北斗网格码：数字孪生城市CIM时空网格框架

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.北京大学工学院，北京 100871；3.北京大学时空大数据协同创新中心，北京 100871)

0 引言

当前，以大数据、云计算、人工智能、物联网、5G等新一代信息技术为代表的数字浪潮正席卷全球。以2018年12月中国信息通信研究院首次发布《数字孪生城市研究报告(2018)》为标志，数字孪生城市的概念受到社会的广泛关注。在推动数字孪生城市的城市信息模型(City Information Modeling，CIM)建模过程中，传统的地理信息系统+建筑信息模型(GIS+BIM)方法存在明显局限。因此，有必要引入基于时空网格的数据组织技术体系，构建统一的时空框架，实现城市多源异构海量数据的融合。

1 数字孪生城市与CIM

1.1 数字孪生城市的浪潮

所谓数字孪生是指通过对物理世界的人、地、物、事件等全部要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的数字世界同生共存、虚实交融的格局。“数字孪生城市基于数字化标识、自动化感知、网络化连接、普惠化计算、智能化控制、平台化服务的信息技术体系和城市信息空间模型，在数字空间再造一个与物理城市匹配对应的数字城市，实现城市全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、运行管理协同化和智能化，最终实现物理城市与数字城市虚实交互、平行运转”[1]。

数字孪生城市是技术演进与需求升级驱动下新型智慧城市建设发展的一种新理念、新途径、新思路，目前已经成为新型智慧城市建设的主流技术路线与发展目标。2020年4月10日，国家发展和改革委员会和中央网信办联合发布《关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案》，将数字孪生、大数据、人工智能、5G等7项技术，视作数字化转型的“共性技术”和“关键技术”，并提出“开展数字孪生创新计划”，要求“引导各方参与提出数字孪生的解决方案”，预示着数字孪生技术上升为国家科技战略的一部分。

1.2 CIM：数字孪生城市的核心

数字孪生城市的核心是高精度、多耦合的CIM[2]。通过加载其上的全量全域数据，在城市巨系统内汇集交融，实现对城市规律的识别，产生新的知识涌现，为改善和优化城市系统提供有效的指引。在实践中，城市信息模型构建正受到越来越大的重视。

理论上，三维GIS模型实现了城市宏观大场景的数字化模型表达和空间分析，BIM则实现了对城市建筑物的物理设施、功能信息的精确表达，将这两者融合集成，可构建起CIM的初步框架。

同时，从数据动态化的角度考虑，CIM还需要引接城市物联网(Internet of Things，IoT)智能感知数据。智能感知数据包括城市各种公共设施及各类专业传感器感知的具有时间标识的即时数据。智能感知数据可反映城市的即时运行情况，其与GIS+BIM空间数据相叠加，可将静态的数字城市模型升级为可感知、动态的数字城市模型。

但传统的GIS+BIM的建模方法存在一个明显的局限：基于GIS图层的数据承载方式未能从本质上解决时空模型的数据动态化问题，GIS图层化的数据二维形态无法解决三维表达需求，也不能实现时态变化的表达；而BIM建模的单体性过强，难以在不同BIM间实现融合，且同样无法实现时态变化的表达。究其本质，面向对象的数据组织方式会因对象本身的纷繁复杂和对象ID的私有定义而难以解决数据组织汇聚的问题，由此生成的模型难以实现模型数据的开放化和动态化。

2 北斗网格码技术与标准

北斗网格码是北斗网格编码与大数据组织利用技术体系的简称。它是一项中国自主原创、有望引领全球标准的时空大数据范畴基础性重大创新。北斗网格编码是一套新型全球空间位置框架和编码方法，因被国家北斗系统列为新的空间位置输出标准而得名。其理论基础是北京大学程承旗教授团队承担国家973项目发展的新型地球空间剖分理论和大数据网格组织参考框架(GeoSOT模型)。

北斗网格码技术一方面是对全球全域空间的信息精准化编码表达，能为陆海空天电及地下的每一寸空间赋予可计算、易检索的全球唯一空间标识；另一方面也是基于空间的大数据组织框架，结合时间编码可为地球空间万事万物赋予时空数据属性，实现以时空编码为主索引的万物数据互联。

基于北斗网格码的标准体系正逐步完善。国军标GJB 8896-2017《地球表面空间网格与编码》、国家北斗标准GB/T 39409-2020《北斗网格位置码》、国家标准GB/T 40087-2021《地球空间网格编码规则》已颁布；国家高分重大专项标准GFB 30201-2018《高分卫星遥感信息剖分组织参考框架》、海南地方标准Z/SGPT J21-2020《管理要素北斗网格编码规范》也已发布。其他在编标准还包括：OGC/ISO等组织的3个国际标准；国家北斗标准《北斗剖分时间码》、国家标准《无人机三维空间标识编码》；公安、住建、自规、消防、邮政及智慧城市网格化管理等方面的十多个行业级标准。

3 基于时空网格框架的CIM建模

3.1 基本内涵

北斗网格码技术(包括剖分时间码)提供了一个时空网格框架，可构建涵盖卫星空间、空域空间、城市空间、建筑空间以及地下空间在内的地球全域空间数字孪生网格数据模型，其实质是一个基于时空编码的开放性大数据架构，通过网格关联组织城市多源异构时空数据，形成统一化的城市大数据模型[3]。

从数据逻辑看，网格成为数据承载的容器，所有数据的引接加载、提取分发以及计算分析均基于不同尺度的网格进行；从数据接入看，类型涵盖GIS+BIM+5G+IoT等全域空间全量数据，囊括陆海空天电及地下/水下各类场景，可按需分层加载各类数据；从技术融合看，北斗网格码技术可与新型测绘技术、标识感知技术、协同计算技术、全要素数字表达技术、模拟仿真技术、深度学习技术等创新技术深度融合，共同构成CIM平台建设的技术支撑体系。

基于北斗网格码的CIM平台具有全域空间三维立体化、数据时空编码标准化、全量数据动态可视化、数据服务按需灵活化以及架构开放性、数据继承性、更新动态性、交互实时性等基本特点，是支撑各行业各领域应用的统一通用时空数据模型基底。

3.2 CIM建模过程

3.2.1 时空网格编码

作为北斗网格码理论基础的GeoSOT模型将地表以上52万km到近地心的地球全域空间剖分成最大为整个地球、最小1.5 cm的32级网格体元，每个网格均有唯一的二进制整形编码。区别于传统技术以经纬度二维指标定义平面位置，北斗网格码技术以一维整形数定义三维空间及其位置，并发展出一套多尺度网格编码代数算法，具有多尺度立体性、高效计算性、良好包容交互性等优势。

依托北斗网格码技术，物质世界全部实体要素及其物理活动被全球统一的时空数据组织框架所涵盖，而这些全部的数字化映射就构成了物质世界的镜像数字世界。映射具体实现形式包括：一位一码(网格+空间)，空间精确标识；一物一码(网格+ID)，事物精准映射；一事一码(网格+活动)，事件动态监测。

3.2.2 网格关联数据

从原理上，地球空间万事万物在某一个时刻一定落在某个或某几个网格空间中。因此，不论是自然地理、气象环境、城乡空间等宏观尺度信息，还是房屋建筑、道路设施等中观尺度信息，以及城市部件、建筑构件等微观尺度信息，都可通过时空编码的体系化组织，形成一个网格化的城市时空“静态”底模。在此基础上还可进一步扩展将人/组织的行为活动信息纳入，甚至将社会经济等集合性数据通过个体关联到网格上，形成统一时空框架下的城市动态全景映射。

从数据处理流程看，将各类数据与对应的网格编码建立关联，对原始数据不推倒不重来，本质上是新建一个网格编码索引数据库。该索引库的创新处在于以网格编码作为主键，而将对象ID和属性数据统一作为属性信息(可根据业务需要记录对象数据的原有部分或全部属性信息)。

3.2.3 网格数据加载

CIM建模要求实现从数据库到模型的映射转化，真三维、立体性、可视化是其基本要求。城市感知体系的发展使得城市全域全量大数据日渐成为现实，数据按需灵活加载和多细节层次显示(Levels of Detail，LOD)成为必然选择。

对象数据进行网格关联后，离散化成为数据的新特征。在索引数据库基础上可利用网格数据引擎实现各类数据的灵活加载：可按网格或网格组合进行加载，也可按对象数据类型分层分类加载。实践中，通常在时空网格框架之上首先加载显示倾斜摄影数据，建立大尺度空间全景底图；再根据需要加载显示局部目标区域的三维楼体等信息，数据可以是倾斜摄影、BIM模型、CAD转化或是直接建立网格楼体白模等；接下来进入楼体后显示分层分户模型。而GIS类二维数据往往是作为背景信息调用。过程中网格显示与否根据需要可自由切换。

3.2.4 数据驱动模型

在网格数据模型中网格编码代表网格的位置，网格的属性用以关联多源外部数据。当外部数据变化时，网格索引数据库通过动态同步机制自动关联变化数据，实现数据实时更新和动态汇聚。这样，基于时空网格框架的城市信息模型就将城市多源异构数据进行了“定位、定性、定量”的全方位标注并动态关联，实现以时空编码为组织纽带、变化信息即时呈现的数字孪生城市全景动态一张图。

更为重要的是，这一模型不但具有三维立体可视的显示特征，还具有数据可离散提取、可分发交互、可计算分析等方面的内在能力。通过网格承载数据的方式，城市信息模型真正成为“能看、能查、能算”的数据驱动模型。并且，网格化数据非常适合引入机器学习等AI技术，基于网格化数据的智能分析模型正在越来越多的领域得到应用。

4 时空网格框架对于CIM的赋能价值

4.1 对全要素数字化表达能力的增强

北斗网格码技术可对全域空间每一寸土地进行精确标识，并将空间剖分思想扩展到时间领域，实现时空四维的一体化编码表达，适应了数字孪生动态化的需求；针对要素对象，利用其时空属性建立网格关联编码，实现对万事万物数据基于时空编码的互联互通。

4.2 对CIM平台数据供给能力的增强

北斗网格码技术一方面针对总体提供了数据组织融合框架，支撑城市海量多源异构数据的组织汇聚；另一方面针对局部/个体提供了网格化工具，可方便实现数据的“打码”、“装箱”、分发及交互，特别是通过网格和网格组合可灵活实现面向用户的“切片”式块数据按需调用。

4.3 对CIM平台空间计算能力的增强

空间计算效率上网格编码匹配运算较经纬度点坐标方程计算有数量级上的提高；网格计算天然具备分布式计算特性，在海量数据并行计算、复杂场空间分析等方面优势明显；时空网格具有多层级性，可通过粒子网格及其内的数据属性值快速进行网格智能聚合，支持网格AI模型创新。

4.4 对CIM平台众创扩展能力的增强

北斗网格码技术提供了一个开放性的大数据组织架构，以时空网格的不变应对对象的千变万化，支持数据的分布式众筹创建和自治更新；还提供了以网格为单位的块数据利用通用工具，支持数据按需切片交互和个性化分发，有助于实现大数据资产的标准化，促进数据要素交易流通。

5 当前实践中存在的问题及解决思路

基于时空网格框架的CIM建模解决方案目前在实践中还存在如下困难和问题。

(1)在认识层面，CIM建模乃至CIM的概念内涵并未清晰统一。不少人没有从时空数据内容的角度来理解和构建CIM，而主要从可视化的角度，追求实体对象的纹理材质等视觉逼真，由此带来数据量巨大、模型加载困难等弊病。

(2)在技术层面，现阶段的时空网格技术仍停留在对实体对象数据的网格索引层面，尚不能从数据生产源头直接通过网格来组织实体对象三角面等素材数据，无法实现实体对象数据与网格编码的深度有机融合。

解决上述问题的具体思路如下。

(1)认识上明确：在大数据时代CIM建模要更多地立足于计算机的时空认知，通过大数据、智能化来解决城市建设运行中的问题，而不是过多地注重人的视觉认知(可视化)。进一步地，可通过遥感影像、倾斜摄影等图片类数据满足可视化需求，而通过网格化的内容性数据来分析解决问题。

(2)技术上加强研发创新：在数据生产源头将时空网格嵌入到各类数据的组织体系中并形成行业性规则，特别是针对实景三维需求下倾斜摄影这一适应大规模作业、性价比相对突出的新兴技术，可优先研发实现这一目标。

6 结束语

数字孪生城市的浪潮正风起云涌。北斗网格码技术(包括剖分时间码)为数字孪生城市CIM建模提供了一个时空网格框架，建立起一个开放的时空大数据架构，有望形成“网格码+GIS+BIM+IoT”的CIM建模融合解决方案。进一步，网格化数据所具备的结构规整、计算高效、适合建模等优势对于CIM平台的应用价值挖掘具有极大支撑意义，值得后续深入研究。