

2 數據資源建設

2.1 基礎數據組織

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

圖2 基礎數據

2.2 三維數據組織

三維數據組織是從用地、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，結合國土三調、國情普查等數據完善屬性信息，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，結合國情普查數據、房屋普查數據進行房屋單體屬性數據整理，提取主要屬性信息與房屋單體掛接，并將相關人口數據掛接在房屋上；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據，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據采集并掛接。

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位數字表示，每個大區(qū)內部按照道路圍合情況，細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)劃審批數據、竣工驗收數據、現狀數據、人防數據、航片或衛(wèi)片數據、興趣點(Point Of Interesting，POI)數據，以及地鐵、地下管線數據。

2.5 內業(yè)提取信息整理

根據收集的基礎數據、三維數據、其他數據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，通過內業(yè)登記檔案查閱和外業(yè)調查的方式進行核查，并將調查的信息補錄至數據庫。數據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、地下建筑層數、房屋建成時間、單位名稱、單位性質、門牌地址、總用地面積、用地權屬單位、房屋權屬單位等。

2.6 建筑空間圖形處理

以不動產自然幢為基準，以自然幢不動產單元號為唯一標識。整合不動產自然幢數據，西城普查平房數據，西城普查房屋現狀數據和單體一張圖數據。整合原則是優(yōu)先認定不動產登記落宗數據為準確數據，其他數據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，依據最新的影像進行比對，通過內業(yè)方法將新增、拆除、改擴建的建筑進行標記，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據外業(yè)采集、三維空間數據外業(yè)采集。二維數據外業(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(地上、地下)、建成時間等屬性的調查核實，通過對街道進行走訪、調查等形式進行單位性質、用地權屬單位、房屋權屬單位、地上總建筑面積、地下總建筑面積等屬性信息的核實。三維空間數據外業(yè)采集主要包括：①建筑立面信息采集，對試驗區(qū)1 km2范圍內室外建筑底部照片可全面拍照采集，主要用于發(fā)現變化、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點云和全景影像數據，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據；②地下空間及室內空間信息采集，可攜帶打印的內部圖紙，到建筑內部進行拍照，在實地拍照探勘過程中對圖紙的現勢性和準確性進行核實，對圖紙上不清晰的門窗和出入口進行標注，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據采集；③道路及附屬設施信息采集，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

三維數據從結構上分為地面、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、附屬設施等單體模型，建筑可進一步精細化實現分層分戶模型，并且進行室內三維建模；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。三維數據按照表現細節(jié)和表達內容的差異，分為不同層級和不同類別。

圖4 三維數據結構圖

2.9 內業(yè)與外業(yè)數據整合

對于內業(yè)已有數據成果與外業(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，依托內業(yè)制作的三維模型，通過唯一關聯字段和地理空間位置完成外業(yè)采集的屬性信息的關聯與整合，質檢合格后統(tǒng)一整理入庫，建立內外業(yè)一體的數據整合成果數據庫。

具體技術實現如下：

(1)將未貼圖的三維結構模型在CityMaker Builder6中進行整合。

(2)從三維場景數據導出MDB數據文件，包含三維模型數據的中心點坐標信息及三維模型名稱(BuildingID)。

(3)將MDB數據文件導入到ArcGIS中，以X插入點為x值，以Y插入點為y值。

(4)將文件由CGCS2000轉為北京地方坐標系。

(5)根據空間位置掛接房屋普查數據中的項目或小區(qū)名稱、地址、地上層數、地下層數、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展示應用系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)技術路線

系統(tǒng)平臺采用分層架構，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。技術架構如圖5所示。

注：HTML是超文本標記語言；CSS是層疊樣式表；JavaScript是爪哇腳本；Vue是用于構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是網頁服務器。

基礎層是系統(tǒng)運行的前提，包括網絡、操作系統(tǒng)組成的運行環(huán)境，以及數據庫和WebServer(網頁服務器)，其中數據庫為PostgreSQL[自由的對象-關系數據庫服務器(數據庫管理系統(tǒng))]。WebServer采用Tomcat+Nginx(Tomcat服務器是一個免費的開放源代碼的Web應用服務器；Nginx是一款輕量級的Web服務器/反向代理服務器及電子郵件代理服務器。)。

支撐層包括二維GIS服務引擎和三維GIS引擎。用于構建集中管理的、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應用與服務。

業(yè)務層是基于J2EE SSM[J2EE是為大企業(yè)主機級的計算類型而設計的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，常作為數據源較簡單的web項目的框架。

表現層是基于HTML(超文本標記語言)、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，提高頁面的響應效率與用戶的交互體驗。

3.2 系統(tǒng)功能實現

系統(tǒng)實現二三維地圖瀏覽、地上地下、室內室外、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、產權情況、物業(yè)管理等具體信息。

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

4 結束語

首次嘗試對北京市中心城區(qū)的核心區(qū)1 km2試驗區(qū)范圍內的空間資源，進行多維多角度摸底，整合試驗區(qū)范圍內全息三維模型數據和各類專題數據，構建二三維數據信息資源庫，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屬底數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據基礎與信息化基礎。但系統(tǒng)建設層面更多側重展示核心區(qū)空間二三維一體化信息，對于融合多部門、多維度的數據進行統(tǒng)計分析、動態(tài)感知以及智能管控關注較少。未來須結合核心區(qū)盡可能多的相關各部門信息數據，比如覆蓋政務和社會大數據(交通、教育、醫(yī)療、公共設施、文化設施等)，實現人、地、房、事、物、組織等基礎數據深度融合，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，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結合的二三維一體化的應用場景，摸索出一條有效的數字孿生城市發(fā)展路徑，同時不斷嘗試與物聯網、大數據、人工智能、5G等最新技術的互補融合，提升仿真預測和虛實融合互動能力，助力孿生城市的協同“共智”[11]。