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      南京CIM 全息底板建設初探

      2023-03-11 08:25:14王樹魁遲有忠毛燕翎
      地理空間信息 2023年2期
      關鍵詞:全息底板空間

      王樹魁,崔 蓓,遲有忠,毛燕翎

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

      近年來,隨著GIS、BIM、IoT、AI 等技術發(fā)展和應用,CIM平臺建設成為新型智慧城市轉(zhuǎn)型升級的重要抓手,列入了國家“十四五”規(guī)劃等一系列的重要文件,已成為一項國家戰(zhàn)略。CIM是城市智慧化運營管理的基礎性平臺[1-7],為智慧城市提供空間協(xié)同的“數(shù)字底板”,南京市借助全國首批CIM平臺建設試點城市和實景三維中國建設等契機,結(jié)合地方的切實需求,對CIM全息底板建設進行了相關的探索。

      1 建設需求與思路

      通過調(diào)研收集匯總,CIM 全息底板建設的需求主要包括以下幾個方面:①國家層面。要求統(tǒng)籌協(xié)調(diào)標準體系,消除數(shù)據(jù)壁壘,探索建設底層數(shù)據(jù)打通的CIM 平臺,以BIM 報建為切入點,不斷豐富和完善城市規(guī)劃建設管理數(shù)據(jù)信息,為智慧城市管理平臺建設奠定基礎[8]。開展實景三維建設,為數(shù)字中國建設提供統(tǒng)一的空間基底[9]。②地方政府層面。要求建設統(tǒng)一權威的智慧城市空間底板,統(tǒng)籌各部門智能系統(tǒng)有機銜接,促進智慧城市轉(zhuǎn)型升級。③城市運營管理方面。需要建設真實準確、精細美觀、現(xiàn)勢動態(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。需要建設能夠直觀重現(xiàn)歷史、反映現(xiàn)在、模擬未來的城市空間應用場景。⑤企業(yè)方面。需要能支撐專業(yè)分析應用的空間可視化共享服務數(shù)字底板。⑥市民方面。希望能夠以立體直觀的方式了解、參與、監(jiān)督城市的發(fā)展規(guī)劃和建設,共治家園,體現(xiàn)市民的參與感、歸屬感和幸福感。

      南京面向多對象、多層次、多維度CIM需求,采用總體規(guī)劃、分步實施的總體思路。首先研究構建CIM 標準,通過標準引領,從數(shù)據(jù)存儲、管理、分析、可視化和服務發(fā)布等方面全面考慮,分類開展多源異構數(shù)據(jù)的規(guī)范化治理。其次理清數(shù)據(jù)關系、制定融合規(guī)則、建立信息關聯(lián),再以GIS 數(shù)據(jù)為基礎、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等多源異構數(shù)據(jù)體系化融合建庫。然后掛接承載物聯(lián)網(wǎng)、經(jīng)濟、社會等信息,形成立體空間全覆蓋的CIM全息底板。最后采用數(shù)據(jù)和服務統(tǒng)一框架管理的方式,實現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)一源存儲、統(tǒng)一庫管、統(tǒng)一注冊、發(fā)布多種標準服務,支撐智慧城市各領域應用。

      2 數(shù)據(jù)資源收集

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

      表1 CIM相關數(shù)據(jù)資源目錄

      3 CIM全息底板構建

      圍繞CIM全息底板構建的核心任務,首先研制標準,在標準引領下,由簡入深研究和實踐,通過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基礎平臺融合二三維空間業(yè)務屬性信息和應用的能力。

      3.1 標準研制

      立足城市CIM標準化需求,基于系統(tǒng)論、頂層設計思維等方法論,運用“A-C-R-E-O”循環(huán)法:分析(Analyzing)、編制(Compiling)、運行(Running)、評價(Evaluating)、優(yōu)化(Optimizing)、UML 建模語言等技術手段,充分考慮未來動態(tài)優(yōu)化與迭代升級的開放兼容能力,構建了3 個層次(基礎層、通用層和應用層)8 大類38 小類CIM 標準體系框架(如圖1),制定了全面成套的CIM標準體系,內(nèi)容涵蓋CIM數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)、數(shù)據(jù)建庫及更新、CIM平臺服務及運維等,為CIM建設提供規(guī)范、指引和預測。

      圖1 CIM標準體系框架

      在CIM標準體系指引下,制定了城市地下地表全空間、物理實體全要素、BIM 構件全覆蓋的一套CIM數(shù)據(jù)標準。將城市地上地下基礎設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;制定了數(shù)字空間與物理空間一一映射的全要素數(shù)據(jù)分類和編碼[10],涵蓋建筑、交通、植被、水系、城市部件、地質(zhì)、管線等要素實體類型,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 分級的基礎上[11],增加了功能級BIM、構件級BIM 和零件級BIM 的精細分級表達,面向不同應用領域?qū)嶓w對象精細程度的需求,標準還支撐了墻、門、窗等內(nèi)部構件分層次在數(shù)字空間進行呈現(xiàn)和表達。實體通過統(tǒng)一標識編碼進行索引,對接實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用和更新。

      3.2 CIM空間底板構建

      針對不同來源的數(shù)據(jù),實現(xiàn)不同空間尺度數(shù)據(jù)的組織管理,從不同范圍表達城市空間形態(tài)。電子地圖、正射影像和數(shù)字高程模型等基礎地理數(shù)據(jù)可在大尺度的場景中表達全市的地形地貌,三維白模數(shù)據(jù)可在中尺度的場景中表達城市建筑群空間形態(tài),精模、傾斜攝影、激光點云數(shù)據(jù)適合在中小尺度的場景中精確表達城市建筑形態(tài)以及建筑色彩,而BIM 數(shù)據(jù)則可在小尺度場景中精準地表達建筑單體及其內(nèi)部構件。

      城市精細三維模型的生產(chǎn)成本高、周期長,一般只在主城和重點開發(fā)建設區(qū)建設,為了實現(xiàn)市域范圍全覆蓋,項目組基于數(shù)字高程模型和電子地圖(建筑物不同高度分別構建閉合面,并帶有高度、層數(shù)、結(jié)構等屬性信息),采用參數(shù)化建模技術[12],結(jié)合人眼視覺特性,構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、材質(zhì)文理等要素的細節(jié)表達,體現(xiàn)手繪建筑留白藝術之美(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

      針對不同應用場景的要求,數(shù)字底板能提前預設,按需組合靈活應對,比如通過虛擬看現(xiàn)場研究某地區(qū)環(huán)境提升方案,需要較大范圍詳細了解現(xiàn)狀環(huán)境情況,簡單圖層疊加無法滿足,還要考慮多源數(shù)據(jù)根據(jù)覆蓋范圍的物理拼接、去除冗余有機融合,可以先將人工精模、傾斜攝影、激光雷達等高精度現(xiàn)狀三維模型按范圍拼接,根據(jù)現(xiàn)勢性、精細度等因素綜合取舍去除冗余,再將精細模型未覆蓋的區(qū)域用精工白模補充,從而實現(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)字地下空間的構建中,將全市普查積累的二維地下管線、地下空間數(shù)據(jù),驅(qū)動生成三維管井、管線和各種地下空間設施模型,并帶有豐富的屬性信息,通過項目、設施關系與地上地物有機關聯(lián),實現(xiàn)地上地下一體化(如圖4)。通過收集匯總工程建設項目建設和地質(zhì)勘探活動中形成的大量鉆孔數(shù)據(jù),將其驅(qū)動生成三維地質(zhì)鉆孔模型,采用插值擬合方法,構建地質(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)不同時期城市建設發(fā)展情況,研究城市發(fā)展動因和演變規(guī)律,在發(fā)展規(guī)律的基礎上進行合理的城市規(guī)劃和建設;設計師也希望把理想的設計成果融入城市場景,更大范圍模擬分析城市未來的發(fā)展規(guī)劃。因此在CIM 底板構建中,引入了過去不同時期的正射影像。基于南京歷史演變研究成果[13],復原了從東吳、東晉到隋唐、南唐、宋、元、明、清、民國不同歷史時期的城市空間格局,直觀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中,把歷史建筑中真正遺存下來有保護價值的部件(如門、窗、雕花、斗拱等),利用BIM 技術建設構件級數(shù)字模型,并以BIM構件為載體,掛接細節(jié)圖片,整合歷史建筑的結(jié)構、材料、殘損、修繕等信息,實現(xiàn)歷史建筑的數(shù)字化復原和精準保護。在城市未來規(guī)劃中,將規(guī)劃成果根據(jù)建筑高度、容積率等開發(fā)強度指標,驅(qū)動生成不同專題的三維規(guī)劃成果一張圖,實現(xiàn)規(guī)劃成果直觀建立起來的目標,讓老百姓也能看懂規(guī)劃、參與城市建設,更加科學高效地管控規(guī)劃建設活動[14];在現(xiàn)狀底板上,融合植入城市設計模型,開展天際線、街墻立面、景觀等分析,使其能更直觀地回顧過去、把握現(xiàn)在、規(guī)劃未來。

      圖5 城市空間格局歷史演變

      BIM 數(shù)據(jù)可高精度地表達城市建筑對象,包括對建筑外廓、功能空間、內(nèi)部構件等。GIS 優(yōu)勢在城市中宏觀領域的應用場景,BIM 優(yōu)勢在于工程項目級,以GIS 作為CIM 框架,BIM 作為新的數(shù)據(jù)源補充,讓智慧城市的應用場景從室外走向室內(nèi)功能空間,精度上從建筑單體級走向構件級(如圖6),大大提升了服務管理的精細化程度,實現(xiàn)與真實世界的一一映射[15]。通過與工程建設項目在工程規(guī)劃、施工圖、竣工等階段的BIM 方案報建審查系統(tǒng)對接集成,BIM 報建模型自動植入CIM場景(如圖3),動態(tài)更新CIM數(shù)字底板,可為CIM提供持久生命力,內(nèi)生CIM自生長動力。南京市自BIM報建試點項目成果上線運行半年多來,已為CIM底板更新自動提供了20多個建設項目的BIM模型。

      圖6 BIM構件級模型

      通過多元異構數(shù)據(jù)的治理融合,尤其BIM 與GIS技術有機集成,共同構成了二三維一體、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”,實現(xiàn)對城市空間細節(jié)的精準刻畫。

      3.3 CIM動態(tài)全息底板構建

      以“城市空間數(shù)字底板”為載體,項目組嘗試接入了城市用水、用電等能耗信息,環(huán)境檢測、雨情、城市監(jiān)控視頻、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測等動態(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”,共同構成CIM 全息底板。

      基于CIM全息底板,可按需構建城市各領域?qū)崟r動態(tài)應用場景,支撐智慧城市的建設與運營。例如在三維不動產(chǎn)示范應用中,基于BIM模型,按照建筑面積的計算規(guī)則,提取構建了一套分層分戶的不動產(chǎn)權空間模型,掛接不動產(chǎn)權管理信息。為了充分挖掘數(shù)據(jù)資源價值,以不動產(chǎn)空間模型為載體,進一步嘗試掛接用水、用電量等能耗信息,進行可視化分析,直觀動態(tài)顯示片區(qū)或者某戶過去一段時間的用電量變化情況(如圖7),可用于輔助開展房屋空置率分析和單位GDP能耗分析等應用。

      圖7 能耗(用電量)分析

      為了在CIM場景中融入城市運行的動態(tài)信息,利用基于啟發(fā)式算法的多路視頻與CIM場景自動融合技術,實現(xiàn)了多路實時視頻自動投影、校準、畸變糾正與CIM 場景融合及相鄰攝像頭實時視頻的無縫銜接(如圖8),讓整個城市的數(shù)據(jù)處于生動鮮活狀態(tài),進一步夯實了CIM的全息底板。

      圖8 多路視頻與CIM場景自動融合

      為適應智慧城市應用需要,將CIM二三維數(shù)據(jù)發(fā)布成多種三維服務,滿足基于不同三維引擎構建的智慧城市應用系統(tǒng)調(diào)用。充分利用時空云或天地圖等公共服務平臺的現(xiàn)有成果,研發(fā)三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及服務發(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格式的三維服務發(fā)布程序,并對外提供統(tǒng)一的調(diào)用接口,在此基礎上開發(fā)了南京市CIM基礎平臺,用戶只要通過平臺上傳模型數(shù)據(jù),平臺便會調(diào)用公共組件的接口來實現(xiàn)模型格式自動轉(zhuǎn)換及I3S、3DTiles 等格式的三維服務自動發(fā)布,為智慧城市各領域應用提供全市協(xié)同共享的全息空間信息服務支撐。

      4 結(jié) 論

      CIM 是GIS 應對新時代需求的一種融合創(chuàng)新,它從數(shù)據(jù)源、展現(xiàn)效果、技術等層面給GIS 帶來新的生命力。CIM 具有良好的開放性、兼容性和可擴展性,通過多源異構數(shù)據(jù)融合與技術集成,尤其在GIS 的基礎上融合BIM,不但克服了GIS 缺乏對城市實體內(nèi)部、細節(jié)、參數(shù)化的精準刻畫,還通過工程建設項目BIM 報建,為CIM 提供自我完善機制,持續(xù)推動CIM新陳代謝、自我生長、發(fā)展壯大。通過整合經(jīng)濟社會物聯(lián)網(wǎng)等實時“流”信息大數(shù)據(jù),共同構成城市有機生命體的CIM 全息底板,實現(xiàn)對城市空間細節(jié)的精準刻畫,虛實融合、以虛控實,在數(shù)字空間對城市治理方案進行不限次數(shù)的模擬仿真試錯,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付出高昂的成本,實現(xiàn)更精細、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,促進智慧城市開放共享、協(xié)同互聯(lián),為智慧城市的建設和運營提供堅實有力的基礎支撐,賦能城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化。

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