詹 勇，葛余超，譚 涵

（1. 重慶市勘測院，重慶 400020）

城市信息模型是以建筑信息模型(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)狀未來多維多尺度空間數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，構(gòu)建起三維數(shù)字空間的城市信息有機綜合體[1-6]。目前已在多個城市，行業(yè)開展項目試點[7-8]。城市信息模型CIM 匯聚并整合了多源時空數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了城市多尺度表達，從不同視角對建筑、道路、設(shè)施進行描述，可為建筑信息提供豐富的數(shù)據(jù)源，其次CIM 構(gòu)建了多種分析與計算能力，能夠支撐多源CIM 數(shù)據(jù)提取建筑信息。

本項目特點是以CIM分級數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，充分發(fā)揮多源融合的CIM數(shù)據(jù)優(yōu)勢，開展建筑信息提取與應(yīng)用探索，通過采用定量化技術(shù)開展建筑底面、建筑高度、建筑體量、建筑色彩等建筑信息等提取工作，并闡述其與常規(guī)提取方式的不同，最后給出了提取的建筑信息模型在城市規(guī)劃設(shè)計、城市體檢、城市管理、城市應(yīng)急分析等方面的應(yīng)用探索。

1 CIM數(shù)據(jù)

在重慶市城市信息CIM 平臺建設(shè)實踐中[8]，構(gòu)建了CIM1～CIM7層級模型。如表1所示，每個層級的建筑CIM模型表達精細程度不同，高層級的CIM數(shù)據(jù)包含更多的建筑信息。例如CIM1～CIM2為建筑白模、低精度紋理模型，通常用來表達建筑的空間分布，CIM3～CIM4能夠表達建筑的屋頂、立面等建筑細節(jié)造型，并有精細紋理貼圖，而CIM5～CIM7能夠表達建筑的內(nèi)部、功能、構(gòu)件等。因此，在建筑信息提取中，一般選擇CIM3 以上的高層級模型，能夠提取更多更精細的建筑信息。

表1 CIM數(shù)據(jù)建筑分級表

此外，在開展CIM平臺建設(shè)過程中，全部層級的數(shù)據(jù)建設(shè)有時難以一次完成，通常容易獲得一種或幾種分級數(shù)據(jù)，然后以此類數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)簡化得到低層級模型，或通過補充資料獲得高層級模型。重慶市為服務(wù)城市規(guī)劃工作，一直運維了三維精細模型（CIM4 層級）數(shù)據(jù)，該模型以1∶500 地形圖為基礎(chǔ)，通過人工外業(yè)拍照方式補充立面紋理，并經(jīng)人工編輯制作完成，這種模型是傾斜攝影實景三維建模技術(shù)推廣之前采用的主要城市三維建模；同時基于新型基礎(chǔ)測繪工作，重慶市獲取了多源多尺度傾斜攝影實景三維模型，作為CIM3層級模型。

由于這兩類模型數(shù)據(jù)實現(xiàn)了統(tǒng)一集成建庫管理，并形成了更新機制，比基礎(chǔ)地形圖制圖數(shù)據(jù)更方便使用。因此基于這兩類數(shù)據(jù)，可以采用數(shù)據(jù)降維、重投影、紋理提取等方式開展單體建筑信息提取，利用天際線分析、統(tǒng)計分析等開展建筑群信息提取。本文主要介紹單體建筑特征，即建筑底面、建筑高度、建筑體量、建筑色彩的提取方法，并指出其與一般方法的差異。

2 建筑信息提取

2.1 建筑底面

建筑底面可用來表示建筑位置、計算建筑占地面積，通常利用豎直投影下的矢量化建筑輪廓來表達。如采用人工外業(yè)采集或激光點云等方式獲取[9]，也可以用紋理圖像來表示，如真正射影像。建筑底面可以直接采用1∶500 地形圖獲得，也可以利用CIM4 層級模型，這種建筑底面不及前者準(zhǔn)確，也能滿足大部分場景使用（圖1）。

圖1 建筑底面提取技術(shù)路線圖

對于矢量底面，采用數(shù)據(jù)降維方法[10]提取建筑底面，技術(shù)路線如圖1 所示。首先，針對任一建筑，獲得建筑底部三角形（如高程建筑下半部，且法線豎直的三角形），并將其投影到水平面上，然后對投影后的三角形求并集，得到初步合并結(jié)果，最后進行拓撲檢查、去掉共線點等操作，得到最終的建筑底面，如圖2 所示，圖左是原始模型三角面，圖右是獲得建筑矢量輪廓，該降維算法的核心在于兩兩三角形求并集的效率和正確性[10]。

利用這種方式獲的建筑底面可以得到建筑的底高，因而利用獲得帶高程信息的建筑底面，并結(jié)合模型高度，可以生產(chǎn)輕量化CIM1～CIM2的模型數(shù)據(jù)，滿足一些輕量化城市信息模型CIM平臺的建設(shè)和應(yīng)用[11]。

對于紋理底面，可以通過設(shè)置三維引擎中相機為正交相機，相機俯仰角度為豎直俯視，通過批量截圖并拼接，獲得如圖2 右底圖的真正射圖像，這是利用地形圖或者一般影像難以獲得的。同理，也可以利用CIM3傾斜模型可獲得實景三維的真正射影像。

圖2 CIM4建筑底面提取

在一些弱三維的應(yīng)用中，有時需要得到2.5 維地圖，如圖3 所示。采用CIM4 模型可以快速得到2.5 維建筑輪廓，無需人工勾畫。具體做法是，圖1 步驟的第三步，變?yōu)楂@得45°、60°傾斜投影下的三維角面，然后再對三角形求并集可得到2.5 維的矢量輪廓線。同理，紋理底面也可在投影時，設(shè)置相機俯仰角度為45°、60°等，得到圖3左所示的2.5地圖，可以作為智慧社區(qū)、一標(biāo)三實等社會管理工作底圖。

圖3 2.5維建筑底圖與建筑底面套合

利用CIM3和CIM4層級模型還可以獲得更加準(zhǔn)確的建筑頂部矢量，具體做法是獲得建筑頂部三角形（高程處于建筑上半部，且法線豎直的三角面），通過圖1 方式求得建筑矢量頂面，結(jié)合建筑底面矢量，可以獲得比底面直接拉伸更加準(zhǔn)確的建筑白模。

2.2 建筑高度

建筑高度是指屋面面層到室外地坪的高度。屋頂上的水箱間、電梯機房、排煙機房和樓梯出口小間等不計入建筑高度[12]。建筑底高為室外地坪高度，建筑頂高為屋面面層。

獲取建筑高度的方法準(zhǔn)確高度需要準(zhǔn)確的頂部高程和底面高程，關(guān)于頂高和底高的獲取可分別采用CIM3 與CIM4 建筑模型作為數(shù)據(jù)源，比單一數(shù)據(jù)源獲取準(zhǔn)確度高，這是由于在CIM4 專題模型中，除重要建筑外，大量建筑高度是由建筑層數(shù)來確定的，不及CIM3 傾斜模型準(zhǔn)確度高；而建筑的底高可采用CIM4專題模型獲得，這是由于傾斜模型由于遮擋等原因?qū)е陆ㄖ氖彝獾仄翰粶?zhǔn)確，如圖4所示。

圖4 利用CIM3和CIM4獲取建筑高度

具體步驟如圖5 所示。關(guān)于建筑底高的獲得，通常是建筑模型的最低點，取幾個邊界輪廓點求平均值。但是在山地城市，部分依地形而建的建筑，存在建筑兩邊地坪高度不一致的情況，此時需要結(jié)合模型及周邊路網(wǎng)情況進行再識別，便于在不同的應(yīng)用場景中采用，如上圖4左A和B兩點所示。

圖5 建筑高度提取技術(shù)路線

由于水箱間、電梯機房、排煙機房和樓梯出口小間不計入建筑高度，所以頂高不一定是建筑的最高點，而是建筑面層高度。具體可通過獲得求交法求得屋頂?shù)碾x散點集，如上圖4 左部分所示，然后利用聚類或統(tǒng)計算法，經(jīng)過綜合篩選得到屋頂平臺位置，獲得建筑頂高，利用建筑底高和頂高可計算建筑高度。

2.3 建筑色彩

建筑色彩是建筑風(fēng)貌的重要特征之一，當(dāng)前將計算機輔助手段應(yīng)用于建筑色彩設(shè)計與分析是正在探索的新領(lǐng)域，有助于實現(xiàn)建筑色彩的自動識別和評估[13]。建筑立面通常采用外業(yè)拍照獲取，但單獨采集成本較高，CIM3 和CIM4 模型具有豐富的建筑色彩信息，其中CIM3 模型為傾斜影像得到的實景模型，紋理真實性強，而CIM4 是外業(yè)拍照，并通過圖像處理，得到的建筑紋理更加規(guī)整。

建筑色彩提取可在模型統(tǒng)一勻光勻色的基礎(chǔ)上，通過計算建筑模型所有三角面的紋理像素值，統(tǒng)計其像素均值、直方圖等信息，綜合得到建筑采用的主要顏色值，進而得到該建筑的建筑色彩，技術(shù)路線如圖6 所示。如果需要獲得建筑的主要色彩，進行紋理分類，可以采用CIM4 模型，圖7 所示的是CIM4 模型采用的紋理。如果開展精細化建筑色彩研究應(yīng)采用CIM3 紋理，相比大量重復(fù)貼圖的CIM4 模型紋理，CIM3紋理更真實，細節(jié)更豐富。

圖6 利用CIM3、CIM4獲取建筑色彩

圖7 建筑紋理提取

2.4 建筑體量

城市體量龐大多變，如何利用測繪地理信息技術(shù)實現(xiàn)整個城市的建筑體量快速計算是城市精細化管理的重要內(nèi)容[14]。根據(jù)建筑底面和建筑高度，可以快速估算，得到該建筑的體量。

簡單情況下，建筑體量的計算利用建筑底面和建筑高度的乘積得到，如圖8左所示。

要計算更加精確的建筑體量，可以使用細節(jié)表達更豐富的CIM3、CIM4 專題模型，采用分段高度累計方法，如圖8 右所示。也可分別采用CIM3 和CIM4 模型計算建筑上部體量和建筑下部體量，通過設(shè)置不同的高度平面，將建筑高度劃分成不同的高度段，利用建筑底面獲取方法，得到不同高度下的建筑底面，然后累計計算得到建筑體量，技術(shù)路線如圖9所示。

圖8 建筑體塊計算

圖9 利用CIM3和CIM4開展建筑體量計算

3 示范應(yīng)用

重慶是典型的山地城市，山城壯美，江城靈秀，中心城區(qū)長江與嘉陵江交匯，縉云山、銅鑼山、中梁山、明月山橫跨南北，形成山環(huán)水繞、江峽相擁的山水之城，美麗之地。重慶地形起伏明顯，獨特的地形地貌造就了城市風(fēng)貌的豐富多姿，大量的高樓林立于山水間，為城市的規(guī)劃管理帶來了挑戰(zhàn)。

在獲得城市CIM多源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開展了重慶市渝中區(qū)建筑信息提取，采用的數(shù)據(jù)源包括CIM3 級別實景三維模型，原始影像分辨率0.05 m，CIM4級別的三維仿真模型，利用上文的建筑信息提取方法，獲得了重慶渝中區(qū)所有的建筑信息的定量化數(shù)據(jù)，包括建筑底面、建筑高度、建筑體量和建筑立面顏色，通過建筑信息提取結(jié)果充分體現(xiàn)了渝中區(qū)典型山地城鎮(zhèn)特征，地形起伏大、建筑密度高、建筑朝向依山和路網(wǎng)等特點。

在獲得這些建筑信息以后，可進一步在城市規(guī)劃、城市管理等方面開展應(yīng)用。例如在城市規(guī)劃中，基于建筑底面和建筑高度數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建可計算的CIM2框架模型，輔助開展城市新區(qū)高強度高密度分區(qū)規(guī)劃工作，借助定量的建筑信息數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS+BIM融合計算能力，可以實現(xiàn)在CIM平臺，進行強度高度密度參數(shù)化推演，并利用CIM平臺的空間分析和評估方法，實現(xiàn)城市界面、開發(fā)體量、空間尺度、天際線、視線通廊、通透性分析評估，最后利用CIM平臺的可視化能力，實現(xiàn)成果的可視化展示。

在智慧社區(qū)建設(shè)中，可利用建筑底面提取方法，提取如圖3 所示的建筑2.5 維底面紋理和矢量，作為社區(qū)工作底圖，作為三維底圖的補充，因其輕量化特點在移動端工作平臺得到應(yīng)用。在2.5 維底圖上，可以整合人口、房屋、公共設(shè)施、駐地單位等資源，開展智慧管理、智慧民生、智慧業(yè)務(wù)和智慧治理等工作。

建筑信息數(shù)據(jù)同樣可有效服務(wù)城市應(yīng)急管理。例如面向2020年8月19日—8月20日洪峰過境重慶中心城區(qū)建筑受災(zāi)分析，具體方法如下：首先計算實時洪水面，依據(jù)水位站點的實時水位信息和保障水位數(shù)據(jù)，構(gòu)建出隨時間變化的水位高度分布三維面，并與三維地形進行求交計算，得到洪水三維邊界；其次，利用提取的建筑底面與洪水三維邊進行空間求交，得到平面上淹沒在洪水區(qū)域內(nèi)的建筑；最后，利用建筑底面高程、地下出入口高程與洪水面做高程分析，得到洪水位下受災(zāi)建（構(gòu)）筑物，經(jīng)與現(xiàn)場航拍照片比對，推演結(jié)果基本符合洪水過境的實際情況。

4 結(jié) 語

城市信息模型CIM通過多源數(shù)據(jù)融合，打造隨時隨地可訪問的立體時空底座，面向城市規(guī)劃、自然資源、民生服務(wù)、社會治理等提供匯聚、連接、計算和模擬能力。本文利用CIM整合的分級數(shù)據(jù)、以及數(shù)據(jù)處理能力，開展了建筑底面、建筑高度、建筑色彩和建筑體量等建筑信息的提取和應(yīng)用探索，一是探索多源CIM數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，二是為探索建筑信息模型提取提供新思路，后期將進一步豐富建筑信息提取的內(nèi)容，擴展建筑信息的應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域，為智慧城市提供更好的時空信息基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。