許 浩，李珊珊，張明婕，蔡明豪，謝勝波

（奧格科技股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展已步入快車道，傳統(tǒng)的城市管理模式已不能滿足城市發(fā)展需要，如何讓城市運(yùn)行管理更加精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化、智能化、人性化，是現(xiàn)階段亟需破解的難題。智慧城市以為民服務(wù)全程全時(shí)、城市治理高效有序、數(shù)據(jù)開放共融共享、經(jīng)濟(jì)發(fā)展綠色開源、網(wǎng)絡(luò)空間安全清朗為目標(biāo)[1]，順應(yīng)了社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)。自2012年國(guó)家級(jí)智慧城市試點(diǎn)工作啟動(dòng)以來(lái)，全國(guó)近百個(gè)城市推進(jìn)智慧城市建設(shè)[2]。但長(zhǎng)期實(shí)踐也面臨諸多問題，數(shù)據(jù)孤島、重復(fù)建設(shè)等現(xiàn)象屢見不鮮。同時(shí)，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，在此背景下，城市信息模型（CIM）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為智慧城市建設(shè)注入新鮮血液[3]。

1 CIM概述

1.1 CIM概念

2020年9月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)CIM的定義是以建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等技術(shù)為基礎(chǔ)；整合城市地上、地下，室內(nèi)、室外，歷史、現(xiàn)狀、未來(lái)，多維多尺度信息模型數(shù)據(jù)和城市感知數(shù)據(jù)；構(gòu)建三維數(shù)字空間的城市信息有機(jī)綜合體。

1.2 CIM內(nèi)涵

從字面意思看，城市（City）即CIM的主體和對(duì)象，小到社區(qū)、園區(qū)，大到城市、國(guó)家；信息（Information）即CIM的核心，包括反映城市內(nèi)部屬性、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)以及與外部環(huán)境互聯(lián)、交互的一系列行為[4]；模型（Model）即CIM的呈現(xiàn)形式，包括虛擬靜態(tài)模型和虛擬動(dòng)態(tài)模型。

從包含要素看，CIM包含幾何要素、時(shí)空要素、行為要素和物理要素。其中，幾何要素是表達(dá)城市二維、三維，地上、地面、地下，室內(nèi)、室外的各類城市空間數(shù)據(jù)；時(shí)空要素可以表達(dá)城市歷史變遷、城市現(xiàn)狀展現(xiàn)及城市未來(lái)規(guī)劃；行為要素是表達(dá)城市的各類狀態(tài)數(shù)據(jù)，如人走、車行、水流等行為；物理要素也稱約束要素，體現(xiàn)了所有的模擬仿真都必須遵從現(xiàn)實(shí)世界的定律，如車道有限的通行能力、排水管網(wǎng)有限的排水量等。

從技術(shù)層面看，簡(jiǎn)而言之，CIM = 3D GIS +BIM + IoT + Application。其中，3D GIS實(shí)現(xiàn)城市宏觀大場(chǎng)景的數(shù)字化模擬表達(dá)和空間分析（骨架）；BIM實(shí)現(xiàn)對(duì)城市細(xì)胞級(jí)（地上、地下）建筑物的物理設(shè)施、功能信息的精準(zhǔn)表達(dá)（肌肉）；IoT是滲入宏大場(chǎng)景與細(xì)胞級(jí)建筑物內(nèi)外部的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)靜脈系統(tǒng)（神經(jīng)和血液）；Application是基于CIM的具體應(yīng)用（氧氣和能量）。

1.3 相關(guān)概念解析

CIM是一種新型技術(shù)，城市信息模型平臺(tái)應(yīng)用CIM技術(shù)，是物理城市在三維數(shù)字空間實(shí)時(shí)全映射的呈現(xiàn)窗口和應(yīng)用載體。城市信息模型基礎(chǔ)平臺(tái)是城市信息模型平臺(tái)建設(shè)的底座，兩者的不同之處如表1所示。

表1 城市信息模型基礎(chǔ)平臺(tái)與城市信息模型平臺(tái)比較

2 城市信息模型平臺(tái)建設(shè)難點(diǎn)

2.1 海量數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)

城市信息模型平臺(tái)是智慧城市的操作系統(tǒng)，涉及城市時(shí)空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、資源調(diào)查數(shù)據(jù)、規(guī)劃管控?cái)?shù)據(jù)、工程建設(shè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)和CIM成果數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量達(dá)PB級(jí)。如何有效存儲(chǔ)各類數(shù)據(jù)、保證城市信息模型平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行是非常關(guān)鍵的。

2.2 數(shù)據(jù)集成融合

城市信息模型平臺(tái)涉及二維、三維、影像、BIM、城市運(yùn)行和行業(yè)管理等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來(lái)源不同、質(zhì)量參差不齊、格式不一致，存在接入難、融合難、使用難等問題。如何發(fā)揮“1+1＞2”的數(shù)據(jù)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)應(yīng)用數(shù)據(jù)，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理與融合是關(guān)鍵，同時(shí)這也是當(dāng)前需要解決的一個(gè)難題。

圖1 城市信息模型基礎(chǔ)平臺(tái)與城市信息模型平臺(tái)架構(gòu)（虛線范圍為城市信息模型基礎(chǔ)平臺(tái)架構(gòu)）

2.3 呈現(xiàn)效果要求

智慧城市不斷升級(jí)發(fā)展，最直觀的表現(xiàn)即是對(duì)城市三維仿真模型提出了更加精細(xì)化要求，對(duì)在終端呈現(xiàn)的各類場(chǎng)景展示效果提出了更高的要求，要求高度還原現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。城市信息模型平臺(tái)的一項(xiàng)核心能力就是具備模擬仿真展示城市地上、地表、地下，白天、黑夜，天氣變化，四季交替的功能，但隨著呈現(xiàn)效果逼真性、精確度越來(lái)越高，如何通過(guò)渲染實(shí)現(xiàn)高逼真場(chǎng)景顯得尤為重要。

3 城市信息模型平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 存儲(chǔ)與更新技術(shù)

數(shù)據(jù)匯聚與存儲(chǔ)是搭建城市信息模型平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的重要基礎(chǔ)，城市信息模型平臺(tái)不但要對(duì)各類多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，還要利用物聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，確保數(shù)據(jù)的鮮活度。

3.1.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

基于Hadoop分布式存儲(chǔ)架構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用分布式空間數(shù)據(jù)庫(kù)，建立Geo索引，實(shí)現(xiàn)海量遙感數(shù)據(jù)并行計(jì)算，解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和調(diào)度的性能瓶頸問題。研究基于混合分割的海量異構(gòu)數(shù)據(jù)組織模型、基于內(nèi)容的多維索引、基于數(shù)據(jù)訪問特征的存儲(chǔ)機(jī)制等大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與索引技術(shù)；采用Hadoop的分布式文件系統(tǒng)HDFS對(duì)結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)可動(dòng)態(tài)部署和擴(kuò)展，在同一架構(gòu)下支持從TB級(jí)到PB級(jí)等不同規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。針對(duì)城市信息模型平臺(tái)數(shù)據(jù)多源異構(gòu)的特點(diǎn)，采用Hadoop Spatial框架進(jìn)行分布式存儲(chǔ)處理。

3.1.2 數(shù)據(jù)更新

數(shù)據(jù)是城市信息模型平臺(tái)運(yùn)行的血液，必須保持其鮮活度，為平臺(tái)注入新鮮血液。保持?jǐn)?shù)據(jù)鮮活度必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定期更新。城市信息模型數(shù)據(jù)主要通過(guò)以下兩種方式獲取。（1）通過(guò)接入其他平臺(tái)/系統(tǒng)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)由數(shù)據(jù)權(quán)屬單位負(fù)責(zé)更新。（2）根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容整理獲取傾斜攝影、BIM等數(shù)據(jù)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)城市信息模型平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)進(jìn)行更新。

更新的數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)應(yīng)與原有數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)和高程基準(zhǔn)相同，精度與原有數(shù)據(jù)精度保持一致。幾何數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)應(yīng)同步更新，并保持相互關(guān)聯(lián)，同時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)索引及元數(shù)據(jù)，保證新舊數(shù)據(jù)的正確接邊和要素的拓?fù)潢P(guān)系。

3.2 BIM輕量化技術(shù)

BIM數(shù)據(jù)是城市信息模型平臺(tái)的重要數(shù)據(jù)之一，基于BIM數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維各階段的精細(xì)化管理，提高城市信息模型平臺(tái)對(duì)城市精細(xì)化管理的支撐能力。但BIM數(shù)據(jù)量一般小則幾百兆、大則幾千兆，對(duì)計(jì)算機(jī)性能配置要求較高，其加載數(shù)量也受限制。因此，必須對(duì)BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理，降低模型體量，提高加載速度和展示效果。BIM輕量化處理包括幾何模型簡(jiǎn)化、數(shù)據(jù)模型簡(jiǎn)化和顯示簡(jiǎn)化[5]等方法。

3.2.1 幾何模型簡(jiǎn)化

幾何模型簡(jiǎn)化在不影響模型完整性前提下，對(duì)模型的點(diǎn)、面、相同圖元等進(jìn)行刪除，減少三角面。常用的方法包括邊折疊算法和減面優(yōu)化等方法。邊折疊算法通過(guò)對(duì)模型的每條邊進(jìn)行折疊，計(jì)算得出可以保持模型完整性的新點(diǎn)，將新點(diǎn)與原模型邊線連接，刪除退化的邊與三角形。減面優(yōu)化通過(guò)刪除模型邊或頂點(diǎn)，同步刪除邊或頂點(diǎn)所關(guān)聯(lián)的三角面，從而簡(jiǎn)化模型，保持原模型架構(gòu)層次，提高加載速度，減少內(nèi)存占有量。

3.2.2 數(shù)據(jù)模型簡(jiǎn)化

數(shù)據(jù)模型簡(jiǎn)化通常包括精簡(jiǎn)BIM各階段數(shù)據(jù)、刪除重復(fù)數(shù)據(jù)模型及壓縮數(shù)據(jù)模型。精簡(jiǎn)BIM各階段數(shù)據(jù)是指對(duì)BIM各階段數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍，保留對(duì)模型起關(guān)鍵作用的數(shù)據(jù)，舍棄非必要數(shù)據(jù)。刪除重復(fù)數(shù)據(jù)是指對(duì)重復(fù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除操作。壓縮數(shù)據(jù)模型是指對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，減少數(shù)據(jù)占有量。

3.2.3 顯示簡(jiǎn)化

顯示簡(jiǎn)化即在CIM平臺(tái)展示層面利用LOD（細(xì)節(jié)層次）技術(shù)，恰當(dāng)選擇細(xì)節(jié)層次模型，根據(jù)實(shí)際需要，選擇展示不同層級(jí)，從而提高平臺(tái)響應(yīng)能力。

3.3 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

城市信息模型平臺(tái)獲取的數(shù)據(jù)涉及不同部門與不同行業(yè)，數(shù)據(jù)格式多樣。發(fā)揮數(shù)據(jù)對(duì)城市信息模型平臺(tái)功能應(yīng)用的支撐作用，須對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行高質(zhì)量的集成融合。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成融合包括統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)、統(tǒng)一格式標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)體精準(zhǔn)匹配。

3.3.1 統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)

在城市信息模型平臺(tái)中，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)需在統(tǒng)一的坐標(biāo)系進(jìn)行展示，平臺(tái)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000）和1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。城市信息模型平臺(tái)將影像、矢量、柵格、點(diǎn)云、傾斜攝影模型和手工建模等數(shù)據(jù)的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一空間基準(zhǔn)；支持對(duì)未知坐標(biāo)系的模型進(jìn)行模型同名點(diǎn)匹配，對(duì)模型進(jìn)行編輯、平移等操作，確保數(shù)據(jù)位置的準(zhǔn)確度。

3.3.2 統(tǒng)一格式標(biāo)準(zhǔn)

城市信息模型平臺(tái)采用I3S（Indexed 3D Scene Layer）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式統(tǒng)一，將獲取的傾斜攝影模型、人工建模、BIM、點(diǎn)云、三維管線、二維/三維點(diǎn)線面、地形、影像等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SLPK（SceneLayerPackage）格式數(shù)據(jù)，為多源三維地理空間數(shù)據(jù)在不同終端（移動(dòng)設(shè)備、瀏覽器、桌面電腦）中的存儲(chǔ)、高效繪制、共享與互操作等提供了解決方案。

3.3.3 實(shí)體精準(zhǔn)匹配

城市信息模型平臺(tái)中的數(shù)據(jù)集成融合會(huì)遇到各類數(shù)據(jù)精度不同而導(dǎo)致的實(shí)體精準(zhǔn)匹配、屬性關(guān)聯(lián)等方面的問題。如Z方向存在偏差時(shí)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、壓平、挖洞、剪裁等處理，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)匹配。在城市感知運(yùn)行監(jiān)測(cè)方面，白模、BIM、傾斜攝影模型、手工建模數(shù)據(jù)與IoT數(shù)據(jù)的精確集成融合也是平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵。

（1）DEM 和 DOM 融合。根據(jù)基礎(chǔ)地形圖資料、DEM和DOM，對(duì)DEM進(jìn)行加工優(yōu)化，融合集成不同格網(wǎng)間距的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，按照瓦片規(guī)定尺寸和計(jì)算的最大等級(jí)數(shù)，對(duì)DEM和DOM進(jìn)行逐級(jí)切片，對(duì)不同等級(jí)的瓦片采用分層的方式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)，建立三維大場(chǎng)景基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，更好滿足數(shù)據(jù)應(yīng)用和瀏覽的需求。

（2）BIM 與 GIS 數(shù)據(jù)集成融合。BIM與GIS數(shù)據(jù)集成融合是城市信息模型平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)性、重點(diǎn)性工作之一，通過(guò)城市信息模型平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行二次開發(fā)，建立數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換插件，將BIM（支持Revit、Bentley、CATIA、PKPM等主流BIM設(shè)計(jì)軟件成果）轉(zhuǎn)入城市信息模型平臺(tái)并與GIS數(shù)據(jù)融合。

兩種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換基于BIM通用標(biāo)準(zhǔn)格式IFC與3D GIS通用標(biāo)準(zhǔn)格式I3S（·SLPK）的語(yǔ)義模型之間的關(guān)系及差異，建立語(yǔ)義映射轉(zhuǎn)換原則，篩選過(guò)濾提取IFC中的語(yǔ)義信息并提取幾何關(guān)系屬性，根據(jù)映射對(duì)象特征，采用一對(duì)一、一對(duì)多映射或間接映射方式，將IFC的幾何信息轉(zhuǎn)換為中間LOD映射算法并進(jìn)行必要的語(yǔ)義信息增強(qiáng)，最后根據(jù)LOD表面模型生成算法，構(gòu)建可代表BIM數(shù)據(jù)的多細(xì)節(jié)層次結(jié)構(gòu)的I3S（·SLPK）模型，從而實(shí)現(xiàn)BIM與GIS數(shù)據(jù)的集成融合。

（3）BIM與傾斜攝影模型、手工建模數(shù)據(jù)融合。BIM與傾斜攝影模型、手工建模數(shù)據(jù)的融合采用以現(xiàn)狀模型（傾斜攝影模型/手工建模數(shù)據(jù)）為基底，與BIM融合時(shí)可將現(xiàn)狀模型隱藏，查看BIM在現(xiàn)狀場(chǎng)景中的整體形狀、體量、色彩等是否與現(xiàn)狀場(chǎng)景保持一致，并且可以切換BIM與現(xiàn)狀模型的顯示。

（4）IoT數(shù)據(jù)與BIM、GIS數(shù)據(jù)集成融合。IoT作為實(shí)現(xiàn)城市信息模型平臺(tái)萬(wàn)物互聯(lián)的重要支撐，其采集的感知數(shù)據(jù)與BIM、GIS數(shù)據(jù)的融合是城市信息模型平臺(tái)進(jìn)一步發(fā)展演變的重要方向。

城市信息模型平臺(tái)將IoT數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)后，通過(guò)借助平臺(tái)內(nèi)嵌的BIM應(yīng)用程序/GIS數(shù)據(jù)應(yīng)用程序API接口進(jìn)行IoT數(shù)據(jù)調(diào)用和接入，從而實(shí)現(xiàn)IoT數(shù)據(jù)與BIM、GIS數(shù)據(jù)的集成融合。

3.4 可視化渲染技術(shù)

可視化渲染即三維渲染，通過(guò)明暗著色、光線追蹤、表面紋理等手段對(duì)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸出極度接近現(xiàn)實(shí)世界肉眼可見的圖像。目前三維渲染技術(shù)包括圖形簡(jiǎn)化與刪除、WebGL圖形渲染、光線跟蹤、三維瓦片化渲染、材質(zhì)優(yōu)化等方法，本文重點(diǎn)介紹圖形簡(jiǎn)化與刪除和材質(zhì)優(yōu)化。

3.4.1 圖形簡(jiǎn)化與刪除

圖形簡(jiǎn)化與刪除顧名思義就是對(duì)渲染的圖形進(jìn)行部分刪除或簡(jiǎn)化處理，刪除場(chǎng)景內(nèi)不可見的圖形，同時(shí)，在不影響感觀視覺下，對(duì)渲染的模型進(jìn)行壓縮和簡(jiǎn)化，提高渲染速度和性能[6]。通常用細(xì)節(jié)層次（LOD）技術(shù)對(duì)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)物體模型在場(chǎng)景中的位置及重要性，恰當(dāng)選擇細(xì)節(jié)層次模型，構(gòu)建起不同層級(jí)不同精度的圖形數(shù)據(jù)，使渲染速度和渲染性能達(dá)到最大化。

3.4.2 材質(zhì)優(yōu)化

城市三維模型的紋理數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、尺寸不一致、圖像質(zhì)量低等特點(diǎn)，因此優(yōu)化材質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)提高城市信息模型平臺(tái)渲染效率具有顯著效果。城市信息模型平臺(tái)材質(zhì)優(yōu)化主要采用基于遺傳算法的紋理合并技術(shù)、基于圖像熵和清晰度的紋理壓縮方法、基于KTX的材質(zhì)紋理選擇方法、基于邊緣計(jì)算的材質(zhì)替換方法。以基于邊緣計(jì)算的材質(zhì)替換方法為例，介紹如何優(yōu)化城市信息模型平臺(tái)渲染效果。

雖然低精度的LOD材質(zhì)紋理數(shù)據(jù)量較少，但占據(jù)了大量的網(wǎng)絡(luò)線程。通過(guò)使用相似紋理可以減少網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，具體做法如下。（1）將模型的瓦片數(shù)據(jù)與紋理數(shù)據(jù)分離。（2）計(jì)算低精度的LOD材質(zhì)紋理特性。（3）匹配相似的紋理數(shù)據(jù)。（4）邊緣計(jì)算快速匹配并做出響應(yīng)。（5）對(duì)模型的材質(zhì)紋理進(jìn)行優(yōu)化，最大限度提高模型加載效率和展示效果。

4 結(jié)語(yǔ)

城市信息模型平臺(tái)運(yùn)行不僅涉及存儲(chǔ)技術(shù)、輕量化技術(shù)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)與可視化渲染技術(shù)，還應(yīng)用大數(shù)據(jù)、仿真模擬、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)。

城市信息模型平臺(tái)已被納入“新城建”任務(wù)體系，統(tǒng)籌管理其他六大任務(wù)。城市信息模型平臺(tái)作為智慧城市發(fā)展的操作底座，正在加速推進(jìn)建設(shè)，但CIM作為一種新興技術(shù)，其發(fā)展載體（城市信息模型平臺(tái)）建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，涉及諸多方面，本文選取了幾個(gè)比較重要且通用的技術(shù)進(jìn)行分析，以期為城市信息模型平臺(tái)建設(shè)提供技術(shù)支撐，為進(jìn)一步開展相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)，未來(lái)CIM平臺(tái)的建設(shè)技術(shù)也會(huì)更加成熟和多元。