面向地理分析模擬的城市小區(qū)場景數(shù)據(jù)組織方法

陶 虹，樂松山，校大衛(wèi)，孫菱志，蘆宇辰，汪靈珊，鄭培蓓,4，閭國年

1. 南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023； 2. 江蘇省地理環(huán)境演化國家重點實驗室培育建設(shè)點，江蘇 南京 210023； 3. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023； 4. 蘇州工業(yè)園區(qū)測繪地理信息有限公司，江蘇 蘇州 215027

城市是人口最為集中、社會經(jīng)濟(jì)活動最為頻繁的區(qū)域，城市環(huán)境的建模與模擬研究一直都是地理學(xué)相關(guān)研究領(lǐng)域的重要研究方向[1-2]。在我國，城市小區(qū)(城市居住小區(qū))是居住功能的主要承載體，其形式規(guī)整、自成體系，且數(shù)量巨大、發(fā)展迅速，是我國城市空間的基礎(chǔ)地理單元[3-4]。近年來，城市小區(qū)的積水內(nèi)澇、停車難、噪音影響、光污染等問題不斷涌現(xiàn)，對城市小區(qū)的精細(xì)設(shè)計、科學(xué)建設(shè)及管理運(yùn)維的需求越來越迫切[5-7]。如何利用計算機(jī)技術(shù)、地理信息、虛擬地理環(huán)境等相關(guān)理論和方法來支撐城市小區(qū)環(huán)境的綜合模擬，輔助人們了解小區(qū)全貌、精確管理多種數(shù)據(jù)資源、進(jìn)行可靠的小區(qū)運(yùn)維決策，是智慧城市微觀化、精細(xì)化應(yīng)用與發(fā)展的必然趨勢[8-10]。

當(dāng)前在城市空間的數(shù)據(jù)模型構(gòu)建與應(yīng)用方面的研究已經(jīng)取得了系列的成果，其中以CityGML和BIM技術(shù)的發(fā)展為代表?；贑ityGML數(shù)據(jù)模型可以完整靈活地表達(dá)城市三維對象的語義、幾何、拓?fù)洹傩缘刃畔?，并且通過定義5種不同細(xì)節(jié)層次(LOD)，來表達(dá)城市三維空間不同尺度的信息，并保持語義和幾何的一致性[11-12]。此外，由于建筑物在城市空間中的重要性，研究者在針對BIM數(shù)據(jù)模型的研究中提出了工業(yè)基礎(chǔ)類IFC數(shù)據(jù)模型(industry foundational classes)，利用IFC數(shù)據(jù)模型對建筑構(gòu)件的語義表達(dá)能力，能有效地支撐建筑建設(shè)工程管理、三維可視化建模以及結(jié)構(gòu)分析等應(yīng)用[13-14]。以上數(shù)據(jù)模型分別從城市整體和建筑主體來進(jìn)行空間信息建模，但是，相較于宏觀的城市尺度以及微觀的建筑物尺度，中觀尺度城市小區(qū)建模與分析研究還相對匱乏。

對于城市小區(qū)環(huán)境的建模分析和應(yīng)用，當(dāng)前研究主要是從特定問題和特定研究領(lǐng)域出發(fā)，通過構(gòu)建相應(yīng)的分析模型對小區(qū)的自然、社會、人文等環(huán)境進(jìn)行模擬。例如，對臨街城市小區(qū)的交通噪聲分布模擬[15]、城市小區(qū)的日照模擬[16]、城市小區(qū)內(nèi)的管網(wǎng)分析模擬[17]、城市小區(qū)的降水模擬[18]等。而對于城市小區(qū)環(huán)境的綜合模擬，則難以通過構(gòu)建單一模型來完成對小區(qū)環(huán)境各個層面的完整表達(dá)。在虛擬地理環(huán)境(virtual geographic environment，VGE)研究領(lǐng)域，將地理分析模型作為支撐地理環(huán)境動態(tài)表達(dá)的重要資源，通過不同的數(shù)據(jù)模型與地理分析模型集成，可以解決復(fù)雜地理問題，形成諸多集成建模平臺相關(guān)的成果[19-23]。城市環(huán)境作為地理環(huán)境的重要組成部分，其復(fù)雜程度高且受人為干預(yù)強(qiáng)烈，當(dāng)前針對城市6小區(qū)環(huán)境分析模擬的集成建模研究較少，阻礙了在小區(qū)尺度上對城市環(huán)境問題的綜合求解與分析。

針對此，本文從城市小區(qū)環(huán)境的分析模擬需求出發(fā)，以構(gòu)建一種能夠有序表達(dá)小區(qū)環(huán)境信息的小區(qū)建模場景為主要目標(biāo)，設(shè)計城市小區(qū)建模信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化組織方法。本文所構(gòu)建的小區(qū)建模場景，區(qū)別于小區(qū)三維可視化表達(dá)場景，是一種服務(wù)于城市小區(qū)環(huán)境分析模擬的綜合數(shù)據(jù)倉庫。在此基礎(chǔ)上，本研究通過設(shè)計小區(qū)分析模型與小區(qū)建模場景的集成運(yùn)行方法，從小區(qū)建模場景中抽取出適合分析模型運(yùn)行的數(shù)據(jù)內(nèi)容，從而支撐在所構(gòu)建的小區(qū)建模場景上對小區(qū)環(huán)境進(jìn)行模擬和分析。

1 城市小區(qū)建模信息的結(jié)構(gòu)化組織

城市小區(qū)環(huán)境的分析模擬涉及多個學(xué)科和專業(yè)，在研究對象、研究方法和研究尺度上都存在較大的差異性。不同建模研究對于小區(qū)數(shù)據(jù)的抽象方法、組織方式和詳細(xì)程度也都各不相同。這些建模應(yīng)用的特征都對小區(qū)集成建模模擬研究提出了更高的要求，尤其是如何將小區(qū)環(huán)境信息完整表達(dá)出來以適應(yīng)于不同的建模需求。本文從地理信息建模的視角認(rèn)識小區(qū)，按照層次化的組織方式來構(gòu)建城市小區(qū)建模場景，形成支撐不同分析模型應(yīng)用的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.1 城市小區(qū)建模場景的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

城市小區(qū)內(nèi)包含了各種各樣的地物，既有與人工設(shè)計相關(guān)的建筑、管網(wǎng)、道路等數(shù)據(jù)，也有與自然環(huán)境相關(guān)的氣候、水文、地質(zhì)等數(shù)據(jù)，還有與人文環(huán)境相關(guān)的人口、社保、戶籍等數(shù)據(jù)。此外，根據(jù)城市小區(qū)建模模擬的研究對象不同，城市小區(qū)數(shù)據(jù)還需要跟紛繁多樣的建模專業(yè)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。本文按照小區(qū)系統(tǒng)(system)，小區(qū)系統(tǒng)要素(object)和小區(qū)系統(tǒng)要素關(guān)系(relation)3種不同的對象類型來表達(dá)小區(qū)環(huán)境中的各種建模信息，并通過對這3種對象的層次化組織來構(gòu)建城市小區(qū)建模場景。

(1) 小區(qū)系統(tǒng)是從功能系統(tǒng)的視角對城市小區(qū)進(jìn)行抽象和劃分，是指在一定的結(jié)構(gòu)組織下通過相互協(xié)同共同完成特定功能定位的小區(qū)地理實體集合。小區(qū)系統(tǒng)中的要素除了具有地理位置外，它還具有在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的位置與功能特性。小區(qū)的系統(tǒng)構(gòu)成與小區(qū)功能要求密切相關(guān)，城市小區(qū)主要有使用(居住、通行、交往)以及衛(wèi)生、安全、美觀等功能要求。本文在城市小區(qū)建模場景中定義了6個基本的小區(qū)系統(tǒng)：建筑系統(tǒng)、通行系統(tǒng)、管線系統(tǒng)、景觀系統(tǒng)、防災(zāi)系統(tǒng)和衛(wèi)生系統(tǒng)。此6個基本的小區(qū)系統(tǒng)內(nèi)部均可包含相應(yīng)的子系統(tǒng)來對城市小區(qū)空間進(jìn)行不同細(xì)節(jié)層次的表達(dá)。

(2) 小區(qū)系統(tǒng)要素是指按小區(qū)系統(tǒng)組織的小區(qū)內(nèi)部各個地理實體的對象化表達(dá)，也是小區(qū)建模應(yīng)用中的基本組成元素，它具有明確的語義屬性、空間屬性和行為屬性。小區(qū)系統(tǒng)要素的語義屬性是其在解釋層面的信息。例如，小區(qū)內(nèi)一條人行走道要素的描述中，其語義屬性包含名稱、長/寬度、建造材料等屬性信息。小區(qū)系統(tǒng)要素的空間屬性是對某個小區(qū)系統(tǒng)要素進(jìn)行空間化的描述。例如，在小區(qū)某個建筑物要素的描述中，包含該建筑物的幾何輪廓信息、樓層分戶幾何信息、建筑高程信息等。小區(qū)系統(tǒng)要素的行為信息是通過不同的行為名稱和量化指標(biāo)來指明其對小區(qū)環(huán)境的影響。例如，小區(qū)內(nèi)某塊草地要素的描述中，其對降水的截留作用可以影響整個小區(qū)的降水模擬，此信息用量化的雨水截留系數(shù)來表達(dá)。

(3) 小區(qū)系統(tǒng)要素關(guān)系是將小區(qū)系統(tǒng)間的關(guān)系、小區(qū)系統(tǒng)要素間的關(guān)系、小區(qū)系統(tǒng)與小區(qū)系統(tǒng)要素之間的關(guān)系、小區(qū)系統(tǒng)與外部城市環(huán)境之間的關(guān)系等進(jìn)行統(tǒng)一管理和表達(dá)的對象。在小區(qū)系統(tǒng)要素關(guān)系中，主要包含有語義關(guān)系、空間關(guān)系及作用關(guān)系。語義關(guān)系用于表達(dá)不同小區(qū)系統(tǒng)/要素在語義層面的關(guān)系，如綠化中的銀杏、香樟都屬于喬木，兩者在語義上具有類屬的關(guān)系?？臻g關(guān)系用于表達(dá)不同小區(qū)系統(tǒng)/要素在空間上的拓?fù)潢P(guān)系、距離關(guān)系和方位關(guān)系等，如建筑物與小區(qū)地塊之間的相交關(guān)系等。作用關(guān)系用于表達(dá)小區(qū)系統(tǒng)/要素間復(fù)雜的相互影響關(guān)系，如小區(qū)道路對小區(qū)消防系統(tǒng)的影響作用等。

在城市小區(qū)建模場景中，小區(qū)系統(tǒng)-要素-關(guān)系三者按照層次化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織。在小區(qū)系統(tǒng)中包含相應(yīng)的子系統(tǒng)，在小區(qū)系統(tǒng)要素中包含相應(yīng)的子要素，在小區(qū)系統(tǒng)要素關(guān)系中引用了建模場景中定義的小區(qū)系統(tǒng)或者小區(qū)系統(tǒng)要素。

1.2 城市小區(qū)建模場景的內(nèi)容表達(dá)

在對城市小區(qū)進(jìn)行集成建模模擬的研究中，由于專業(yè)領(lǐng)域的不同、建模方法的不同及研究者研究視角的不同，不同的模型都有著自己特定的數(shù)據(jù)需求。在地理建模領(lǐng)域，針對跨學(xué)科、跨領(lǐng)域地理模型的共享、重用與集成需求，研究者提出了統(tǒng)一數(shù)據(jù)表達(dá)與交換模型(universal data description & eXchange model，UDX)，通過統(tǒng)一的Node-Kernel結(jié)構(gòu)來描述地理模型所涉及的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)內(nèi)容[24-26]。在UDX統(tǒng)一數(shù)據(jù)表達(dá)與交換模型中包括兩個具體的實現(xiàn)：UDX Data和UDX Schema分別用于存儲數(shù)據(jù)內(nèi)容和對數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行解釋，兩者在內(nèi)容結(jié)構(gòu)上保持一致。利用UDX的這種自描述特性可以在對城市小區(qū)內(nèi)各地物要素進(jìn)行可擴(kuò)展的、完備的表達(dá)，并能夠與具體的分析模型實現(xiàn)良好的對接。因而，本文選擇UDX作為城市小區(qū)建模場景中對數(shù)據(jù)內(nèi)容表達(dá)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，本研究設(shè)計了小區(qū)系統(tǒng)抽象類AbstractSystem、小區(qū)系統(tǒng)要素抽象類AbstractObject和小區(qū)系統(tǒng)要素關(guān)系抽象類AbstractRelation作為小區(qū)建模場景表達(dá)的主要結(jié)構(gòu)。在此3個表達(dá)結(jié)構(gòu)中，通過UDX_Data來組織數(shù)據(jù)內(nèi)容，通過UDX_Schema來組織數(shù)據(jù)描述信息，從而實現(xiàn)對城市小區(qū)環(huán)境中的建模信息進(jìn)行對象化的表達(dá)。

在小區(qū)系統(tǒng)抽象類AbstractSystem的具體實現(xiàn)中：①提供獲取該系統(tǒng)唯一ID的方法(GetSystemID)，從而可以與其他系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分。②提供獲取該系統(tǒng)常用名稱的方法(GetSystemName)，從而易于建模應(yīng)用者理解此系統(tǒng)的功能。③提供獲取該系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)的方法(GetSubSystem)，從而將小區(qū)建模信息系統(tǒng)按照層次化的方式進(jìn)行組織。④提供獲取該系統(tǒng)下所有的要素的方法(GetObject)，從而可以將零散的小區(qū)地物按照系統(tǒng)的方式進(jìn)行管理。⑤提供獲取相關(guān)建模數(shù)據(jù)的方法(GetContent)，所獲取的數(shù)據(jù)按照UDX_Data返回。⑥提供附加小區(qū)系統(tǒng)要素關(guān)系的方法(AttachRelation)，對于附加到小區(qū)系統(tǒng)中的關(guān)系對象，主要是用AbstractRelation的具體實現(xiàn)來處理的。在小區(qū)系統(tǒng)的對象化表達(dá)結(jié)果中，除了對具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行存儲，還提供了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)化描述文檔來對小區(qū)系統(tǒng)的建模信息進(jìn)行描述。

圖1 城市小區(qū)建模場景的結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure of the urban residential region modeling scene

在小區(qū)系統(tǒng)要素AbstractObject的具體實現(xiàn)中：①提供獲取該要素唯一ID的方法(GetSystemID)，從而可以與其他要素進(jìn)行區(qū)分。②提供獲取該要素常用名稱的方法(GetObjectName)，從而易于建模應(yīng)用者理解此要素的概念。③提供獲取該要素關(guān)聯(lián)的所有小區(qū)系統(tǒng)對象的方法(GetParentSystem)，具體實現(xiàn)的小區(qū)系統(tǒng)要素對象都可以關(guān)聯(lián)到多個不同的小區(qū)系統(tǒng)對象中。④提供獲取該要素對象關(guān)聯(lián)的所有其他要素對象的方法(GetRelatedObject)。所謂關(guān)聯(lián)的其他要素對象，是指在一個要素內(nèi)部進(jìn)行細(xì)化描述的子要素，每個小區(qū)系統(tǒng)要素對象也是按照層次化的方式進(jìn)行組織和管理的。⑤提供獲取相關(guān)建模數(shù)據(jù)的方法(GetContent)，此方法與小區(qū)系統(tǒng)對象的設(shè)計一致，所獲取的數(shù)據(jù)按照UDX_Data返回。⑥提供附加小區(qū)系統(tǒng)要素關(guān)系的方法(AttachRelation)，此方法也與小區(qū)系統(tǒng)對象的設(shè)計一致，對于附加到要素對象中的關(guān)系對象，主要是用AbstractRelation的具體實現(xiàn)來處理的。

在小區(qū)系統(tǒng)要素關(guān)系A(chǔ)bstractRelation的具體實現(xiàn)中：①提供獲取該關(guān)系對象唯一ID的方法(GetSystemID)，從而可以與其他關(guān)系對象進(jìn)行區(qū)分。②提供獲取該關(guān)系對象常用名稱的方法(GetObjectName)，從而易于建模應(yīng)用者理解此關(guān)系對象的概念。③提供獲取該要素關(guān)聯(lián)的所有小區(qū)系統(tǒng)對象的方法(GetLinkedSystem)。④提供獲取該要素對象關(guān)聯(lián)的所有其他要素對象的方法(GetLinkedObject)。⑤提供獲取相關(guān)建模數(shù)據(jù)的方法(GetContent)，此方法與小區(qū)系統(tǒng)對象和小區(qū)系統(tǒng)要素對象的設(shè)計保持一致，所獲取的數(shù)據(jù)按照UDX_Data返回。⑥提供注冊關(guān)系操作接口的方法(RegisterOperation)，此方法與獲取相關(guān)建模數(shù)據(jù)方法(GetContent)配合使用。與系統(tǒng)對象和要素對象不同，關(guān)系對象的數(shù)據(jù)內(nèi)容并不是顯式存儲，而是需要響應(yīng)所關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)對象和要素對象的變化的。因而，對于關(guān)系對象數(shù)據(jù)的內(nèi)容獲取，需要按照所注冊關(guān)系操作接口來進(jìn)行動態(tài)創(chuàng)建。在關(guān)系操作接口中，主要提供輸入系統(tǒng)對象和要素對象、輸出關(guān)系計算結(jié)果的功能。

2 城市小區(qū)建模場景與分析模型的集成方法

本文所研究的城市小區(qū)建模場景，需要為建模者提供一個能夠支持不同模型運(yùn)行的建模數(shù)據(jù)倉庫；基于建模數(shù)據(jù)倉庫，研究者可以通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)抽取方法來獲得適合分析模型運(yùn)行的數(shù)據(jù)。因而，按照前文所述的城市小區(qū)場景的結(jié)構(gòu)化組織方法，本文設(shè)計了相應(yīng)的小區(qū)場景對象RegionScene(如圖2(a)所示)來對相關(guān)的小區(qū)建模數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的組織和管理，并為具體的模型集成應(yīng)用提供所需的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

圖2 城市小區(qū)場景對象與分析模型的集成Fig.2 Integration of the urban residential region modeling scene and geo-analysis models

在小區(qū)場景對象中是通過注冊的機(jī)制來將不同的小區(qū)系統(tǒng)、要素和關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)的。通過注冊小區(qū)系統(tǒng)對象RegisterSystem的方式，將不同的小區(qū)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)到整個小區(qū)建模場景對象中；通過注冊小區(qū)系統(tǒng)要素RegisterObject的方式，將不同的小區(qū)系統(tǒng)要素關(guān)聯(lián)到整個小區(qū)建模場景對象中；通過注冊小區(qū)系統(tǒng)對象RegisterRelation的方式，將不同的小區(qū)系統(tǒng)要素關(guān)系關(guān)聯(lián)到整個小區(qū)建模場景對象中。

在與集成分析模型進(jìn)行集成應(yīng)用時，小區(qū)場景對象RegionScene中提供了獲取場景ID的方法(GetSceneID，用于指明特定小區(qū)場景對象的唯一性，可以與其他小區(qū)場景對象進(jìn)行區(qū)分)，獲取場景通用名稱的方法(GetSceneName，用于為建模者提供某個小區(qū)場景對象的名稱，該名稱在不同場景對象中可以一樣，主要通過場景ID來確定場景唯一性)，獲取小區(qū)系統(tǒng)的方法(GetSystem，建模者可以根據(jù)特定的研究需求從小區(qū)場景中獲取相應(yīng)的小區(qū)系統(tǒng)對象)，獲取小區(qū)系統(tǒng)要素的方法(GetObject，建模者可以根據(jù)特定的研究需求從小區(qū)場景中獲取相應(yīng)的小區(qū)系統(tǒng)要素對象)，獲取小區(qū)系統(tǒng)要素關(guān)系的方法(GetRelation，建模者可以根據(jù)特定的研究需求從小區(qū)場景中獲取相應(yīng)的小區(qū)系統(tǒng)要素關(guān)系對象)。

此外，在小區(qū)建模場景對象中還包含有注冊建模視角的方法RegisterAspect和獲取當(dāng)前激活的建模視角的方法GetActiveAspect。注冊建模視角RegisterAspect方法是用于建模者將特定的數(shù)據(jù)抽取方法和數(shù)據(jù)處理方法關(guān)聯(lián)到整個小區(qū)建模場景中，獲取當(dāng)前激活的建模視角GetActiveAspect方法是用于告知建模者當(dāng)前正在執(zhí)行的建模數(shù)據(jù)抽取和準(zhǔn)備流程。其中，建模視角對象通過繼承建模視角接口IModelingAspect實現(xiàn)。在建模視角接口IModelingAspect中包含了當(dāng)前模型所需數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的小區(qū)系統(tǒng)對象、小區(qū)系統(tǒng)要素對象和小區(qū)系統(tǒng)要素關(guān)系對象。如圖2(b)所示，在注冊到小區(qū)場景對象中的具體建模視角中，通過連接數(shù)據(jù)處理操作的ConnectOperation方法，引用外部的動態(tài)鏈接庫(Dynamic Link Library，DLL)來實現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)處理；通過外部回調(diào)的執(zhí)行數(shù)據(jù)處理操作ConductOperation方法來驅(qū)動具體的數(shù)據(jù)處理流程；最后調(diào)用獲取處理結(jié)果的ContentCallback方法來得到處理后的建模數(shù)據(jù)，從而支撐相關(guān)的模型執(zhí)行計算。

在整個小區(qū)建模場景中，所有的數(shù)據(jù)內(nèi)容都通過UDX_Data來進(jìn)行表達(dá)，每個UDX_Data都關(guān)聯(lián)相應(yīng)的UDX_Schema對象來進(jìn)行語義內(nèi)含的描述。對于復(fù)雜地理對象的結(jié)構(gòu)化表達(dá)，現(xiàn)有的研究主要是通過構(gòu)建關(guān)系屬性表的方式。受到集成建模的需求動態(tài)變化特性的影響，在這種關(guān)系屬性表中往往需要不斷的更改和添加新的字段內(nèi)容。對于特定目標(biāo)的小區(qū)環(huán)境建模研究而言，用關(guān)系屬性表的方式來組織建模數(shù)據(jù)是適用的；然而，在不確定具體建模目標(biāo)的城市小區(qū)集成建模模擬研究中，任何確定模式的關(guān)系屬性在適應(yīng)于一個建模應(yīng)用的同時，在集成另一個建模應(yīng)用時往往無法直接兼容。因而，本研究采用數(shù)據(jù)聚合的思路，從信息完備描述的角度，利用多個不同結(jié)構(gòu)的UDX_Data對象來表達(dá)建模數(shù)據(jù)，不同UDX_Data對象之間可以通過節(jié)點來關(guān)聯(lián)，而每個UDX_Data對象都擁有自己的UDX_Schema對象；從而使得對于一個小區(qū)建模對象而言，其建模信息的描述結(jié)構(gòu)是一致的，而建模信息的內(nèi)容是累積式的。根據(jù)不同的觀察視角，可以對同一個建模對象形成不同層面的描述(用UDX_Data和相應(yīng)的UDX_Schema表達(dá))。

3 原型系統(tǒng)與試驗驗證

本文通過設(shè)計并實現(xiàn)相關(guān)的原型系統(tǒng)來對所提出的方法進(jìn)行驗證。在城市小區(qū)建模場景的構(gòu)建方面，設(shè)計并實現(xiàn)了城市小區(qū)建模場景構(gòu)建系統(tǒng)，通過交互式的方式將城市小區(qū)環(huán)境中的各種數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)，即構(gòu)建城市小區(qū)建模場景。如圖3所示，在城市小區(qū)建模場景構(gòu)建子系統(tǒng)中，主要包含了對建模場景數(shù)據(jù)的瀏覽、加載、交互、可視化等功能。通過小區(qū)系統(tǒng)層次化管理的方式對小區(qū)建模場景中的系統(tǒng)-要素-關(guān)系對象進(jìn)行組織。

圖3 城市小區(qū)建模場景構(gòu)建系統(tǒng)Fig.3 Platform for building an urban residential region modeling scene

在城市小區(qū)建模場景與分析模型集成應(yīng)用方面，本文設(shè)計并實現(xiàn)了城市小區(qū)分析模型集成運(yùn)行系統(tǒng)，如圖4所示。主要用于接入小區(qū)建模場景數(shù)據(jù)源和接入不同的小區(qū)環(huán)境分析模型，配置模型運(yùn)行所需的輸入/輸出數(shù)據(jù)，并可以對集成流程進(jìn)行定制，實現(xiàn)基于小區(qū)建模場景的小區(qū)環(huán)境分析模型的集成與運(yùn)行。

圖4 城市小區(qū)分析模型集成運(yùn)行系統(tǒng)Fig.4 Platform for integrating and executing geo-analysis models

本研究選取蘇州市一個居住小區(qū)作為試驗案例，對所設(shè)計的城市小區(qū)建模場景的構(gòu)建方法進(jìn)行實用性的研究。該小區(qū)占地面積約36 000 m2，各種類型的建筑物共有11棟，車行道、人行道32條，小區(qū)出口2個。構(gòu)建小區(qū)建模場景的數(shù)據(jù)源包括各種相關(guān)的小區(qū)規(guī)劃設(shè)計圖(總平面圖、豎向設(shè)計圖、綠化及景觀設(shè)計圖和綜合管線設(shè)計圖等)、實測數(shù)據(jù)、城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)等。

小區(qū)建模場景與分析模型的集成應(yīng)用包括兩個不同方向的建模案例：①利用已有的數(shù)字地形DEM分析模型和城市雨洪模擬模型SWMM之間的集成，來對該實驗小區(qū)在實際運(yùn)維中的排水管理給出相關(guān)預(yù)案性的分析結(jié)果；②利用RLS90噪聲傳播模型與城市小區(qū)場景數(shù)據(jù)的集成，來對該實驗小區(qū)在街道噪聲影響中狀況進(jìn)行模擬。集成案例中所涉及的主要模型的說明如表1所示。

表1 集成案例中的主要模型的說明

在所構(gòu)建的城市小區(qū)分析模型集成運(yùn)行系統(tǒng)中，加載案例小區(qū)的建模場景數(shù)據(jù)，并按照IModelingAspect接口對SWMM模型和RLS90模型分別實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)抽取方法。根據(jù)不同模型對數(shù)據(jù)內(nèi)容的特定需求，從小區(qū)建模場景中抽取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)來支持其運(yùn)行?；诖耍趫D5中給出了兩個建模案例運(yùn)行的效果圖。

圖5 城市小區(qū)建模場景與分析模型集成運(yùn)行的效果Fig.5 Snapshots for integrating urban residential region modeling scene with geo-analysis models

4 結(jié) 論

針對城市小區(qū)環(huán)境綜合分析模擬的需求，本文提出了城市小區(qū)建模場景的構(gòu)建方法。將小區(qū)環(huán)境信息按照系統(tǒng)-要素-關(guān)系的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，采用層次化和對象化的抽象方式來構(gòu)建小區(qū)建模場景。綜合考慮城市小區(qū)數(shù)據(jù)的復(fù)雜性、異構(gòu)性和多源性等特征，在城市小區(qū)建模場景中，引入統(tǒng)一數(shù)據(jù)表達(dá)與交換模型UDX作為數(shù)據(jù)組織的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，利用可擴(kuò)展的接口將城市小區(qū)建模場景與具體的分析模型進(jìn)行集成，通過從小區(qū)場景中抽取合適的數(shù)據(jù)來驅(qū)動具體分析模型的應(yīng)用。試驗結(jié)果表明，通過本文所設(shè)計的城市小區(qū)建模場景構(gòu)建方法，能夠?qū)Τ鞘行^(qū)環(huán)境分析建模相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的、結(jié)構(gòu)化的組織，并支撐在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖上驅(qū)動城市小區(qū)分析模型的集成與運(yùn)行。通過城市小區(qū)場景的構(gòu)建能夠?qū)⑿^(qū)環(huán)境信息的搜集處理工作與具體的模型應(yīng)用工作進(jìn)行解耦，使得城市小區(qū)環(huán)境的分析模擬研究在集成應(yīng)用層面更加便捷。

本文的研究內(nèi)容主要集中于在數(shù)據(jù)層面支撐城市小區(qū)環(huán)境的分析與模擬，利用具備自描述特性的UDX數(shù)據(jù)表達(dá)與交換模型來構(gòu)建城市小區(qū)建模場景。相比于地理信息建模領(lǐng)域的CityGML等數(shù)據(jù)模型，該方法能夠在結(jié)構(gòu)化組織數(shù)據(jù)的同時，對小區(qū)環(huán)境進(jìn)行信息內(nèi)容層面的描述，支持不同領(lǐng)域的建模研究者理解小區(qū)建模數(shù)據(jù)。此外，在小區(qū)建模場景中能夠附加相關(guān)的數(shù)據(jù)操作方法來實現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)抽取和處理操作，從而為小區(qū)環(huán)境分析模型提供合適的數(shù)據(jù)。在本研究中，小區(qū)環(huán)境分析模型之間的集成主要是通過數(shù)據(jù)進(jìn)行驅(qū)動的，對于如何支持模型內(nèi)部的集成耦合、如何更加便捷地構(gòu)建城市小區(qū)建模場景、如何通過定制/配置的方式來實現(xiàn)建模數(shù)據(jù)抽取等問題還需進(jìn)一步展開探索。