北斗網(wǎng)格碼：數(shù)字孿生城市CIM時(shí)空網(wǎng)格框架

李林 程承旗 任伏虎

(1.北京北斗伏羲科技有限公司，北京 102218；2.北京大學(xué)工學(xué)院，北京 100871；3.北京大學(xué)時(shí)空大數(shù)據(jù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100871)

0 引言

當(dāng)前，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G等新一代信息技術(shù)為代表的數(shù)字浪潮正席卷全球。以2018年12月中國信息通信研究院首次發(fā)布《數(shù)字孿生城市研究報(bào)告(2018)》為標(biāo)志，數(shù)字孿生城市的概念受到社會的廣泛關(guān)注。在推動(dòng)數(shù)字孿生城市的城市信息模型(City Information Modeling，CIM)建模過程中，傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)+建筑信息模型(GIS+BIM)方法存在明顯局限。因此，有必要引入基于時(shí)空網(wǎng)格的數(shù)據(jù)組織技術(shù)體系，構(gòu)建統(tǒng)一的時(shí)空框架，實(shí)現(xiàn)城市多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)的融合。

1 數(shù)字孿生城市與CIM

1.1 數(shù)字孿生城市的浪潮

所謂數(shù)字孿生是指通過對物理世界的人、地、物、事件等全部要素?cái)?shù)字化，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個(gè)與之對應(yīng)的“虛擬世界”，形成物理維度上的實(shí)體世界和信息維度上的數(shù)字世界同生共存、虛實(shí)交融的格局?！皵?shù)字孿生城市基于數(shù)字化標(biāo)識、自動(dòng)化感知、網(wǎng)絡(luò)化連接、普惠化計(jì)算、智能化控制、平臺化服務(wù)的信息技術(shù)體系和城市信息空間模型，在數(shù)字空間再造一個(gè)與物理城市匹配對應(yīng)的數(shù)字城市，實(shí)現(xiàn)城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、運(yùn)行管理協(xié)同化和智能化，最終實(shí)現(xiàn)物理城市與數(shù)字城市虛實(shí)交互、平行運(yùn)轉(zhuǎn)”[1]。

數(shù)字孿生城市是技術(shù)演進(jìn)與需求升級驅(qū)動(dòng)下新型智慧城市建設(shè)發(fā)展的一種新理念、新途徑、新思路，目前已經(jīng)成為新型智慧城市建設(shè)的主流技術(shù)路線與發(fā)展目標(biāo)。2020年4月10日，國家發(fā)展和改革委員會和中央網(wǎng)信辦聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動(dòng)培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)施方案》，將數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等7項(xiàng)技術(shù)，視作數(shù)字化轉(zhuǎn)型的“共性技術(shù)”和“關(guān)鍵技術(shù)”，并提出“開展數(shù)字孿生創(chuàng)新計(jì)劃”，要求“引導(dǎo)各方參與提出數(shù)字孿生的解決方案”，預(yù)示著數(shù)字孿生技術(shù)上升為國家科技戰(zhàn)略的一部分。

1.2 CIM：數(shù)字孿生城市的核心

數(shù)字孿生城市的核心是高精度、多耦合的CIM[2]。通過加載其上的全量全域數(shù)據(jù)，在城市巨系統(tǒng)內(nèi)匯集交融，實(shí)現(xiàn)對城市規(guī)律的識別，產(chǎn)生新的知識涌現(xiàn)，為改善和優(yōu)化城市系統(tǒng)提供有效的指引。在實(shí)踐中，城市信息模型構(gòu)建正受到越來越大的重視。

理論上，三維GIS模型實(shí)現(xiàn)了城市宏觀大場景的數(shù)字化模型表達(dá)和空間分析，BIM則實(shí)現(xiàn)了對城市建筑物的物理設(shè)施、功能信息的精確表達(dá)，將這兩者融合集成，可構(gòu)建起CIM的初步框架。

同時(shí)，從數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)化的角度考慮，CIM還需要引接城市物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)智能感知數(shù)據(jù)。智能感知數(shù)據(jù)包括城市各種公共設(shè)施及各類專業(yè)傳感器感知的具有時(shí)間標(biāo)識的即時(shí)數(shù)據(jù)。智能感知數(shù)據(jù)可反映城市的即時(shí)運(yùn)行情況，其與GIS+BIM空間數(shù)據(jù)相疊加，可將靜態(tài)的數(shù)字城市模型升級為可感知、動(dòng)態(tài)的數(shù)字城市模型。

但傳統(tǒng)的GIS+BIM的建模方法存在一個(gè)明顯的局限：基于GIS圖層的數(shù)據(jù)承載方式未能從本質(zhì)上解決時(shí)空模型的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)化問題，GIS圖層化的數(shù)據(jù)二維形態(tài)無法解決三維表達(dá)需求，也不能實(shí)現(xiàn)時(shí)態(tài)變化的表達(dá)；而BIM建模的單體性過強(qiáng)，難以在不同BIM間實(shí)現(xiàn)融合，且同樣無法實(shí)現(xiàn)時(shí)態(tài)變化的表達(dá)。究其本質(zhì)，面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織方式會因?qū)ο蟊旧淼募姺睆?fù)雜和對象ID的私有定義而難以解決數(shù)據(jù)組織匯聚的問題，由此生成的模型難以實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的開放化和動(dòng)態(tài)化。

2 北斗網(wǎng)格碼技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

北斗網(wǎng)格碼是北斗網(wǎng)格編碼與大數(shù)據(jù)組織利用技術(shù)體系的簡稱。它是一項(xiàng)中國自主原創(chuàng)、有望引領(lǐng)全球標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)空大數(shù)據(jù)范疇基礎(chǔ)性重大創(chuàng)新。北斗網(wǎng)格編碼是一套新型全球空間位置框架和編碼方法，因被國家北斗系統(tǒng)列為新的空間位置輸出標(biāo)準(zhǔn)而得名。其理論基礎(chǔ)是北京大學(xué)程承旗教授團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國家973項(xiàng)目發(fā)展的新型地球空間剖分理論和大數(shù)據(jù)網(wǎng)格組織參考框架(GeoSOT模型)。

北斗網(wǎng)格碼技術(shù)一方面是對全球全域空間的信息精準(zhǔn)化編碼表達(dá)，能為陸?？仗祀娂暗叵碌拿恳淮缈臻g賦予可計(jì)算、易檢索的全球唯一空間標(biāo)識；另一方面也是基于空間的大數(shù)據(jù)組織框架，結(jié)合時(shí)間編碼可為地球空間萬事萬物賦予時(shí)空數(shù)據(jù)屬性，實(shí)現(xiàn)以時(shí)空編碼為主索引的萬物數(shù)據(jù)互聯(lián)。

基于北斗網(wǎng)格碼的標(biāo)準(zhǔn)體系正逐步完善。國軍標(biāo)GJB 8896-2017《地球表面空間網(wǎng)格與編碼》、國家北斗標(biāo)準(zhǔn)GB/T 39409-2020《北斗網(wǎng)格位置碼》、國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 40087-2021《地球空間網(wǎng)格編碼規(guī)則》已頒布；國家高分重大專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)GFB 30201-2018《高分衛(wèi)星遙感信息剖分組織參考框架》、海南地方標(biāo)準(zhǔn)Z/SGPT J21-2020《管理要素北斗網(wǎng)格編碼規(guī)范》也已發(fā)布。其他在編標(biāo)準(zhǔn)還包括：OGC/ISO等組織的3個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)；國家北斗標(biāo)準(zhǔn)《北斗剖分時(shí)間碼》、國家標(biāo)準(zhǔn)《無人機(jī)三維空間標(biāo)識編碼》；公安、住建、自規(guī)、消防、郵政及智慧城市網(wǎng)格化管理等方面的十多個(gè)行業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)。

3 基于時(shí)空網(wǎng)格框架的CIM建模

3.1 基本內(nèi)涵

北斗網(wǎng)格碼技術(shù)(包括剖分時(shí)間碼)提供了一個(gè)時(shí)空網(wǎng)格框架，可構(gòu)建涵蓋衛(wèi)星空間、空域空間、城市空間、建筑空間以及地下空間在內(nèi)的地球全域空間數(shù)字孿生網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)基于時(shí)空編碼的開放性大數(shù)據(jù)架構(gòu)，通過網(wǎng)格關(guān)聯(lián)組織城市多源異構(gòu)時(shí)空數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一化的城市大數(shù)據(jù)模型[3]。

從數(shù)據(jù)邏輯看，網(wǎng)格成為數(shù)據(jù)承載的容器，所有數(shù)據(jù)的引接加載、提取分發(fā)以及計(jì)算分析均基于不同尺度的網(wǎng)格進(jìn)行；從數(shù)據(jù)接入看，類型涵蓋GIS+BIM+5G+IoT等全域空間全量數(shù)據(jù)，囊括陸?？仗祀娂暗叵?水下各類場景，可按需分層加載各類數(shù)據(jù)；從技術(shù)融合看，北斗網(wǎng)格碼技術(shù)可與新型測繪技術(shù)、標(biāo)識感知技術(shù)、協(xié)同計(jì)算技術(shù)、全要素?cái)?shù)字表達(dá)技術(shù)、模擬仿真技術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)深度融合，共同構(gòu)成CIM平臺建設(shè)的技術(shù)支撐體系。

基于北斗網(wǎng)格碼的CIM平臺具有全域空間三維立體化、數(shù)據(jù)時(shí)空編碼標(biāo)準(zhǔn)化、全量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化、數(shù)據(jù)服務(wù)按需靈活化以及架構(gòu)開放性、數(shù)據(jù)繼承性、更新動(dòng)態(tài)性、交互實(shí)時(shí)性等基本特點(diǎn)，是支撐各行業(yè)各領(lǐng)域應(yīng)用的統(tǒng)一通用時(shí)空數(shù)據(jù)模型基底。

3.2 CIM建模過程

3.2.1 時(shí)空網(wǎng)格編碼

作為北斗網(wǎng)格碼理論基礎(chǔ)的GeoSOT模型將地表以上52萬km到近地心的地球全域空間剖分成最大為整個(gè)地球、最小1.5 cm的32級網(wǎng)格體元，每個(gè)網(wǎng)格均有唯一的二進(jìn)制整形編碼。區(qū)別于傳統(tǒng)技術(shù)以經(jīng)緯度二維指標(biāo)定義平面位置，北斗網(wǎng)格碼技術(shù)以一維整形數(shù)定義三維空間及其位置，并發(fā)展出一套多尺度網(wǎng)格編碼代數(shù)算法，具有多尺度立體性、高效計(jì)算性、良好包容交互性等優(yōu)勢。

依托北斗網(wǎng)格碼技術(shù)，物質(zhì)世界全部實(shí)體要素及其物理活動(dòng)被全球統(tǒng)一的時(shí)空數(shù)據(jù)組織框架所涵蓋，而這些全部的數(shù)字化映射就構(gòu)成了物質(zhì)世界的鏡像數(shù)字世界。映射具體實(shí)現(xiàn)形式包括：一位一碼(網(wǎng)格+空間)，空間精確標(biāo)識；一物一碼(網(wǎng)格+ID)，事物精準(zhǔn)映射；一事一碼(網(wǎng)格+活動(dòng))，事件動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

3.2.2 網(wǎng)格關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)

從原理上，地球空間萬事萬物在某一個(gè)時(shí)刻一定落在某個(gè)或某幾個(gè)網(wǎng)格空間中。因此，不論是自然地理、氣象環(huán)境、城鄉(xiāng)空間等宏觀尺度信息，還是房屋建筑、道路設(shè)施等中觀尺度信息，以及城市部件、建筑構(gòu)件等微觀尺度信息，都可通過時(shí)空編碼的體系化組織，形成一個(gè)網(wǎng)格化的城市時(shí)空“靜態(tài)”底模。在此基礎(chǔ)上還可進(jìn)一步擴(kuò)展將人/組織的行為活動(dòng)信息納入，甚至將社會經(jīng)濟(jì)等集合性數(shù)據(jù)通過個(gè)體關(guān)聯(lián)到網(wǎng)格上，形成統(tǒng)一時(shí)空框架下的城市動(dòng)態(tài)全景映射。

從數(shù)據(jù)處理流程看，將各類數(shù)據(jù)與對應(yīng)的網(wǎng)格編碼建立關(guān)聯(lián)，對原始數(shù)據(jù)不推倒不重來，本質(zhì)上是新建一個(gè)網(wǎng)格編碼索引數(shù)據(jù)庫。該索引庫的創(chuàng)新處在于以網(wǎng)格編碼作為主鍵，而將對象ID和屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一作為屬性信息(可根據(jù)業(yè)務(wù)需要記錄對象數(shù)據(jù)的原有部分或全部屬性信息)。

3.2.3 網(wǎng)格數(shù)據(jù)加載

CIM建模要求實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)庫到模型的映射轉(zhuǎn)化，真三維、立體性、可視化是其基本要求。城市感知體系的發(fā)展使得城市全域全量大數(shù)據(jù)日漸成為現(xiàn)實(shí)，數(shù)據(jù)按需靈活加載和多細(xì)節(jié)層次顯示(Levels of Detail，LOD)成為必然選擇。

對象數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格關(guān)聯(lián)后，離散化成為數(shù)據(jù)的新特征。在索引數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上可利用網(wǎng)格數(shù)據(jù)引擎實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的靈活加載：可按網(wǎng)格或網(wǎng)格組合進(jìn)行加載，也可按對象數(shù)據(jù)類型分層分類加載。實(shí)踐中，通常在時(shí)空網(wǎng)格框架之上首先加載顯示傾斜攝影數(shù)據(jù)，建立大尺度空間全景底圖；再根據(jù)需要加載顯示局部目標(biāo)區(qū)域的三維樓體等信息，數(shù)據(jù)可以是傾斜攝影、BIM模型、CAD轉(zhuǎn)化或是直接建立網(wǎng)格樓體白模等；接下來進(jìn)入樓體后顯示分層分戶模型。而GIS類二維數(shù)據(jù)往往是作為背景信息調(diào)用。過程中網(wǎng)格顯示與否根據(jù)需要可自由切換。

3.2.4 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型

在網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型中網(wǎng)格編碼代表網(wǎng)格的位置，網(wǎng)格的屬性用以關(guān)聯(lián)多源外部數(shù)據(jù)。當(dāng)外部數(shù)據(jù)變化時(shí)，網(wǎng)格索引數(shù)據(jù)庫通過動(dòng)態(tài)同步機(jī)制自動(dòng)關(guān)聯(lián)變化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新和動(dòng)態(tài)匯聚。這樣，基于時(shí)空網(wǎng)格框架的城市信息模型就將城市多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行了“定位、定性、定量”的全方位標(biāo)注并動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)以時(shí)空編碼為組織紐帶、變化信息即時(shí)呈現(xiàn)的數(shù)字孿生城市全景動(dòng)態(tài)一張圖。

更為重要的是，這一模型不但具有三維立體可視的顯示特征，還具有數(shù)據(jù)可離散提取、可分發(fā)交互、可計(jì)算分析等方面的內(nèi)在能力。通過網(wǎng)格承載數(shù)據(jù)的方式，城市信息模型真正成為“能看、能查、能算”的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。并且，網(wǎng)格化數(shù)據(jù)非常適合引入機(jī)器學(xué)習(xí)等AI技術(shù)，基于網(wǎng)格化數(shù)據(jù)的智能分析模型正在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

4 時(shí)空網(wǎng)格框架對于CIM的賦能價(jià)值

4.1 對全要素?cái)?shù)字化表達(dá)能力的增強(qiáng)

北斗網(wǎng)格碼技術(shù)可對全域空間每一寸土地進(jìn)行精確標(biāo)識，并將空間剖分思想擴(kuò)展到時(shí)間領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)時(shí)空四維的一體化編碼表達(dá)，適應(yīng)了數(shù)字孿生動(dòng)態(tài)化的需求；針對要素對象，利用其時(shí)空屬性建立網(wǎng)格關(guān)聯(lián)編碼，實(shí)現(xiàn)對萬事萬物數(shù)據(jù)基于時(shí)空編碼的互聯(lián)互通。

4.2 對CIM平臺數(shù)據(jù)供給能力的增強(qiáng)

北斗網(wǎng)格碼技術(shù)一方面針對總體提供了數(shù)據(jù)組織融合框架，支撐城市海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的組織匯聚；另一方面針對局部/個(gè)體提供了網(wǎng)格化工具，可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“打碼”、“裝箱”、分發(fā)及交互，特別是通過網(wǎng)格和網(wǎng)格組合可靈活實(shí)現(xiàn)面向用戶的“切片”式塊數(shù)據(jù)按需調(diào)用。

4.3 對CIM平臺空間計(jì)算能力的增強(qiáng)

空間計(jì)算效率上網(wǎng)格編碼匹配運(yùn)算較經(jīng)緯度點(diǎn)坐標(biāo)方程計(jì)算有數(shù)量級上的提高；網(wǎng)格計(jì)算天然具備分布式計(jì)算特性，在海量數(shù)據(jù)并行計(jì)算、復(fù)雜場空間分析等方面優(yōu)勢明顯；時(shí)空網(wǎng)格具有多層級性，可通過粒子網(wǎng)格及其內(nèi)的數(shù)據(jù)屬性值快速進(jìn)行網(wǎng)格智能聚合，支持網(wǎng)格AI模型創(chuàng)新。

4.4 對CIM平臺眾創(chuàng)擴(kuò)展能力的增強(qiáng)

北斗網(wǎng)格碼技術(shù)提供了一個(gè)開放性的大數(shù)據(jù)組織架構(gòu)，以時(shí)空網(wǎng)格的不變應(yīng)對對象的千變?nèi)f化，支持?jǐn)?shù)據(jù)的分布式眾籌創(chuàng)建和自治更新；還提供了以網(wǎng)格為單位的塊數(shù)據(jù)利用通用工具，支持?jǐn)?shù)據(jù)按需切片交互和個(gè)性化分發(fā)，有助于實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)資產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)數(shù)據(jù)要素交易流通。

5 當(dāng)前實(shí)踐中存在的問題及解決思路

基于時(shí)空網(wǎng)格框架的CIM建模解決方案目前在實(shí)踐中還存在如下困難和問題。

(1)在認(rèn)識層面，CIM建模乃至CIM的概念內(nèi)涵并未清晰統(tǒng)一。不少人沒有從時(shí)空數(shù)據(jù)內(nèi)容的角度來理解和構(gòu)建CIM，而主要從可視化的角度，追求實(shí)體對象的紋理材質(zhì)等視覺逼真，由此帶來數(shù)據(jù)量巨大、模型加載困難等弊病。

(2)在技術(shù)層面，現(xiàn)階段的時(shí)空網(wǎng)格技術(shù)仍停留在對實(shí)體對象數(shù)據(jù)的網(wǎng)格索引層面，尚不能從數(shù)據(jù)生產(chǎn)源頭直接通過網(wǎng)格來組織實(shí)體對象三角面等素材數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)體對象數(shù)據(jù)與網(wǎng)格編碼的深度有機(jī)融合。

解決上述問題的具體思路如下。

(1)認(rèn)識上明確：在大數(shù)據(jù)時(shí)代CIM建模要更多地立足于計(jì)算機(jī)的時(shí)空認(rèn)知，通過大數(shù)據(jù)、智能化來解決城市建設(shè)運(yùn)行中的問題，而不是過多地注重人的視覺認(rèn)知(可視化)。進(jìn)一步地，可通過遙感影像、傾斜攝影等圖片類數(shù)據(jù)滿足可視化需求，而通過網(wǎng)格化的內(nèi)容性數(shù)據(jù)來分析解決問題。

(2)技術(shù)上加強(qiáng)研發(fā)創(chuàng)新：在數(shù)據(jù)生產(chǎn)源頭將時(shí)空網(wǎng)格嵌入到各類數(shù)據(jù)的組織體系中并形成行業(yè)性規(guī)則，特別是針對實(shí)景三維需求下傾斜攝影這一適應(yīng)大規(guī)模作業(yè)、性價(jià)比相對突出的新興技術(shù)，可優(yōu)先研發(fā)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

6 結(jié)束語

數(shù)字孿生城市的浪潮正風(fēng)起云涌。北斗網(wǎng)格碼技術(shù)(包括剖分時(shí)間碼)為數(shù)字孿生城市CIM建模提供了一個(gè)時(shí)空網(wǎng)格框架，建立起一個(gè)開放的時(shí)空大數(shù)據(jù)架構(gòu)，有望形成“網(wǎng)格碼+GIS+BIM+IoT”的CIM建模融合解決方案。進(jìn)一步，網(wǎng)格化數(shù)據(jù)所具備的結(jié)構(gòu)規(guī)整、計(jì)算高效、適合建模等優(yōu)勢對于CIM平臺的應(yīng)用價(jià)值挖掘具有極大支撐意義，值得后續(xù)深入研究。