遙感技術在CIM建模及模型監測與更新中的應用

馬玲，鄭圣培，賀弢

（深圳航天智慧城市系統技術研究院有限公司）

1 研究背景

按照《住房城鄉建設部關于開展運用建筑信息模型系統進行工程建設項目審查審批和城市信息模型平臺建設試點工作的函》（建城函[2018]222號）和《住房和城鄉建設部辦公廳關于開展城市信息模型（CIM）平臺建設試點工作的函》要求，統籌協調BIM、GIS（地理信息系統）和CIM標準體系，消除數據交換壁壘，探索建設底層數據打通、自主可控、安全可靠的CIM平臺，不斷豐富和完善城市規劃建設管理數據信息，為智慧城市管理平臺建設奠定基礎。很多學者開始關注如何發展城市建模技術，以更好地對城市進行數字化描述和表達。BIM是構成CIM的重要基礎數據之一，任何一個城市建設都是從單體建筑開始的[1]，CIM基礎平臺總體架構中，CIM數據從要素、應用行業、成果形式、時態、城市建設運營階段和工程建設專業等角度進行采集與分類。航空航天遙感無疑是最直接、最快速、最經濟獲取城市大范圍數據的手段之一，對城市模型更新也是必要的監測手段。

2 研究目標

本研究主要是探索遙感技術在CIM平臺集成中的創新應用，豐富城市CIM建模與更新的方法，完善遙感貫穿“感知—數據—應用”全生態鏈條。闡述了測繪遙感數據中數字正射影像圖、傾斜攝影、激光點云數據在CIM建模中的應用。

3 技術路線

CIM模型作為新型智慧城市的基礎信息模型，在模型定義、分析以及管理等方面需要全新的、專業的平臺支持，以滿足新型智慧城市建設需要[2]。CIM基礎平臺應具備城市基礎地理信息、三維模型和BIM匯聚、清洗、轉換、模型輕量化、模型抽取、模型瀏覽、定位查詢、多場景融合與可視化表達、支撐各類應用的開放接口等基本功能，為工程建設項目各階段提供模型匯聚、物聯監測和模擬仿真等專業功能。

4 CIM建模

目前城市CIM模型主要是基于BIM+GIS場景實現的，通過單體化CIM建模，加到GIS場景，現階段主要通過三種方式實現建模。

1）傳統手工建模

基于CAD、3dmax等軟件，后期加入數碼相機，進行模型紋理處理，實現場景仿真。這類方法可實現單體建模及查詢，較靈活，但較耗費時間，需要人工干預較多，成本較高。模型若有缺失后期修復較難。

2）三維激光掃描實現建模

使用激光探測雷達，通過點云數據及精度數碼相機采集紋理的配準、點云重建、分割等技術，形成精度較高的模型。這類方法可不與建筑物接觸，通過掃描方法得到模型。但造價成本較高，實際工程中難以得到大范圍使用。

3）傾斜攝影全自動建模

通過使用無人機與傳感器，從多個角度進行傾斜遙感影像采集，從無組織的重疊像片組中依據特定的算法自動生成高度逼真的城市三維景觀數據。但由于使用大范圍自動處理程度較高，對于地物精細分類和場景分類查詢較困難。

5 遙感協同城市CIM模型

5.1 城市GIS場景底圖制作

由于遙感影像現勢性較強，作為城市CIM同一信息來源，經過一系列處理，可得到具有空間信息且具有嚴格數學基礎的地理底圖，表達各類專題信息，最常見的是遙感技術衍生的4D產品。

遙感影像提取DEM具有獲取成本低、數據采集量大等優點，是當前極具推廣價值的方法，常用于1:5萬立體測圖。資源三號衛星是我國高分辨率光學傳輸型立體測圖衛星，衛星采用三線陣測繪方式，由具有良好交會角的前視、正視和后視相機通過對同一地面點不同視角的觀測，形成立體影像，同時配以精確的內外方位元素參數，準確獲取影像的三維地面坐標，生成CIM平臺可視化平臺中可體現地形起伏的城市數字高程模型（DEM）。結合SAR立體像對的匹配，是雷達攝影測量技術提取地形高程信息的關鍵，提高DEM的高程精度的匹配。

由于數字高程模型(DEM)結合了數字線化地圖(DLG)或數字柵格地圖(DRG)、數字影像地圖(DOM)，再鑲嵌城市建筑模型(BIM)進行疊加，形成具有三維可視化的城市實景場景（見圖1）。

圖1 CIM城市三維底圖制作

5.2 地物輪廓提取

隨著高分辨率遙感影像獲取技術的快速發展，遙感影像的處理、分析和應用有了更好的數據源。計算機圖像處理技術、模式識別、人工智能等方面的進展，通過目標地物的光譜和結構特征，利用深度學習算法實現高精度提取，為高效地提取海量影像中的有效信息提供了可能，如對有明顯特征的地物道路進行輪廓提取（見圖2）。

圖2 基于遙感影像的道路信息提取

建筑物是城市主要地理要素，對于CIM平臺有重要意義。但受影像數據源、建筑物復雜等多因素的影響，目前自動提取建筑輪廓還受一定限制。SAR遙感影像在城市環境中常用于建設用地和建筑物信息的提取。高分辨率的SAR對建筑物的屋頂和邊緣有顯著的探測作用，可用于精確識別建筑物輪廓和邊界信息。

5.3 提取建筑物紋理

利用CityEngine，通過建筑底面數據與正射遙感影像數據唯一的對應坐標值，從建筑底面得到建筑屋頂的切片影像，獲取建筑屋頂紋理。同時，用二維數據快速創建三維場景利用建筑高度屬性將二維的建筑物底面多邊形拉伸，成為三維的街區。結合其他數據，如建筑輪廓、屋頂的形式、材料、樓層數，樓層高度、窗口等信息，提供信息越多，所創建的3D內容就越復雜、越逼真。減少了系統再投資的成本，也縮短了三維GIS系統的建設周期。

6 遙感在CIM數據更新中的應用

在快速城市化背景下，城市模型數據更新在數字城市和智慧城市建設過程中具有重要意義，但因數據結構復雜，CIM平臺中數據模型的及時更新較難。遙感影像是監測地表變化最直接和權威的數據源，從遙感影像可以獲取土地覆蓋、城市擴張、森林健康、水面變化等信息。

隨著遙感技術的發展，遙感影像數據空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率越來越高，數據類型也越來越豐富，遙感器探測地物的電磁波譜信息覆蓋了可見光、紅外、微波波段，形成光學高分辨率影像、高光譜影像、機載激光雷達掃描數據（Li‐DAR）、合成孔徑雷達（SAR）數據等，能反映城市各類建設用地在成像中的光譜、紋理、結構等特征，對城市內部復雜的地表地物進行精細化描繪[3]。

通常來說，2m分辨率衛星影像的更新時間可達到每個月一次，特別地區可實現每個月更新2次～3次。多源的遙感數據利用能實現多角度的建設用地空間感知和信息互補，遙感檢測通過2個以上時相的影像產生對比顯示變化與未變的區域，從高分辨率的遙感能通過目視解譯判斷建設用地的變化，通過不同時期影像的對比，找出城市變化區域，對CIM中模型進行調整，對城市更新助力。

7 結語

航空航天技術的優勢在于可快速獲取的高分辨率的遙感影像和高精度地理定位定向信息，形成大比例尺的數字地圖4D產品基礎成果，廣泛應用于城市基礎數據庫建設、城鄉規劃、交通、生態環境、土地利用、三維街景制作以及城市各種資源的綜合調查與監測等。開展遙感技術在CIM建模及模型監測與更新中的應用研究有助于提升CIM平臺建設的基礎支撐能力。有部分地區開始應用三維模型、傾斜攝影測量數據、實景影像等數據的應用，但沒有地區建立真正意義上的CIM數據庫。建設智慧城市的數據量非常大而且信息很繁雜，許多領域的信息需要融合起來，在未來一定時間內需要各部門共同努力推動。