新型测绘产品地理实体模型（GCM）开发设计研究

新型测绘产品地理实体模型（GCM）开发设计研究

宋日辉

安徽同绘家园土地信息技术有限公司  安徽省合肥市 231299

摘要：随着人工智能（AI）、物联网（LoT）、卫星遥感影像技术、车载激光和街景影像采集技术、三维GIS、智慧城市、城市信息模型等新技术以及软硬件技术的高速发展，传统测绘产品已无法满足城市管理、规划、建设、监测、应急等服务要求，虽然国家、行业已有地理实体、实景三维、BIM、CIM的产品标准，但几者融合程度不是很高，无法发挥测绘产品的最大应用，有必要对测绘产品进行重新设计和开发，建立新型地理实体模型产品，为各行各业提供测绘产品最优化的服务。

关键词：新型测绘；地理实体

1、开发目的

新型测绘产品地理实体模型（GCM）可为数据管理、使用、分析等工作提供接入标准；兼容基础测绘、国土空间与规划、城市设计、建筑工程管理、城市管理、BIM和 CIM等相关内容，有利于政府部门间的数据的共享和开放；针对不同需求和地区特点，对实体采用分层、分区、分级、分类、分层次方法，实现数据利用的最大效益化；建立新测绘地理实体模型数据标准，真正实现“一码多态”、“一测多用”、“一图多用”的新型测绘要求。

2、产品设计

（1）概念定义

地理实体模型（GeoCntityModel，简称GCM）定义：现实世界中具有可区别性且独立存在的三维地理信息模型。

以属性和知识为内核，以几何形态和纹理为外壳，实体间相互建立空间、时间和语义关系，并可进行分层、分区、分级、分类、分层次，可综合、可细化、可融合的三维实体。

（2）信息组成

一个地理实体模型的单位成果由几何模型、实体属性、实体知识、实体关系组成。几何模型包含几何图元、表面纹理构成；实体属性包括唯一的实体编码、实体名称、实体类型等基本属性，以及专有属性、隐形属性等；实体知识是与本地理实体模型相关的事实、原理、技能和人际知识；实体关系指一个地理实体模型的单位成果内部部件间、两个及以上地理实体模型的单位成果的空间、时间、语义关系关系。

图1 地理实体模型组成示意图

（3）实体关系

实体关系是一个实体内部、两个或多个实体间的某种联系，用于描述客观存在的事物之间的关系，包括空间、时间、语义关系，或这三者间的某种组合关系。

空间关系包括实体与实体、实体要素内部之间的等于、相交、包含、位于、交叉、邻接、重叠、邻近八种关系。

时间维有两个几何单形，分别是时刻和时段。时刻是表示时间位置的0维几何单形。时段是表示时间长度的1维几何单形。时间关系即时序关系，包括时刻与时刻、时刻与时段、时段与时刻、时段与时段四种时间关系。

语义关系指两个或多个概念或词语之间有意义的关联，包括等同、等级、相关三种关系。

地理实体模型是数据、信息、知识的承载体，以结构化的形式描述客观世界中概念、实体及其之间的关系形成关系网络，构建通过关系链接而成的实体网状知识库，通过知识图谱表现，实体是知识图谱中的最基本元素。

（4）实体知识

实体知识是地理实体模型结构化的语义知识库，用于以符号形式描述物理世界中的实体（概念）及其相互关系。

实体知识分为事实知识（know-what）、原理知识（know-why）、技能知识（know-how）和人际知识(know-who）。事实知识指关于客观事实的知识，原理知识指关于自然界(含人类社会)的原理和法则的科学知识，技能知识指关于做事的技艺或能力的知识，人际知识指关于谁知道以及谁知道如何去做某事的知识。

实体知识通过实体关系获得，实体关系第一层采用RDF模型，使用三元组集合的方式来描述事物和关系。三元组是实体知识表示的基本单位，其基本组成单位是“实体－关系－实体”三元组，实体间通过关系相互联，构成网状的知识结构。

（5）数据结构

地理实体模型数据是由点、线、面、体、栅格、文本等组成的三维复合体，通过复合体的数据结构，可视化反映相关地理要素在立体空间中的位置、几何形态、表面纹理及其属性等信息，进而建立实体关系、实体知识，构建实体知识图谱。

点一般包括模型几何中心、空间特征点、地面投影中心、最低点、最高点，线一般包括模型切线、模型轮廓线、表面边界线，面一般包括边界表面、模型外壳表皮、模型切面，地体一般包括模型外壳体块、模型部件、附属设施、内部摆设、开口空间等，栅格一般包括表面纹理以及属性、关系、知识的图形表示；文本包括实体属性、实体关系、实体知识信息等。

3、产品表达

（1）分层与分类

地理实体模型依据现实世界全覆盖、数字孪生全映射、空间上下全贯通的原则，按照数据的使用性质、用途功能、管理权属内容，分为房屋建筑、基础设施、院落场地、地下管廊、区划地形、路网水网六大层。

表1　地理实体数据架构

房屋建筑实体按照建筑功能用途分为居住建筑、公共建筑、工业建筑、农业建筑、其他建筑等。

基础设施实体分为公共服务设施、市政公用设施、道路交通设施、其他设施等；

院落场地实体按照国土空间规划用途分类、资源利用的主导方式划分为住宅院落、公共服务院落、工业仓储院落、道路交通院落、市政公用院落、绿地与广场、其他等；

区划地形包括行政区划、管理格网、地形；

路网水网包括城市道路、公路、铁路、轨道，以及江河、沟渠等线状实体；

地下管廊包括地下综合管线和地下设施等。

（2）分级与细节表现

根据不同的管理需求和内容表达详细程度要求，按照从整体到细节原则，采用金字塔式分级模式，实际操作采用某一级进行数据采集、建库、处理等工作，或者按照高级向低级进行综合取舍处理。

按表现细节的不同可分为LOD0、LOD1、LOD2、LOD3、LOD4五个细节层次，总体要求如下：

a)LOD0级模型应表达地理实体模型粗略轮廓，能够呈现区域性景观的地表模型；

b)LOD1级模型应表达地理实体模型基本框架和表面，能够呈现城市、区域景观的框架模型，表面凸凹结构边长大于1.0m（含1.0m）应细化建模；

c)LOD2级模型应表达地理实体模型框架和表面的标准模型，表面凸凹结构边长大于0.5m（含0.5m）应细化建模；

d)LOD3级模型应表达三维模型单体框架、表面细节的精细模型，表面凸凹结构边长大于0.2m（含0.2m）应细化建模；

e)LOD4级模型应表达地理实体模型详细框架、内外表面细节的部件模型，表面凸凹结构边长大于0.05m（含0.05m）应细化建模。

表2　地理实体模型分级表

1、小结与建议

本文对地理实体模型（GCM）进行概念定义，对数据分层、分类、细节表达进行了简单的说明，基本阐述了地理实体模型产品数据标准，由于文章篇幅所限，如实体编码、详细实体分类等部分内容未有罗列，本文仅供广大测绘工作者在实景三维、地理实体生产中借鉴。

为了以后更好开展地理实体模型生产工作，有以下建议：

（1）开发数据格式

开发能够一体化管理点、线、面、体、栅格、文本等复合体的三维地理实体模型数据格式，跨越二维与三维、空间与属性、结构与纹理、模型与关系、关系与知识的管理壁垒。

（2）加快数据深度融合

地理实体模型与经济、社会、人口以及互联网数据进行深度融合，在自然资源、建设等行业做精做深，以点代面发挥地理实体模型数据的作用。

参考文献

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[2]军民通用资源 语义关系分类与表示GB/T 38992-2020

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[4] OGC City Geography Markup Language (CityGML) Encoding Standard2.0

[5] 三维地理信息模型数据产品规范 CH/T 9015-2012