CIM基 礎(chǔ)平臺(tái)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用研究

章嘯程 馬燁貝

上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200335

1 概述

智慧城市概念最早由IBM公司提出，是利用先進(jìn)的信息與通信技術(shù)，從基礎(chǔ)設(shè)施、公共服務(wù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多方面對(duì)城市進(jìn)行全方面的智能化升級(jí)，提高城市的運(yùn)行效率、生態(tài)環(huán)境、公共安全、居民生活等，實(shí)現(xiàn)一種可持續(xù)的城市發(fā)展模式[1]。目前，全球各地都在積極推進(jìn)智慧城市的建設(shè)，中國也相繼提出了“智慧城市”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等相關(guān)戰(zhàn)略[2]，北京、上海、廣州、武漢、長沙、無錫等6個(gè)城市已經(jīng)開展了第一批智慧城市建設(shè)試點(diǎn)工作。《“十四五”住房和城鄉(xiāng)建設(shè)信息化規(guī)劃》中明確提出，要以建設(shè)綠色智能、安全可靠的新型城市基礎(chǔ)設(shè)施為目標(biāo)，以CIM 平臺(tái)為支撐，推進(jìn)5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)與城市發(fā)展深度融合應(yīng)用，開展智慧城市管理服務(wù)平臺(tái)建設(shè)研究。提升城市建設(shè)管理數(shù)字化、精細(xì)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，為打造便民、宜居、綠色、安全的新型智慧城市建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)底座和保障，推進(jìn)城市發(fā)展轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2 CIM基礎(chǔ)平臺(tái)概述

2.1 城市信息模型

CIM是管理城市復(fù)雜空間中各類要素和各種維度的全要素信息模型。它以基礎(chǔ)的地理信息，空間坐標(biāo)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，整合城市地上與地下、室內(nèi)與室外、跨時(shí)間維度的歷史、現(xiàn)狀和未來多維信息模型數(shù)據(jù)和城市感知數(shù)據(jù)，構(gòu)建起了三維數(shù)字空間的城市部件要素信息有機(jī)綜合體。它是數(shù)字孿生城市的核心，是智慧城市的數(shù)字底板，為城市的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行管理全過程進(jìn)行“智慧”賦能[3]。

2.2 CIM基礎(chǔ)平臺(tái)

CIM平臺(tái)是智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)平臺(tái)，是在現(xiàn)有信息化成果的基礎(chǔ)上構(gòu)建以二維地圖、三維模型、BIM等數(shù)據(jù)為底板，匯集城市、土地、建設(shè)、交通、市政、教育、公共設(shè)施等各種專業(yè)規(guī)劃和建設(shè)項(xiàng)目全生命周期信息，全面接入移動(dòng)、監(jiān)控、城市運(yùn)行、交通出行等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，打造城市CIM基礎(chǔ)平臺(tái)和應(yīng)用支撐服務(wù)，賦能全市各領(lǐng)域智慧應(yīng)用，為智慧城市建設(shè)提供穩(wěn)定、高效的三維數(shù)據(jù)底座。

CIM基礎(chǔ)平臺(tái)作為BIM、GIS、IoT的融合，既可以存儲(chǔ)城市規(guī)模的海量信息，又可以作為云平臺(tái)提供協(xié)同工作與數(shù)據(jù)調(diào)閱功能。同時(shí)可基于CIM基礎(chǔ)平臺(tái)開發(fā)的智慧城市應(yīng)用場景，如城市一張圖、重點(diǎn)園區(qū)管理、重點(diǎn)工程管理、重點(diǎn)建筑管理等，為城市宏觀微觀一體化以及規(guī)監(jiān)管全生命周期管理提供有效支撐，平臺(tái)總體架構(gòu)如下圖所示。

圖1 CIM基礎(chǔ)平臺(tái)總體架構(gòu)圖

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）GIS引擎+游戲級(jí)引擎混合架構(gòu)

游戲級(jí)引擎可支持真實(shí)地理坐標(biāo)系下的地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影模型、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、BIM三維模型等大規(guī)模的、在線/離線的、多源異構(gòu)的城市地理空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載入。通過CIM基礎(chǔ)平臺(tái)，利用數(shù)字孿生技術(shù)模擬真實(shí)世界，可實(shí)現(xiàn)城市大體量的游戲級(jí)顯示效果，打造集宏觀微觀一體化、地上地下一體化和室內(nèi)室外一體化的游戲級(jí)渲染效果的城市全要素、全空間和可交互的高逼真場景，構(gòu)建全數(shù)字化三維空間可視化數(shù)字孿生。

平臺(tái)采用GIS引擎與游戲級(jí)引擎兩者集成，不僅保留了GIS引擎的定量化分析能力，且兼顧了游戲引擎對(duì)三維場景高效動(dòng)態(tài)渲染的展示能力，綜合提升多尺度的城市三維實(shí)景數(shù)據(jù)渲染能力與分析能力，為進(jìn)一步挖掘智慧城市建造中涉及的三維業(yè)務(wù)應(yīng)用的應(yīng)用價(jià)值與提升用戶體驗(yàn)提供保障。

（2）大體量BIM三維模型輕量化處理技術(shù)

BIM 三維模型使用貫穿智慧城市建造的整個(gè)生命周期中，包括建筑物內(nèi)外景模型、建筑單體模型、機(jī)電設(shè)備模型、綠化和管網(wǎng)模型等多專業(yè)的BIM三維模型，通常城市建筑物的三維模型體量較大，且不同專業(yè)間模型的復(fù)用率較低[4]。CIM基礎(chǔ)平臺(tái)需將城市三維模型進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的可視化展現(xiàn)，為了滿足不同場景下的視覺效果，平臺(tái)會(huì)盡可能壓縮大體量的BIM三維模型的大小，對(duì)BIM三維模型進(jìn)行輕量化處理，使專業(yè)模型達(dá)到應(yīng)用要求。

平臺(tái)的BIM三維模型輕量化處理方法包括面向幾何信息和非幾何信息拆分、幾何信息輕量化處理、最大限度保留原生模型信息等手段，采用優(yōu)化的模型壓縮算法、三角網(wǎng)格簡化[5]、模型格式轉(zhuǎn)化等方法對(duì)BIM模型進(jìn)行壓縮，利用構(gòu)件模型流、運(yùn)用緩存、等技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行渲染，實(shí)現(xiàn)BIM原生模型與對(duì)應(yīng)輕量化模型的無差異展示應(yīng)用。

圖2 輕量化模型展示界面圖

（3）三維全景視頻動(dòng)態(tài)融合技術(shù)

三維全景動(dòng)態(tài)融合技術(shù)是在三維全景的技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展延伸形成的，可以將靜態(tài)的全景圖片轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)的全景視頻圖像，并將視頻與城市三維虛擬全景進(jìn)行融合，支持設(shè)備拍攝角度的360°中任何視角查看三維全景中的動(dòng)態(tài)視頻。平臺(tái)不僅可以展示三維全景中的靜態(tài)的畫面，也可以展示三維全景中的動(dòng)態(tài)場景，場景瀏覽不受時(shí)間、空間和地域的限制。三維全景動(dòng)態(tài)融合技術(shù)運(yùn)用自動(dòng)投影、校準(zhǔn)、畸變矯正等攝像測量學(xué)算法，將相鄰攝像頭傳輸?shù)囊曨l畫面進(jìn)行無縫拼接與融合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市重點(diǎn)區(qū)域整體現(xiàn)場的全景、實(shí)時(shí)、多角度監(jiān)控，在CIM基礎(chǔ)平臺(tái)中將動(dòng)態(tài)視頻圖像、聲音等進(jìn)行呈現(xiàn)，確保畫面中聲畫對(duì)位與同步。全景視頻相對(duì)于傳統(tǒng)的三維展示具有更好的視覺效果表達(dá)效果，全景動(dòng)態(tài)融合技術(shù)讓傳統(tǒng)的三維全景有了質(zhì)的提高。

圖3 三維全景視頻展示界面圖

3 CIM基礎(chǔ)平臺(tái)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用

3.1 智慧工地應(yīng)用

智慧城市建設(shè)施工需要同時(shí)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)現(xiàn)場施工人員、建筑設(shè)備、物資、施工環(huán)境的安全、質(zhì)量及進(jìn)度等方面，CIM基礎(chǔ)平臺(tái)借助物聯(lián)網(wǎng)、BIM三維模型及三維實(shí)景技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與整合，實(shí)現(xiàn)涵蓋城市建筑設(shè)計(jì)與施工過程的全流程信息互通。通過在智慧城市建設(shè)過程中建立互聯(lián)協(xié)同、智能生產(chǎn)與科學(xué)管理的智慧工地應(yīng)用，對(duì)施工重點(diǎn)部位進(jìn)行可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測，關(guān)鍵位置進(jìn)行定點(diǎn)、遠(yuǎn)程、視頻錄像、全景影像、無人機(jī)等方式的巡檢，確保工程質(zhì)量安全。實(shí)現(xiàn)工地施工階段的可視化、高效化、實(shí)時(shí)化，提升施工效率并控制施工成本。

3.2 城市運(yùn)維管理

城市運(yùn)維管理主要利用CIM基礎(chǔ)平臺(tái)關(guān)聯(lián)的城市物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備結(jié)合建筑物內(nèi)相關(guān)設(shè)備的BIM模型，通過BIM模型對(duì)城市內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化三維建模，確保設(shè)備位置的準(zhǔn)確性，盡可能還原城市狀態(tài)。基于微服務(wù)的城市管理理念，利用設(shè)備廠商提供的設(shè)備接口提取設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時(shí)調(diào)用CIM基礎(chǔ)平臺(tái)中的管轄區(qū)域BIM三維模型，建立城市運(yùn)維管理一張圖，對(duì)區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的物聯(lián)設(shè)備信息進(jìn)行統(tǒng)一的可視化管理。利用CIM基礎(chǔ)平臺(tái)的智慧城市運(yùn)維管理通過一個(gè)可視化頁面完成所有的信息接收，準(zhǔn)確的顯示異常的設(shè)施設(shè)備的編號(hào)、位置、異常信息等，大大地減少運(yùn)維人員的排查量，提升了城市運(yùn)維管理的效率。

圖4 城市日常監(jiān)測界面圖

3.3 城市更新應(yīng)用

城市更新是在合理的城市規(guī)劃基礎(chǔ)之上，根據(jù)城市已利用的土地及地上建筑及其各種既有權(quán)利關(guān)系，對(duì)城市發(fā)展中產(chǎn)生的不同社會(huì)價(jià)值進(jìn)行利益再分配并創(chuàng)造新價(jià)值的發(fā)展過程[6]。城市更新變化監(jiān)測存在周期短、時(shí)效性高等特點(diǎn)，借助CIM基礎(chǔ)平臺(tái)中的實(shí)景三維場景融合應(yīng)用全景數(shù)據(jù)點(diǎn)位、設(shè)備拍攝高度與拍攝角度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)城市全景影像與實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的全方位同步聯(lián)動(dòng)，對(duì)現(xiàn)狀地物進(jìn)行多維度、立體化的綜合展示與應(yīng)用，實(shí)時(shí)監(jiān)測城市更新的周期變化，滿足城市更新監(jiān)測需求。

4 結(jié)語

智慧城市建設(shè)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字中國、智慧社會(huì)的重要途徑，而CIM基礎(chǔ)平臺(tái)是推進(jìn)智慧城市的重要基礎(chǔ)能力平臺(tái)。將智慧城市與CIM 基礎(chǔ)平臺(tái)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，積極探索CIM+ 應(yīng)用，進(jìn)而讓CIM賦能智慧城市的發(fā)展。本文通過研究CIM基礎(chǔ)平臺(tái)在現(xiàn)代智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用，為推動(dòng)智慧城市的建設(shè)提供有力的技術(shù)支撐。隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的不斷發(fā)展與智慧城市建設(shè)的進(jìn)程的進(jìn)一步推進(jìn)，CIM基礎(chǔ)平臺(tái)在智慧城市中的應(yīng)用亦會(huì)在將在未來不斷完善。