CN113989452B - 一种基于gis的数字孪生城市坐标定位方法及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GIS的数字孪生城市坐标定位方法及监测系统，包括获取目标区域的卫星影像，并确定至少两个参考点及其经纬度坐标；根据所述卫星影像生成目标区域的三维地图模型；基于unity引擎确定两个所述参考点在unity引擎的左手坐标系下的平面位置坐标；获取所述卫星影像中目标区域内所有基础设施的经纬度坐标计算所述基础设施在unity引擎的左手坐标系中的平面位置坐标；根据所述基础设施的平面位置坐标，确定该基础设施在三维地图模型上对应的位置点，利用所述基础设施的名称对位置点进行一一赋值，完成数字孪生城市坐标的定位；采用本发明，可将物理空间内的基础设施的位置准确映射至数字孪生城市这一虚拟空间中，协助管理者进行决策和管理。

Description

一种基于GIS的数字孪生城市坐标定位方法及监测系统

技术领域

本发明涉及数字孪生技术领域，具体涉及一种基于GIS的数字孪生城市坐标定位方法及监测系统。

背景技术

数字孪生城市的建设需要大数据GIS技术创新赋能，以实现对城市数据、城市计算、城市智能，以及城市感知和城市可视化展示的支持。利用GIS精准定位城市基础设施、城市重点建筑，如：街道井盖、路灯，利传感器、监控实时采集数据进行分析，协助管理者做好管理工作，如何精准定位基础设施便成为这项工作中重要的环节之一。

现有的数字孪生城市在对其基础设施的经纬度坐标获取通常通过直接从第三方地图软件获取，而由于第三方地图软件上仅能显示如建筑物、景点等大型的基础设施，而无法显示例如井盖、路灯等小型基础设施，使得在经纬度坐标获取的结果不理想，对应的，使得在确定基础设施在三维地图模型中的位置时存在较大偏差，坐标定位不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于GIS的数字孪生城市坐标定位方法及监测系统，以解决现有技术中将基础设施映射至数字孪生城市中时基础设施的经纬度坐标获取不完整导致的坐标定位不准确的问题。

为达到上述目的，本发明的第一方面提供了一种基于GIS的数字孪生城市坐标定位方法，具体包括以下步骤：

S1：获取目标区域的卫星影像，并在所述卫星影像中对应目标区域以外的区域确定至少两个参考点，且每一参考点的水平延伸线及垂直延伸线均不通过其他参考点，然后以所述参考点为基准确定一包围所述目标区域的封闭区域，并获取参考点的经纬度坐标；

S2：根据所述卫星影像生成目标区域的三维模型，并将所述卫星影像贴合至所述三维模型上，得到目标区域的三维地图模型；

S3：基于unity引擎建立左手坐标系，并将所述三维地图模型导入unity引擎中，确定两个所述参考点在unity引擎的左手坐标系下的平面位置坐标；

S4：获取所述卫星影像中目标区域内所有基础设施的经纬度坐标并导入unity引擎中，依次计算每一基础设施对应的经纬度坐标与两个参考点的经纬度坐标之间的偏移量，并结合两个参考点的平面位置坐标，计算得到所述基础设施在unity引擎的左手坐标系中的平面位置坐标；

其中，获取所述目标区域内所有基础设施的经度和纬度的方法包括通过第三方地图软件获取所述基础设施的经度和纬度和通过飞行器获取所述基础设施的经度和纬度；且通过所述飞行器获取基础设施的经纬度坐标的具体方法为：

a.获取目标区域的城市规划平面图；

b.采用飞行器对目标区域内至少两个同种类目标基础设施的位置进行航拍，生成正射影像，得到正射影像内基础设施的经度和纬度；

c.将所述城市规划平面图和所述正射影像导入ArcGIS软件中，通过缩放、平移和旋转所述正射影像，使正射影像中的基础设施与城市规划平面图中对应的基础设施重合，并利用所述ArcGIS软件将正射影像中基础设施的经度和纬度赋予所述城市规划平面图中对应的基础设施；

d.根据城市规划平面图中已知的基础设施的经度和纬度，计算得到城市规划平面图中同种类的其他所有基础设施的经度和纬度；

S5：根据所述基础设施的平面位置坐标，确定该基础设施在三维地图模型上对应的位置点，利用所述基础设施的名称对位置点进行一一赋值，完成数字孪生城市坐标的定位。

进一步的，所述步骤S2的具体步骤包括：

S201：利用图像处理软件将所述目标区域的卫星影像处理成对应的矢量文件，并将所述矢量文件导入第三方3D处理软件中生成目标区域的三维模型；

S202：对所述三维模型各面对应的UV进行展开，得到相互分离的一正射投影的UV顶面以及一由所述三维模型厚度所形成的UV侧面；

S203：在卫星影像中目标区域的边界位置处选取至少两个关键位置进行控制点标记并对所述控制点进行编号，然后根据所述控制点按顺序依次在UV顶面上标记与所述控制点一一对应的特征点；

S204将所述卫星影像导入所述第三方3D处理软件中，根据所述卫星影像的位置，通过缩放、旋转和平移所述卫星影像，使控制点与对应的特征点对齐，将卫星影像叠加至UV顶面上；

S205：创建材质球，将所述卫星影像添加至材质球上，并将所述材质球加载至三维模型上，完成材质赋予，得到三维地图模型。

进一步的，所述步骤S4的具体步骤包括：

S401：获取卫星影像中目标区域内所有基础设施的经度和纬度，形成经纬度坐标集合；

S402：将所述经纬度坐标集合导入unity引擎中，分别计算在所述左手坐标系中，所述经纬度坐标集合的每一基础设施相对于两个参考点的位置之间的横坐标偏移量和纵坐标偏移量；

S403：根据每一基础设施的横坐标偏移量和纵坐标偏移量，结合两个参考点的平面位置坐标，计算得到每一基础设施在左手坐标系中的平面位置坐标，形成坐标数据集合。

进一步的，在步骤S401中，通过所述第三方地图软件获取基础设施的经纬度坐标的具体方法为：

在第三方地图软件中，以基础设施的名称和/或详细地址为索引，录入所述基础设施的名称和/或详细地址，定位所述基础设施在第三方地图软件的平面地图或卫星影像中的初步位置，并将平面地图或卫星影像放大至预设等级，进一步确定该基础设施对应的位置点，所述位置点的经度和纬度即为所述基础设施的经度和纬度。

进一步的，在步骤S402中，所述左手坐标系中基础设施的位置相对于参考点A之间的横坐标偏移量K₁以及基础设施的位置相对于参考点B之间的纵坐标偏移量K₂分别通过如下公式计算得到：

其中：

分别为卫星影像中基础设施的位置点C与参考点A之间的经度偏移量和纬度偏移量；

分别为卫星影像中参考点B与参考点A之间的经度偏移量和纬度偏移量；

分别为unity引擎的左手坐标系中参考点B与参考点A之间的横坐标偏移量和纵坐标偏移量。

进一步的，在步骤S403中，所述基础设施在左手坐标系中的平面位置坐标可表示为：

C＝(x_A+K₁,z_B+K₂)；

其中：x_A为参考点A在左手坐标系中的横坐标值；z_B参考点B在左手坐标系中的纵坐标值。

本发明的第二方面提供一种基于GIS的数字孪生城市监测系统，包括：

基础设施定位模块，用于根据上述方法计算基础设施在数字孪生城市的平面位置坐标，对基础设施进行准确定位；

基础设施数据库，用于储存所述基础设施的基本信息以及实时运行数据；

业务信息管理模块，用于对基础设施的基本信息进行录入、修改和删除，并在所述基本信息发生变更后更新所述基础设施数据库中存储的对应的基本信息；

数据采集模块，包括设置在基础设施对应位置的数据监测装置，用于实时采集基础设施的运行数据，并按时间顺序依次将所述运行数据存入所述基础设施数据库中；

数据调用模块，用于将所述基础设施定位模块中基础设施的平面位置坐标与所述基础设施数据中对应基础设施的基本信息和实时运行数据进行关联，并在用户发起调用请求时调用所述基本信息和实时运行数据；以及

可视化模块，用于对所述数据调用模块调用的基本信息和实时运行数据进行展示。

进一步的，所述基础设施定位模块包括：

卫星影像获取子模块，用于获取目标区域的卫星影像，并在所述卫星影像中确定一可限定目标区域边界的矩形区域，选取所述矩形区域中任一对角线上的两个顶点为参考点，获取两个参考点的经纬度坐标；

三维地图模型生成子模块，用于根据所述目标区域的卫星影像生成目标区域的三维地图模型；

经纬度坐标获取子模块，用于通过第三方地图软件和/或飞行器获取目标区域内基础设施的经纬度坐标，并导入unity引擎中；

计算子模块，用于基于unity引擎创建左手坐标系，并将所述三维地图模型导入unity引擎中，确定两个参考点在所述左手坐标系中的平面位置坐标，以及根据所述基础设施的经纬度坐标以及参考点的经纬度坐标和平面位置坐标，计算得到所述基础设施在左手坐标系中的平面位置坐标；以及

赋值子模块，用于根据所述基础设施的平面位置坐标，确定该基础设施在三维地图模型上对应的位置点，利用所述基础设施的名称对位置点进行一一赋值。

本方案通过从多方面对基础设施的经纬度坐标进行获取，不仅能获取到卫星影像中能直接显示的大型基础设施还能获取到卫星影像中不能直接显示的小型基础设施，能够有效还原目标区域内基础设施的真实位置，将物理空间中的基础设施准确映射至数字孪生城市这一虚拟空间中，以增加数字孪生城市的完整性；并且在对基础设施进行定位时，通过引入两个参考点，以两个参考点的为参考来确定基础设施的位置，无需确定坐标系的原点即可求得所有基础设施的平面位置坐标，确定基础设施在三维地图模型中的位置，简单、快速，能够有效提高坐标定位的效率。另，本方案在对基础设施进行准确定位后，还可实现对基础设施的实时数据采集，以便管理者能够及时掌握基础设施的实时运行情况，达到统计、管理城市基础设施及重点建筑的目的，协助管理者进行决策和管理。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种基于GIS的数字孪生城市坐标定位方法的流程图。

图2为步骤S1中卫星影像与参考点的位置关系示意图。

图3为步骤S2的流程图。

图4为步骤S4的流程图。

图5为步骤S402中基础设施的位置点与参考点之间的位置关系示意图。

图6为本发明实施例2的一种基于GIS的数字孪生城市监测系统的结构框图。

图7为图6中基础设施定位模块的结构框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1

如图1所示，为本实施例的一种基于GIS的数字孪生城市坐标定位方法的流程图。本实施例具体包括以下步骤：

S1：获取卫星影像，确定卫星影像中参考点的经纬度坐标。

首先，通过第三方地图软件获取目标区域的卫星影像。在本实施例中，所述第三方地图软件为水经注万能地图下载器，在其他的实施例中，也可采用谷歌卫星地图下载器、BIGEMAP地图下载器或全能电子地图下载器来获取目标区域的卫星影像。具体的，在第三方地图软件中查找目标区域的地图，并将所述地图存储为预定格式的卫星影像，在本实施例中，所述卫星影像的格式为tif格式，并且所述卫星影像的等级以能清楚看到所述目标区域内各基础设施为限。

在获取到的卫星影像中对应目标区域以外的区域确定至少两个参考点，且每一参考点的水平延伸线及垂直延伸线均不通过其他参考点，以所述参考点为基准确定一封闭区域，并将所述目标区域包围在所述封闭区域内，然后获取所述参考点的经纬度坐标，由于所述卫星影像通过水经注万能地图下载器或者其他的第三方地图软件获取得到，其经纬度坐标采用地理坐标系。

具体的，如图2所示，在本实施例中，综合考虑目标区域的面积、形状以及定位的精度要求，在所述卫星影像中对应目标区域以外的区域确定两个参考点(即参考点A和参考点B，在具体实现时，所述参考点A和参考点B还可取所述卫星影像的对角线所对应的两个顶点)，然后以参考点A和参考点B的连线为对角线确定一矩形区域(即上述封闭区域)，然后获取参考点A和参考点B的经度和纬度，所述参考点A的经纬度坐标可表示为(X_A,Z_A)，所述参考点B的经纬度坐标可表示为(X_B,Z_B)。在其他的实施例中，还可根据实际需求(即目标区域的面积、形状及精度要求)在卫星影像中选取三个、四个或者其他数量的参考点，并且由基于多个参考点确定一其他任意形状的多边形形成所述封闭区域。

S2：基于目标区域的卫星影像创建目标区域的三维地图模型。

采用第三方矢量图形软件将所述卫星影像图处理成预定格式的矢量文件；然后将所述矢量文件导入第三方3D处理软件中，生成所述目标区域对应的三维模型；最后将所述卫星影像贴合至所述三维模型上，得到目标区域的三维地图模型。

如图3所示，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S201：根据目标区域的卫星影像生成对应的三维模型。

具体的，将所述tif格式的卫星影像图导入第三方矢量图形软件中，通过第三方矢量图形软件对所述卫星影像图进行处理得到预定格式的矢量文件。在本实施例中，所述第三方矢量图形软件采用Adobe illustrator，其可将所述卫星影像图处理成ai格式的矢量文件，在其他的实施例中，也可采用如Corel draw、Xara等矢量图形软件对所述卫星影像图进行处理。再将所述矢量文件导入第三方3D处理软件中，生成所述目标区域对应的三维模型。在本实施例中，所述第三方3D处理软件采用Cinema 4D，在其他的实施例中，也可采用如3DMAX、Solidworks的等3D软件对所述矢量文件进行处理，得到三维模型。

S202：将三维模型展开形成一UV顶面和一UV侧面。

为了便于将所述卫星影像精准的贴合至所述三维模型上，需对所述三维模型进行展UV。具体的，将建立好的三维模型载入Cinema 4D中，利用所述Cinema 4D软件，基于三维模型的面对所述三维模型各面对应的UV进行展开，得到相互分离的一UV顶面以及一由所述三维模型厚度所形成的UV侧面。在本实施例中，由于所述三维模型是由目标区域的卫星影像经过处理得到，所述卫星影像为所述目标区域的正射影像，而所述三维模型展开后形成的UV顶面为所述目标区域在竖直方向上的正投影面，其形状与所述目标区域的形状相同，因此，所述卫星影像可以精准贴合至所述UV顶面上。

S203：在卫星影像和UV顶面上分别确定一一对应的控制点和特征点。

首先，在卫星影像中目标区域的边界位置处选取至少两个关键位置作为控制点，并对所述控制点依次进行标记并编号。然后，根据所述控制点的顺序，依次在UV顶面上找到与所述控制点一一对应的位置，将其标记为对应的特征点并进行编号，编号相同的控制点和特征点作为一对点对，通过将点对进行配准，可实现卫星影像与UV顶面的准确叠加。

在本实施例中，由于所述三维模型是由矢量文件生成得到，使得当三维模型展开后得到的UV顶面上不存在任何地形或者标志建筑物的纹理，因此，本实施例在选取控制点和特征点时，以所述目标区域的边界作为基准进行选取。另外，由于所述目标区域的边界为不规则的形状，为准确判断控制点的位置，在进行控制点选取时，应当尽可能选取目标区域的边界上具有标志性或者具有明显特征的位置，同时，还可通过增加控制点的数量来提高卫星影像贴合的精度。在其他的实施例中，当目标区域的边界为规则形状时，也可选择某一条边作为控制边或特征边来实现卫星影像与UV顶面的准确叠加。

S204：对卫星影像进行处理后叠加至UV顶面上。

将所述卫星影像导入Cinema 4D软件中，根据所述卫星影像与UV顶面的相对位置，通过缩放、旋转和平移所述卫星影像，使控制点与对应的特征点对齐，将卫星影像叠加至UV顶面上。

具体的，可通过连接任意两个特征点并测量两个特征点之间的第一距离，以及连接与所述两个特征点对应的控制点并测量两个控制点之间的第二距离，基于所述第一距离和第二距离得到卫星影像与UV顶面之间的比例关系，进而得到卫星影像的缩放系数，对所述卫星影像进行缩放。然后，基于所述Cinema 4D软件的坐标系，确定任一点对在所述Cinema 4D软件的坐标系内的坐标，基于该点对的坐标，计算所述卫星影像的平移矩阵，将卫星影像按所述平移矩阵进行移动，使所述控制点与特征点重合。最后，以所述重合的控制点和特征点为原点建立一新的坐标系，重新确定一点对相对于在新的坐标系中的坐标，计算得到所述卫星影像的旋转矩阵，将所述卫星影像按所述旋转矩阵以新的坐标系的原点为旋转中心进行旋转，使卫星影像上所有的控制点与UV顶面上的特征点一一对应重合，完成卫星影像与UV顶面的叠加。

S205：创建材质球，生成三维地图模型。

基于Cinema 4D软件创建材质球，然后将所述卫星影像添加至材质球上，并将所述材质球加载至三维模型上，完成三维模型的材质赋予，得到三维地图模型。

S3：确定参考点的平面位置坐标。

基于unity引擎建立左手坐标系，并将所述三维地图模型导入unity引擎中，并将所述参考点A的经纬度坐标(X_A,Z_A)和参考点B的经纬度坐标(X_B,Z_B)导入所述unity引擎中，通过unity引擎将两个所述参考点的经纬度坐标转换成在左手坐标系下的平面位置坐标，所述参考点A在左手坐标系下的平面位置坐标可表示为(x_A,z_A)，所述参考点B在左手坐标系下的平面位置坐标可表示为(x_B,z_B)。在本实施例中，所述地理坐标系的坐标与左手坐标系的转换关系由所述unity引擎可直接得到。

S4：获取目标区域内所有基础设施的经纬度坐标，计算得到基础设施对应的平面位置坐标，确定基础设施的相对位置。

具体的，获取所述卫星影像中目标区域内所有基础设施(包括建筑物、景点、路灯、井盖等基础设施)的经纬度坐标并导入unity引擎中，依次计算每一基础设施对应的经纬度坐标与两个参考点的经纬度坐标之间的偏移量，并结合两个参考点的平面位置坐标，计算得到所述基础设施在unity引擎的左手坐标系中的平面位置坐标，确定出该基础设施的相对位置。

如图4所示，所述步骤S4的具体步骤包括：

S401：获取卫星影像中目标区域内所有基础设施的经度和纬度，形成经纬度坐标集合。

通过第三方地图软件注获取所述基础设施的经度和纬度和/或通过飞行器获取所述基础设施的经度和纬度，形成以基础设施的经纬度坐标为变量的经纬度坐标集合。所述经纬度坐标集合C_i可表示为：

其中：

为经纬度坐标集合中第i个基础设施的经度，

为经纬度坐标集合中第i个基础设施的纬度，i＝1,2,...,N，N为基础设施的数量。

所述第三方地图软件(本实施例中为水经万能地图下载器)主要用于获取卫星影像中可直接显示的基础设施，如学校、医院、住宅等建筑物以及公园、游乐园等景点设施。通过第三方地图软件获取基础设施的经纬度坐标的具体方法为：

首先，以基础设施的名称和/或详细地址为索引，在水经注万能地图下载器中录入所述基础设施的名称和/或详细地址，定位所述基础设施在第三方地图软件的平面地图或卫星影像中的初步位置；然后，将平面地图或卫星影像放大至预设等级，以便能更清晰看到该基础设施的具体位置，并确定该基础设施对应的位置点；最后，提取该位置点的经度和纬度，所述位置点的经度和纬度即为所述基础设施的经度和纬度。

所述飞行器主要用于获取卫星影像中无法直接显示的基础设施，如井盖、路灯以及排污口等基础设施。在本实施例中，所述飞行器采用具有坐标定位功能的无人机，且该无人机的坐标系与卫星影像所采用的坐标系一直，即地理坐标系。本实施例以井盖为例对通过所述飞行器获取基础设施的经纬度坐标的具体方法进行说明：

a.从地方规划部门或市政部门获取目标区域的城市规划平面图，具体为目标区域的井盖(包括雨水、污水、电力以及消防等)规划方案图。所述城市规划平面图优选为DWG格式的CAD图纸文件，图纸以能够清楚、准确表示目标区域内所有井盖的具体位置为限。

b.采用飞行器对目标区域进行航拍，其航拍范围要求为拍摄到目标区域内至少两个井盖的位置，基于拍摄的范围生成目标区域的正射影像，由于本实施例的飞行器采用的是具有坐标定位功能的无人机，因此，可以在所述正射影像中直接获取到井盖的经度和纬度。在本实施例中，拍摄到的井盖数量优选为4-10个，在确保经纬度坐标获取精度的前提下提高了经纬度坐标的获取效率；当然，在其他的实施例中，可根据精度要求以及目标区域的面积，适当增加或减少拍摄到的井盖的数量，以提高获取效率。

c.将所述城市规划平面图和所述正射影像导入ArcGIS软件中，使所述城市规划平面图和正射影像均置于ArcGIS的坐标系中，并与步骤S204相同的方法计算所述正射影像的缩放系数、平移矩阵和旋转矩阵，依次对所述正射影像进行缩放、平移和旋转，使正射影像中的拍摄到的所有井盖与城市规划平面图中对应位置的井盖重合；再利用所述ArcGIS软件将正射影像中井盖的经度和纬度赋予所述城市规划平面图中对应的井盖。

d.根据城市规划平面图中已知经度和纬度的井盖位置，确定其他井盖与已知位置的井盖之间的直线距离，计算得到城市规划平面图中其他井盖的经度和纬度。

S402：根据基础设施与参考点的经纬度坐标，分别计算基础设施在左手坐标系中的横坐标偏移量和纵坐标偏移量。

具体的，将所述基础设施的经纬度坐标集合导入unity引擎中，分别计算在所述左手坐标系中，所述经纬度坐标集合的每一基础设施相对于两个参考点的位置之间的横坐标偏移量和纵坐标偏移量。

如图5所示，所述左手坐标系中基础设施的位置点C相对于参考点A之间的横坐标偏移量K₁可表示为：

所述左手坐标系中基础设施的位置点C相对于参考点B之间的纵坐标偏移量K₂分别通过如下公式计算得到：

其中：

为卫星影像中基础设施的位置点C与参考点A之间的经度偏移量；

为为卫星影像中基础设施的位置点C与参考点B之间的纬度偏移量；

分别为卫星影像中参考点B与参考点A之间的经度偏移量和纬度偏移量；

分别为unity引擎的左手坐标系中参考点B与参考点A之间的横坐标偏移量和纵坐标偏移量。

S403：根据所述基础设施的横坐标偏移量和纵坐标偏移量，计算所述基础设施的平面位置坐标。

根据每一基础设施在左手坐标系中相对于参考点A之间的横坐标偏移量K₁以及相对于参考点B之间的纵坐标偏移量K₂，结合两个参考点A的平面位置坐标(x_A,z_A)以及参考点B的平面位置坐标(x_B,z_B)，计算得到每一基础设施在左手坐标系中的平面位置坐标，形成坐标数据集合。

所述基础设施在左手坐标系中的平面位置坐标可表示为：

C＝(x_A+K₁,z_B+K₂) (4)

其中：x_A为参考点A在左手坐标系中的横坐标值；z_B参考点B在左手坐标系中的纵坐标值。

进而，所述基础设施的坐标数据集合c_i可表示为：

其中：

分别为左手坐标系中第i基础设施相对于参考点A之间的横坐标偏移量和相对于参考点B之间的纵坐标偏移量，i＝1,2,...,N，N为基础设施的数量。

S5：利用基础设施的名称和平面位置坐标对三维地图模型上的位置点进行赋值。

根据步骤S4中得到的由各基础设施的平面位置坐标形成的坐标数据集合c_i，确定每一基础设施在三维地图模型上对应的位置点，然后利用所述基础设施的名称对确定的位置点进行一一赋值，完成数字孪生城市坐标的定位。

本实施例通过从多方面对目标区域内基础设施的经纬度坐标进行获取，不仅能获取到卫星影像中能直接显示的大型基础设施还能获取到卫星影像中不能直接显示的小型基础设施，能够有效还原目标区域内基础设施的真实位置，以便准确定位各基础设施；并且在对基础设施进行定位时，通过引入两个参考点，以两个参考点的为参考来确定基础设施的位置，无需确定坐标系的原点即可求得所有基础设施的平面位置坐标，确定基础设施在三维地图模型中的位置，简单、快速，能够有效提高坐标定位的效率。

实施例2

如图6所示，为本实施例的一种基于GIS的数字孪生城市监测系统的控制框图。本实施例的监测系统基于实施例1的坐标定位方法对数字孪生城市中的基础设施坐标进行定位，然后对每一基础设施的基本信息进行赋值以及对每一基础设施的实时运行数据进行采集，最后将基础设施的基本信息和运行数据进行可视化展示，可实现对城市的实时监测，使得相关人员能够实时掌握整个城市的运行情况，以便在出现紧急情况时及时作出应急响应。具体的，本实施例的一种基于GIS的数字孪生城市监测系统包括基础设施定位模块1、基础设施数据库2、业务信息管理模块3、数据采集模块4、数据调用模块5以及可视化模块6。

所述基础设施定位模块1基于实施例1的坐标定位方法计算出基础设施在左手坐标系中的平面位置坐标，然后根据参考点确定所述基础设施在数字孪生城市的位置，对基础设施进行准确定位。

如图7所示，所述基础设施定位模块1包括卫星影像获取子模块11、三维地图模型生成子模块12、经纬度坐标获取子模块13、计算子模块14以及赋值子模块15。

所述卫星影像获取子模块11获取目标区域的卫星影像，并在所述卫星影像中确定一可限定目标区域边界的矩形区域，选取所述矩形区域中任一对角线上的两个顶点为参考点或者选取卫星影像的对角线上的顶点，然后获取两个参考点相对于地理坐标系的经纬度坐标。在其他的实施例中，所述矩形区域也可是其他形状的多边形区域，参考点也可以是所述多边形区域上任意两个顶点或者任意边上的某两点。

所述三维地图模型生成子模块12首先根据所述目标区域的卫星影像，将所述卫星影像处理成矢量文件，并基于所述矢量文件生成目标区域的三维模型；然后将所述三维模型以面为单位进行展开得到一与卫星影像形状相似的UV顶面以及一UV侧面，提取所述UV顶面，将所述卫星影像贴合至所述UV顶面上，得到三维地图模型。

所述经纬度坐标获取子模块13通过第三方地图软件和/或飞行器获取目标区域内基础设施的经纬度坐标，所述第三方地图软件主要用于获取在卫星影像上能直接显示的大型基础设施，而所述飞行器则主要用于获取在卫星影像上无法直接显示的小型基础设施，并将获取到的基础设施的经纬度坐标导入unity引擎中。

所述计算子模块14首先基于unity引擎创建左手坐标系，并接收所述三维地图模型，通过所述unity引擎将两个参考点在地理坐标系中的经纬度坐标转换成左手坐标系中的平面位置坐标。然后，所述计算子模块14再根据基础设施的经纬度坐标以及参考点的经纬度坐标和平面位置坐标，计算得到所述基础设施在左手坐标系中的平面位置坐标。

所述赋值子模块15根据基础设施的平面位置坐标，确定该基础设施在三维地图模型上对应的位置点，利用所述基础设施的名称对位置点进行一一赋值。

在本实施例中，所述基础设施定位模块1对应的子模块组合实现基础设施的坐标定位时，采用实施例1中的坐标定位方法实现，在此，不一一赘述。

所述基础设施数据库2中储存有所述基础设施的基本信息以及实时运行数据。在本实施例中，所述基础设施的基本信息包括但不限于基础设施的名称、位置、面积、用途、建成或安装时间、维修记录、故障处理记录、故障排查情况、负责人等；所述基础设施的实时运行数据包括但不限于基础设施的压力、流量、设施状态、设施能耗、使用寿命等。

所述业务信息管理模块3可对新建的基础设施的基本信息进行录入、对发生信息变更的基础设施的基本信息进行修改以及对拆除的基础设施的基本信息进行删除，并在所述基本信息发生变更后(增加、改变或减少)更新所述基础设施数据库2中存储的对应的基本信息，使得基础设施数据库2中存储的基础设施的基本信息与实际的基础设施的基本信息相吻合。

所述数据采集模块4包括设置在基础设施对应位置的数据监测装置，所述数据监测装置可以是各种压力传感器、流量传感器、电压表、电流表等，以用于实时采集基础设施的运行数据，并按时间顺序依次将所述运行数据存入所述基础设施数据库2中，以实时更新所述基础设施数据库2中的实时运行数据。

所述数据调用模块5可将所述基础设施定位模块1中基础设施的平面位置坐标与所述基础设施数据中对应基础设施的基本信息和实时运行数据进行关联，使基础设施的位置与对应的信息和实时运行数据一一对应，使得用户发起调用请求时可调用所述基本信息和实时运行数据。在具体实现时，所述数据调用模块5对基本信息和实时运行数据的调用功能可表现为选择或者指定某一基础设施时，所述数据调用模块5可对该基础设施的平面位置坐标进行识别，通过该平面位置坐标关联到基础设施数据库2中对应基础设施的基本信息和实时运行数据，并对所述基本信息和实时运行数据进行调用。

所述可视化模块6接收所述数据调用模块5调用的基础设施的基本信息和实时运行数据，并对所述基本信息和实时运行数据进行展示。所述可视化模块在对基本信息和实时运行数据进行展示时，可以是嵌入式显示也可通过弹窗进行显示。

本实施例的监测系统还包括一故障监测模块7以及排查反馈模块8，所述故障监测模块7可对基础设施的使用寿命、故障等进行监测，以便于管理者对故障及时进行排查；所述排查反馈模块8可对维修记录、故障处理记录和/或故障排查情况进行采集并反馈至所述业务信息管理模块3，使所述业务信息管理模块3利用接收到的维修记录、故障处理记录和/或故障排查情况对所述基础设施数据库2中基础设施的基础信息进行更新。

所述故障检测模块7内预先存储有基础设施运行时的各种运行数据阈值，其在工作时，可将所述数据采集模块4采集到的实时数据与对应的运行数据阈值进行比较，当实时数据超过运行数据阈值时，所述故障监测模块7可发出异常信号，通过基础设施定位模块1确定出现故障的基础设施的位置，并通过所述可视化模块6进行弹窗或闪烁显示故障位置、故障类型以及负责人等，使管理者可接收到对应的故障信息，以及时安排相应的负责人进行排查，负责人在进行排查后，可将维修记录、故障处理记录和/或故障排查情况通过排查反馈模块8进行上报反馈。

在具体实现时，以井盖为例，还可在距离井盖预定范围内设置监控装置及警示装置，所述监控装置可实时采集井盖的图像，通过机器学习利用井盖的图像对所述故障检测模块7进行训练，使得故障检测模块7能够对井盖的图像进行识别，并在井盖打开时，及时发出异常信号，并控制警示装置启动发出警示(如灯光、声音或者二者结合进行警示)，以对路人起到警示作用。

本实施例通过设置业务信息管理模块3和数据采集模块4可对数字孪生城市中的各基础设施的基本信息进行管理以及对基础设施的实时运行数据进行采集，以便能够实现对各基础设施的实时监测，达到统计、管理城市基础设施及重点建筑的目的，协助管理者进行决策和管理。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。

Claims (8)

1.一种基于GIS的数字孪生城市坐标定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取目标区域的卫星影像，并在所述卫星影像中对应目标区域以外的区域确定至少两个参考点，且每一参考点的水平延伸线及垂直延伸线均不通过其他参考点，然后以所述参考点为基准确定一包围所述目标区域的封闭区域，并获取参考点的经纬度坐标；

S2：根据所述卫星影像生成目标区域的三维模型，并将所述卫星影像贴合至所述三维模型上，得到目标区域的三维地图模型；

S3：基于unity引擎建立左手坐标系，并将所述三维地图模型导入unity引擎中，确定两个所述参考点在unity引擎的左手坐标系下的平面位置坐标；

S4：获取所述卫星影像中目标区域内所有基础设施的经纬度坐标并导入unity引擎中，依次计算每一基础设施对应的经纬度坐标与两个参考点的经纬度坐标之间的偏移量，并结合两个参考点的平面位置坐标，计算得到所述基础设施在unity引擎的左手坐标系中的平面位置坐标；

其中，获取所述目标区域内所有基础设施的经度和纬度的方法包括通过第三方地图软件获取所述基础设施的经度和纬度和通过飞行器获取所述基础设施的经度和纬度；且通过所述飞行器获取基础设施的经纬度坐标的具体方法为：

a.获取目标区域的城市规划平面图；

b.采用飞行器对目标区域内至少两个同种类目标基础设施的位置进行航拍，生成正射影像，得到正射影像内基础设施的经度和纬度；

c.将所述城市规划平面图和所述正射影像导入ArcGIS软件中，通过缩放、平移和旋转所述正射影像，使正射影像中的基础设施与城市规划平面图中对应的基础设施重合，并利用所述ArcGIS软件将正射影像中基础设施的经度和纬度赋予所述城市规划平面图中对应的基础设施；

d.根据城市规划平面图中已知的基础设施的经度和纬度，计算得到城市规划平面图中同种类的其他所有基础设施的经度和纬度；

S5：根据所述基础设施的平面位置坐标，确定该基础设施在三维地图模型上对应的位置点，利用所述基础设施的名称对位置点进行一一赋值，完成数字孪生城市坐标的定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于GIS的数字孪生城市坐标定位方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤包括：

S201：利用图像处理软件将所述目标区域的卫星影像处理成对应的矢量文件，并将所述矢量文件导入第三方3D处理软件中生成目标区域的三维模型；

S202：对所述三维模型各面对应的UV进行展开，得到相互分离的一正射投影的UV顶面以及一由所述三维模型厚度所形成的UV侧面；

S203：在卫星影像中目标区域的边界位置处选取至少两个关键位置进行控制点标记并对所述控制点进行编号，然后根据所述控制点按顺序依次在UV顶面上标记与所述控制点一一对应的特征点；

S204将所述卫星影像导入所述第三方3D处理软件中，根据所述卫星影像的位置，通过缩放、旋转和平移所述卫星影像，使控制点与对应的特征点对齐，将卫星影像叠加至UV顶面上；

S205：创建材质球，将所述卫星影像添加至材质球上，并将所述材质球加载至三维模型上，完成材质赋予，得到三维地图模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于GIS的数字孪生城市坐标定位方法，其特征在于，所述步骤S4的具体步骤包括：

S401：获取卫星影像中目标区域内所有基础设施的经度和纬度，形成经纬度坐标集合；

S402：将所述经纬度坐标集合导入unity引擎中，分别计算在所述左手坐标系中，所述经纬度坐标集合的每一基础设施相对于两个参考点的位置之间的横坐标偏移量和纵坐标偏移量；

S403：根据每一基础设施的横坐标偏移量和纵坐标偏移量，结合两个参考点的平面位置坐标，计算得到每一基础设施在左手坐标系中的平面位置坐标，形成坐标数据集合。

4.根据权利要求1所述的一种基于GIS的数字孪生城市坐标定位方法，其特征在于，在步骤S401中，通过所述第三方地图软件获取基础设施的经纬度坐标的具体方法为：

在第三方地图软件中，以基础设施的名称和/或详细地址为索引，录入所述基础设施的名称和/或详细地址，定位所述基础设施在第三方地图软件的平面地图或卫星影像中的初步位置，并将平面地图或卫星影像放大至预设等级，进一步确定该基础设施对应的位置点，所述位置点的经度和纬度即为所述基础设施的经度和纬度。

5.根据权利要求3所述的一种基于GIS的数字孪生城市坐标定位方法，其特征在于，在步骤S402中，所述左手坐标系中基础设施的位置相对于参考点A之间的横坐标偏移量K₁以及基础设施的位置相对于参考点B之间的纵坐标偏移量K₂分别通过如下公式计算得到：

其中：

分别为卫星影像中基础设施的位置点C与参考点A之间的经度偏移量和纬度偏移量；

分别为卫星影像中参考点B与参考点A之间的经度偏移量和纬度偏移量；

分别为unity引擎的左手坐标系中参考点B与参考点A之间的横坐标偏移量和纵坐标偏移量。

6.根据权利要求3所述的一种基于GIS的数字孪生城市坐标定位方法，其特征在于，在步骤S403中，所述基础设施在左手坐标系中的平面位置坐标可表示为：

C＝(x_A+K₁,z_B+K₂)；

其中：x_A为参考点A在左手坐标系中的横坐标值；z_B参考点B在左手坐标系中的纵坐标值。

7.一种基于GIS的数字孪生城市监测系统，其特征在于，包括：

基础设施定位模块，用于根据权利要求1-6中任一项所述的方法计算基础设施在数字孪生城市的平面位置坐标，对基础设施进行准确定位；

基础设施数据库，用于储存所述基础设施的基本信息以及实时运行数据；

业务信息管理模块，用于对基础设施的基本信息进行录入、修改和删除，并在所述基本信息发生变更后更新所述基础设施数据库中存储的对应的基本信息；

数据采集模块，包括设置在基础设施对应位置的数据监测装置，用于实时采集基础设施的运行数据，并按时间顺序依次将所述运行数据存入所述基础设施数据库中；

数据调用模块，用于将所述基础设施定位模块中基础设施的平面位置坐标与所述基础设施数据中对应基础设施的基本信息和实时运行数据进行关联，并在用户发起调用请求时调用所述基本信息和实时运行数据；以及

可视化模块，用于对所述数据调用模块调用的基本信息和实时运行数据进行展示。

8.根据权利要求7所述的一种基于GIS的数字孪生城市监测系统，其特征在于，所述基础设施定位模块包括：

卫星影像获取子模块，用于获取目标区域的卫星影像，并在所述卫星影像中确定一可限定目标区域边界的矩形区域，选取所述矩形区域中任一对角线上的两个顶点为参考点，获取两个参考点的经纬度坐标；

三维地图模型生成子模块，用于根据所述目标区域的卫星影像生成目标区域的三维地图模型；

经纬度坐标获取子模块，用于通过第三方地图软件和/或飞行器获取目标区域内基础设施的经纬度坐标，并导入unity引擎中；

计算子模块，用于基于unity引擎创建左手坐标系，并将所述三维地图模型导入unity引擎中，确定两个参考点在所述左手坐标系中的平面位置坐标，以及根据所述基础设施的经纬度坐标以及参考点的经纬度坐标和平面位置坐标，计算得到所述基础设施在左手坐标系中的平面位置坐标；以及

赋值子模块，用于根据所述基础设施的平面位置坐标，确定该基础设施在三维地图模型上对应的位置点，利用所述基础设施的名称对位置点进行一一赋值。

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