基于UIM平臺(tái)構(gòu)建智慧城市

文｜吳其煊 樊爍

2013年中國(guó)建筑科學(xué)研究院部分專家學(xué)者在天津某項(xiàng)目的實(shí)踐中提出了UIM（Urban Information Model城市信息模型）的概念。UIM是BIM從單一建筑到建筑群，再到城市的延伸模式，城市管理者能夠以城市模型為載體，實(shí)現(xiàn)從微觀到宏觀的城市管理和建設(shè)規(guī)劃。UIM采用先進(jìn)的BIM技術(shù)和理念，融合多家成熟的軟件產(chǎn)品，按照城市層次、區(qū)域?qū)哟巍⒌貕K層次、建筑層次、空間層次以及設(shè)施層次等，建立多層次的、反映城市特征的空間模型。UIM數(shù)據(jù)平臺(tái)是從工業(yè)與民用建筑到建筑全行業(yè)，再到民生全行業(yè)的城市級(jí)別全息數(shù)據(jù)集合。UIM全息數(shù)據(jù)包括城市建筑、市政管線、橋梁、廠房、道路、交通管制系統(tǒng)、交通樞紐站、軌道、地形地貌、人口、戶籍等信息。

UIM信息模型

建立數(shù)字城市UIM工作理念

從狹義BIM到廣義的UIM，是一個(gè)從建筑到建筑群再到城市的發(fā)展過(guò)程，視點(diǎn)更高、影響更大。UIM符合從宏觀到微觀的城市管理與建設(shè)規(guī)律，也是未來(lái)數(shù)字化高度集約發(fā)展必然。

UIM平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)原則包括前瞻性，采用先進(jìn)的BIM技術(shù)和理念，構(gòu)建超前數(shù)字城市。開(kāi)放性，融合多家成熟軟件產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。層次性，包括城市層次、區(qū)域?qū)哟巍⒌貕K層次、建筑層次、空間層次、設(shè)施層次。標(biāo)準(zhǔn)性，包括數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。

區(qū)別于傳統(tǒng)的數(shù)字三維城市模型，數(shù)字城市作為建筑信息模型BIM的延伸，強(qiáng)調(diào)所有城市信息的數(shù)字化，這其中包括城市地理數(shù)字信息、建筑工程數(shù)字信息、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字信息等等，從而實(shí)現(xiàn)各種城市數(shù)據(jù)的深度整合和應(yīng)用。傳統(tǒng)的數(shù)字三維城市模型僅僅可以理解為城市GIS數(shù)據(jù)的可視化，而其中的可視化內(nèi)容，如建筑，道路等僅具有基礎(chǔ)的地理信息，不能提供關(guān)于建筑、道路和其他基礎(chǔ)設(shè)施更進(jìn)一步的數(shù)字信息，信息量極為有限。可以說(shuō)，傳統(tǒng)的數(shù)字三維城市模型只完成了基本的城市地理信息的采集以及可視化。對(duì)于真正意義上的數(shù)字城市模型和信息系統(tǒng)而言，還需要在GIS數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步整合建筑工程信息、城市基礎(chǔ)設(shè)施信息等海量的信息內(nèi)容。

數(shù)字城市信息系統(tǒng)是一個(gè)三維基礎(chǔ)地理信息平臺(tái)，用戶可以在平臺(tái)上加載各種地理、地籍信息及業(yè)務(wù)屬性信息。通過(guò)數(shù)字城市平臺(tái)，用戶可以迅速搭建一個(gè)基于經(jīng)緯度坐標(biāo)的數(shù)字地球平臺(tái)，各種傳統(tǒng)地理信息數(shù)據(jù)均可以很方便地發(fā)布到數(shù)字地球上面，包括遙感影像、地形、三維模型、GIS數(shù)據(jù)等。同時(shí)，通過(guò)數(shù)字城市信息系統(tǒng)的空間索引技術(shù)，用戶還可以將與空間位置有間接關(guān)聯(lián)或無(wú)關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)屬性信息發(fā)布到數(shù)字地球平臺(tái)上。通過(guò)與各類空間數(shù)據(jù)庫(kù)及數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)的結(jié)合，數(shù)字城市平臺(tái)就可以作為測(cè)繪部門、國(guó)土部門等需要的城市級(jí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)和管理平臺(tái)。

由于三維模型都是基于真實(shí)的測(cè)繪或者設(shè)計(jì)圖紙數(shù)據(jù)，因此可以實(shí)觀對(duì)報(bào)建的三維模型場(chǎng)景進(jìn)行一系列的分析，例如：控高分析，規(guī)劃審批部門可根據(jù)控高數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)報(bào)建的小區(qū)的三維場(chǎng)景，通過(guò)此功能很直觀地了解哪些建筑超高、哪些符合規(guī)定。

配合方案上報(bào)數(shù)據(jù)包中的屬性數(shù)據(jù)、指標(biāo)數(shù)據(jù)、相關(guān)附件進(jìn)行綜合對(duì)比評(píng)價(jià)分析，以直觀的方式評(píng)估各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，便于使用者分析和判斷最優(yōu)化的方案。

數(shù)字城市數(shù)據(jù)維護(hù)平臺(tái)建立的技術(shù)體系

1.城市地理數(shù)據(jù)采集和對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)的利用能力

數(shù)字城市數(shù)據(jù)維護(hù)平臺(tái)首先要建立在完善的城市地理信息模型的基礎(chǔ)上，要求實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市的技術(shù)體系具有準(zhǔn)確、高效的城市地理信息測(cè)繪能力。同時(shí)，對(duì)于現(xiàn)有的大量測(cè)繪數(shù)據(jù)，如二維CAD電子圖紙信息和測(cè)繪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，具有識(shí)別消化的能力，從而使城市地理信息模型的建立工作高效完成。

控高分析

2.城市內(nèi)建筑和各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施信息的采集和承載能力

以UIM為核心的數(shù)字城市數(shù)據(jù)維護(hù)平臺(tái)與傳統(tǒng)三維城市模型的最大不同就在于，其承載了豐富的建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字信息。所以，其建立的技術(shù)體系就必須具備BIM信息的處理能力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市內(nèi)建筑和基礎(chǔ)設(shè)施模型的采集和存儲(chǔ)。

3.海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力

僅傳統(tǒng)的三維城市模型的數(shù)據(jù)量就已相當(dāng)龐大。再結(jié)合各個(gè)建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字信息，數(shù)字城市數(shù)據(jù)維護(hù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)量將達(dá)到前所未有的巨大量級(jí)。這就要求其建立的技術(shù)體系必須具有對(duì)大數(shù)據(jù)的處理能力，換而言之，其技術(shù)體系必須對(duì)云技術(shù)開(kāi)放兼容。

4.各類數(shù)據(jù)的整合共享能力

整個(gè)數(shù)字城市數(shù)據(jù)維護(hù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)不僅量大而且種類繁多，僅就建筑本身來(lái)說(shuō)就包含建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等各方面的信息，同時(shí)還要結(jié)合城市級(jí)別的地理信息、管線信息等等內(nèi)容。各類數(shù)據(jù)之間如果不能整合共享，就會(huì)形成“信息孤島”，海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)本身也就失去了意義。所以，平臺(tái)建立的技術(shù)體系必須具有的各類數(shù)據(jù)的兼容和傳遞能力，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的整合共享。

紅線分析

可視域分析

5.進(jìn)一步開(kāi)發(fā)應(yīng)用的拓展能力

數(shù)字城市信息維護(hù)平臺(tái)建立的目的是在平臺(tái)數(shù)據(jù)的支持下實(shí)現(xiàn)科學(xué)的城市規(guī)劃、管理及運(yùn)營(yíng)。這就要求其建立的技術(shù)體系具備一定的開(kāi)放性，可以實(shí)現(xiàn)后續(xù)各類應(yīng)用程序的研發(fā)使用。

6.數(shù)字信息可視化能力

作為一個(gè)最終服務(wù)于城市的數(shù)字信息平臺(tái)，優(yōu)良的數(shù)字信息可視化水平與數(shù)據(jù)的完整準(zhǔn)確同樣重要。通過(guò)數(shù)字可視化技術(shù)，將數(shù)字信息裝載于數(shù)字三維模型上，這本身就是BIM技術(shù)的特點(diǎn)。作為以UIM理論為支撐的數(shù)字城市信息維護(hù)平臺(tái)也必須將這一特點(diǎn)完善強(qiáng)化，才能進(jìn)一步顯示出UIM的跨越發(fā)展。

Bentley系列軟件是數(shù)字城市UIM平臺(tái)技術(shù)體系目前唯一解決途徑

在一定層面上，我們可以認(rèn)為數(shù)字城市信息維護(hù)平臺(tái)是將GIS技術(shù)和BIM技術(shù)的整合。從平臺(tái)建立的路線上講就存在以GIS為核心的“自上而下”和以BIM為核心的“自下而上”兩種技術(shù)路線。很明顯，以UIM理念為指導(dǎo)的數(shù)字城市選擇以后者作為其建立的技術(shù)路線。原因在于，完整的數(shù)字城市數(shù)據(jù)構(gòu)成是以BIM信息為主導(dǎo)的。選擇從BIM出發(fā)，以點(diǎn)帶面形成UIM體系這樣的技術(shù)路線有利于平臺(tái)便捷完整地吸收BIM信息的內(nèi)容以及信息整合。城市層面信息系統(tǒng)的建立和整合工作可以借鑒建筑單體信息系統(tǒng)建立和整合的工作模式，實(shí)現(xiàn)難度大大降低。反之，如果以GIS為主導(dǎo)， BIM信息載入GIS模型就會(huì)帶來(lái)大量的工作。GIS平臺(tái)對(duì)BIM信息的兼容能力也存在問(wèn)題。選擇以BIM技術(shù)為核心自下而上、以點(diǎn)帶面的技術(shù)路線對(duì)于數(shù)字城市信息維護(hù)平臺(tái)建立在實(shí)現(xiàn)的合理性和難易程度上都具有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于BIM技術(shù)而言，其核心在于BIM核心建模軟件。目前，常用的核心建模軟件包括Autodesk公司的Revit系列軟件；Bentley公司以MicroStation為核心的多專業(yè)建模系統(tǒng)（AECOsim Building Designer、ProStructural、PowerCivil、OpenPlant等 ）；Nemetschek Graphisoft公 司 的ArchiCAD軟件；Gery Technology Dassault公司的CATIA軟件。

Bentley系列軟件相比其他BIM軟件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于其軟件涵蓋的內(nèi)容包含了城市建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域；同時(shí)，系列中不同軟件的數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，也是其他軟件所不具備的。Bentley系列軟件涉及的領(lǐng)域包括測(cè)繪、建筑、道路交通、工廠設(shè)施、市政系統(tǒng)等各個(gè)方面。針對(duì)每一個(gè)領(lǐng)域都有相應(yīng)的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析軟件與之對(duì)應(yīng)。不同類別的軟件可以完成本領(lǐng)域內(nèi)項(xiàng)目的三維設(shè)計(jì)、建模、可視化、文檔制作和測(cè)繪工作。最為重要的是，各個(gè)針對(duì)不同類別的設(shè)計(jì)分析軟件都整合在Bentley公司的MicroStation平臺(tái)之下，這就為各類不同類型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的共享互通提供了支持。這種數(shù)據(jù)之間的共享互通是數(shù)字城市信息維護(hù)平臺(tái)建立的必要條件，保證了城市各個(gè)部分之間信息的通暢。

在對(duì)GIS信息的采集和實(shí)景建模方面，結(jié)合徠卡測(cè)量系統(tǒng)在其無(wú)人機(jī)和載人航空器的高端傾斜航拍技術(shù)使用Bentley實(shí)景建模軟件Acute3D可以從航空攝影測(cè)量的影像中生成全三維實(shí)景網(wǎng)格。其測(cè)繪結(jié)果可以用于設(shè)計(jì)建模和施工環(huán)境建模，結(jié)合Bentley各類設(shè)計(jì)建模軟件的BIM模型，就可以生成整個(gè)區(qū)域的數(shù)字城市信息模型。

在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳遞方面，Bentley的ProjectWise平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)到后期運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接。保證了數(shù)字城市基礎(chǔ)信息平臺(tái)中的各類設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確導(dǎo)入平臺(tái)中。新的PorojectWise Connect版本結(jié)合云技術(shù)，更加強(qiáng)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新能力和大數(shù)據(jù)的處理能力，為數(shù)字城市信息維護(hù)平臺(tái)建立和運(yùn)行提供保障。

可見(jiàn)，Bentley系列軟件因其涵蓋范圍廣、數(shù)據(jù)共享便利、大數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)基本滿足了數(shù)字城市基礎(chǔ)平臺(tái)建立技術(shù)體系的能力要求，形成了良好的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，還要結(jié)合最新的測(cè)繪技術(shù)、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，完成數(shù)字城市數(shù)據(jù)維護(hù)平臺(tái)的建立。

建立數(shù)字城市UIM信息維護(hù)平臺(tái)的步驟

1.信息采集

利用傾斜攝影、無(wú)人機(jī)航拍、人視街拍，衛(wèi)星遙感等高科技技術(shù)手段，獲取真實(shí)準(zhǔn)確的城市地上設(shè)施基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用實(shí)景建模軟件ContextCapture完成對(duì)城市地理信息的建模工作。

利用微爆破、鉆探、挖探、微波勘測(cè)等技術(shù)手段，就城市主要道路下管網(wǎng)以及地理結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，完成城市地下情況勘測(cè)，利用Bentley相關(guān)市政管網(wǎng)軟件建立城市地下管網(wǎng)設(shè)施模型。

收集城市建設(shè)信息以及民生信息，基于基礎(chǔ)功能目標(biāo)，分類分級(jí)收集整理主要民生信息如人口、氣候、能源、能耗、醫(yī)療、交通等，加載于城市地理信息模型之上。再收集城市重要單體建筑或重大基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)，包括城市內(nèi)建筑物的物理信息——如結(jié)構(gòu)、電器、設(shè)備、材料、預(yù)算、建設(shè)程度、房屋質(zhì)量、高度、建筑風(fēng)貌、使用情況、租售情況等全部建筑物理信息。

2.模型建立

利用MicroStation平臺(tái)下各類設(shè)計(jì)軟件完成城市地上、地下基礎(chǔ)信息模型和整體城市數(shù)據(jù)模型的建立。進(jìn)行模型單體建筑物、構(gòu)筑物的拆分，分類以及分級(jí)規(guī)則的建立。分級(jí)加載民生與建設(shè)信息。完成大數(shù)據(jù)城市模型。

完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集、定位及策劃后，根據(jù)這些基礎(chǔ)信息，分階段、分深度地完成信息模型的建立。此階段工作主要由規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)或?qū)I(yè)數(shù)據(jù)模型公司著手，完成BIM單體建筑、建筑群UIM模型的建立。由于城市涵蓋龐大的地域面積，因此模型的建立必須分片區(qū)、分步驟、分階段，按照具有代表性的構(gòu)筑物、老舊城區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施管網(wǎng)→城市干道→核心片區(qū)→整個(gè)城市的順序完成BIM模型構(gòu)建。

3.信息鏈接

依托ProjectWise平臺(tái)的信息共享和傳送能力，基于圖形、數(shù)據(jù)分離的原則，完成信息鏈接的規(guī)則研究與實(shí)施。針對(duì)受保護(hù)信息，老舊信息建立鏈接以及對(duì)載規(guī)則轉(zhuǎn)換接口處理。實(shí)現(xiàn)信息與實(shí)體數(shù)據(jù)模型的一一對(duì)應(yīng)。

根據(jù)搭建完成的BIM模型單體集合構(gòu)建完成城市UIM模型體系，形成城市管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)。UIM模型的構(gòu)建和前期的BIM模型搭建一樣，按照分片區(qū)、分步驟、分階段進(jìn)行，包含城市地形、城市建筑、城市交通、開(kāi)放空間、地下管網(wǎng)等，完完全全反應(yīng)出該城市的城市風(fēng)貌。以UIM城市綜合實(shí)體信息模型為平臺(tái)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、地理信息系統(tǒng)等新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施，建立超精確、完整性極高的數(shù)字城市信息維護(hù)平臺(tái)。

基于UIM平臺(tái)的智慧城市

智慧城市是運(yùn)用信息和通信技術(shù)手段感測(cè)、分析、整合城市運(yùn)行核心系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵信息，從而對(duì)包括民生、環(huán)保、公共安全、城市服務(wù)、工商業(yè)活動(dòng)在內(nèi)的各種需求做出智能響應(yīng)。現(xiàn)階段我國(guó)主流智慧城市類型主要有虛擬城市類、電子政務(wù)類、數(shù)據(jù)共享類以及智慧功能模塊等幾大類型。而歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的智慧城市類型主要集中在大數(shù)據(jù)安全保護(hù)以及綠色城市兩大類型。

基于UIM建構(gòu)的智慧城市特點(diǎn)包括可視化。UIM是建立大數(shù)據(jù)采集、整合，將城市所有信息進(jìn)行可視化處理的應(yīng)用平臺(tái)。視覺(jué)是人類感知速度最快的感官，眼睛對(duì)色彩、形狀和樣式的變化極為敏感，這個(gè)特點(diǎn)決定了可視化技術(shù)是數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的重要手段。UIM通過(guò)建立可視的城市管理交互界面，輔助決策者進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、推理和決策。

全真化。通過(guò)遙感、遙測(cè)、全息掃描等一系列現(xiàn)代科技手段，建立三維幾何尺寸、位置等等空間信息都準(zhǔn)確真實(shí)的全真城市信息模型。

標(biāo)準(zhǔn)化。建立城市信息的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制。UIM體系在對(duì)城市空間信息的處理上是可分可合的——既可以在城市模型的基礎(chǔ)上以多級(jí)超鏈的方式引出各級(jí)更為詳盡的城市信息，又可以在宏觀層面總體掌握城市動(dòng)態(tài)。所以UIM體系是建立一套城市信息的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和接口標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)所有的城市相關(guān)信息和數(shù)據(jù)，由于采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，都能方便地接入城市管理系統(tǒng)平臺(tái)，也為信息孤島的消除提出了切實(shí)可行的手段。

UIM系統(tǒng)的核心意義是建立了一個(gè)跨系統(tǒng)、跨平臺(tái)、跨數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的政府綜合信息可視化處理平臺(tái)，為整合數(shù)據(jù)資源、消除數(shù)據(jù)壁壘、輔助決策和應(yīng)急資源調(diào)配等等智慧城市管理應(yīng)用提供了底層管理基礎(chǔ)構(gòu)架。

智慧城市的核心理念是利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)對(duì)城市各類信息進(jìn)行有效管理。希望基于UIM的智慧城市管理系統(tǒng)，是全方位的、唯一反映城市特征信息集合，一一對(duì)應(yīng)城市所有建設(shè)和非建設(shè)信息，展現(xiàn)城市真實(shí)空間的虛擬實(shí)體城市數(shù)據(jù)平臺(tái)及管理平臺(tái)。