孫立志,付海龍

(天津市測繪院有限公司,天津 300381)

0 引 言

截至2021年底,國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示全國常住人口城鎮(zhèn)化率達到64.72%[1],并且未來有持續(xù)增長的趨勢,到2022年末中國城鎮(zhèn)化率有可能突破66%,通過分析對比數(shù)據(jù),按照年復(fù)合增長率超過1%發(fā)展,到2050年有可能達到80%[2]。隨著城市化進程的加快,“城市病”逐漸增多,如交通擁堵、基建設(shè)施脆弱不堪、惡化的生態(tài)環(huán)境等[3],特別是人口超千萬的超大城市面臨的問題尤為嚴峻。如何在城市管理中科學(xué)地解決這些嚴峻的難題,包括人口、醫(yī)療、交通、環(huán)保和資源等問題,成為政府部門首要考慮的問題。習(xí)近平總書記在2020年浙江考察時指出:“讓城市更聰明一些、更智慧一些,是推動城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化的必由之路,前景廣闊”[4]。新型智慧城市的提出是解決城市發(fā)展中遇到各種問題的強有力方法。學(xué)者們一致認為,新型智慧城市已經(jīng)成為推進城鎮(zhèn)化、破解各種城市病、提升城市治理體系以及提高城市治理能力的必由之路和戰(zhàn)略選擇[5]。而智慧城市需要一個一體化的綜合平臺來解決信息孤島和重復(fù)建設(shè)的問題,城市信息模型(City Information Modeling,簡稱CIM)平臺應(yīng)運而生。

盡管城市信息模型(CIM)的理論體系和平臺實踐應(yīng)用還處于起步階段,但我國各個城市探索發(fā)展普遍認識到,CIM對于智慧城市的科學(xué)治理起到突出作用。CIM是以BIM、GIS、IoT等技術(shù)為基礎(chǔ),主要是整合CIM中的“C”即城市的歷史現(xiàn)狀未來、地上地下、室內(nèi)室外等多維度多尺度的城市感知數(shù)據(jù)和信息模型數(shù)據(jù)。我國城市信息模型(CIM)發(fā)展是從2018年開始迅猛發(fā)展的[6],2018年11月住房城鄉(xiāng)建設(shè)部將雄安、北京城市副中心、廣州、南京和廈門等列入“運用建筑信息模型(BIM)進行工程項目審查審批和城市信息模型(CIM)平臺建設(shè)”五個試點城市,之后深圳市、重慶市等多個地區(qū)也加快在CIM領(lǐng)域的探索[7],其大多都將CIM平臺作為智慧城市、數(shù)字孿生城市建設(shè)的數(shù)據(jù)底座平臺來搭建相應(yīng)的框架。作為平臺基底技術(shù),CIM平臺能夠從多個維度完整描述結(jié)構(gòu)復(fù)雜的城市系統(tǒng),實現(xiàn)三維可視化展示、統(tǒng)計、分析及應(yīng)用,輔助城市建設(shè)從“平面、外延式發(fā)展”向“立體、集約式發(fā)展”[8]。本文通過分析CIM平臺建設(shè)的目標、行業(yè)痛點難點來闡述城市信息模型(CIM)平臺建設(shè)研究現(xiàn)狀。

1 CIM平臺建設(shè)研究現(xiàn)狀

1.1 建設(shè)目標

CIM平臺作為智慧城市及城市三維空間的基礎(chǔ)平臺,構(gòu)建包括基礎(chǔ)地理信息、建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施三維模型、標準化地址庫等CIM平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫,形成城市三維空間數(shù)據(jù)底板,以服務(wù)智慧城市體檢、智慧建設(shè)信息、智慧規(guī)劃、智慧土地儲備、智慧建筑質(zhì)量安全、綠色建筑、城市基礎(chǔ)設(shè)施和智慧房地產(chǎn)[9]。筆者認為其建設(shè)的重要目標包括:一是數(shù)據(jù)的匯聚和融合,包括城市規(guī)劃、建設(shè)、管理全生命周期中的二維GIS數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)以及BIM數(shù)據(jù)的匯聚與管理;二是通過建立統(tǒng)一的標準、接口的基礎(chǔ)平臺,推進城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、運行的業(yè)務(wù)協(xié)同,打通信息和模型在全生命周期各環(huán)節(jié)的橫向和縱向流通;三是使城市建設(shè)管理實現(xiàn)二三維一體化,而不是僅停留在二維層面,助力建筑工業(yè)轉(zhuǎn)型升級,助推城市發(fā)展和治理模式創(chuàng)新,推進城市數(shù)據(jù)大腦的建設(shè)。

1.2 建設(shè)難點

鑒于CIM目前在國內(nèi)外都屬于較新的技術(shù),雖然國內(nèi)很多城市都開展CIM平臺的建設(shè),但其還存在較多的建設(shè)難點,主要的建設(shè)難點包括:

(1)數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一,海量數(shù)據(jù)的匯聚融合技術(shù)。CIM平臺需要匯聚融合城市二維及三維數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)要素種類豐富,格式不統(tǒng)一且數(shù)據(jù)量大,如何能夠處理好海量數(shù)據(jù)的存儲和處理是CIM平臺首先要考慮的技術(shù)難題。以一幢綜合性商業(yè)高樓舉例,其BIM數(shù)據(jù)量就會達到幾百GB,其三維構(gòu)建數(shù)是幾百萬個。而如果上升到城市級別,數(shù)據(jù)將呈幾何倍增長,因此必須解決海量數(shù)據(jù)的匯聚和融合技術(shù)。不同行業(yè)渠道的數(shù)據(jù)其格式和標準往往有很大的不同,多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合也是必須解決的技術(shù)難題。

(2)CIM標準體系的建立。BIM概念興起已有近十年[10],隨著BIM技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展,BIM領(lǐng)域的軟件越來越多,每個軟件基本都有一套自己的格式。為了讓BIM技術(shù)能夠在各個工程階段實現(xiàn)信息共享和傳遞,就需要一套標準體系,國際上已有一套城市BIM標準體系[11]。相比于BIM,CIM是多個行業(yè)的縱向和橫向的打通,建立標準比BIM難度加大,國內(nèi)各地方都在嘗試定義自己的格式和標準,包括項目級和城市級的基礎(chǔ)平臺技術(shù)標準、數(shù)據(jù)編碼標準、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標準、模型交付標準等,但目前還沒有形成讓市場認可的標準體系框架。CIM相關(guān)標準的編制一般都與實際項目同步并需要不斷修訂完善,建立專業(yè)性、全面性以及權(quán)威性的一套CIM標準體系技術(shù)難度很大。

(3)加載大場景技術(shù)。CIM基礎(chǔ)平臺需要匯聚城市海量大場景,包括海量的傾斜攝影模型、人工精細模型、BIM模型等,這么多數(shù)據(jù)要穩(wěn)定、融合地運行,給數(shù)據(jù)存儲技術(shù)及大場景加載帶來技術(shù)挑戰(zhàn)。而針對大模型、大場景的問題,各種模型也都要進行輕量化和優(yōu)化處理技術(shù)也是CIM平臺建設(shè)的難點。

2 關(guān)鍵技術(shù)

CIM平臺是CIM數(shù)據(jù)匯聚、應(yīng)用的載體,是智慧城市的基礎(chǔ)支撐平臺,為相關(guān)應(yīng)用提供豐富的信息服務(wù)和開發(fā)接口,支撐智慧城市應(yīng)用的建設(shè)與運行。本文將結(jié)合天津市城市信息模型(CIM)平臺建設(shè)項目研究經(jīng)驗,重點闡述CIM平臺建設(shè)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 跨平臺二三維一體化地圖服務(wù)Server引擎技術(shù)

CIM平臺需要匯聚融合海量數(shù)據(jù)功能,即無縫集成二維GIS數(shù)據(jù)、三維模型和BIM數(shù)據(jù)等實現(xiàn)二三維一體化,則需要實現(xiàn)跨平臺二三維一體化地圖服務(wù)Server引擎技術(shù)。應(yīng)用Spring Cloud、Kafka、Flume、Redis等技術(shù)實現(xiàn)能夠簡單、快速將不同數(shù)據(jù)源的地理空間數(shù)據(jù)發(fā)布為滿足OGC標準的服務(wù):包括能夠?qū)ostGIS數(shù)據(jù)庫的二維矢量數(shù)據(jù)發(fā)布為滿足OGC標準的WMS、WFS;能夠?qū)hapefile格式的二維矢量數(shù)據(jù)文件直接發(fā)布為滿足OGC標準的WMS、WFS;能夠把MongoDB中的ARCGIS的切片成果快速發(fā)布為MapServer緩存服務(wù),或滿足OGC標準的WMTS/TMS服務(wù);將文件目錄存儲或MongoDB中的實景模型3dtiles、人工模型3dtiles、BIM模型3dtiles、gltf、czml、kml等多種格式,發(fā)布為三維瀏覽服務(wù),具備模型服務(wù)的緩存能力。應(yīng)用Apache Spark、ES等計算引擎、渲染引擎、搜索引擎等功能實現(xiàn)地圖渲染樣式文件的增加、刪除、修改;將專業(yè)制圖軟件制作好的樣式文件導(dǎo)入到平臺中,實現(xiàn)地圖的渲染。地圖服務(wù)Server對已發(fā)布的影像、高程柵格地圖服務(wù)進行切片緩存,切片生成的瓦片數(shù)據(jù)會存儲在系統(tǒng)設(shè)置位置,將切片瓦片保存在文件及數(shù)據(jù)庫中,提升服務(wù)的訪問效率。圖1為跨平臺二三維一體化地圖服務(wù)Server引擎技術(shù)具體應(yīng)用到CIM資源服務(wù)中心的實現(xiàn)。

圖1 跨平臺二三維一體化地圖服務(wù)Server引擎技術(shù)應(yīng)用

2.2 海量傾斜攝影三維模型調(diào)度及后處理技術(shù)

在CIM平臺建設(shè)過程中,城市傾斜攝影三維模型、BIM模型等海量模型數(shù)據(jù)的調(diào)度和后處理技術(shù)是平臺能否形成質(zhì)量較高的城市CIM數(shù)據(jù)底座的關(guān)鍵技術(shù),主要技術(shù)包括:

(1)傾斜攝影模型后處理美化技術(shù)。通過研究A3模型美化技術(shù),對其紋理進行后處理,包括亮度、飽和度的批量自動調(diào)整,使其色調(diào)更加鮮艷,顯示效果更加逼真,圖2為模型顏色處理后前后對比,提高模型的視覺效果。

圖2 模型顏色后處理調(diào)色

(2)基于傾斜攝影模型的DOM以及DSM生成技術(shù)。通過WebGL、JAI高性能渲染引擎并基于深度圖的技術(shù)實現(xiàn)渲染生成數(shù)字正射影像(DOM)和數(shù)字表面模型(DSM)的工具,為后續(xù)建立金字塔研究提供技術(shù)基礎(chǔ)。

(3)海量傾斜攝影模型頂層金字塔重構(gòu)技術(shù)。CIM平臺建設(shè)需要實現(xiàn)海量傾斜三維模型數(shù)據(jù)的極速瀏覽和加載,解決此問題需要實現(xiàn)基于DOM和DSM進行傾斜模型頂層金字塔的重建工具,通過對三維數(shù)字表面模型的頂點抽析和簡化技術(shù)的研究,實現(xiàn)在重建傾斜三維模型頂層金字塔的同時盡可能保留其原有的幾何結(jié)構(gòu),同時將正射紋理影像疊加在幾何上。使用四叉樹索引構(gòu)建技術(shù)對原始數(shù)據(jù)瓦片進行抽析和精簡,通過設(shè)定和優(yōu)化模型調(diào)整因子對重建后的三維模型頂層進行最優(yōu)調(diào)度,通過模型紋理壓縮技術(shù)和二進制流文件壓縮技術(shù)減少頂層重建數(shù)據(jù)的內(nèi)存占用,生成osgb格式的傾斜金字塔,如圖3所示。

圖3 頂層金字塔重構(gòu)

(4)面向WebGL的傾斜攝影模型3DTiles切片轉(zhuǎn)換技術(shù)。采用定性分析的方法實現(xiàn)實景三維模型數(shù)據(jù)格式osgb轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)端三維通用格式3DTiles,對轉(zhuǎn)換完的3DTiles金字塔進行調(diào)度速度優(yōu)化,實現(xiàn)一套可用、可修改、可重建頂層的實景三維模型格式轉(zhuǎn)換工具,便于web化的三維一張圖極速瀏覽。

2.3 新型CIM前后臺框架技術(shù)

基于vue+springboot的新型CIM前后臺框架技術(shù),實現(xiàn)三維渲染引擎與vue框架的深度結(jié)合,充分發(fā)揮vue信息系統(tǒng)框架在業(yè)務(wù)流方面開發(fā)的優(yōu)勢,彌補傳統(tǒng)h5 GIS只側(cè)重展示的不足,為三維平臺深入電子政務(wù)業(yè)務(wù)做準備,圖4為CIM前后臺技術(shù)框架。

圖4 CIM前后臺技術(shù)框架

采用Vue+Cesium構(gòu)建新型前臺二三維框架。Cesium平臺是一款面向三維地球和地圖的、世界級的JavaScript開源產(chǎn)品[12],方便用戶快速搭建零插件虛擬地球Web應(yīng)用。原有地圖操作API移植到Vue中,包括圖層、查詢、統(tǒng)計、分析等功能的移植,便于業(yè)務(wù)流程中隨時操作三維地圖;采用Vue+SpringBoot構(gòu)建新型后臺框架。SpringBoot是由Pivotal團隊提供的全新框架,其簡化的應(yīng)用初始搭建和開發(fā)過程[13],使其能快速應(yīng)用在開發(fā)領(lǐng)域,采用Java Spring Boot技術(shù)+PostGres數(shù)據(jù)庫,滿足國家對信創(chuàng)的要求,也為后期繼續(xù)將服務(wù)改造為微服務(wù)提供基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語

建設(shè)CIM平臺是智慧城市建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),CIM平臺是城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、運行工作的基礎(chǔ)平臺,是智慧城市的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性和實體性信息基礎(chǔ)設(shè)施。

本文從CIM的發(fā)展趨勢,總結(jié)CIM平臺的建設(shè)目標及行業(yè)發(fā)展痛點,結(jié)合天津市城市信息模型(CIM)平臺建設(shè)經(jīng)驗,對CIM平臺建設(shè)過程中的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究總結(jié)。下一步,將基于CIM平臺深入開展不同管理領(lǐng)域的CIM+應(yīng)用研究,為數(shù)字城市的建設(shè)提供支撐。