濟南市功能區城市信息模型應用平臺設計與關鍵技術研究

李欣，于忠海，王海，張現軍

(1.濟南市勘察測繪研究院，山東 濟南 250101； 2.山東省城市空間信息工程技術研究中心，山東 濟南 250101)

1 引 言

城市信息模型(CIM)是以建筑信息模型(BIM)、地理信息系統(GIS)、物聯網(IoT)等技術為基礎，整合城市地上地下、室內室外、歷史現狀未來多維多尺度信息模型數據和城市感知數據，構建起三維數字空間的城市信息有機綜合體[1]。CIM平臺是城市的新型基礎設施，是新型智慧城市建設的重要支撐，是推進城市規劃、建設、管理的信息化、智能化和智慧化的重要載體。

國家《第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》明確要求，完善城市信息模型平臺和運行管理服務平臺，構建城市數據資源體系，推進城市數據大腦建設。濟南市印發的《濟南市大數據創新應用突破行動方案》(濟政辦字〔2021〕21號)提出，構建濟南CIM平臺，探索推進CIM+試點示范應用建設，促進城市建設智慧化升級，提升城市市政基礎設施功能，帶動城市管理理念和管理模式創新，提升城市治理效能。目前，濟南市的新舊動能轉換起步區、高新技術產業開發區等功能區都在積極推進CIM平臺建設，考慮到各功能區目前都在實施大部制改革，實現規劃、建設、城市管理的一體化管理，本文結合各功能區規建管工作的需要，研究提出了濟南市功能區城市信息模型(CIM)應用平臺設計與技術實現方案，為各功能區的CIM平臺建設提供支撐。

2 研究現狀

2018年以來，住房和城鄉建設部結合工程建設項目審批制度改革，先后在廣州、廈門、南京等城市開展CIM平臺建設試點工作[2]。2020年，住房和城鄉建設部根據試點城市經驗，出臺了《城市信息模型(CIM)基礎平臺技術導則》。隨著各地陸續開展CIM平臺建設，2021年6月，住房和城鄉建設部在總結各地平臺建設經驗的基礎上，對《城市信息模型(CIM)基礎平臺技術導則》進行了修訂。

目前各地都在開展城市級、園區級CIM平臺建設[3～9]。以住房和城鄉建設部CIM平臺建設試點為例，南京市的CIM平臺主要包括BIM報建和CIM平臺兩個部分，其中CIM平臺是在多規合一平臺的基礎上打造具有三維可視化審查的平臺，主要特點是開展了城市級的BIM標準體系研究和探索，提出了“NJM”數據標準，支撐工建項目改革各個階段的數據存儲和組織。廣州市的CIM平臺定位是構建規劃、建設、管理一體的規劃和自然資源全生命周期體系，設計思路是以三維電子報批為切入點，以審批功能為抓手，融合二三維空間數據、BIM數據、業務數據，構建要素合一、流程合一、管控合一的CIM平臺[10]。天津中新生態城智慧城市CIM平臺是具有代表性的園區級平臺，集成地上、地表、地下的現狀和規劃數據，建設具有規劃審查、建筑設計方案審查、房屋管理、地下管線管理、土地儲備管理等功能的CIM平臺。

3 平臺設計

3.1 設計思路與目標

濟南市功能區城市信息模型(CIM)應用平臺的設計運用科學、規范的系統工程理論，從需求、架構、體制和標準等層面，對多源時空大數據和業務數據的驅動模型、生產與服務流程及其配套的業務系統進行統籌考慮，逐步分析各類數據及其相關業務、應用的相互關系后進行規劃設計，從而實現CIM平臺的一體化建設和運行，使得CIM平臺各組成部分保持理念一致、結構統一、功能協調、資源活化、運營活躍，最大限度地發揮CIM時空大數據的整體效能。

(1)基于語義城市信息模型構建數字孿生城市底座

考慮到城市信息模型的多樣性和分布式，不同行業都有專業的信息模型并具有和外部模型實時連接和交互的能力，所以需構建實時映射的、基于語義的城市信息模型，實現不同信息模型的整合，最終形成數字孿生城市底座。

(2)基于“數據中臺”技術構建時空大數據治理體系

在濟南市功能區的規劃建設管理過程中，已經積累了不同精度、維度、時相、專題的地理空間數據和專題空間數據，為了更好地面向功能區自然資源管理、規劃、住建、園林、城管等不同管理應用提供數據服務，需要對深層次數據肌理進行分析挖掘，實現數據智能化服務，“數據中臺”技術正好解決了這一問題，基于“數據中臺”技術構建時空大數據治理體系。

(3)面向智慧城市全業務場景構建時空大數據服務體系

濟南功能區數字孿生城市建設的全局性要求時空大數據能夠支撐功能區管理的全業務場景，覆蓋桌面端、移動端、大屏端，提供包括業務層面、決策層面、民生公共服務層面等不同應用對象的時空數據賦能，形成時空大數據服務體系。

3.2 總體設計

濟南市功能區城市信息模型(CIM)應用平臺的總體架構遵循智慧城市的典型架構，包括基礎設施層(IaaS)、大數據中心(DaaS)、平臺服務層(PaaS)、業務應用層(SaaS)以及應用表現層，如圖1所示。

(1)基礎設施層

基礎設施即服務層(IaaS)，將依托濟南市政務云平臺進行建設，由政務云提供城市信息模型(CIM)平臺及應用建設所需要的各種資源服務，包括云存儲、云安全服務。基礎設施即服務層能夠為各級政府部門用戶提供云端宿主的工作環境。

(2)大數據中心

大數據中心——數據資源即服務層(DaaS)，通過匯聚多元數據資源，經過標準化的數據導入、清洗、轉換和融合服務，形成全息空間數據庫、專題業務庫和實時感知庫3大數據庫。其中，全息空間庫包括：城市基礎地理數據庫、BIM模型數據、三維模型數據、傾斜攝影數據以及點云數據、街景數據等；專題業務庫包括：自然資源數據、規劃數據、建設項目數據、城管數據、人口數據等政府部門業務管理數據；實時感知庫包括：實時定位數據、實時視頻流數據以及其他物聯網智能感知設備數據。通過數據中臺對數據進行數據更新、維護和日常管理，滿足平臺數據匯聚、處理和管理的需要。

圖1 平臺總體架構圖

(3)平臺服務層

平臺服務層(PaaS)是在IaaS和DaaS基礎上，對各類空間數據資源和業務數據資源進行深度整合，面向用戶直接提供各種類型的在線服務，為業務系統的建設提供支持。這些服務主要包括三種類型：時空數據服務、空間數據處理服務以及空間分析功能服務。基于平臺提供的各類服務，結合自身的業務應用和專業的分析模型，可基于應用模板快速搭建的專項業務應用系統。

(4)業務應用層

業務應用服務層(SaaS)，根據不同類型、不同服務目標的政務網用戶、互聯網用戶提供不同程度的服務資源和應用。本平臺根據業務管理需要，確定搭建的一系列強業務性的專業智慧應用系統和綜合性智慧應用系統，其中，專業智慧應用系統包括：智慧規劃、智慧土地、智慧建設、智慧地下管線、智慧城管和輔助決策等6大系統，綜合性智慧應用系統包括領導駕駛艙和移動App兩大系統。

(5)應用表現層

在應用模式上，支持的表現形式包括：桌面端、Web端、移動端、大屏等多種終端模式，能夠滿足多個行業建設中各種應用模式的需要。

3.3 功能設計

(1)CIM基礎平臺

構建以三維城市空間地理信息和高精度、全生命周期、智能化的BIM技術為核心的CIM基礎平臺，實現功能區規劃、建設、管理、運行的各類數據資源的匯聚和管理、全息城市展現，提供基礎服務能力、資源快速檢索能力、二三維可視化能力、一體化運維管理能力，支撐規劃、建設、管理、運行的各專題智能應用系統的開發建設。

(2)智慧規劃應用

面向功能區國土空間規劃管理的需求，針對規劃成果管理和應用，提供規劃成果的查詢統計以及規劃沖突分析、合規性審查、方案比選等輔助分析功能，為功能區規劃管理提供有據可依、有據可查的科學管理模式。

(3)智慧土地應用

為破解現有土地資源管理條塊分割、信息不對稱難題，建設包含新增建設用地指標管理、征地管理、收儲管理、供地管理、批后監管、存量土地管理、執法監察等應用模塊，實現對功能區每一塊土地從項目策劃到指標管理、土地征收、土地供應、規劃審批、閑置用地及低效用地監管的“策、批、供、用、補、查”全生命周期監管，保證土地利用工作有序開展。

(4)智慧建設應用

建立一體化業務協同工作新模式，實現建設管理(審批項目、在建項目、竣工項目)一張圖打通工程建設項目監管“最后一公里”；實現質安監管理，包括工地人員的管理、質安監人員抽取、原材料監管、信息提報和統計分析等功能。

(5)智慧城管應用

實現垃圾運輸車輛的位置和行駛軌跡的監管，實現在建工地揚塵狀況的監管，實現城市綠地系統規劃、山體公園信息、園林綠化普查數據、林業保護、林業一張圖等數據的展示及查詢，并接入應急管理監測數據，實現重要氣象災害及森林火險、地質災害預報信息推送。

(6)智慧管線應用

以管線應用為核心，力求解決管線管理過程中實際業務需求，具體包括二維數據構建管線三維模型、三維數據瀏覽、管線信息查詢、管線分析、管線信息統計、信息標注、空間量算、圖形輸出以及管線輔助審批功能。

(7)輔助決策應用

針對功能區土地開發利用情況進行評估，基于相應的評價指標體系，結合大數據和智能分析等技術手段，對各類建設用地利用效率進行績效評估，形成建設用地績效等級空間分布的“一圖一表”，并支撐生成包括基本特征、空間規律、現狀問題等內容的評估報告。

(8)領導駕駛艙

基于CIM基礎平臺的數據和分析資源，采用人工智能、三維可視化等先進技術，通過二三維地圖、BI圖表等形式，按照國土空間規劃、土地管理、城市建設、城市管理等版塊直觀地呈現功能區整體運行狀況，輔助領導決策。

(9)移動App

建設Android移動應用App，能夠實時記錄空間位置信息、實現事件追溯，支撐數據資源展示、耕地保護、揚塵管理、通知管理等工作需要。

4 關鍵技術

4.1 基于Spring Cloud分布式系統框架技術

在平臺架構設計方面，考慮到本平臺涉及的功能模塊較多，采用微服務框架Spring Cloud，將系統模塊進行服務拆分，將整個Web應用組織為一系列小的Web服務。這些小的Web服務可以立地編譯及部署，并通過各自暴露的API接口相互通信。它們彼此互協作，作為一個整體為用戶提供功能，也可以獨立地進行擴展。Spring Cloud特點在于約定優于配置，開箱即用、快速啟動，適用于各種環境，輕量級的組件，組件支持豐富，功能齊全。Spring Cloud的子項目包括：Spring Cloud Config(配置管理開發工具包)、Spring Cloud Bus(事件、消息總線)、Spring Cloud Netflix(針對Netflix組件的開發工具包)、Spring Cloud Security(安全工具包)等。

4.2 基于Cesium+UE4的三維仿真技術

Cesium平臺最早由美國航空航天軟件公司AGI創建，是一款面向三維地球和地圖的、世界級的JavaScript開源產品，它提供了基于JavaScript語言的開發包，方便用戶快速搭建一款零插件的虛擬地球Web應用。基于Cesium提供的JavaScript API，可以實現全球級別的高精度的地形和影像服務展示、矢量以及模型數據展示以及基于時態的數據可視化等，支持多種場景模式(3D，2.5D以及2D場景)，實現真正的二三維一體化。其三維模型格式支持gltf，三維瓦片模型格式支持3D Tiles；矢量數據支持geojson、topojson格式；影像數據支持wmts等；高程數據支持STK格式。虛幻4引擎(UE4)是由Epic Games公司推出的一款游戲開發引擎，可以實現三維場景逼真的仿真效果。將Cesium平臺和UE4引擎相結合，大范圍的場景采用Cesium平臺進行三維數據展示，小范圍精細場景使用UE4引擎加載地理空間數據，達到逼真渲染仿真的效果，同時實現Cesium與UE4空間坐標系的映射轉換，保證逼真三維渲染的同時提供空間分析量算功能。

4.3 海量空間數據調度技術

在CIM平臺建設過程中，城市三維模型、BIM模型等海量空間數據的調度和顯示是考驗平臺性能的關鍵問題，在同等硬件資源條件下，要保障平臺展示效果首先必須解決復雜模型簡化的問題。作為目前三維模型加速應用的主要關鍵技術，層次細節模型(LOD)技術是利用人眼對不同尺度、不同空間位置模型的精細程度識別的差異來簡化模型和其紋理。其具體包括靜態LOD技術和動態LOD技術，靜態LOD技術通過提前處理生成不同細節層次模型，并按照預設的標準進行加載；而動態LOD技術是通過算法動態生成細節層次模型數據結構并實時提取顯示，動態LOD技術的優勢是可以獲得連續變化的細節展示效果，但同時也需要消耗更多的系統資源，本文在硬件資源充足的情況下，采用動態LOD技術。

5 結 語

本文結合濟南市各功能區規劃建設管理部門的實際工作需求，提出了功能區城市信息模型(CIM)應用平臺的設計思路與目標，設計了平臺的總體框架和主要建設內容，并對CIM應用平臺建設過程中的關鍵技術進行了研究，為各功能區CIM應用平臺的建設提供了基礎支撐。CIM應用平臺的建設對于推進功能區治理能力的提升和新型智慧城市的建設有著獨特的優勢，為功能區管理部門針對城市規劃建設管理的精準施政提供了信息化支撐。下一步，將基于CIM應用平臺的深入開展不同城市管理領域的CIM+應用研究，形成基于CIM應用平臺的全鏈條管理，為數字孿生城市的建設提供支撐。