基于BIM+GIS城市大數據平臺的智慧臨港應用示范

(華東建筑集團股份有限公司，上海 200041)

引言

城市是人類居住和創造文明的場所，隨著新一輪科技和產業革命的興起，云計算、物聯網、移動互聯網、大數據、智能化等一系列前瞻技術的發展與成熟，給城市的建設與發展帶來了新動能，進一步推進城市信息化建設的進程，打造數字城市，建設智慧城市，發展未來城市。在智慧城市的建設中，以數字化手段原樣復制城市的建筑設施與地理構造，運用BIM+GIS基礎數據平臺構建出一個真實的虛擬世界，通過物聯網采集、聯通整個城市的動態數據，為各類城市級應用提供載體，互聯互通，統一呈現，從而實現城市尺度的動態管理和決策支撐。

臨港地區作為國家新型工業化示范產業基地、戰略性新興產業示范區以及上海科技創新中心的重要承載區，自2017年提出智慧臨港的整體規劃，2018年啟動建設，以前沿概念、技術先進、示范引領為目標，實現“高端產業、高水平城市”的臨港戰略定位。通過BIM建筑信息和GIS地理信息技術融合，采集與管理城市數據，構建對象化精細化的“數字臨港”，平臺覆蓋整個臨港315km2城市空間，包括2D GIS地圖、3D GIS、典型建筑對象化BIM模型可全面展現、查詢到所有的地理和設施的要素，依托數字城市、大數據、人工智能等新技術為城市管理找到科學的支撐[1-3]。

1 城市大數據

智慧城市涉及的數據是海量的、多源的、異構的，智慧城市基礎數據平臺必須具備承載、管理所有城市數據的能力。我們可以將智慧城市的所有數據源分為靜態和動態數據，其中靜態數據主要指城市建筑與基礎設施數據，動態數據指通過互聯網、物聯網等感知、采集到的數據。

對于城市建筑與基礎設施數據，從全方位數據采集鏈的角度，可以按照三種采集類型進行分類，即空中數據采集、地面數據采集和地下數據采集。空中數據采集，主要依靠衛星、飛機，利用衛星遙感、激光雷達、傾斜攝影、高光譜相機等傳感器獲取數據，得到數字表面模型、高程模型、正射影像、數字地圖等。地面數據采集，有利用車載激光雷達、近景攝影技術對數字表面模型進行修補，還有采用工程建設BIM模型，得到精細化的城市模型對象。地下數據采集，一般通過地下管線探測設備，獲取地下管線、地形、地物等數據[4-5]。如圖1，多類型城市建筑與基礎設施數據。

圖1 多類型城市建筑與基礎設施數據

城市動態數據，主要可以分為能源/環境數據、人口/車輛數據以及城市事務數據，通過互聯網、物聯網等進行感知、采集，按約定的協議進行信息交換和通訊，實現城市動態數據的匯聚。如圖2，城市大數據的組成。

BIM+GIS 涵蓋整個城市建筑與基礎設施數據，構成完整的城市基礎數據庫，是智慧城市應用的基礎載體。

GIS數據對象是宏觀的，描述了世界、國家、地域、城市、地區、以及所有的城市對象，但是GIS的描述僅僅到每個城市對象的外部輪廓。BIM數據對象是相對微觀的，是每一個城市對象的精細化表達，例如一個房屋建筑，BIM數據描述了其從規劃、方案、設計、施工、運營、拆除、重建全壽命期的全部數據信息，精細到每一個零件部件。BIM與GIS在數據描述層面的界面，應該是每一個建筑，這里說的建筑不僅僅是房屋建筑，而是每一個城市對象，包括房屋、街道、場地、公路、橋梁、水務等。

只有將BIM于GIS在數據層面進行融合、打通，才能形成完整的城市基礎數據集合，達到“管理到城市每一個螺絲釘”這樣的精細化管理水平，在企業管理、行業應用、城市服務等諸多方面發揮出更大的效應與價值。

圖2 城市大數據的組成

2 建設一個可以匯聚管理城市大數據的基礎平臺

李德仁、姚遠等在智慧城市中的大數據一文中，探討了智慧城市的概念，總結了其發展歷程，剖析了中國建設智慧城市的動力和目標，闡述了智慧城市的支撐技術，并提出了智慧城市的基礎架構，即在數字城市的基礎上有機地融合物聯網和云計算技術，以實現對現實城市中人和物的自動控制和智能服務[6]。

巫細波和楊再高在智慧城市理念與未來城市發展一文中，深入闡述了智慧城市理念的來由、涵義以及國內外智慧城市發展動態，重點從城市管理方式、城市基礎設施建設、物聯網技術及產業發展、智能生活方式等方面分析智慧城市理念對未來城市發展的重要影響[7]。

國內外還有眾多學者研究了智慧城市的應用與建設，普遍認同智慧城市是城市發展的趨勢，而數字城市是智慧城市建設的重要基礎。

針對海量城市數據存儲和管理的新需求，智慧臨港的建設提出了基于BIM+GIS的城市大數據基礎數據平臺架構。平臺采用B/S模式，后臺架構基于海量分布式大數據存儲技術，支持各種BIM數據、地圖數據(多圖層的地理要素幾何和屬性數據)、城市3D模型數據和應用數據的集中統一存儲和索引，承載智慧城市大數據的并行處理和可靠安全存儲服務能力，資源的虛擬化管理和彈性擴展，可支撐智慧城市應用發展所需的大并發吞吐量，大數據量，高運算性能的業務需求，為各類城市級模擬、分析、可視、集成應用提供支撐，如圖3所示。

圖3 BIM+GIS城市大數據基礎數據平臺架構

平臺以BIM(Build Information Model， 建筑信息模型)和GIS(Geography Information System， 地理信息系統)大數據管理與分析為核心，為城市建筑與市政設施等城市對象的信息模型的存儲、索引、查詢與處理、大規模3D展示的提供整體解決方案，為城市規劃、建筑運維、城市治理等智慧城市業務提供強大的數據支持與保障。平臺既具備處理和分析宏觀城市環境中三維GIS地理數據的基礎，還能從宏觀走向微觀，實現對建筑內部和建筑構件的精確定位和查詢，真正達到對城市中每個城市構件對象進行精細化管理[8]。其創新性如下：

(1)與傳統的GIS平臺相比，本平臺不僅僅支持虛擬城市的三維瀏覽，而且實現了BIM模型在虛擬地球中的大規模LOD(Level of Details)展示，根據視角遠近與3D GIS傾斜攝影數據可無縫切換，實現瀏覽城市宏觀3D模型的同時方便地查看每個細粒度BIM對象(例如某扇窗，某個消防水管，某個室內攝像頭等)的屬性信息；

(2)與常見的BIM顯示引擎和系統相比，本平臺通過云端的分布式大數據架構，實現了PB級海量城市對象的統一管理和查詢，并且支持在虛擬地球環境中整體展示大批量的BIM模型，提供BIM模型的靈活查詢與子模型拆分功能，如查詢并下載某個樓層，某個空間，外表皮模型，特定類型的城市對象(窗、樓板、門、柱、攝像頭，煙感等)、HVAC，WSie、結構、給排水、暖通、電氣、能耗、算量等多種MVD的導出等[9]；

(3)在業界首次實現了虛擬地球上的BIM+GIS統一的空間搜索與定位功能。用戶只需輸入絕對空間與相對空間對象地址和編號，如大樓的名稱和查詢的房間名稱，就可以在虛擬地球中查看并定位空間對象的位置，進入模型獲取相關BIM屬性信息，完成360度全方位瀏覽以及其他豐富的3D可視化操作等等。

(4)保證城市級全量數據的完整性。摒棄模型輕量化的概念，基于3D瓦片技術實現了海量BIM模型全量動態加載與快速呈現，真正實現了城市級BIM與3DGIS的數據管理與可視化二者的統一[10]。

(5)基于虛擬地球引擎的BIM與3DGIS數據集成與融合，具有游戲引擎無法比擬的真實環境建模、仿真和應用，為智慧城市應用提供真實數據支撐。

3 智慧臨港應用示范

智慧臨港BIM+GIS城市大數據平臺支持PB級的數據統一管理，包含人口、視頻、車流、停車場、公交站臺、視頻監控等多源異構信息等，平臺可以把城市運行中生成的各類數據動態、融合、直觀地匯集在一個平臺上，實現統一呈現，多規合一，從而實現整個城市尺度的動態管理和決策支撐。

BIM+GIS城市大數據平臺，具有廣泛的應用空間，包含選址規劃、管網系統分析、高度分析、領空侵犯分析、安全計劃及應急疏散、空間管理、資產管理、室內導航、人口分析、交通分析、位置源分析等。具體可承載的應用示例(包括但不限于)如下：

3.1 城市基礎數據構建

項目構建了由315km2的2D GIS地圖(50cm精度)、15km2的3D GIS地圖(10cm精度)、以及精細化BIM模型(包括臨港管委會、航海博物館、滴水湖地鐵站、宜浩家園住宅小區、電力學院、臨港科創城、北島西路綜合管廊等等)集成的臨港虛擬城市空間，形成了一個地理和建筑無縫融合的基礎平臺，為臨港智慧城市的實施開展打造了一個基于內外空間和地理坐標系的統一底圖，如圖4所示。

圖4 智慧臨港虛擬城市

3.2 搜索與定位實現對象級城市空間管理

圖5 搜索與定位實現對象級城市空間構建

圖6 基于時空的多源數據實現全方位城市管理

基于“BIM+GIS”城市虛擬空間，可以對臨港當前整個城市空間具備完整、精確的了解。在這個空間里，可以全面展現查詢到所有的地理和設施的要素：

(1)分級搜索城市道路，查詢城市中的任意道路，顯示道路的名稱和屬性，包括長度、起止點、車道數，如圖5(a)所示；

(2)搜索城市重要建筑，顯示其地理位置，并可以使用地圖工具，測量其高度、寬度，查詢其經緯度坐標，如圖5(b)所示；

(3)查看已建有BIM模型的建筑，顯示其概要屬性，包括建筑名稱、門牌號、高度、建筑面積，并可進入該建筑，查看室內結構及設施；

(4)可進入地下模式，查看地下車庫、地下綜合管廊的內部結構，并基于“BIM+GIS”城市虛擬空間，可和外部地表的對應情況進行宏觀查看周圍環境；

3.3 基于時空的多源數據實現全方位城市管理

智慧臨港“BIM+GIS”城市虛擬空間是一個城市管理的基礎平臺，可以把城市運行中生成的各類數據動態、融合、直觀地匯集在一個平臺上，實現多種數據匯集，動態采集，統一呈現，多規合一，從而實現整個城市尺度的動態管理和決策支撐。

(1)城市網格管理

在網格化治理過程中調看相關事件周邊攝像頭信息，可以在地圖上顯示事件發生的位置查看攝像頭，道路名稱，顯示道路的信息，顯示POI信息，標注周邊所有的攝像頭，基于“BIM+GIS”平臺調看當前路口的監控視頻，顯示周邊各類部件設施的狀態，比如紅綠燈，消防栓等設施，如圖6(a)所示；

(2)城市人口密度/遷徙管理

可查看實時人口熱力圖、地鐵客流，并在人口密度過高時提供預警，同時，可查看人口遷徙路線，分析人口遷入遷出動態，進一步分析到達臨港就業、以及臨港到其他地區就業的人口比例[11]；

(3)交通實時狀況

可實時采集交通流量數據，顯示當前車流速度，實現公共停車場數據的實時采集、呈現和管理，為整個臨港的交通管理提供支撐，如圖6(b)所示；

(4)基于時空標記的城市數據綜合管理

該平臺可同時在一個地圖上采集呈現多種數據，并基于地理/時空關聯進行一體化展示，為城市尺度的融合管理提供技術支撐。比如交通、人口、視頻、地理多維數據融合，為城市旅游管理提供統一視圖，城市網格化事件、攝像頭、實有人口等數據為城管提供統一視圖[12]。

3.4 對城市發展的各類重大決策進行仿真模擬實現科學決策

(1)城市變遷發展軌跡全景式記錄

通過平臺可實現不同年月城市歷史變遷的查看，即可查看過去的城市狀態，也可查看未來城市規劃建筑。實現對臨港發展演變軌跡進行全記錄，用真實全景的方式展示城市的過去、現在和未來；

(2)城市重大設施規劃仿真

該平臺可用于城市規劃的仿真，讓我們了解如果我們決定建設一個重要的城市設施，未來城市會是怎么樣，建筑會是怎么樣，平臺可查看城市規劃建設，包括規劃區編號、用途、業主等屬性，通過平臺還可查看規劃周邊路名、規劃建筑的視角效果等信息；

(3)安保查詢

在重大活動安保應用期間，可通過平臺查看實際位置的可視角監控范圍，實現建筑的沿路區間安全性模擬，點擊地圖某個點，可顯示360°的可視區域，并可基于BIM相關數據實現房間數量和編號的分析；

(4)交通仿真

針對節假日人群密集所帶來的交通壓力，平臺提供了決策支持和人工智能輔助預案。平臺基于真實環境構建了交通道路、紅綠燈、停車場、小區、酒店、旅游景點目的地等數據，為交通仿真提供了基礎條件，據此，平臺可仿真現有配套下的道路排隊擁堵、停車場容量、平均車速等交通變化趨勢情況。同時，根據仿真情況，平臺可增加紅綠燈優化、臨時停車場開放、路邊停車等策略，實時檢查策略的有效性，為交通管理帶來便利。

4 制定BIM+GIS基礎數據標準勢在必行

每一項新技術的發展都有一個從粗放到規范的過程，不同的觀點和技術激烈碰撞，在矛盾中迸發出更具生命力的內涵，促使技術和應用的成熟度提升，智慧城市的發展和應用正式處于這樣一個階段。適時推出一系列的技術標準，用來規范領域內的應用方向和內容，不僅有利于技術推廣，還能引導市場良性發展。

隨著數字城市、智慧城市的發展，相關的標準規范并未配套建設完成，缺乏統一的標準將制約智慧城市在我國的應用與發展。應該總結行業發展經驗，盡快建設本領域標準體系以及編制相關技術標準。

當下，BIM+GIS基礎數據標準的編制可謂最為急迫，它是所有智慧城市應用的基礎，從數據融合的層面對城市基礎數據標準進行定義，考慮到數據標準的公開性和標準化，應該采用分別針對BIM領域的IFC數據標準和GIS領域的CityGML數據標準進行深入研究，探索這兩個標準的數據映射、融合方法及途徑。

另一個角度是城市空間對象的分類與編碼，GIS對城市地理信息有成熟的分類與編碼方法，BIM對所有建筑元素對象也有成熟的分類與編碼方法，這二者如何進行結合，應該使用一套完整的編碼體系，對城市大空間的所有對象進行統一的分類，才能定義到每一個對象，實現精細化管理。

最后是數據共享與交換，智慧城市是整個城市的智慧化，將服務于城市的所有活動和需求，這里面涉及到大量的應用內容。針對每一項具體的應用，需要通過BIM+GIS基礎數據平臺提供針對該應用需要的特定的數據集，而不是將所有的基礎數據全盤輸出給各項應用，這樣可以提高應用效率并實現數據量的高效管理。就像在上海市工程建設規范《建筑信息模型應用標準》中規定的信息交換模板概念，為每一項BIM應用提供一項信息交換模板，定義清晰該應用所需的所有數據內容，實現整體BIM模型數據的定量定性輸入。對于城市級BIM+GIS數字模型，也應該采用信息交換模板的技術，為各項城市級應用提供定制化的數據輸出方法。

5 結論

智慧臨港實現了基于時空標定和數據融合打造的城市運行大數據平臺，完成了城市基礎數據的采集與數字化建設，為各類城市級應用數據提供載體，匯聚關聯，統一呈現，多規合一，從而實現整個城市尺度的動態管理和決策支撐。通過數字城市指導真實城市的管理和建設，用大數據、人工智能等手段提前預判城市發展中的瓶頸和痛點，引導臨港地區智慧城市的建設，將臨港建設成為著眼未來、智能高效的新型智慧城市。本文形成以下結論：

1)針對海量城市數據存儲和管理的新需求，數字臨港的建設提出了基于BIM+GIS的城市大數據基礎數據平臺架構，為各類城市級模擬、分析、可視、集成應用提供支撐。

2)基于Hadoop、 Hbase大數據技術，提出了采用開放式大數據架構的虛擬地球GIS系統，支持多種專題GIS地圖數據、LOD層次化表達的3D模型數據、以及GIS相關應用類數據的存儲、索引、查詢和可視化展示。

3)本項目提出的BIM+GIS城市大數據基礎數據平臺，在平臺底層將BIM對象與GIS對象進行深度融合，打通BIM與GIS的數據管理和互操作瓶頸。平臺建立了BIM與GIS對象的統一存儲與索引，提供無縫的跨BIM與GIS模型對象的查詢、定位與可視化，實現BIM與GIS的真正融合。

4)開展智慧臨港應用示范，包括城市基礎數據構建、搜索與定位實現對象級城市空間管理、基于時空的多源數據實現全方位城市管理以及對城市發展的各類重大決策進行仿真模擬，規劃推演，實現科學決策，為行業內同類項目的開展提供示范作用。