馬玲，鄭圣培，賀弢

（深圳航天智慧城市系統(tǒng)技術(shù)研究院有限公司）

1 研究背景

按照《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于開展運(yùn)用建筑信息模型系統(tǒng)進(jìn)行工程建設(shè)項(xiàng)目審查審批和城市信息模型平臺建設(shè)試點(diǎn)工作的函》（建城函[2018]222號）和《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳關(guān)于開展城市信息模型（CIM）平臺建設(shè)試點(diǎn)工作的函》要求，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)BIM、GIS（地理信息系統(tǒng)）和CIM標(biāo)準(zhǔn)體系，消除數(shù)據(jù)交換壁壘，探索建設(shè)底層數(shù)據(jù)打通、自主可控、安全可靠的CIM平臺，不斷豐富和完善城市規(guī)劃建設(shè)管理數(shù)據(jù)信息，為智慧城市管理平臺建設(shè)奠定基礎(chǔ)。很多學(xué)者開始關(guān)注如何發(fā)展城市建模技術(shù)，以更好地對城市進(jìn)行數(shù)字化描述和表達(dá)。BIM是構(gòu)成CIM的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，任何一個城市建設(shè)都是從單體建筑開始的[1]，CIM基礎(chǔ)平臺總體架構(gòu)中，CIM數(shù)據(jù)從要素、應(yīng)用行業(yè)、成果形式、時態(tài)、城市建設(shè)運(yùn)營階段和工程建設(shè)專業(yè)等角度進(jìn)行采集與分類。航空航天遙感無疑是最直接、最快速、最經(jīng)濟(jì)獲取城市大范圍數(shù)據(jù)的手段之一，對城市模型更新也是必要的監(jiān)測手段。

2 研究目標(biāo)

本研究主要是探索遙感技術(shù)在CIM平臺集成中的創(chuàng)新應(yīng)用，豐富城市CIM建模與更新的方法，完善遙感貫穿“感知—數(shù)據(jù)—應(yīng)用”全生態(tài)鏈條。闡述了測繪遙感數(shù)據(jù)中數(shù)字正射影像圖、傾斜攝影、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在CIM建模中的應(yīng)用。

3 技術(shù)路線

CIM模型作為新型智慧城市的基礎(chǔ)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(yè)的平臺支持，以滿足新型智慧城市建設(shè)需要[2]。CIM基礎(chǔ)平臺應(yīng)具備城市基礎(chǔ)地理信息、三維模型和BIM匯聚、清洗、轉(zhuǎn)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(dá)、支撐各類應(yīng)用的開放接口等基本功能，為工程建設(shè)項(xiàng)目各階段提供模型匯聚、物聯(lián)監(jiān)測和模擬仿真等專業(yè)功能。

4 CIM建模

目前城市CIM模型主要是基于BIM+GIS場景實(shí)現(xiàn)的，通過單體化CIM建模，加到GIS場景，現(xiàn)階段主要通過三種方式實(shí)現(xiàn)建模。

1）傳統(tǒng)手工建模

基于CAD、3dmax等軟件，后期加入數(shù)碼相機(jī)，進(jìn)行模型紋理處理，實(shí)現(xiàn)場景仿真。這類方法可實(shí)現(xiàn)單體建模及查詢，較靈活，但較耗費(fèi)時間，需要人工干預(yù)較多，成本較高。模型若有缺失后期修復(fù)較難。

2）三維激光掃描實(shí)現(xiàn)建模

使用激光探測雷達(dá)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)及精度數(shù)碼相機(jī)采集紋理的配準(zhǔn)、點(diǎn)云重建、分割等技術(shù)，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(jià)成本較高，實(shí)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(jī)與傳感器，從多個角度進(jìn)行傾斜遙感影像采集，從無組織的重疊像片組中依據(jù)特定的算法自動生成高度逼真的城市三維景觀數(shù)據(jù)。但由于使用大范圍自動處理程度較高，對于地物精細(xì)分類和場景分類查詢較困難。

5 遙感協(xié)同城市CIM模型

5.1 城市GIS場景底圖制作

由于遙感影像現(xiàn)勢性較強(qiáng)，作為城市CIM同一信息來源，經(jīng)過一系列處理，可得到具有空間信息且具有嚴(yán)格數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的地理底圖，表達(dá)各類專題信息，最常見的是遙感技術(shù)衍生的4D產(chǎn)品。

遙感影像提取DEM具有獲取成本低、數(shù)據(jù)采集量大等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前極具推廣價(jià)值的方法，常用于1:5萬立體測圖。資源三號衛(wèi)星是我國高分辨率光學(xué)傳輸型立體測圖衛(wèi)星，衛(wèi)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(jī)通過對同一地面點(diǎn)不同視角的觀測，形成立體影像，同時配以精確的內(nèi)外方位元素參數(shù)，準(zhǔn)確獲取影像的三維地面坐標(biāo)，生成CIM平臺可視化平臺中可體現(xiàn)地形起伏的城市數(shù)字高程模型（DEM）。結(jié)合SAR立體像對的匹配，是雷達(dá)攝影測量技術(shù)提取地形高程信息的關(guān)鍵，提高DEM的高程精度的匹配。

由于數(shù)字高程模型(DEM)結(jié)合了數(shù)字線化地圖(DLG)或數(shù)字柵格地圖(DRG)、數(shù)字影像地圖(DOM)，再鑲嵌城市建筑模型(BIM)進(jìn)行疊加，形成具有三維可視化的城市實(shí)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(shù)的快速發(fā)展，遙感影像的處理、分析和應(yīng)用有了更好的數(shù)據(jù)源。計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、模式識別、人工智能等方面的進(jìn)展，通過目標(biāo)地物的光譜和結(jié)構(gòu)特征，利用深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)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(jìn)行輪廓提?。ㄒ妶D2）。

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(shù)據(jù)源、建筑物復(fù)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(huán)境中常用于建設(shè)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(shù)據(jù)與正射遙感影像數(shù)據(jù)唯一的對應(yīng)坐標(biāo)值，從建筑底面得到建筑屋頂?shù)那衅跋?，獲取建筑屋頂紋理。同時，用二維數(shù)據(jù)快速創(chuàng)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(qū)。結(jié)合其他數(shù)據(jù)，如建筑輪廓、屋頂?shù)男问?、材料、樓層?shù)，樓層高度、窗口等信息，提供信息越多，所創(chuàng)建的3D內(nèi)容就越復(fù)雜、越逼真。減少了系統(tǒng)再投資的成本，也縮短了三維GIS系統(tǒng)的建設(shè)周期。

6 遙感在CIM數(shù)據(jù)更新中的應(yīng)用

在快速城市化背景下，城市模型數(shù)據(jù)更新在數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)過程中具有重要意義，但因數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，CIM平臺中數(shù)據(jù)模型的及時更新較難。遙感影像是監(jiān)測地表變化最直接和權(quán)威的數(shù)據(jù)源，從遙感影像可以獲取土地覆蓋、城市擴(kuò)張、森林健康、水面變化等信息。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感影像數(shù)據(jù)空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率越來越高，數(shù)據(jù)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(xué)高分辨率影像、高光譜影像、機(jī)載激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)（Li‐DAR）、合成孔徑雷達(dá)（SAR）數(shù)據(jù)等，能反映城市各類建設(shè)用地在成像中的光譜、紋理、結(jié)構(gòu)等特征，對城市內(nèi)部復(fù)雜的地表地物進(jìn)行精細(xì)化描繪[3]。

通常來說，2m分辨率衛(wèi)星影像的更新時間可達(dá)到每個月一次，特別地區(qū)可實(shí)現(xiàn)每個月更新2次～3次。多源的遙感數(shù)據(jù)利用能實(shí)現(xiàn)多角度的建設(shè)用地空間感知和信息互補(bǔ)，遙感檢測通過2個以上時相的影像產(chǎn)生對比顯示變化與未變的區(qū)域，從高分辨率的遙感能通過目視解譯判斷建設(shè)用地的變化，通過不同時期影像的對比，找出城市變化區(qū)域，對CIM中模型進(jìn)行調(diào)整，對城市更新助力。

7 結(jié)語

航空航天技術(shù)的優(yōu)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(shù)字地圖4D產(chǎn)品基礎(chǔ)成果，廣泛應(yīng)用于城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)、城鄉(xiāng)規(guī)劃、交通、生態(tài)環(huán)境、土地利用、三維街景制作以及城市各種資源的綜合調(diào)查與監(jiān)測等。開展遙感技術(shù)在CIM建模及模型監(jiān)測與更新中的應(yīng)用研究有助于提升CIM平臺建設(shè)的基礎(chǔ)支撐能力。有部分地區(qū)開始應(yīng)用三維模型、傾斜攝影測量數(shù)據(jù)、實(shí)景影像等數(shù)據(jù)的應(yīng)用，但沒有地區(qū)建立真正意義上的CIM數(shù)據(jù)庫。建設(shè)智慧城市的數(shù)據(jù)量非常大而且信息很繁雜，許多領(lǐng)域的信息需要融合起來，在未來一定時間內(nèi)需要各部門共同努力推動。