韓雯雯，邢韻，王飛飛，梁向春

（北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司）

1 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化率不斷提高，城市快速發(fā)展和規(guī)模擴張帶來了諸如環(huán)境污染、資源短缺、交通擁堵等一系列問題，如何精細、科學、高效地進行城市治理成為近年來的熱門話題。面對互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等高新技術(shù)的不斷發(fā)展，人們開始探尋用智慧化手段開展城市規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)和管理，以求實現(xiàn)對城市海量信息資源的合理配置、城市運行狀態(tài)全面掌控以及城市一體化、精細化管理。在這樣背景下，一種對城市進行數(shù)字化描述和表達技術(shù)理論[1]——CIM（City Information Modeling，城市信息模型）應運而生。關(guān)于CIM基礎(chǔ)平臺定義和內(nèi)涵業(yè)內(nèi)有多種不同認知，但綜合考慮當前各界對CIM 基礎(chǔ)平臺的共識，論文認為CIM 基礎(chǔ)平臺是三維城市空間模型和城市動態(tài)信息的有機綜合體，它將微觀尺度的建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）、宏觀尺度的地理空間數(shù)據(jù)（Geo-Spatial Data）、物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，簡稱IoT）數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一[1]，形成支撐城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、運行工作的基礎(chǔ)性操作平臺。因此，CIM 基礎(chǔ)平臺本質(zhì)上是對一個城市物理實體和功能特征的數(shù)字化表達，是城市的三維數(shù)字底座，從而支撐城市各類智慧化應用板塊，實現(xiàn)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理過程中各資源要素的數(shù)據(jù)融合、業(yè)務協(xié)同、狀態(tài)判別及趨勢分析。

雖然目前對于CIM基礎(chǔ)平臺的研究尚處于起步階段，相關(guān)技術(shù)和理論還在孕育和探索之中，但全國各地關(guān)于CIM基礎(chǔ)平臺的相關(guān)政策和試點項目建設(shè)已經(jīng)如火如荼地展開了。2018年11月，住建部發(fā)布《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于開展運用建筑信息模型系統(tǒng)進行工程建設(shè)項目審查審批和城市信息模型平臺建設(shè)試點工作的函》，將北京城市副中心、廣州、南京、廈門、雄安新區(qū)列入CIM平臺建設(shè)試點城市，為工程建設(shè)電子化審批和CIM 建設(shè)實施奠定基礎(chǔ)。2020年9月，《關(guān)于開展城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺建設(shè)的指導意見》提出構(gòu)建國家、省、市三級CIM 基礎(chǔ)平臺體系，逐步實現(xiàn)城市級CIM基礎(chǔ)平臺與國家級、省級CIM 基礎(chǔ)平臺互聯(lián)互通。2021年4月，住建部印發(fā)《六項城市信息模型（CIM）行業(yè)標準的征求意見稿》，規(guī)范了CIM行業(yè)發(fā)展，為CIM技術(shù)廣泛和深度應用創(chuàng)造了良好的發(fā)展環(huán)境。自2018年我國CIM 行業(yè)正式進入到建設(shè)階段以來，CIM 相關(guān)工程建設(shè)已迎來飛速發(fā)展。2019年—2021年招標項目呈現(xiàn)逐年增長趨勢，2021年截至9月9日，我國CIM相關(guān)招標項目就已達到72個，是2020年整年數(shù)據(jù)的兩倍[3]。由此看來，CIM基礎(chǔ)平臺是業(yè)內(nèi)當前乃至未來一段時期的建設(shè)和發(fā)展重點，是城市規(guī)劃、建設(shè)、管理新的手段和發(fā)力點。

2 CIM基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)建設(shè)難點分析

建立一個信息和數(shù)據(jù)匯聚的CIM 基礎(chǔ)平臺，數(shù)據(jù)建設(shè)是十分重要的環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)是CIM基礎(chǔ)平臺的根本，若將城市發(fā)展全生命周期看作一個完整的生命體，那么數(shù)據(jù)就是城市生命體的血液，是支撐城市各項基礎(chǔ)構(gòu)件正常運轉(zhuǎn)不可或缺的資源。從數(shù)據(jù)工程體系建設(shè)角度出發(fā)，CIM 基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)建設(shè)是一個系統(tǒng)性、規(guī)范化、可持續(xù)的工作，需要通過建庫、數(shù)據(jù)服務共享、數(shù)據(jù)共享等方式，匯聚、連接和融合各種數(shù)據(jù)源，經(jīng)過標準化數(shù)據(jù)導入、清洗、轉(zhuǎn)換和融合處理形成CIM 數(shù)據(jù)，從而為上層應用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐[2]。數(shù)據(jù)是CIM 基礎(chǔ)平臺的內(nèi)核，是城市各類感知、運行、管控的基礎(chǔ)資源和原材料，因此在CIM基礎(chǔ)平臺建設(shè)時，合理統(tǒng)籌建設(shè)數(shù)據(jù)，將隱性數(shù)據(jù)價值變成顯性資源應用價值顯得尤為重要。

然而，CIM基礎(chǔ)平臺目前尚處于研究探索階段，相關(guān)數(shù)據(jù)技術(shù)理論還不成熟，對于數(shù)據(jù)采集、存儲和處理方法業(yè)界認知不統(tǒng)一。論文綜合考慮CIM基礎(chǔ)平臺中數(shù)據(jù)建設(shè)各環(huán)節(jié)，認為在數(shù)據(jù)構(gòu)成、空間組織、采集與更新方面存在三個難點。

①當前針對CIM基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)體系的構(gòu)建大多零散、局部、孤立，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)需要系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型規(guī)范數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理和應用奠定基礎(chǔ)。

②CIM 基礎(chǔ)平臺匯聚了很多專題數(shù)據(jù)，種類豐富、范圍廣泛，不同采集渠道獲取到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計口徑不一，導致空間組織方法不同，只能進行淺層羅列，數(shù)據(jù)難以共用，重復建設(shè)時有發(fā)生，難以對數(shù)據(jù)進行深度融合處理，這給城市海量數(shù)據(jù)融合帶來困難。

③CIM基礎(chǔ)平臺需要匯聚大量二、三維數(shù)據(jù)，同時保持數(shù)據(jù)信息動態(tài)更新。但當前數(shù)據(jù)采集和更新方法分散、不成體系，缺乏行之有效的數(shù)據(jù)采集和更新方法。

針對以上CIM 基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)建設(shè)的三大難點，論文提出相應對策，以求對數(shù)據(jù)建設(shè)中存在問題和痛點提供有效的解決途徑。針對數(shù)據(jù)構(gòu)成相對孤立、混亂的問題，構(gòu)建完整CIM基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)框架體系，從分類、分級以及編碼角度規(guī)范數(shù)據(jù)建設(shè)基礎(chǔ)。針對數(shù)據(jù)融合困難、難以共用的問題，形成一套數(shù)據(jù)空間組織方法，使數(shù)據(jù)可以跨層級、跨專題、在橫縱向上融合計算。在數(shù)據(jù)采集和更新方面，建立數(shù)據(jù)的快速采集、動態(tài)更新方法，保持數(shù)據(jù)和平臺活力。

3 構(gòu)建基于人居環(huán)境理論的數(shù)據(jù)框架體系

為了對CIM基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)進行科學、規(guī)范、全面地梳理，搭建三維數(shù)字底座，需要構(gòu)建一套完整的數(shù)據(jù)框架體系將CIM 基礎(chǔ)平臺中的數(shù)據(jù)歸集和分類，解決數(shù)據(jù)零散片面的問題。論文參考吳良鏞院士“人居環(huán)境”科學理論，將人居環(huán)境分成自然、人、社會、建筑物和支撐網(wǎng)絡五大系統(tǒng)[2]。從“人居環(huán)境”理論出發(fā)，CIM基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)應包含自然、人、社會、建筑物和支撐網(wǎng)絡要素屬性及狀態(tài)感知信息，并關(guān)聯(lián)到對應的三維城市空間模型上，從而打造三維數(shù)字空間信息有機綜合體。CIM基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)構(gòu)成分類如圖1所示。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同需求及數(shù)據(jù)獲取難易程度，可將數(shù)據(jù)歸集整理分成三個階段L1、L2和L3，形成三級數(shù)據(jù)框架體系。其中，L1是在三維城市空間模型基礎(chǔ)上，增加城市物理實體包括自然環(huán)境、支撐網(wǎng)絡和建筑物等基礎(chǔ)信息，形成最基礎(chǔ)實體數(shù)據(jù)底座；L2是在物理實體數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，增加人、社會等城市參與主體信息，能夠反映三維城市空間中人類和社會屬性；L3是在城市主體基礎(chǔ)上增加城市所有要素狀態(tài)及感知信息，能夠反映城市空間環(huán)境及參與主體活動實時狀態(tài)與動態(tài)變化[2]。最終形成CIM 基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)框架體系如圖2所示。

圖2 CIM基礎(chǔ)平臺三級數(shù)據(jù)框架體系

同時，為實現(xiàn)物理城市空間和信息到數(shù)字城市映射，需要對CIM 基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)進行編碼。一是打造城市全覆蓋的物體編碼體系，二是要建構(gòu)空間編碼體系，將物體通過編碼準確落位到空間[2]。物體編碼是基于地理實體或物理實體，統(tǒng)一分配全球唯一的數(shù)字標識，并以此關(guān)聯(lián)各部門、各行業(yè)、各系統(tǒng)平臺的物理對象[2]。如可為建筑物實體分配唯一的數(shù)字標識，并將與該建筑相關(guān)的人口、法人、土地、納稅、不動產(chǎn)等信息與之關(guān)聯(lián)?？臻g編碼是通過統(tǒng)一空間編碼體系，將數(shù)據(jù)標簽化、單元化，根據(jù)數(shù)據(jù)不同分類、屬性或特征賦予不同分類編碼，劃分空間單元，并構(gòu)建空間身份證[2]，如雄安CIM平臺以“空間”為坐標，作為城市數(shù)據(jù)交換共享和融合的基本ID[4]。

通過建立CIM基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)框架體系以及對數(shù)據(jù)進行分類、分級、編碼，能夠?qū)崿F(xiàn)CIM 數(shù)據(jù)全面規(guī)范梳理，避免數(shù)據(jù)建設(shè)零散、片面、混亂的問題，為后續(xù)數(shù)據(jù)融合共享、采集和更新創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)條件。

4 搭建支持融合可用的CIM 數(shù)據(jù)空間組織

不同專業(yè)或?qū)ｎ}基于研究對象和問題特征，往往具有不同數(shù)據(jù)統(tǒng)計口徑，進而對數(shù)據(jù)空間落位和空間層次組織有不同需求，比如，交通研究以路網(wǎng)為綱劃分空間最小單元，城市用地研究以地塊、街區(qū)、功能組團等組織空間單元，城市管理以每平方千米空間單元、社區(qū)、街道劃分空間各級單元，地震仿真研究以地質(zhì)屬性劃分空間最小單元等等?；谶@些基本或最小空間單元，將空間劃分為勻質(zhì)或非勻質(zhì)網(wǎng)格，并進行編碼進而組織空間數(shù)據(jù)?；诟鲗I(yè)、部門專題等特點，當前存在基于城管網(wǎng)格、規(guī)劃單元及地塊、自然資源單元、交通小區(qū)的空間組織方式。

在規(guī)劃編制和城市管理中，經(jīng)常需要人口、企業(yè)、社會經(jīng)濟甚至是建筑、停車位、水電用量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐工作，但是各專業(yè)、部門數(shù)據(jù)空間組織方式存在差異，劃分空間單元不盡相同，空間統(tǒng)計口徑不一致，數(shù)據(jù)間缺乏邏輯關(guān)系，導致數(shù)據(jù)應用時無法疊加、融合、使用，重復建設(shè)問題普遍存在。

如何發(fā)揮好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作用，使同一份數(shù)據(jù)能被不同專業(yè)專題使用，適用部門、行政區(qū)劃邊界調(diào)整，支持城市級別空間范圍內(nèi)不同專題、不同類型數(shù)據(jù)的縱向（相同專題不同級別）、橫向（不同專題間）融合計算。CIM 基礎(chǔ)平臺的數(shù)據(jù)空間組織方法，需要建立多專題多層級空間網(wǎng)格并使各套空間網(wǎng)格在某一層級上具有相通性。同時，確定最優(yōu)數(shù)據(jù)采集空間顆粒度，使之可以根據(jù)應用需求進行匯總。

4.1 構(gòu)建多專題多層級空間網(wǎng)格體系

縱向上，CIM 基礎(chǔ)平臺上每類專題數(shù)據(jù)的空間網(wǎng)格應是多層級、成體系的一整套，并構(gòu)建好各層級空間網(wǎng)格間傳導關(guān)系。最底層數(shù)據(jù)最為詳細，數(shù)據(jù)量最大，同時可通過各層級間網(wǎng)格傳導關(guān)系，向上層層匯聚得到各層級數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)金字塔形結(jié)構(gòu)。以行政區(qū)劃網(wǎng)格為例，應包含社區(qū)級、居（村）委會級、街道（鄉(xiāng)鎮(zhèn)）級、縣（區(qū)）級、地（市）級、?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）級、國家級等不同層級，并通過這一多層級空間網(wǎng)格體系，可使社區(qū)級數(shù)據(jù)向上層層匯聚得到居（村）委會級、街道（鄉(xiāng)鎮(zhèn)）級等各級數(shù)據(jù)。

橫向上，CIM 基礎(chǔ)平臺上應存在多專題數(shù)據(jù)空間組織網(wǎng)格，結(jié)合當前網(wǎng)格建設(shè)現(xiàn)狀情況，應包括行政區(qū)劃網(wǎng)格（到社區(qū)顆粒度）、規(guī)劃單元網(wǎng)格（到控規(guī)地塊顆粒度）、城管網(wǎng)格（公里網(wǎng)格單元）、政策性網(wǎng)格、道路網(wǎng)、地下管網(wǎng)、專題網(wǎng)格等，并規(guī)定各類網(wǎng)格最小顆粒度。

同時，為打通不同專題、專業(yè)間融合通道，各專題的空間網(wǎng)格應在某一層級上具有相通性，如兩套不同專題間均存在街道級別空間網(wǎng)格，使不同專業(yè)數(shù)據(jù)具有相同空間統(tǒng)計口徑，使數(shù)據(jù)可以被融合與共用，打破各專業(yè)、不同部門間的數(shù)據(jù)壁壘。因此，在城市部分區(qū)域、城市、城市群空間范圍內(nèi)，CIM 基礎(chǔ)平臺應由多專題（專題數(shù)>=1）、多層級（層級>=1）空間網(wǎng)格及其內(nèi)的實體構(gòu)成。CIM基礎(chǔ)平臺上應存在多套空間網(wǎng)格（多套多層級空間單元組織），每一個專題可能會選用不同網(wǎng)格表達，各套空間網(wǎng)格在某一層級上具有相通性，在該層級及以上層級均可使不同專題存在關(guān)聯(lián)關(guān)系（見圖3）。

圖3 構(gòu)建多專題多層級空間網(wǎng)格體系示意圖

4.2 確定最優(yōu)的數(shù)據(jù)采集空間顆粒度

在收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時，CIM 基礎(chǔ)平臺應盡可能地將數(shù)據(jù)收集的空間顆粒度降到最小粒度，數(shù)據(jù)建庫一步到位。應用時，根據(jù)需要將對應空間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)匯總即可。如當以街道作為數(shù)據(jù)的空間組織尺度時，收集各街道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)無法支撐跨街道地鐵站域研究范圍內(nèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。當降低基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集的空間顆粒度時，地鐵站域研究范圍內(nèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得以根據(jù)對應空間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)匯總得到（見圖4）。

圖4 不同尺度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集示意

此外，數(shù)據(jù)的空間粒度與成本、數(shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)主保護意識、建設(shè)者協(xié)調(diào)力度等因素強相關(guān)，需要盡可能地找到一個適中的數(shù)據(jù)空間粒度。

CIM 基礎(chǔ)平臺基于上述數(shù)據(jù)空間組織方法，將實現(xiàn)城市級別空間范圍內(nèi)不同專題、不同類型數(shù)據(jù)縱向（相同專題內(nèi)不同顆粒度）落位在不同層級空間網(wǎng)格上，同時，橫向（不同專題間）可找到相同空間粒度單元參與同一個專業(yè)模型（比如防洪模擬）分析計算，充分發(fā)揮CIM 基礎(chǔ)平臺對城市規(guī)劃、建設(shè)、運營過程中計算機信息化應用數(shù)據(jù)協(xié)同作用，使同一份數(shù)據(jù)可適用于不同專題，能適應部門和行政區(qū)邊界調(diào)整，實現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)的統(tǒng)領(lǐng)作用，滿足智慧城市應用系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通用性、功能靈活性和可擴展性的要求，避免數(shù)據(jù)重復建設(shè)和更新維護。

5 探索操作性強的CIM 數(shù)據(jù)采集更新方法

CIM基礎(chǔ)平臺上數(shù)據(jù)采集與更新主要包括三維模型與屬性信息數(shù)據(jù)兩類。作為掛接到三維模型上的人口、法人等屬性信息可通過普查信息、專項調(diào)查等方式獲取。對于三維模型數(shù)據(jù)，當前包括BIM 數(shù)據(jù)、精模、白模、傾斜攝影等，主要通過相關(guān)審批業(yè)務積累、建模等方式獲取。

在三維模型數(shù)據(jù)方面，無論是住建部從BIM 審批應用出發(fā)推動CIM 基礎(chǔ)平臺建設(shè)，還是行業(yè)從整合建筑物總體信息的BIM擴展為整合城市海量信息的CIM來探討CIM的內(nèi)涵，亦或是進一步提出CIM=BIM+GIS+IoT 等等，雖然國內(nèi)尚未對CIM 形成統(tǒng)一理解，但多數(shù)人認可BIM 數(shù)據(jù)可將數(shù)據(jù)顆粒度精確到城市建筑物內(nèi)部單獨模塊，BIM 是CIM 的重要組成部分。

工程建設(shè)項目審批制度改革鼓勵“運用建筑信息模型（BIM）進行工程項目審查審批”，將在二維報建基礎(chǔ)上新增三維報建途徑，這提供了收集BIM 模型的途徑[5]。但是，通過工程建設(shè)項目審批這一方式獲取BIM模型，仍存在較多難點，如需要政府打通行政審批事項，存在審批時無需提供BIM 模型的區(qū)域等。此外，對城市管理者而言，在城市規(guī)劃、設(shè)計、建造和運營等階段管理過程中，并非所有需求均需深化到BIM 模型內(nèi)部構(gòu)件粒度。

因此，在數(shù)據(jù)收集時，首先在住建部《城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺技術(shù)導則》《實景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱》的指導下，可以先采用多種方式收集體塊級、傾斜攝影或人工建模精度級、建筑室內(nèi)的體塊或BIM級、地下設(shè)施3D模型等多精度3D模型數(shù)據(jù)，并通過基于城市部件普查、物聯(lián)網(wǎng)等方式獲取屬性信息，建立CIM數(shù)據(jù)基底與框架。

其次，在數(shù)據(jù)更新時，在對影像、普查等數(shù)據(jù)自動采集、定期更新的基礎(chǔ)上，對高精度BIM 三維模型，可以工程建設(shè)項目三維電子報建業(yè)務為切入點，逐步更新完善CIM基礎(chǔ)平臺上的BIM三維模型，對于僅提交圖紙、文本等項目，通過翻模等方式獲取BIM三維數(shù)據(jù)，構(gòu)建全要素三維空間底板，建設(shè)智慧城市基礎(chǔ)平臺。從而降低資金投入，增強CIM 基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)建設(shè)的可操作性，支撐城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、服務等各階段應用，助力智慧城市建設(shè)（見圖5）。

圖5 CIM基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)采集與更新方法

6 展望

當前，CIM基礎(chǔ)平臺已經(jīng)在規(guī)劃審批、工程建設(shè)等領(lǐng)域開始發(fā)揮積極作用，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，物理世界與數(shù)字世界將互為連接，CIM基礎(chǔ)平臺有了更加豐富的內(nèi)涵和想象空間。面向未來，CIM基礎(chǔ)平臺將物理世界自然、人、社會、建筑物和支撐網(wǎng)絡映射到數(shù)字世界，將匯聚城市在規(guī)劃、建設(shè)、管理全生命周期各階段的數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)精準映射城市運行細節(jié)、挖掘洞悉城市發(fā)展規(guī)律、推演仿真城市未來趨勢，使萬物感知、萬物互聯(lián)、萬物智能的數(shù)字新世界成為可能[1]。