数字孪生城市建模系列软件及数据产品

    南京师范大学闾国年教授、周良辰教授团队

    闾国年教授、周良辰教授及其团队长期致力于三维地理信息领域的理论方法研究与系统开发工作,在三维地理信息系统数据模型、建模方法及表达技术等方面取得了诸多重要学术成果,并在国内外获得了广泛的应用,产生了显著的社会与经济效益。
    2021年,《“十四五”国家信息化规划》明确提出,要完善城市信息模型平台和运行管理服务平台,并积极探索数字孪生城市的建设。2022年,自然资源部办公厅发布了《关于全面推进实景三维中国建设的通知》(以下简称《通知》),进一步明确了实景三维中国建设的具体目标、任务及分工。
    在此背景下,闾国年教授、周良辰教授团队在城市地下、地上、室外及室内的三维一体化建模方面积累了丰富的开发经验和显著成果。具体项目涵盖了城市地质体三维建模、高精度地图建模、视频GIS建模、房屋一体化不动产三维建模、高精度BIM全自动建模以及城市小区高精度建模等多个领域。

    全球海表四维动态数据集(2010-2019年)

    OceanSurface4D-ISEA4H提供了基于全球等积六边形离散网格的全球海表的四维动态数据集,以1度分辨率提供了涵盖10年(2010年1月-2019年12月)的月平均表层流场和潮汐高度。源数据包括:来源于CMEMS提供的19.8年的卫星测高轨迹点数据、AVISO提供的空间分辨率为1/4°的卫星遥感绝对地形动态数据(Absolute Dynamic Topology,ADT)的月平均值以及CMEMS提供的1/4°的散射计风场月平均值数据。
    NNU-Mini CIM数据集道路模型示意图

    图1 2010-2019年的月平均流场图

    NNU-Mini CIM数据集道路模型示意图

    图2 2002-10-1日0时的全球潮汐高度展示图

    NNU-Mini CIM数据集道路模型示意图

    图3 M2分潮同潮图可视化

    南京师范大学仙林北区CIM数据集(NNU-Mini CIM)

    NNU-Mini CIM 数据集选取了南京师范大学北区作为研究对象,该区域不仅拥有丰富的自然景观(如山体、植被和水系),还分布着多种人工建筑(如道路、建筑和桥梁)(见图1)。依据住房城乡建设部发布的《城市信息模型数据加工技术标准》,城市信息模型的精细度等级被划分为七个级别:CIM 1(地表模型)、CIM 2(框架模型)、CIM 3(标准模型)、CIM 4(精细模型)、CIM 5(功能模型)、CIM 6(构建级模型)以及 CIM 7(零件级模型)。NNU-Mini CIM 模型数据涵盖了这七个层级,并且所有模型均经过了人工精心修正。该数据集的内容包括地形、行政区、城市房屋建筑(见图2)、园林绿化设施、交通设施(见图3)、市政设施(见图4)、水系水利设施、地质信息(见图5)和传感器数据等多个方面。
    NNU-Mini CIM数据集总览侧视图
    (a) NNU-Mini CIM数据集总览侧视图
    NNU-Mini CIM数据集总览俯视图
    (b) NNU-Mini CIM数据集总览俯视图
    图1 NNU-Mini CIM数据集总览
    NNU-Mini CIM数据集建筑模型外部
    (a) NNU-Mini CIM数据集建筑模型外部
    NNU-Mini CIM数据集建筑模型内部
    (b) NNU-Mini CIM数据集建筑模型内部
    图2 NNU-Mini CIM数据集建筑模型示意图
    NNU-Mini CIM数据集道路模型示意图

    图3 NNU-Mini CIM数据集道路模型示意图

    NNU-Mini CIM数据集管网模型示意图

    图4 NNU-Mini CIM数据集管网模型示意图

    NNU-Mini CIM数据集管网模型示意图

    图5 NNU-Mini CIM数据集地质体模型示意图

    中国海陆空图幅集成数据集(2012、2021年)

    该数据为海陆空图幅集成数据集。主要包括中国海图、陆图、空图的1:50万和1:25万图幅的原始矢量数据和集成到正二十面体六边形离散格网与GeoSOT格网上的GeoJSON数据。该数据制作时间为2022年,海陆空数据根据国家标准制作,其中海图数据时间为2021年,陆图和空图为国家2012年标准。该数据集获得2018年国家重点研发计划“地球观测与导航”专项项目“全球位置框架与编码系统”课题一“多重全球剖分网格与统一编码的理论与方法”(课题编号:2018YFB0505301 )资助。
    中国海陆空图幅集成数据集缩略图
    图1 中国海陆空图幅集成数据集

    城市信息模型OpenCIM2

    城市信息模型OpenCIM2是在OpenCIM的基础上,遵循《城市信息模型通用信息描述规范》、《城市信息模型数据交换格式标准》,构建的城市信息模型交换格式读写SDK,并配套相应的测试案例和简易可视化工具。该工具提供了OSGB、IFC数据的解析工具,城市信息模型数据交换格式的创建工具,城市信息模型数据交换格式的可视化工具。完整的展现了基于GIS/BIM/IoT数据构建一个CIM模型,以及CIM模型的三维场景与背后的数据关联关系展现的完整流程。可以供CIM模型生成、CIM平台建设的研究者与开发者借鉴。
    本数据集及软件工具是国家重点研发计划项目“城市信息模型(CIM)数据结构化治理关键技术”(2022YFC3803600)的主要研究成果。

    全球离散格网系统基础算法库OpenDGGS

    OpenDGGS是一个面向基于施耐德等积多面体投影所构建的全球离散格网系统(DGGS)的API库,支持多种DGGS拓扑类型与层级下多种DGGS要素的统一剖分与编码,能够实现基于DGGS的编码转换、空间数据集成、空间关系查询等操作,旨在提供一个具备拓扑完备性与唯一性的DGGS API库,为制定DGGS核心标准提供参考,为全球离散格网系统在地理信息科学、地球系统科学中的推广应用奠定基础。ISEA4H是OpenDGGS框架下的一种具体离散格网实现,它通过将球面地球表面映射到二十面体上,再细分为均匀的六边形单元,实现等面积的空间划分。ISEA4H格网采用“Aperture 4”递归划分方式,每次细分时将六边形单元分成4个更小的六边形,从而具备多尺度特性。这种格网系统有效减少了传统网格系统中的投影误差和面积失真,是一种适用于地理信息系统(GIS)和全球尺度数据分析的理想方案。通过对最优格网分辨率进行分析,得到六级格网分辨率(赤道分辨率约1°)下的数据集质量最优,因此选择6级分辨率的ISEA4H的格网作为OceanSurface4D数据集的框架。

    全球海表四维重建软件包

    OceanSurface4D软件包提供了一套基于全球等面积六边形离散网格的多源数据反演程序,具体包括全球六边形离散格网的生成、表层流场数据的提取、调和常数的提取、潮汐高度的反演以及基于调和常数的同潮图绘制程序。这一软件包为全球离散格网的应用提供了新的思路,同时地理信息系统和海洋学的学生和研究人员提供一个宝贵的参考资源。
    NNU-Mini CIM数据集道路模型示意图