數(shù)字城市空間框架三維模型構(gòu)建與應用研究

王樹魁， 王睿祺， 來蘭梅， 崔蓓， 毛燕翎， 張喜梅

（1. 商丘師范學院；2. 南京市鼓樓實驗中學；3. 南京市國土資源信息中心；4. 安徽省特殊教育中專學校）

1 引言

近年來，國家在戰(zhàn)略層面提出了數(shù)字中國、實景三維中國、城市信息模型平臺、新基建等一系列重點工作任務，成為新型智慧城市建設的重要抓手，建設成果形成了城市治理的數(shù)字基礎設施。國內(nèi)很多城市也在嘗試通過對城市立體空間、建筑物和基礎設施等要素的物理和功能特性進行三維數(shù)字化模型表達，構(gòu)建三維數(shù)字空間的城市信息有機綜合體[1]，作為新型智慧城市的數(shù)字化空間載體，接入實時動態(tài)物聯(lián)網(wǎng)信息，通過虛實精準影射、相互聯(lián)動，模擬城市規(guī)劃、建設、管理、運營等復雜系統(tǒng)工作，在虛擬世界試驗驗證，在真實世界推廣執(zhí)行。該工作在推進城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化中具有重要意義。

2 現(xiàn)狀分析

城市管理的眾多決策應用場景，需要三維數(shù)據(jù)模型的科學支撐。城市空間三維數(shù)字模型根據(jù)表達精度，可分為框架模型和精細模型。在實景三維等工程實踐中，常常采用人工建模、傾斜攝影、激光掃描或BIM翻模等數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式，經(jīng)過長期的投入，積累海量的高精度數(shù)據(jù)資產(chǎn)應用于城市治理，提升了城市精細科學的管理水平。同時，也逐漸暴露出精細模型的建模成本高、維護難等一系列問題。一般城市的三維精細模型每平方公里的建設成本為5萬元左右，地形比較復雜，每平方公里的成本高達10萬元以上；且不同的生產(chǎn)方式生成的數(shù)據(jù)格式不同，有三維矢量、點云、三角面片等，難以相互轉(zhuǎn)換和集成融合；精細模型數(shù)據(jù)量巨大，使用普通網(wǎng)絡和計算機難以流暢調(diào)度渲染。因此，不少團隊另辟蹊徑，開展了快速構(gòu)建城市三維空間框架模型的技術方法研究與嘗試，比如白畯文等采用自動化、參數(shù)化方法快速構(gòu)建城市級三維GIS場景[2]，楊文婧開展大區(qū)域三維建筑白模建設及關鍵技術研究[3]等，為城市大范圍全覆蓋的三維建筑單體簡模的建設探索技術線路，降低了數(shù)據(jù)生產(chǎn)成本和維護難度，能滿足大部分應用場景的需求。城市是一個多元綜合的復雜系統(tǒng)，本文以南京為例，將基于不同數(shù)據(jù)和不同技術線路生成的數(shù)字城市空間框架模型進行系統(tǒng)研究，構(gòu)建數(shù)據(jù)體系，建立一套城市三維框架模型數(shù)據(jù)庫，作為新型智慧城市信息協(xié)同的空間數(shù)字底板，在降低成本和提高效益的同時，滿足智慧城市治理中不同應用場景對三維數(shù)字模型的多樣化需求。

3 城市空間框架模型體系

城市空間框架模型的生產(chǎn)可基于城市既有的測繪4D 產(chǎn)品數(shù)據(jù)成果，并深入挖掘數(shù)據(jù)的應用價值，結(jié)合實際應用場景的需要研究數(shù)據(jù)治理的路線和標準，再利用GIS 軟件批量驅(qū)動生產(chǎn)大規(guī)模的城市建筑、道路、水體等信息模型。其利用既有的數(shù)據(jù)資源，投入成本不到精細模型的十分之一，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲格式規(guī)范統(tǒng)一，數(shù)據(jù)容易組織形成體系，能兼顧在空間分析和可視化渲染等方面的數(shù)據(jù)傳輸效率和顯示效果，作為城市治理的空間可視化載體，可滿足不同尺度場景下城市空間形態(tài)發(fā)展研究模擬、管控分析預警和城市運營管理等應用需要。

南京面向城市規(guī)劃、自然資源管理和智慧城市等城市建設發(fā)展管理的需要，先后經(jīng)歷了城市三維公共服務平臺、城市設計成果建庫與管理[4]、CIM 平臺等技術研究與管理應用總結(jié)，針對不同應用場景，將城市三維框架模型系統(tǒng)地分為基礎模型、精工模型、功能模型、管控模型和方案模型等5類（見表1）。城市空間框架模型在智慧城市建設和運營中，具有全市統(tǒng)一空間協(xié)同數(shù)字底板的作用，消除數(shù)據(jù)孤島，統(tǒng)籌各部門智慧系統(tǒng)的共建共享和協(xié)同管理，推進城市治理數(shù)智化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展。

表1 常用城市空間框架模型分類

4 城市空間框架數(shù)字模型建設及應用

4.1 基礎模型

基礎模型基于數(shù)字高程模型，可使用三維GIS軟件工具進行空間提取分析，為建筑基底圖提取地面起始高程值，并作為屬性存儲；再根據(jù)地面高程和建筑高度信息，將建筑基底圖驅(qū)動生成三維建筑基礎模型。河流、道路、綠化等其他要素采用地表覆蓋要素渲染后，疊加在數(shù)字高程模型上展示，形成全覆蓋的三維地面。基礎模型可以看作二維地形圖的三維表現(xiàn)。基于傳統(tǒng)的二維地形圖產(chǎn)品，能快速大范圍生成城市基礎模型，雖然要素的表達精細度不高，但也能夠滿足宏觀了解城市現(xiàn)狀空間結(jié)構(gòu)，開展城市空間形態(tài)的規(guī)劃研究，進而根據(jù)屬性信息生成城市建筑高度、建筑年代、建筑結(jié)構(gòu)等城市三維空間專題圖或熱力圖等應用需求（見圖1）。

圖1 城市建筑高度專題圖

4.2 精工模型

精工模型基于CityEngine 規(guī)則化建模技術生成，產(chǎn)品精度和視覺效果提升明顯。同樣基于數(shù)字高程模型、建筑基底圖等現(xiàn)有數(shù)據(jù)，建筑基底圖要求更精準詳細，對于頂高不唯一的建筑，需要分別構(gòu)建閉合高度范圍邊界，并附帶建筑高度、層數(shù)、材質(zhì)等屬性信息。數(shù)據(jù)治理中先進行數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理，確保建筑基底圖符合精工模型生成標準，并帶有地面起始高程、建筑高度、層數(shù)等屬性信息；再結(jié)合人眼視覺特性和真實美觀的要求，根據(jù)建筑材料分類制作貼圖庫，為了減少數(shù)據(jù)量、提高顯示效率，貼圖可用簡潔美觀的建筑手繪效果圖；針對數(shù)據(jù)和貼圖等資源，按照CGA 函數(shù)和語法規(guī)則，編寫建筑物拆分、拉伸、生成屋頂和女兒墻等腳本程序；最后通過CityEngine平臺運行腳本程序批量生成精工模型，支持按材質(zhì)貼圖，并利用建筑手繪隨機留白、黑白對比等藝術手法繪制建筑分層線，增加精工模型外觀輪廓表達的效果和層次感，藝術與技術的結(jié)合使模型表現(xiàn)更加精美生動（見圖2）。

圖2 城市精工模型

采用同樣的方法也可批量生成綠化、道路和水體等要素，發(fā)布之后的水體模型還具有倒影、流動和波浪等動態(tài)效果，各類模型與建筑模型集成融合，共同構(gòu)成城市全要素的數(shù)字底圖。精工模型采用低成本高效率的生產(chǎn)方法，可量產(chǎn)接近精細模型工藝效果的三維模型，作為城市精細模型覆蓋范圍的有效補充，通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)模型的融合治理，實現(xiàn)智慧城市空間數(shù)字底板的全域覆蓋和精細仿真。

精工模型生成的關鍵是根據(jù)需要編寫自動驅(qū)動生成模型的腳本程序，并對腳本進行反復訓練和優(yōu)化改進，使模型的細節(jié)造型接近真實表達，如果材質(zhì)分類足夠詳細，通過豐富貼圖模型庫，生成的模型與精細模型的效果非常接近。精工模型的更新可隨4D產(chǎn)品的更新同步進行，快速自動生成，經(jīng)濟實用。因此，南京城市的精工模型已廣泛應用于規(guī)劃和自然資源審批管理、城市體檢、新城建和智慧城市等應用場景，成為目前應用最廣泛的城市現(xiàn)狀三維模型。

4.3 功能模型

功能模型是將建筑模型對象精細到建筑物每層每戶功能空間的信息模型，可通過建筑物信息調(diào)查、房產(chǎn)測試或者建筑平、立、剖施工圖加工，形成建筑物的分層圖和分戶圖，分層圖附帶起始高度和層高等屬性，分戶圖體現(xiàn)空間分割范圍并掛接房間功能、工商管理、不動產(chǎn)權(quán)等屬性信息。利用三維GIS 軟件，經(jīng)過數(shù)據(jù)治理和模型驅(qū)動等過程生成三維分層分戶模型，形成棟、層、戶不同粒度的模型對象（見圖3），作為城市信息的空間載體，分別掛接相應的行業(yè)管理信息，實現(xiàn)從棟、到層和戶等不同顆粒度對象的數(shù)據(jù)管理、信息查詢展示和統(tǒng)計分析。比如借助河西建筑物普查構(gòu)建的分層分戶功能模型關聯(lián)用水量、用電量等能耗信息[5]，可展示過去一段時間的能耗使用動態(tài)變化情況（見圖4），輔助開展房屋空置率分析、單位GDP 能耗分析等應用，為智慧城市現(xiàn)代化治理決策提供可靠的科學依據(jù)。南京在BIM/CIM試點建設中，借助BIM報建的模型數(shù)據(jù)，快速構(gòu)建不動產(chǎn)三維空間模型，生成樓盤表，掛接每戶的建筑面積、產(chǎn)權(quán)等信息，積極探索三維不動產(chǎn)管理應用。

圖3 建筑分層分戶模型

圖4 建筑分層分戶用電量分析

4.4 管控模型

在國土空間規(guī)劃編制中，城市層面劃定的“三區(qū)三線”、“城市軸線”、“視線廊道”等城市虛實空間的管控要素，作為城市規(guī)劃空間管控的“底線”；在詳細規(guī)劃、城市設計和專項規(guī)劃的成果圖則中，通常會明確建筑高度控制、建筑后退、街墻控制、機場凈空等核心控制要素和控制指標。為了實現(xiàn)城市空間管理的智能化，可利用三維GIS建模軟件，將國土空間規(guī)劃中確定的城市空間管控核心要素根據(jù)管控要求指標進行三維模型實例化。批量驅(qū)動生成城市空間管控的要素庫，作為城市空間智能化治理的管控依據(jù)，當建筑方案報建審批時，可輔助自動檢測預警建筑方案高度、退線、景觀視線、凈空等方面是否符合規(guī)劃要求（見圖5），保障城市軸線、廊道系統(tǒng)的通透舒適和秩序良好，營造優(yōu)美和諧宜居城市空間形態(tài)，塑造獨具特色的城市精神風貌，外樹形象內(nèi)聚民心。

圖5 建筑方案的智能化空間管控預警

4.5 方案模型

城市規(guī)劃的研究對象是復雜的社會系統(tǒng)，規(guī)劃設計方案不是工業(yè)產(chǎn)品，不能通過物理性的實驗來校驗，因此利用數(shù)字仿真模擬等技術手段，可在數(shù)字化虛擬環(huán)境中模擬規(guī)劃方案的未來建成效果，開展空間形態(tài)、景觀效果和周邊關系等研究分析，對規(guī)劃方案做前期預評估、校驗和優(yōu)化，達到整體的和諧狀態(tài)，使城市人居環(huán)境營造達到可度量、可模擬、可校驗、可評估與可優(yōu)化。

南京曾研發(fā)了三維城市設計管理平臺。該平臺以城市全覆蓋的三維數(shù)字模型為底板，可快速植入建筑方案模型，開展前期預評估和校驗優(yōu)化。初始平臺主要支持精細模型，因此需要設計單位花大量的精力用于模型制作，推廣難度較大。為了提高效能，提出基于CAD 文件制定數(shù)據(jù)規(guī)范，通過分層規(guī)定簡單構(gòu)建建筑基底輪廓和高度、層數(shù)等信息，在三維現(xiàn)狀模型的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，可自動驅(qū)動生成三維模型開展城市空間形態(tài)研究，支持在方案會審中，對模型高度、層數(shù)、方位和材質(zhì)貼圖等方面的參數(shù)化調(diào)整和快速編輯。該平臺可大大降低在城市規(guī)劃管控中對城市三維空間形態(tài)模擬管控的門檻，在建設項目招商宣傳、規(guī)劃選址和規(guī)劃條件指標驗證等項目前期研究和建筑方案初審等環(huán)節(jié)，能低成本快速判斷建筑設計方案是否符合空間規(guī)劃管控要求，后續(xù)還推廣應用到城市更新改造和環(huán)境品質(zhì)提升研究等方面。

5 結(jié)語

通過以上研究和應用實踐，將城市框架模型分成基礎模型、精工模型、功能模型、管控模型和方案模型等5 類，可服務不同的應用場景，并互為補充，共同構(gòu)成的城市三維數(shù)字框架模型體系，既充分挖掘利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)成果，降低建設和維護成本，又能提高生產(chǎn)、調(diào)度和渲染效率。通過對不同尺度的模型合理組織分工并建立相互的關聯(lián)關系，構(gòu)建有機的城市空間框架協(xié)同數(shù)字底板，作為智慧城市可視化空間載體，也可對應接入城市動態(tài)管理的人、物、事等物聯(lián)網(wǎng)信息，形成與物理城市精準映射、虛實交融的數(shù)字孿生城市，能滿足從宏觀到中微觀不同場景關聯(lián)互動的管控應用需求，發(fā)展前景廣闊。