王樹(shù)魁，崔 蓓，遲有忠，毛燕翎

（1.商丘師范學(xué)院，河南 商丘 476000；2.南京市國(guó)土資源信息中心，江蘇 南京 210005）

近年來(lái)，隨著GIS、BIM、IoT、AI 等技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，CIM平臺(tái)建設(shè)成為新型智慧城市轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要抓手，列入了國(guó)家“十四五”規(guī)劃等一系列的重要文件，已成為一項(xiàng)國(guó)家戰(zhàn)略。CIM是城市智慧化運(yùn)營(yíng)管理的基礎(chǔ)性平臺(tái)[1-7]，為智慧城市提供空間協(xié)同的“數(shù)字底板”，南京市借助全國(guó)首批CIM平臺(tái)建設(shè)試點(diǎn)城市和實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)等契機(jī)，結(jié)合地方的切實(shí)需求，對(duì)CIM全息底板建設(shè)進(jìn)行了相關(guān)的探索。

1 建設(shè)需求與思路

通過(guò)調(diào)研收集匯總，CIM 全息底板建設(shè)的需求主要包括以下幾個(gè)方面：①?lài)?guó)家層面。要求統(tǒng)籌協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)體系，消除數(shù)據(jù)壁壘，探索建設(shè)底層數(shù)據(jù)打通的CIM 平臺(tái)，以BIM 報(bào)建為切入點(diǎn)，不斷豐富和完善城市規(guī)劃建設(shè)管理數(shù)據(jù)信息，為智慧城市管理平臺(tái)建設(shè)奠定基礎(chǔ)[8]。開(kāi)展實(shí)景三維建設(shè)，為數(shù)字中國(guó)建設(shè)提供統(tǒng)一的空間基底[9]。②地方政府層面。要求建設(shè)統(tǒng)一權(quán)威的智慧城市空間底板，統(tǒng)籌各部門(mén)智能系統(tǒng)有機(jī)銜接,促進(jìn)智慧城市轉(zhuǎn)型升級(jí)。③城市運(yùn)營(yíng)管理方面。需要建設(shè)真實(shí)準(zhǔn)確、精細(xì)美觀(guān)、現(xiàn)勢(shì)動(dòng)態(tài)的現(xiàn)狀城市空間數(shù)字底板。④城市發(fā)展規(guī)劃方面。需要建設(shè)能夠直觀(guān)重現(xiàn)歷史、反映現(xiàn)在、模擬未來(lái)的城市空間應(yīng)用場(chǎng)景。⑤企業(yè)方面。需要能支撐專(zhuān)業(yè)分析應(yīng)用的空間可視化共享服務(wù)數(shù)字底板。⑥市民方面。希望能夠以立體直觀(guān)的方式了解、參與、監(jiān)督城市的發(fā)展規(guī)劃和建設(shè)，共治家園，體現(xiàn)市民的參與感、歸屬感和幸福感。

南京面向多對(duì)象、多層次、多維度CIM需求，采用總體規(guī)劃、分步實(shí)施的總體思路。首先研究構(gòu)建CIM 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、分析、可視化和服務(wù)發(fā)布等方面全面考慮，分類(lèi)開(kāi)展多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的規(guī)范化治理。其次理清數(shù)據(jù)關(guān)系、制定融合規(guī)則、建立信息關(guān)聯(lián)，再以GIS 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、BIM數(shù)據(jù)為核心，將正射影像、數(shù)字高程模型、城市三維模型和BIM等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)體系化融合建庫(kù)。然后掛接承載物聯(lián)網(wǎng)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等信息，形成立體空間全覆蓋的CIM全息底板。最后采用數(shù)據(jù)和服務(wù)統(tǒng)一框架管理的方式，實(shí)現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)一源存儲(chǔ)、統(tǒng)一庫(kù)管、統(tǒng)一注冊(cè)、發(fā)布多種標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，支撐智慧城市各領(lǐng)域應(yīng)用。

2 數(shù)據(jù)資源收集

本著開(kāi)放共享、重復(fù)利用、充分挖掘的原則，收集了各部門(mén)CIM 相關(guān)的既有數(shù)據(jù)，用于本項(xiàng)目開(kāi)展CIM全息底板建設(shè)研究，主要匯集的數(shù)據(jù)資源目錄如表1所示。

表1 CIM相關(guān)數(shù)據(jù)資源目錄

3 CIM全息底板構(gòu)建

圍繞CIM全息底板構(gòu)建的核心任務(wù)，首先研制標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)下，由簡(jiǎn)入深研究和實(shí)踐，通過(guò)治理整合地上模型要素、地下空間、BIM、物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等信息資源，形成CIM全息底板，支撐CIM基礎(chǔ)平臺(tái)融合二三維空間業(yè)務(wù)屬性信息和應(yīng)用的能力。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)研制

立足城市CIM標(biāo)準(zhǔn)化需求，基于系統(tǒng)論、頂層設(shè)計(jì)思維等方法論，運(yùn)用“A-C-R-E-O”循環(huán)法：分析（Analyzing）、編制（Compiling）、運(yùn)行（Running）、評(píng)價(jià)（Evaluating）、優(yōu)化（Optimizing）、UML 建模語(yǔ)言等技術(shù)手段，充分考慮未來(lái)動(dòng)態(tài)優(yōu)化與迭代升級(jí)的開(kāi)放兼容能力，構(gòu)建了3 個(gè)層次（基礎(chǔ)層、通用層和應(yīng)用層）8 大類(lèi)38 小類(lèi)CIM 標(biāo)準(zhǔn)體系框架（如圖1），制定了全面成套的CIM標(biāo)準(zhǔn)體系，內(nèi)容涵蓋CIM數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)、數(shù)據(jù)建庫(kù)及更新、CIM平臺(tái)服務(wù)及運(yùn)維等，為CIM建設(shè)提供規(guī)范、指引和預(yù)測(cè)。

圖1 CIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架

在CIM標(biāo)準(zhǔn)體系指引下，制定了城市地下地表全空間、物理實(shí)體全要素、BIM 構(gòu)件全覆蓋的一套CIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。將城市地上地下基礎(chǔ)設(shè)施和空間資源全面數(shù)字化，創(chuàng)建全空間一體的CIM 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；制定了數(shù)字空間與物理空間一一映射的全要素?cái)?shù)據(jù)分類(lèi)和編碼[10]，涵蓋建筑、交通、植被、水系、城市部件、地質(zhì)、管線(xiàn)等要素實(shí)體類(lèi)型，在南京市《三維地理信息模型數(shù)據(jù)規(guī)范》規(guī)定的三維模型LOD1 至LOD4 分級(jí)的基礎(chǔ)上[11]，增加了功能級(jí)BIM、構(gòu)件級(jí)BIM 和零件級(jí)BIM 的精細(xì)分級(jí)表達(dá)，面向不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?shí)體對(duì)象精細(xì)程度的需求，標(biāo)準(zhǔn)還支撐了墻、門(mén)、窗等內(nèi)部構(gòu)件分層次在數(shù)字空間進(jìn)行呈現(xiàn)和表達(dá)。實(shí)體通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)編碼進(jìn)行索引，對(duì)接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用和更新。

3.2 CIM空間底板構(gòu)建

針對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同空間尺度數(shù)據(jù)的組織管理，從不同范圍表達(dá)城市空間形態(tài)。電子地圖、正射影像和數(shù)字高程模型等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)可在大尺度的場(chǎng)景中表達(dá)全市的地形地貌，三維白模數(shù)據(jù)可在中尺度的場(chǎng)景中表達(dá)城市建筑群空間形態(tài)，精模、傾斜攝影、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)適合在中小尺度的場(chǎng)景中精確表達(dá)城市建筑形態(tài)以及建筑色彩，而B(niǎo)IM 數(shù)據(jù)則可在小尺度場(chǎng)景中精準(zhǔn)地表達(dá)建筑單體及其內(nèi)部構(gòu)件。

城市精細(xì)三維模型的生產(chǎn)成本高、周期長(zhǎng)，一般只在主城和重點(diǎn)開(kāi)發(fā)建設(shè)區(qū)建設(shè)，為了實(shí)現(xiàn)市域范圍全覆蓋，項(xiàng)目組基于數(shù)字高程模型和電子地圖（建筑物不同高度分別構(gòu)建閉合面，并帶有高度、層數(shù)、結(jié)構(gòu)等屬性信息），采用參數(shù)化建模技術(shù)[12]，結(jié)合人眼視覺(jué)特性，構(gòu)建了市域全覆蓋的精工白模，相比傳統(tǒng)白模，增加了女兒墻、層線(xiàn)、材質(zhì)文理等要素的細(xì)節(jié)表達(dá)，體現(xiàn)手繪建筑留白藝術(shù)之美（如圖2），既保證了城市現(xiàn)狀底板的完整性，又降低了建模成本。

圖2 精工白模

針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的要求，數(shù)字底板能提前預(yù)設(shè)，按需組合靈活應(yīng)對(duì)，比如通過(guò)虛擬看現(xiàn)場(chǎng)研究某地區(qū)環(huán)境提升方案，需要較大范圍詳細(xì)了解現(xiàn)狀環(huán)境情況，簡(jiǎn)單圖層疊加無(wú)法滿(mǎn)足，還要考慮多源數(shù)據(jù)根據(jù)覆蓋范圍的物理拼接、去除冗余有機(jī)融合，可以先將人工精模、傾斜攝影、激光雷達(dá)等高精度現(xiàn)狀三維模型按范圍拼接，根據(jù)現(xiàn)勢(shì)性、精細(xì)度等因素綜合取舍去除冗余，再將精細(xì)模型未覆蓋的區(qū)域用精工白模補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)不同精度現(xiàn)狀模型信息的最優(yōu)全域覆蓋（如圖3）。

圖3 集成融合城市空間底板

在數(shù)字地下空間的構(gòu)建中，將全市普查積累的二維地下管線(xiàn)、地下空間數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)生成三維管井、管線(xiàn)和各種地下空間設(shè)施模型，并帶有豐富的屬性信息，通過(guò)項(xiàng)目、設(shè)施關(guān)系與地上地物有機(jī)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)地上地下一體化（如圖4）。通過(guò)收集匯總工程建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)和地質(zhì)勘探活動(dòng)中形成的大量鉆孔數(shù)據(jù)，將其驅(qū)動(dòng)生成三維地質(zhì)鉆孔模型，采用插值擬合方法，構(gòu)建地質(zhì)層模型，形成地上地下全空間底板。

城市發(fā)展規(guī)劃研究中，需要根據(jù)不同時(shí)期城市建設(shè)發(fā)展情況，研究城市發(fā)展動(dòng)因和演變規(guī)律，在發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的城市規(guī)劃和建設(shè)；設(shè)計(jì)師也希望把理想的設(shè)計(jì)成果融入城市場(chǎng)景，更大范圍模擬分析城市未來(lái)的發(fā)展規(guī)劃。因此在CIM 底板構(gòu)建中，引入了過(guò)去不同時(shí)期的正射影像。基于南京歷史演變研究成果[13]，復(fù)原了從東吳、東晉到隋唐、南唐、宋、元、明、清、民國(guó)不同歷史時(shí)期的城市空間格局，直觀(guān)模擬南京市千年文脈、歷史格局演變以及城市發(fā)展規(guī)律（如圖5）。在歷史文化名城保護(hù)中，把歷史建筑中真正遺存下來(lái)有保護(hù)價(jià)值的部件（如門(mén)、窗、雕花、斗拱等），利用BIM 技術(shù)建設(shè)構(gòu)件級(jí)數(shù)字模型，并以BIM構(gòu)件為載體，掛接細(xì)節(jié)圖片，整合歷史建筑的結(jié)構(gòu)、材料、殘損、修繕等信息，實(shí)現(xiàn)歷史建筑的數(shù)字化復(fù)原和精準(zhǔn)保護(hù)。在城市未來(lái)規(guī)劃中，將規(guī)劃成果根據(jù)建筑高度、容積率等開(kāi)發(fā)強(qiáng)度指標(biāo)，驅(qū)動(dòng)生成不同專(zhuān)題的三維規(guī)劃成果一張圖，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃成果直觀(guān)建立起來(lái)的目標(biāo)，讓老百姓也能看懂規(guī)劃、參與城市建設(shè)，更加科學(xué)高效地管控規(guī)劃建設(shè)活動(dòng)[14]；在現(xiàn)狀底板上，融合植入城市設(shè)計(jì)模型，開(kāi)展天際線(xiàn)、街墻立面、景觀(guān)等分析，使其能更直觀(guān)地回顧過(guò)去、把握現(xiàn)在、規(guī)劃未來(lái)。

圖5 城市空間格局歷史演變

BIM 數(shù)據(jù)可高精度地表達(dá)城市建筑對(duì)象，包括對(duì)建筑外廓、功能空間、內(nèi)部構(gòu)件等。GIS 優(yōu)勢(shì)在城市中宏觀(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景，BIM 優(yōu)勢(shì)在于工程項(xiàng)目級(jí)，以GIS 作為CIM 框架，BIM 作為新的數(shù)據(jù)源補(bǔ)充，讓智慧城市的應(yīng)用場(chǎng)景從室外走向室內(nèi)功能空間，精度上從建筑單體級(jí)走向構(gòu)件級(jí)（如圖6），大大提升了服務(wù)管理的精細(xì)化程度，實(shí)現(xiàn)與真實(shí)世界的一一映射[15]。通過(guò)與工程建設(shè)項(xiàng)目在工程規(guī)劃、施工圖、竣工等階段的BIM 方案報(bào)建審查系統(tǒng)對(duì)接集成，BIM 報(bào)建模型自動(dòng)植入CIM場(chǎng)景（如圖3），動(dòng)態(tài)更新CIM數(shù)字底板，可為CIM提供持久生命力，內(nèi)生CIM自生長(zhǎng)動(dòng)力。南京市自BIM報(bào)建試點(diǎn)項(xiàng)目成果上線(xiàn)運(yùn)行半年多來(lái)，已為CIM底板更新自動(dòng)提供了20多個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的BIM模型。

圖6 BIM構(gòu)件級(jí)模型

通過(guò)多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的治理融合，尤其BIM 與GIS技術(shù)有機(jī)集成，共同構(gòu)成了二三維一體、地上地表地下銜接、室外室內(nèi)連通、歷史現(xiàn)狀規(guī)劃共存的多源多尺度全空間的“城市空間數(shù)字底板”，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市空間細(xì)節(jié)的精準(zhǔn)刻畫(huà)。

3.3 CIM動(dòng)態(tài)全息底板構(gòu)建

以“城市空間數(shù)字底板”為載體，項(xiàng)目組嘗試接入了城市用水、用電等能耗信息，環(huán)境檢測(cè)、雨情、城市監(jiān)控視頻、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，讓城市空間數(shù)字底板產(chǎn)生了“神經(jīng)和血液”，共同構(gòu)成CIM 全息底板。

基于CIM全息底板，可按需構(gòu)建城市各領(lǐng)域?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)用場(chǎng)景，支撐智慧城市的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)。例如在三維不動(dòng)產(chǎn)示范應(yīng)用中，基于BIM模型，按照建筑面積的計(jì)算規(guī)則，提取構(gòu)建了一套分層分戶(hù)的不動(dòng)產(chǎn)權(quán)空間模型，掛接不動(dòng)產(chǎn)權(quán)管理信息。為了充分挖掘數(shù)據(jù)資源價(jià)值，以不動(dòng)產(chǎn)空間模型為載體，進(jìn)一步嘗試掛接用水、用電量等能耗信息，進(jìn)行可視化分析，直觀(guān)動(dòng)態(tài)顯示片區(qū)或者某戶(hù)過(guò)去一段時(shí)間的用電量變化情況（如圖7），可用于輔助開(kāi)展房屋空置率分析和單位GDP能耗分析等應(yīng)用。

圖7 能耗（用電量）分析

為了在CIM場(chǎng)景中融入城市運(yùn)行的動(dòng)態(tài)信息，利用基于啟發(fā)式算法的多路視頻與CIM場(chǎng)景自動(dòng)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多路實(shí)時(shí)視頻自動(dòng)投影、校準(zhǔn)、畸變糾正與CIM 場(chǎng)景融合及相鄰攝像頭實(shí)時(shí)視頻的無(wú)縫銜接（如圖8），讓整個(gè)城市的數(shù)據(jù)處于生動(dòng)鮮活狀態(tài)，進(jìn)一步夯實(shí)了CIM的全息底板。

圖8 多路視頻與CIM場(chǎng)景自動(dòng)融合

為適應(yīng)智慧城市應(yīng)用需要，將CIM二三維數(shù)據(jù)發(fā)布成多種三維服務(wù)，滿(mǎn)足基于不同三維引擎構(gòu)建的智慧城市應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用。充分利用時(shí)空云或天地圖等公共服務(wù)平臺(tái)的現(xiàn)有成果，研發(fā)三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及服務(wù)發(fā)布公共組件，在組件中集成IFC、RVT、OBJ、OSG、FBX、3DMax 等格式的模型轉(zhuǎn)換程序和I3S 格式、3DTiles格式、S3M格式的三維服務(wù)發(fā)布程序，并對(duì)外提供統(tǒng)一的調(diào)用接口，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了南京市CIM基礎(chǔ)平臺(tái)，用戶(hù)只要通過(guò)平臺(tái)上傳模型數(shù)據(jù)，平臺(tái)便會(huì)調(diào)用公共組件的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)模型格式自動(dòng)轉(zhuǎn)換及I3S、3DTiles 等格式的三維服務(wù)自動(dòng)發(fā)布，為智慧城市各領(lǐng)域應(yīng)用提供全市協(xié)同共享的全息空間信息服務(wù)支撐。

4 結(jié) 論

CIM 是GIS 應(yīng)對(duì)新時(shí)代需求的一種融合創(chuàng)新，它從數(shù)據(jù)源、展現(xiàn)效果、技術(shù)等層面給GIS 帶來(lái)新的生命力。CIM 具有良好的開(kāi)放性、兼容性和可擴(kuò)展性，通過(guò)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合與技術(shù)集成，尤其在GIS 的基礎(chǔ)上融合BIM，不但克服了GIS 缺乏對(duì)城市實(shí)體內(nèi)部、細(xì)節(jié)、參數(shù)化的精準(zhǔn)刻畫(huà)，還通過(guò)工程建設(shè)項(xiàng)目BIM 報(bào)建，為CIM 提供自我完善機(jī)制，持續(xù)推動(dòng)CIM新陳代謝、自我生長(zhǎng)、發(fā)展壯大。通過(guò)整合經(jīng)濟(jì)社會(huì)物聯(lián)網(wǎng)等實(shí)時(shí)“流”信息大數(shù)據(jù)，共同構(gòu)成城市有機(jī)生命體的CIM 全息底板，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市空間細(xì)節(jié)的精準(zhǔn)刻畫(huà)，虛實(shí)融合、以虛控實(shí)，在數(shù)字空間對(duì)城市治理方案進(jìn)行不限次數(shù)的模擬仿真試錯(cuò)，找到最優(yōu)解，然后在物理世界執(zhí)行最優(yōu)方案，避免在物理世界中為試錯(cuò)付出高昂的成本，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)、更高效、更智能的城市治理。作為城市智慧化轉(zhuǎn)型的空間協(xié)同載體，促進(jìn)智慧城市開(kāi)放共享、協(xié)同互聯(lián)，為智慧城市的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供堅(jiān)實(shí)有力的基礎(chǔ)支撐，賦能城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化。