CN110825831A - 数字孪生城市多尺度空间网格编码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种数字孪生城市多尺度空间网格编码方法及装置，所述方法包括：对数字孪生城市空间进行空间剖分，得到与预设最小空间网格大小相同的单元空间网格；以单元空间网格为初始层级，迭代地将单元空间网格根据预设放大倍数进行放大，形成不同层级的空间网格；对各个层级的空间网格进行编码，生成空间网格的网格编码。与现有技术相比，本申请通过生成多个层级的空间网格并对各层级的网格进行对应的编码，能够合理的给出各维度的边界，减少固定按位分配导致网格不符合精度要求或数据冗余过大，且在空间网格的划分方式上更合理、规整，在三维空间显示和三维空间分析上更有优势。

Description

数字孪生城市多尺度空间网格编码方法及装置

技术领域

本申请涉及地理空间信息组织技术领域，尤其涉及一种数字孪生城市多尺度空间网格编码方法及装置。

背景技术

“数字孪生城市”是指通过对物理世界的人、物、事件等所有要素数字化，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”的核心基础之一是基于三维空间的位置服务，即3D GIS的时空分析。

地理空间数据的管理是3D GIS的核心，3D GIS中使用的三维地理空间数据具有数据量大、空间对象实体关系复杂、空间操作计算量大等特点。为了提高空间检索和空间分析等方面的效率，需建立一套高效的编码机制。而空间进行区域划分是建立编码机制以形成空间索引的基础，现有技术中，采用二维空间划分技术向三维空间划分技术拓展的方式，从三维空间开始向下等分剖分。但由于每个维度上空间长度不一定相等，甚至差别很大，导致三维空间格网上每个维度上的精度不一致，可能出现某个维度能够满足精度要求，但其他维度长度过大或者太小，导致网格不符合精度要求或数据冗余过大。

发明内容

本申请实施例所要解决的技术问题在于，提供一种数字孪生城市多尺度空间网格编码方法及装置，以解决上述问题。

为解决上述问题，本申请实施例提供一种数字孪生城市多尺度空间网格编码方法，至少包括如下步骤：

获取数字孪生城市空间；

对所述数字孪生城市空间进行空间剖分，得到与预设最小空间网格大小相同的单元空间网格；

以所述单元空间网格为初始层级，迭代地将所述单元空间网格根据预设放大倍数进行放大，形成不同层级的空间网格；其中，每一次放大后的结果为一个层级的空间网格；

对各个层级的空间网格进行编码，生成所述空间网格的网格编码。

进一步的，通过规则格网与八叉树相结合的划分方式，对所述数字孪生城市空间进行空间剖分。

进一步的，所述对各个层级的空间网格进行编码，生成所述空间网格的网格编码，包括：

根据所述空间网格所属的层级、X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引，生成所述空间网格的网格编码。

进一步的，还包括：

以所述数字孪生城市空间的坐标系原点为起始位置，以所述空间网格的大小为间隔，沿坐标轴方向开始计数，获取所述数字孪生城市空间的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引，并根据所述数字孪生城市空间的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引，确定所述空间网格的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引。

进一步的，还包括：

根据各所述空间网格的网格编码，确定各所述空间网格在所述数字孪生城市空间的坐标系中的空间坐标，以及各所述空间网格之间的空间关系；其中，所述空间关系用于进行网格查询。

进一步的，还包括：

根据所述单元空间网格的网格编码，对所述数字孪生城市空间中任一空间对象进行体素化。

进一步的，所述空间网格以二进制的方式进行编码。

进一步的，还提供一种数字孪生城市多尺度空间网格编码装置，包括：

数据获取模块，用于获取数字孪生城市空间；

空间划分模块，用于对所述数字孪生城市空间进行空间剖分，得到与预设最小空间网格大小相同的单元空间网格；

层级划分模块，用于以所述单元空间网格为初始层级，迭代地将所述单元空间网格根据预设放大倍数进行放大，形成不同层级的空间网格；其中，每一次放大后的结果为一个层级的空间网格；

空间编码模块，用于对各个层级的空间网格进行编码，生成所述空间网格的网格编码。

进一步的，所述空间编码模块具体用于：

根据所述空间网格所属的层级、X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引，生成所述空间网格的网格编码。

进一步的，还包括：

编码计算模块，用于根据各所述空间网格的网格编码，确定各所述空间网格在所述数字孪生城市空间的坐标系中的空间坐标，以及各所述空间网格之间的空间关系；其中，所述空间关系用于进行网格查询。

实施本申请实施例，具有如下有益效果：

本实施例通过生成多个层级的空间网格并对各层级的网格进行对应的编码，能够合理的给出各维度的边界，减少固定按位分配导致网格不符合精度要求或数据冗余过大，且在空间网格的划分方式上更合理、规整，在三维空间显示和三维空间分析上更有优势。

附图说明

图1是本申请的实施例一提供的数字孪生城市多尺度空间网格编码方法的流程示意图；

图2是网格编码的格式图；

图3是某个网格层级下的三维坐标索引图；

图4是本申请的实施例二提供的数字孪生城市多尺度空间网格编码方法的流程示意图；

图5是相邻空间网格的领域关系图；

图6是父子层级之间的空间网格关系图；

图7是本申请的实施例三提供的数字孪生城市多尺度空间网格编码装置的结构示意图；

图8是本申请的实施例四提供的数字孪生城市多尺度空间网格编码装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1，是本申请的实施例一提供的数字孪生城市多尺度空间网格编码方法的流程示意图。包括：

步骤S11，获取数字孪生城市空间。

在本实施例中，将整个城市空间根据等距方位投影公式投影到虚拟的空间直角坐标系中，从而得到与现实世界1:1的数字孪生城市空间。

步骤S12，对数字孪生城市空间进行空间剖分，得到与预设最小空间网格大小相同的单元空间网格。

在本实施例中，通过规则格网与八叉树相结合的划分方式，对所述数字孪生城市空间进行空间剖分。通过这种划分方式，能够同时保持规则格网的顺序性和八叉树上下层级的关系。

在本实施例中，根据预设最小空间网格，如1m×1m×1m的空间网格，对数字孪生城市空间进行空间剖分，从而将数字孪生城市空间剖分为由1m×1m×1m的单元空间网格组成的空间。

在本实施例中，假设数字孪生城市的所有空间对象都在[Xmin,Ymin,Zmin,Xmax,Ymax,Zmax]空间范围内，则首先将所有空间对象进行平移，得到[0,0,0,Xmax-Xmin,Ymax-Ymin,Zmax-Zmin]空间范围，再转换为单元空间网格表示，假设经过偏移转换后的所有空间对象所在的空间范围为[0,0,0,X,Y,Z]。假设单元空间网格大小为d，在对所有空间对象的包含计算中，采用的是对单元空间网格2n放大的方式，通过计算所获得的坐标系的范围应为[0,0,0,2nd,2nd,2nd]。由于在实际场景中，对经度、纬度和高程三者之间的范围大小要求并不相等，所以可以适当地对各个方向进行裁剪，裁剪之后需要做空间网格划分的区域为[0,0,0,Xd,Yd,Zd]。

步骤S13，以单元空间网格为基准，迭代地根据预设放大倍数进行放大，形成不同网格层级的空间网格。

其中，每一次放大后的结果为一个网格层级的空间网格。

需要说明的是，当放大后的空间网格包含数字孪生城市空间时，则停止放大。

在本实施例中，获取单元空间网格后，按2n进行放大，其中n为放大次数。直到放大后的网格能够完全包含所有的单元空间网格，由此形成了一个上至整个空间区域(0级)、下至单元空间网格(最大级)的多尺度三维空间网格系统。三维空间网格的层级数取决于放大的次数，其中0级网格定义为：最小单元空间网格放大到最大后的网格；1级网格定义为：在0级网格的基础上平均划分为8个子网格，每个子网格的各边长为其父网格的各边长的1/2；依次类推。

步骤S14，对各个层级的空间网格进行编码，生成空间网格的网格编码。

具体的，根据空间网格所属的层级、X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引，生成空间网格的网格编码。

其中，空间网格以二进制的方式进行编码。这样的编码方式易于计算机进行处理，具有很高的空间索引效率。同时，网格编码能够最大程度地压缩空间网格索引的字节大小，节省内存开销。以最小空间单元进行向上放大的方式，可保证所有层级的网格都是以整数表示其大小，避免浮点数的运算。

在本实施例中，空间网格编码规则包括32位编码法、64位编码法和128位编码法，其中32位编码法适用于单个建筑物内的米级空间网格划分；64位编码法适用于全国范围米级空间网格划分或省市范围内厘米级空间网格划分；128位编码法适用于全球范围厘米级空间网格划分。城市级一般采用64位编码法，编码的组合形式从高位到低位为：层级+空间网格Z轴索引+空间网格Y轴索引+空间网格X轴索引，四个参数组合为一个64位整数，该整数即为空间网格对应的网格编码。网格编码支持动态编码方式，即每个参数所占用的位数是不固定的，一般都是根据当前城市的地理范围与高度范围推算得到的。比如，一座城市经度方向的长度为100公里，纬度方向的长度为50公里，高程方向上的高差为300米。如果以最小单元为1米的网格进行划分，那么在高程方向上，至少是29(512>300)才能满足划分要求，同理，纬度方向上至少是216(65536>50000)才能满足划分要求，经度方向上至少是217(131072>100000)才能满足划分要求。根据上面的推算可知，高程方向，即Z轴方向的索引至少需要9位，纬度方向，即Y轴方向的索引至少需要16位，经度方向，即X轴方向的索引至少需要17位，同时可推算出网格需要划分18个层级(三个方向上最大位数加1)，所以层级至少需要25(32>18)才能满足记录所有层级数值。然后统计总位数为5+9+16+17＝47位，相比于64位有很大的空余，这时候可以将多余的空位放在64位整数的最高位；或分配到各个参数中，增加各个参数的占位以填满64位。如图2所示，就是采用将多余空位分配到各个参数中，其中层级占有5位，高程方向索引占有11位，经度方向和纬度方向各占有24位，总位数刚好64位，按照从高位到低位依次是层级、高程索引(即Z轴方向索引)、纬度索引(即Y轴方向索引)、经度索引(即X轴方向索引)的方式按位分配。

在本实施例中，空间网格的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引的确定方式为：

以数字孪生城市空间的坐标系原点为起始位置，以空间网格的大小为间隔，沿坐标轴方向开始计数，获取数字孪生城市空间的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引，并根据数字孪生城市空间的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引，确定空间网格的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引。

在本实施例中，数字孪生城市空间的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引的分布如图3所示。

在本实施例中，还包括：生成网格编码后，根据单元空间网格的网格编码，对数字孪生城市空间中任一空间对象进行体素化。

由于在三维空间上计算一个空间点与空间对象的位置关系是非常复杂的，空间对象可能是一个建筑物，建筑物整个轮廓会非常复杂，从而导致判断空间点与空间对象的位置关系变得很困难。因此在本实施例中，通过单元空间网格，将数字孪生城市空间进行体素化，即获取与数字孪生城市空间中任一空间对象相交的所有空间网格的网格编码，将这些网格编码组成一个网格编码序，这个网格编码序便是空间对象体素化后的结果。在计算数字孪生城市空间中任一空间点与空间对象的位置关系时，先通过空间点的坐标换算得到其所在的空间网格编码，再通过在网格编码序中遍历，查找是否存在相同的空间网格编码，从而判断空间点与空间对象的关系。

本实施例通过生成多个层级的空间网格并对各层级的网格进行对应的编码，能够合理的给出各维度的边界，减少固定按位分配导致网格不符合精度要求或数据冗余过大，且在空间网格的划分方式上更合理、规整，在三维空间显示和三维空间分析上更有优势。

参见图4，是本申请的实施例二提供的数字孪生城市多尺度空间网格编码方法的流程示意图。除图1所示流程外，还包括：

步骤S15，根据各空间网格的网格编码，确定各空间网格在数字孪生城市空间的坐标系中的空间坐标，以及各空间网格之间的空间关系。

其中，空间关系用于进行网格查询。

在本实施例中，由于网格编码是通过网格的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引按位组合而成，因此仅需进行简单的移位和取与运算便可得到网格的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引，而X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引与空间坐标存在直接关系，关系参数便是空间网格的层级与最大网格层级的差值。例如，假设网格编码中层级为6位，X轴方向索引为18位，Y轴方向索引和Y轴方向索引各20位，最大网格层级为18级，则网格编码I转换为空间坐标的过程为：

通过将网格编码移位得到对应的空间网格的层级、X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引。

首先计算空间网格的层级L：

L＝I＞＞58

然后计算空间网格的Z轴方向索引：

Z＝(I＞＞40)80x03FFFF

然后计算空间网格的Y轴方向索引：

Y＝(I＞＞20)&0x0FFFFF

然后计算空间网格的X轴方向索引：

X＝I&0x0FFFFF

然后再根据空间网格的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引进行简单的移位得到空间网格的起点坐标。首先计算空间网格起点坐标的x值：

x＝X＜＜(18-L)

然后计算网格起点坐标的y值：

y＝Y＜＜(18-L)

然后计算网格起点坐标的z值：

z＝Z＜＜(18-L)

空间网格大小对应的是空间上的一个空间范围，已计算出空间网格的起点坐标，网格的边长大小为2^18-L，所以空间网格的终点坐标是起点坐标的各个值加上空间网格的边长。

同理，根据空间坐标转网格编码的方式为，先将空间坐标进行取整，然后进行网格编码转空间坐标的逆过程便可得到对应的网格编码。

在本实施例中，通过空间关系，可实现邻居网格查询、祖先网格、兄弟网格和后裔网格的查询。

具体的，邻居网格查询可通过空间网格划分方式的连续性。由于在划分空间网格时保证了在各轴上序号的连续性，因此在进行网格的相邻网格查询时，只需要对指定轴进行序号值的加减，便可得到对应的相邻空间网格。相邻空间网格的领域关系主要有三种，6领域：两个网格共享一个面；18领域：两个网格共享一个面或边；26领域：两个网格共享一个面、一条边或一个顶点。其中图5表示了这三种领域关系，其中6领域关系是最强的，其次是18领域，26领域最弱。

而由于进行空间网格划分时，除了在单层级保持网格的连续性外，还在多层级间保留了八叉树的特性，即一个低层级的空间网格必然在高层级有八个子空间网格与其对应，如图6所示，一个序号为(0,0,0)的空间网格在其子层级上存在序号分别为(0,0,0)、(1,0,0)、(0,1,0)、(1,1,0)、(0,0,1)、(1,0,1)、(0,1,1)和(1,1,1)的八个子空间网格。同样，当前层级的网格也是父层级的空间网格的一个子空间网格，且两者之间存在简单的换算关系。

假设现有一个空间网格，其Y轴方向索引为s，那么其父空间网格的Y轴方向索引S父换算公式如下：

s_父＝s＞＞1

同理，其父空间网格的X轴方向索引和Z轴方向索引也可以通过以上公式换算。假设当前空间网格所在的层级为L，现要得到其任意祖先层级L_祖(L_祖<L)的祖先空间网格，可得到如下通用换算公式：

s_祖＝s＞＞(L-L_祖)

通过以上换算公式，得到祖先空间网格的序号后，再与层级进行组合移位，便可得到其祖先空间网格编码。

而对于后裔网格的查询，假设现有一个空间网格，其Y轴方向索引为s，那么其子空间网格的Y轴方向索引换算公式如下：

s_子＝(s＜＜1)+n，其中n为整数且0≤n≤1。

同理，子空间网格的X轴方向索引和Z轴方向索引也可以通过以上公式进行换算，每种序号都会得到两个值，三种序号进行组合便可得到8组值，这8组值便是8个子空间网格对应的值。假设当前空间网格所在的层级为L，现要得到其任意后裔层级L后(L后>L)的后裔空间网格，可得到如下通用换算公式：

s_后＝(s＜＜(L_后-L))+n，其中n为整数且0≤n≤(L_后-L)。

通过以上换算公式得到子网格的序号后，再与层级进行组合移位，便可得到其后裔网格编码。

对于兄弟网格的查询，由于在进行空间划分后，对每个轴进行编序号的时候，采用的是从0开始编号，即以偶数开始，所以，同一轴上，奇数的兄弟空间网格的序号要比偶数的兄弟空间网格的序号大，且差值为1。

根据以上规律，在将网格编码分解位序号后，判断各序号的奇偶性，若为奇数，表示其兄弟空间网格在同轴上的序号与其相同或小1，若为偶数，表示其兄弟空间网格在同轴上的序号与其相同或大1。由此得到所有兄弟空间网格的序号，再组合移位便得到兄弟空间网格的编码。

本实施例中，借由空间划分的方式以及网格编码的方式，使得各空间网格之间能够存在一定的空间关系，从而能够利用该空间关系提供高效的空间数据查询和空间分析。

进一步的，参见图7，是本申请的实施例三提供的数字孪生城市多尺度空间网格编码装置的结构示意图，包括：

数据获取模块101，用于获取数字孪生城市空间。

空间划分模块102，用于对数字孪生城市空间进行空间剖分，得到与预设最小空间网格大小相同的单元空间网格。

层级划分模块103，用于以单元空间网格为初始层级，迭代地将单元空间网格根据预设放大倍数进行放大，形成不同层级的空间网格。

其中，每一次放大后的结果为一个层级的空间网格。

需要说明的是，当放大后的空间网格包含数字孪生城市空间时，则停止放大。

空间编码模块104，用于对各个层级的空间网格进行编码，生成空间网格的网格编码。

在本实施例中，空间编码模块104具体用于：

根据空间网格所属的层级、X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引，生成空间网格的网格编码。

本实施例通过生成多个层级的空间网格并对各层级的网格进行对应的编码，能够合理的给出各维度的边界，减少固定按位分配导致网格不符合精度要求或数据冗余过大，且在空间网格的划分方式上更合理、规整，在三维空间显示和三维空间分析上更有优势。

进一步的，参见图8，是本申请的实施例四提供的数字孪生城市多尺度空间网格编码装置的结构示意图。除图7所示结构外，还包括：

编码计算模块105，用于根据各空间网格的网格编码，确定各空间网格在数字孪生城市空间的坐标系中的空间坐标，以及各空间网格之间的空间关系；其中，空间关系用于进行网格查询。

本实施例中，借由空间划分的方式以及网格编码的方式，使得各空间网格之间能够存在一定的空间关系，从而能够利用该空间关系提供高效的空间数据查询和空间分析。

以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

Claims (10)

1.一种数字孪生城市多尺度空间网格编码方法，其特征在于，包括：

获取数字孪生城市空间；

对所述数字孪生城市空间进行空间剖分，得到与预设最小空间网格大小相同的单元空间网格；

以所述单元空间网格为初始层级，迭代地将所述单元空间网格根据预设放大倍数进行放大，形成不同层级的空间网格；其中，每一次放大后的结果为一个层级的空间网格；

对各个层级的空间网格进行编码，生成所述空间网格的网格编码。

2.根据权利要求1所述的数字孪生城市多尺度空间网格编码方法，其特征在于，通过规则格网与八叉树相结合的划分方式，对所述数字孪生城市空间进行空间剖分。

3.根据权利要求1所述的数字孪生城市多尺度空间网格编码方法，其特征在于，所述对各个层级的空间网格进行编码，生成所述空间网格的网格编码，包括：

根据所述空间网格所属的层级、X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引，生成所述空间网格的网格编码。

4.根据权利要求3所述的数字孪生城市多尺度空间网格编码方法，其特征在于，还包括：

以所述数字孪生城市空间的坐标系原点为起始位置，以所述空间网格的大小为间隔，沿坐标轴方向开始计数，获取所述数字孪生城市空间的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引，并根据所述数字孪生城市空间的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引，确定所述空间网格的X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引。

5.根据权利要求1所述的数字孪生城市多尺度空间网格编码方法，其特征在于，还包括：

根据各所述空间网格的网格编码，确定各所述空间网格在所述数字孪生城市空间的坐标系中的空间坐标，以及各所述空间网格之间的空间关系；其中，所述空间关系用于进行网格查询。

6.根据权利要求1所述的数字孪生城市多尺度空间网格编码方法，其特征在于，还包括：

根据所述单元空间网格的网格编码，对所述数字孪生城市空间中任一空间对象进行体素化。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的数字孪生城市多尺度空间网格编码方法，其特征在于，所述空间网格以二进制的方式进行编码。

8.一种数字孪生城市多尺度空间网格编码装置，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取数字孪生城市空间；

空间划分模块，用于对所述数字孪生城市空间进行空间剖分，得到与预设最小空间网格大小相同的单元空间网格；

层级划分模块，用于以所述单元空间网格为初始层级，迭代地将所述单元空间网格根据预设放大倍数进行放大，形成不同层级的空间网格；其中，每一次放大后的结果为一个层级的空间网格；

空间编码模块，用于对各个层级的空间网格进行编码，生成所述空间网格的网格编码。

9.根据权利要求8所述的数字孪生城市多尺度空间网格编码装置，其特征在于，所述空间编码模块具体用于：

根据所述空间网格所属的层级、X轴方向索引、Y轴方向索引和Z轴方向索引，生成所述空间网格的网格编码。

10.根据权利要求8所述的数字孪生城市多尺度空间网格编码装置，其特征在于，还包括：

编码计算模块，用于根据各所述空间网格的网格编码，确定各所述空间网格在所述数字孪生城市空间的坐标系中的空间坐标，以及各所述空间网格之间的空间关系；其中，所述空间关系用于进行网格查询。

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