智慧城市背景下城市信息模型相關技術發展綜述

我國智慧城市建設受到廣泛關注。前幾年智慧城市取得的一些成效主要來自于社會管理和服務、基礎設施建設和管理等專項領域開展的一些典型示范應用建設，但其架構模式、標準規范、關鍵技術等都有待進一步發展。

當前，智慧城市建設正向深度推進，技術、管理和機制創新成為其必須遵循的核心理念，其中技術的創新為管理和機制的創新提供有力支撐。智慧城市建設已初步進入物聯網、云計算、大數據等新一代信息通信技術融合應用時代，智慧城市建設的重點不再是IaaS（基礎設施即服務）層的信息基礎設施和SaaS（軟件即服務）層的具體應用，而是面向城市和區域系統下的多源信息的實時融合、跨領域的信息共享，進而支撐跨部門的協同聯動和城市的精細化管理服務。可以說，通過新一代信息通信技術與城市規劃建設管理的融合創新，為城市治理能力提升和可持續發展提供支撐，已經成為當前智慧城市建設的核心任務。

一、城市信息模型（CIM）及其特征與內涵

城市信息模型（City Information Modeling，CIM）是對城市地上地下、室內室外各種實體目標及其時空狀態的數字化描述和表達。該術語近幾年才被學術界提出，其主要目的是期望提供一種有效的方法，以組織描述城市的信息。

眾所周知，利用BIM技術可以實現對城市建筑物和基礎設施的信息建模，三維GIS技術在城市規劃、土地利用、城市管理等領域發揮了越來越重要的作用。但實際應用中，城市規劃、設計、分析、運行、管理、決策等對城市或園區尺度地理實體的精細化、可視化、動態化、一體化描述需求十分迫切，例如在城市運行管理領域，為了透徹感知建筑、橋梁、地下空間設施、地上基礎設施、植被、水體、各類設備等物理實體對象的實時運行狀況以及各類法人、自然人的生產、生活活動，分析各種狀況和活動間的耦合關系，深度挖掘城市運行規律，實現運行狀態的及時感知，風險及問題的早期預測預警和高效處置應對，如何應用物聯網、GIS、RS、GNSS、BIM等技術，發展新型的城市建模技術，從而更好地對城市或社區進行數字化描述表達，勾繪好智慧城市“一張藍圖”的智慧底圖，成為智慧城市建設面臨的新課題。CIM或許可以為此提供解決方案。

目前國內外對CIM尚缺乏系統深入的研究。我們嘗試依據構成CIM術語的三個單詞初步分析其基本特征。

首先是City。CIM要覆蓋城市尺度，當然這里的“城市”可以實例化為某個城市或某個城區、某個園區、某個社區、某個院落等，但是它對建模對象的描述能力應該是城市級的。

其次是Information。CIM所能容納的信息應該是覆蓋各種空間、時間維度的，是能支撐各種城市應用的。也就是說CIM中的信息可以描述城市內各種物理或人文實體，具有多時態、多類型、多粒度級別、多來源等特點。

最后是Modeling。CIM要基于一定規則和方法，對上述信息按需進行組織、模擬、分析和表達。更進一步的，可通過融合、挖掘提煉新的知識，凝聚出智慧。

基于上述理解， CIM的內涵可以概括為：

一種描述——CIM是對一個城市物理和功能特征的數字表達。

一項多方協同維護的資源——在城市規劃、設計、分析、運行、管理各階段的不同利益相關方可通過在CIM中插入、提取、更新和修改信息以支持和反應其各自職責，形成一個共享的知識資源，同時，CIM中的所有信息均應依權責分類分級實現共享。

一個過程——CIM是一個分享有關這個城市的信息，為該城市規劃、設計、分析、運行、管理中的各項決策提供可靠依據的過程。

二、CIM核心技術

從CIM提出的初衷和當前發展來看，它主要與BIM、GIS及物聯網（IOT）等技術密切相關。

BIM發展到今天，不同行業的人對其本質仍然存在不同的認識，一些學者從不同的視角分別將BIM視為一個過程、一種理念、一類方法或一項技術工具。美國的國家BIM標準對BIM所做的最完整權威的定義為：BIM是設施的物理和功能特征的數字化表示，它可以用作設施信息的共享知識資源，成為設施全生命期決策的可靠基礎。BIM已在建筑、市政工程及其他基礎設施建設中得到廣泛應用。

目前的3D GIS（三維地理信息系統）技術能夠識別三維空間實體對象上任一點的精確位置（坐標），但是不能構造實體要素間的拓撲關系，這就使很多真三維的高仿真模擬分析難以實現，也無法處理和表達時間維度以及更多維度的信息，因此需要向真三維及更高維度發展。在智慧城市背景下，3D GIS必將向智慧化、集成化的方向發展，不再只局限于空間分析和數據庫管理，而是與數據融合，具備挖掘知識、推理預測的能力。3D GIS正面臨兩方面的挑戰：一是需要面向不同專項領域業務應用精準描述各類物理實體對象的空間位置；二是面向物聯網技術的應用需求，將三維模型的顆粒度細化設施內部構件的級別，以支撐城市的精細化管理。

IOT是通信網和互聯網的拓展應用和網絡延伸，它通過對物理世界的信息進行感知、計算、處理，從中挖掘知識，在信息的充分交互和鏈接的基礎上，使由人和物兩類實體構成的物理世界實現萬物互聯，從而根據應用需求對物理實體進行實時控制和精確管理。物聯網基于由“感、傳、知、用”多個層次構成的通用架構，實現其在各專項領域的智慧應用。

三、核心技術之間的關系

3.1 BIM與GIS關系

BIM和GIS的體系很不一樣，兩大系統各自具有特殊優勢。在BIM登上歷史舞臺以前，建筑物等城市基礎設施通常由一個二維或者三維的圖塊來表達，BIM模型代替了圖塊之后，才得以對設施內部進行精細的描述。在“世界—國家—地區—省—市—場地（園區）—不動產—設施/建成物”這一物理世界由粗到細的對象體系中，設施或建成物對象的內部細節由BIM模型定義和表達，設施外部更大尺度的對象由GIS描述，在對城市或園區尺度內全部物理實體進行描述時需要集成這兩個領域之間的信息，CIM理論的提出可以覆蓋這一領域的研究工作。

3.2 BIM和IOT的關系

在工程的施工建造及運維階段，為了滿足業務需求，數據模型要表達的對象中包含了建筑、設備、設施等物體，由于這些物體的狀態會動態變化，BIM無法完全滿足關于這些物體狀態信息采集和傳遞需求。因此，需要引入IOT技術來完成環境和物質實體動態信息和BIM已描述的靜態信息的關聯。

BIM和IOT技術的集成，能夠銜接設計階段的虛擬與建造運維階段現實，使各個工程階段的BIM交付成果的一致性和可交互性得以保障。同時這種技術的融合將帶來更多有價值的應用模式。

3.3 GIS和IOT的關系

GIS作為IOT各種對象的統一空間載體，其信息源的數量和質量直接影響到物聯網應用的廣度和深度。在物聯網建設時期，基于基礎地理信息可以實現傳感器布設的選擇、空間分析，達到終端布設的科學性、合理性；傳感器網絡建成之后，通過基礎地理信息平臺可以實現傳感器的定位、追蹤、查找、控制，最終把所有的物聯對象都落到這個統一的空間平臺上來，在這個平臺上可以直觀、生動、形象、快速地找到用戶想要的信息。

GIS技術屬于對空間信息的存儲、處理、分析、應用的核心技術，因此，在有關物物相連的網絡中，必須要有相關空間信息處理平臺的支撐。在大尺度、大范圍應用領域，盡管物聯網可以通過前端傳感器來感知對象的基本物理特征，但只局限于個別的具備傳感器的監控點。如何通過現有的、有限的監測數據來獲取范圍內的任意連續點的信息，地理信息技術已經在此領域做出了探索。通過接受某個地方的某個事件及其隨時間的變化過程，地理信息技術可以根據已有的感知數據，不僅能夠對現象的變化過程做出判斷，而且能對未來做出預測和對過去做出回溯。GIS是一種能讓物聯網更加智慧、更加有序、更加有用、更加直觀好用的核心技術。反之，物聯網本身也為GIS 提供了一種新的信息采集方法，拓展了GIS 的管理范疇。從這個意義上看，物聯網與GIS 是一種互相交融的關系。

四、結語

需要指出的是，盡管CIM主要與BIM、GIS和IOT等技術關系密切，但其不可避免地需要應用云計算、大數據、VR/AR（虛擬現實/增強現實）等其他技術，限于篇幅本文不再介紹。

本文從當前智慧城市需求與發展出發，介紹了CIM的基本特征及BIM、GIS、IOT等核心技術的發展簡況，簡要討論了BIM、GIS與IOT之間的關系，為進一步開展相關研究奠定了初步基礎。在作者最近開展的有關智慧園區規劃設計及建設中，有關技術方法得到了積極的探索和應用。我們相信，隨著技術方法的進一步發展和創新融合，城市信息模型理念及技術一定能為未來智慧城市和智慧園區等的建設與發展提供新的支撐。