CN116416502A - 一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法及系统，属于元宇宙与数字孪生技术领域，整个空间模型以产品为单位进行描述，在产品下定义更新区域，在更新区域下使用图层来描述，并采用分层分块机制划分空间；所述空间模型采用WGS84坐标系统，一个数据库包括多个产品，每个产品由一个或多个更新区域组成，每个更新区域中包含描述物理元素的各个图层，将同一坐标系下的空间划分为不同的层级、不同的方形网格块。本发明能够实现空间模型中每个产品相对独立、版本控制及更新不受其他产品的影响，可根据需要依据空间模型的设计原理以图层的方式扩展。
Description
技术领域
本发明涉及元宇宙与数字孪生技术领域，具体地说是一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法及系统。
背景技术
随着我国提出发展数字经济，推进重点虚拟现实、增强现实等数字经济重点行业的技术创新并提供行业方案，同时随着元宇宙概念的成熟和技术的发展，现阶段沉浸式交互内容、交互硬件、引擎工具、云计算、安全技术等在全面发力。作为连通现实世界与虚拟世界的通道和人类数字化生存的载体，数字孪生技术是构建“元宇宙”的基石。虽然数字孪生还未形成业界共识的定义，但本质上是物理实体等价的虚拟体，虚拟体能够根据物理实体运行的实时反馈信息，对物理实体进行监控、仿真分析和计算，从而对物理实体提供精确的分析和决策。需对物理空间以及社会空间中的物理实体对象、事件对象以及关系对象进行数字空间的虚拟表达以及映射，通过信息基础设施的转化传输以及处理形成数据资源，在通用服务能力的支撑下进一步融合数字孪生技术形成能够对外提供的数字孪生服务，所以数字孪生空间模型(如附图3所示)成为数字孪生应用良性迭代落地的关键。
现有的数字孪生模型具有行业领域的特色，且与不同的建模技术形成的空间模型也各有特性。实体城市信息模型(CIM)通过传统测绘或全息测绘利用空地一体倾斜摄影、激光扫描等多源传感器技术获取全息地理实体要素，描述的是地下地上、室内室外的一体化的结构化城市信息；建筑信息模型(BIM)通过计算机辅助设计构建并存储建筑及设施所有构件、部件等模型元素的几何和非几何信息及其关系，一比一高真实反映物体的各部位几何特征、样式、高度、分布、位置、质地、色彩及纹理等；还有几何建模、网络剖分、系统建模、流程建模、组织建模等技术构建不同场景下的空间模型也各有差异；开放GIS联盟(openGIS consortium，OGC)在其已创建的公共地理模型基础上，通过封装地理信息及其属性，制定了符合地理空间数据组织特点的可扩展标识语言(extensible markup language，XML)扩展集—地理标识言(geography markup language，GML)，并已经成为事实上的网络地理空间数据交换标准，以元数据和实体的形式进行模型表示。在增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、机器人、工业数字孪生机床等智能终端上，通过高精度地图的数据范式来实现亚米级、厘米级甚至毫米级的定位和引导，虚拟空间的构建通常来源于摄像头视觉信息、激光雷达、IMU、GPS等物联感知设备，检测识别并存储车道线位置、类型、方向、交通限制等车道级路网信息、定位图层、动态地图，也提出了OpenDRIVE的空间模型格式规范。
近年来，数据信息异构化，加之数字孪生的应用场景广泛遍布于智慧城市、工业元宇宙、孪生水利等，应用场景碎片化问题显著，元数据表征之间缺乏一致性，更无法实现跨领域的横向复制。数字孪生空间模型应运而生，通过对物理元素的抽象建模、数字化描述，为上层应用开发和终端用户提供标准化的数据结构描述方式和定义、提供统一的接口服务。现有数字孪生空间模型不仅能描述空间地理信息、城市级信息、建筑级信息、车道级的道路信息，还需要综合考虑不同应用场景下物理元素数据映射后的存储，动态可扩展图层描述存储，从而保证信息的一致、综合数据的应用。
发明内容
本发明的技术任务是针对以上不足之处，提供一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法及系统，能够实现空间模型中每个产品相对独立、版本控制及更新不受其他产品的影响，可根据需要依据空间模型的设计原理以图层的方式扩展。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法，整个空间模型以产品为单位进行描述，在产品下定义更新区域，在更新区域下使用图层来描述，并采用分层分块机制划分空间；
所述空间模型采用WGS84坐标系统，一个数据库包括多个产品，每个产品由一个或多个更新区域组成，每个更新区域中包含描述物理元素的各个图层，将同一坐标系下的空间划分为不同的层级、不同的方形网格块。
该空间模型支持大到空间地理信息，小到车道级或组件级的信息的统一描述。
该方法定义了数字孪生空间模型的组织方法，通过图层来划分组织区域数据，通过分层分块的策略来支持扩展机制。以此保证可以动态更新某个或某些区域，从而实现空间模型中每个产品相对独立、版本控制及更新不受其他产品的影响，可根据需要依据空间模型的设计原理以图层的方式扩展。
优选的，每个产品数据库可以是来自不同数据生产公司，也可以是来自同一个公司不同版本的数据，产品的机制支持在一个空间模型下按需横向扩展描述的内容。
优选的，所述产品下定义更新区域，对于城市信息描述更新区域是具体的行政区划，其他场景下的更新区域是聚合归类的总称，更新区域的设定用来保证可以局部进行数据更新。
优选的，所述更新区域下使用图层来描述，图层要素拥有自己的属性、要素间的关系，通过对彼此的引用记录在以块为单位的格网单元中。
优选的，所述图层包括预置的图层定义，包括数字地型模型、3D车道模型、卫星影像、建筑物模型、3D地标和3D图标；
或根据需要按照数据库格式要求新增一个图层的描述，当图层中的部分信息发生变动时，则将发生变化的信息分类对应到具体的数据内容层中去，将与之对应的数据块更新。
优选的，所述分层分块机制，采用WGS84坐标系统，在不同的图层中，数据以多比例尺的方式存储；随着比例尺的变化，描述的物理要素被综合，次重要的要素将被过滤掉；
对以某一内容层指定比例尺的数据，采用分块的方式组织，每个块都是一个规则正方形格网，彼此之间没有重叠，对应在空间模型数据库中，就是数据表中的一行记录。
优选的，所述空间模型支持的更新方式包括：
对整个数据库的增量更新；
对某个层级下产品、更新区域、图层等的部分增量更新；
从产品、更新区域、图层进行要素种类的横向扩展；
属性的更新、替换、添加。
优选的，该空间模型融合建筑信息模型/城市信息模型对于城市描述的标准规范和地理空间信息的描述规范。更好的解决数据模型兼容性问题。
本发明还要求保护一种多图层融合的数字孪生空间模型系统，包括多图层融合的数字孪生空间模型、物理应用以及数据存储和处理设备，所述多图层融合的数字孪生空间模型为上述的多图层融合的数字孪生空间模型，所述多图层融合的数字孪生空间模型通过物理应用连接物理世界产生的多源数据，并通过数据存储和处理设备实现虚拟世界应用的连接；
所述多图层融合的数字孪生空间模型定义物理应用侧所需数据的存储方式和存储要素，并对虚拟应用所需的逻辑关系进行存储，同时提供虚拟应用访问的统一数据访问接口。
本发明还要求保护一种计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在被处理器执行时，使所述处理器执行上述的多图层融合的数字孪生空间模型组织方法。
本发明的一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法及系统与现有技术相比，具有以下有益效果：
该多图层融合的数字孪生空间模型组织方法，比较好的解决了数据模型兼容性问题、以及增量快速更新、图层按需动态扩展的问题，为跨领域数字孪生生产力工具的开发提供了统一数据描述，可以降低不同孪生体联合应用的难度，提升构建数字孪生场景构建的效率和环境适应性。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的多图层融合的数字孪生空间模型机制图；
图2是本发明一个实施例提供的多图层融合的数字孪生空间模型与图层的交互关系示图；
图3是本发明背景技术中所描述的数字孪生功能框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例提供了一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法，综合考虑智慧城市、数字孪生水利、工业数字孪生等领域的物理元素表征需求，融合建筑信息模型/城市信息模型对于城市描述的标准规范和地理空间信息的描述规范(高精度地图)，引入了更新区域、图层和分层分块的机制，来满足对多种数字孪生场景的模型描述且易于增量更新。
空间模型采用WGS84坐标系统，一个数据库包括多个产品，每个产品由一个或多个更新区域组成，每个更新区域中包含描述物理元素的各个图层，将同一坐标系下的空间划分为不同的层级、不同的方形网格块，支持大到空间地理信息，小到车道级或组件级的信息的统一描述。定义了数字孪生空间模型的组织方法，通过图层来划分组织区域数据，通过分层分块的策略来支持扩展机制。以此保证可以动态更新某个或某些区域，从而实现空间模型中每个产品相对独立、版本控制及更新不受其他产品的影响，可根据需要依据空间模型的设计原理以图层的方式扩展。
整个空间模型以产品为单位进行描述，每个产品数据库可以是来自不同数据生产公司，也可以是来自同一个公司不同版本的数据，产品的机制支持在一个空间模型下按需横向扩展描述的内容。
在产品下定义更新区域，对于城市信息描述更新区域可以是具体的行政区划，其他场景下的更新区域可以是聚合归类的总称，更新区域的设定用来保证可以局部进行数据更新。
在更新区域下使用图层来描述，图层要素拥有自己的属性、要素间的关系，通过对彼此的引用记录在以块为单位的格网单元中。
所述图层包括预置的图层定义，包括数字地型模型、3D车道模型、卫星影像、建筑物模型、3D地标和3D图标；
也可以是根据需要按照数据库格式要求新增一个图层的描述，比如动态扩展城市信息模型的城市对象和属性、动态扩展建筑信息模型的内部建筑组件等。当图层中的部分信息发生变动时，则将发生变化的信息分类对应到具体的数据内容层中去，将与之对应的数据块更新。
采用分层分块机制划分空间，采用WGS84坐标系统，在不同的图层中，数据以多比例尺的方式存储；随着比例尺的变化，描述的物理要素被综合，次重要的要素将被过滤掉；
对以某一内容层指定比例尺的数据，采用分块的方式组织，每个块都是一个规则正方形格网，彼此之间没有重叠，对应在空间模型数据库中，就是数据表中的一行记录。
所述空间模型支持四种更新方式：
一是对整个数据库的增量更新；
二是对某个层级下产品、更新区域、图层等的部分增量更新；
三是从产品、更新区域、图层进行要素种类的横向扩展；
四是属性的更新、替换、添加。
该多图层融合的数字孪生空间模型组织的方法主要针对数字孪生构建过程中由于数据信息异构化、应用场景碎片化所面临的空间模型间无法兼容使用、根据场景需要动态扩展的需求，融合建筑信息模型/城市信息模型对于城市描述的标准规范和地理空间信息的描述规范(高精度地图)，引入了更新区域、图层和分层分块的机制，比较好的解决了数据模型兼容性、增量快速更新、图层按需动态扩展的问题，为跨领域数字孪生生产力工具的开发提供了统一数据描述，可以降低不同孪生体联合应用的难度，提升构建数字孪生场景构建的效率和环境适应性。
本发明实施例还提供一种多图层融合的数字孪生空间模型系统，包括多图层融合的数字孪生空间模型、物理应用以及数据存储和处理设备，所述多图层融合的数字孪生空间模型为上述实施例中所述的多图层融合的数字孪生空间模型，所述多图层融合的数字孪生空间模型通过物理应用连接物理世界产生的多源数据，并通过数据存储和处理设备实现虚拟世界应用的连接；参考附图2所示。
所述多图层融合的数字孪生空间模型定义物理应用侧所需数据的存储方式和存储要素，并对虚拟应用所需的逻辑关系进行存储，同时提供虚拟应用访问的统一数据访问接口。
本发明实施例还提供一种计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在被处理器执行时，使所述处理器执行上述实施例中所述的多图层融合的数字孪生空间模型组织方法。具体地，可以提供配有存储介质的系统或者装置，在该存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机(或CPU或MPU)读出并执行存储在存储介质中的程序代码。
在这种情况下，从存储介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此程序代码和存储程序代码的存储介质构成了本发明的一部分。
用于提供程序代码的存储介质实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上下载程序代码。
此外，应该清楚的是，不仅可以通过执行计算机所读出的程序代码，而且可以通过基于程序代码的指令使计算机上操作的操作系统等来完成部分或者全部的实际操作，从而实现上述实施例中任意一项实施例的功能。
此外，可以理解的是，将由存储介质读出的程序代码写到插入计算机内的扩展板中所设置的存储器中或者写到与计算机相连接的扩展单元中设置的存储器中，随后基于程序代码的指令使安装在扩展板或者扩展单元上的CPU等来执行部分和全部实际操作，从而实现上述实施例中任一实施例的功能。
上文通过附图和优选实施例对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，基与上述多个实施例本领域技术人员可以知晓，可以组合上述不同实施例中的代码审核手段得到本发明更多的实施例，这些实施例也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法，其特征在于，整个空间模型以产品为单位进行描述，在产品下定义更新区域，在更新区域下使用图层来描述，并采用分层分块机制划分空间；
所述空间模型采用WGS84坐标系统，一个数据库包括多个产品，每个产品由一个或多个更新区域组成，每个更新区域中包含描述物理元素的各个图层，将同一坐标系下的空间划分为不同的层级、不同的方形网格块。
2.根据权利要求1所述的一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法，其特征在于，每个产品数据库可以是来自不同数据生产公司，也可以是来自同一个公司不同版本的数据，产品的机制支持在一个空间模型下按需横向扩展描述的内容。
3.根据权利要求1或2所述的一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法，其特征在于，所述产品下定义更新区域，对于城市信息描述更新区域是具体的行政区划，其他场景下的更新区域是聚合归类的总称，更新区域的设定用来保证可以局部进行数据更新。
4.根据权利要求3所述的一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法，其特征在于，所述更新区域下使用图层来描述，图层要素拥有自己的属性、要素间的关系，通过对彼此的引用记录在以块为单位的格网单元中。
5.根据权利要求4所述的一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法，其特征在于，所述图层包括预置的图层定义，包括数字地型模型、3D车道模型、卫星影像、建筑物模型、3D地标和3D图标；
或根据需要按照数据库格式要求新增一个图层的描述，当图层中的部分信息发生变动时，则将发生变化的信息分类对应到具体的数据内容层中去，将与之对应的数据块更新。
6.根据权利要求4所述的一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法，其特征在于，所述分层分块机制，采用WGS84坐标系统，在不同的图层中，数据以多比例尺的方式存储；随着比例尺的变化，描述的物理要素被综合，次重要的要素将被过滤掉；
对以某一内容层指定比例尺的数据，采用分块的方式组织，每个块都是一个规则正方形格网，彼此之间没有重叠，对应在空间模型数据库中，就是数据表中的一行记录。
7.根据权利要求6所述的一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法，其特征在于，所述空间模型支持的更新方式包括：
对整个数据库的增量更新；
对某个层级下产品、更新区域、图层等的部分增量更新；
从产品、更新区域、图层进行要素种类的横向扩展；
属性的更新、替换、添加。
8.根据权利要求7所述的一种多图层融合的数字孪生空间模型组织方法，其特征在于，该空间模型融合建筑信息模型/城市信息模型对于城市描述的标准规范和地理空间信息的描述规范。
9.一种多图层融合的数字孪生空间模型系统，其特征在于，包括多图层融合的数字孪生空间模型、物理应用以及数据存储和处理设备，所述多图层融合的数字孪生空间模型为权利要求1至8任一项所述的多图层融合的数字孪生空间模型，所述多图层融合的数字孪生空间模型通过物理应用连接物理世界产生的多源数据，并通过数据存储和处理设备实现虚拟世界应用的连接；
所述多图层融合的数字孪生空间模型定义物理应用侧所需数据的存储方式和存储要素，并对虚拟应用所需的逻辑关系进行存储，同时提供虚拟应用访问的统一数据访问接口。
10.一种计算机可读介质，其特征在于，所述计算机可读介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在被处理器执行时，使所述处理器执行权利要求1至8任一所述的方法。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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