城市信息模型(CIM)平臺(tái)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

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(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示全國常住人口城鎮(zhèn)化率達(dá)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(dá)到80%[2]。隨著城市化進(jìn)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(yán)峻。如何在城市管理中科學(xué)地解決這些嚴(yán)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(shí)指出:“讓城市更聰明一些、更智慧一些,是推動(dòng)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(qiáng)有力方法。學(xué)者們一致認(rèn)為,新型智慧城市已經(jīng)成為推進(jìn)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(gè)一體化的綜合平臺(tái)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(tái)應(yīng)運(yùn)而生。

盡管城市信息模型(CIM)的理論體系和平臺(tái)實(shí)踐應(yīng)用還處于起步階段,但我國各個(gè)城市探索發(fā)展普遍認(rèn)識(shí)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(yùn)用建筑信息模型(BIM)進(jìn)行工程項(xiàng)目審查審批和城市信息模型(CIM)平臺(tái)建設(shè)”五個(gè)試點(diǎn)城市,之后深圳市、重慶市等多個(gè)地區(qū)也加快在CIM領(lǐng)域的探索[7],其大多都將CIM平臺(tái)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(tái)來搭建相應(yīng)的框架。作為平臺(tái)基底技術(shù),CIM平臺(tái)能夠從多個(gè)維度完整描述結(jié)構(gòu)復(fù)雜的城市系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)三維可視化展示、統(tǒng)計(jì)、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(tái)建設(shè)的目標(biāo)、行業(yè)痛點(diǎn)難點(diǎn)來闡述城市信息模型(CIM)平臺(tái)建設(shè)研究現(xiàn)狀。

1 CIM平臺(tái)建設(shè)研究現(xiàn)狀

1.1 建設(shè)目標(biāo)

CIM平臺(tái)作為智慧城市及城市三維空間的基礎(chǔ)平臺(tái),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(biāo)準(zhǔn)化地址庫等CIM平臺(tái)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(chǔ)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(rèn)為其建設(shè)的重要目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)、接口的基礎(chǔ)平臺(tái),推進(jìn)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、運(yùn)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(shí)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(jí),助推城市發(fā)展和治理模式創(chuàng)新,推進(jìn)城市數(shù)據(jù)大腦的建設(shè)。

1.2 建設(shè)難點(diǎn)

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(tái)的建設(shè),但其還存在較多的建設(shè)難點(diǎn),主要的建設(shè)難點(diǎn)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(tái)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(chǔ)和處理是CIM平臺(tái)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(huì)達(dá)到幾百GB,其三維構(gòu)建數(shù)是幾百萬個(gè)。而如果上升到城市級(jí)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(gè)工程階段實(shí)現(xiàn)信息共享和傳遞,就需要一套標(biāo)準(zhǔn)體系,國際上已有一套城市BIM標(biāo)準(zhǔn)體系[11]。相比于BIM,CIM是多個(gè)行業(yè)的縱向和橫向的打通,建立標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn),包括項(xiàng)目級(jí)和城市級(jí)的基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、模型交付標(biāo)準(zhǔn)等,但目前還沒有形成讓市場認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)體系框架。CIM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的編制一般都與實(shí)際項(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)體系技術(shù)難度很大。

(3)加載大場景技術(shù)。CIM基礎(chǔ)平臺(tái)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(xì)模型、BIM模型等,這么多數(shù)據(jù)要穩(wěn)定、融合地運(yùn)行,給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jìn)行輕量化和優(yōu)化處理技術(shù)也是CIM平臺(tái)建設(shè)的難點(diǎn)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

CIM平臺(tái)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(tái),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(yùn)行。本文將結(jié)合天津市城市信息模型(CIM)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目研究經(jīng)驗(yàn),重點(diǎn)闡述CIM平臺(tái)建設(shè)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 跨平臺(tái)二三維一體化地圖服務(wù)Server引擎技術(shù)

CIM平臺(tái)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(shí)現(xiàn)二三維一體化,則需要實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的WMTS/TMS服務(wù);將文件目錄存儲(chǔ)或MongoDB中的實(shí)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(jì)算引擎、渲染引擎、搜索引擎等功能實(shí)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(tái)中,實(shí)現(xiàn)地圖的渲染。地圖服務(wù)Server對已發(fā)布的影像、高程?hào)鸥竦貓D服務(wù)進(jìn)行切片緩存,切片生成的瓦片數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)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(tái)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(shí)現(xiàn)。

圖1 跨平臺(tái)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(tái)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(tái)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(jìn)行后處理,包括亮度、飽和度的批量自動(dòng)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(shí)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(tái)建設(shè)需要實(shí)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(shí)現(xiàn)基于DOM和DSM進(jìn)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(diǎn)抽析和簡化技術(shù)的研究,實(shí)現(xiàn)在重建傾斜三維模型頂層金字塔的同時(shí)盡可能保留其原有的幾何結(jié)構(gòu),同時(shí)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(jìn)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(jìn)行最優(yōu)調(diào)度,通過模型紋理壓縮技術(shù)和二進(jìn)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(jìn)行調(diào)度速度優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)一套可用、可修改、可重建頂層的實(shí)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(tái)框架技術(shù)

基于vue+springboot的新型CIM前后臺(tái)框架技術(shù),實(shí)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(bǔ)傳統(tǒng)h5 GIS只側(cè)重展示的不足,為三維平臺(tái)深入電子政務(wù)業(yè)務(wù)做準(zhǔn)備,圖4為CIM前后臺(tái)技術(shù)框架。

圖4 CIM前后臺(tái)技術(shù)框架

采用Vue+Cesium構(gòu)建新型前臺(tái)二三維框架。Cesium平臺(tái)是一款面向三維地球和地圖的、世界級(jí)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(jì)、分析等功能的移植,便于業(yè)務(wù)流程中隨時(shí)操作三維地圖;采用Vue+SpringBoot構(gòu)建新型后臺(tái)框架。SpringBoot是由Pivotal團(tuán)隊(duì)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(tái)是智慧城市建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),CIM平臺(tái)是城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、運(yùn)行工作的基礎(chǔ)平臺(tái),是智慧城市的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性和實(shí)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(tái)的建設(shè)目標(biāo)及行業(yè)發(fā)展痛點(diǎn),結(jié)合天津市城市信息模型(CIM)平臺(tái)建設(shè)經(jīng)驗(yàn),對CIM平臺(tái)建設(shè)過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究總結(jié)。下一步,將基于CIM平臺(tái)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。