南京CIM 全息底板建設初探

王樹魁，崔 蓓，遲有忠，毛燕翎

（1.商丘師范學院，河南 商丘 476000；2.南京市國土資源信息中心，江蘇 南京 210005）

近年來，隨著GIS、BIM、IoT、AI 等技術發展和應用，CIM平臺建設成為新型智慧城市轉型升級的重要抓手，列入了國家“十四五”規劃等一系列的重要文件，已成為一項國家戰略。CIM是城市智慧化運營管理的基礎性平臺[1-7]，為智慧城市提供空間協同的“數字底板”，南京市借助全國首批CIM平臺建設試點城市和實景三維中國建設等契機，結合地方的切實需求，對CIM全息底板建設進行了相關的探索。

1 建設需求與思路

通過調研收集匯總，CIM 全息底板建設的需求主要包括以下幾個方面：①國家層面。要求統籌協調標準體系，消除數據壁壘，探索建設底層數據打通的CIM 平臺，以BIM 報建為切入點，不斷豐富和完善城市規劃建設管理數據信息，為智慧城市管理平臺建設奠定基礎[8]。開展實景三維建設，為數字中國建設提供統一的空間基底[9]。②地方政府層面。要求建設統一權威的智慧城市空間底板，統籌各部門智能系統有機銜接,促進智慧城市轉型升級。③城市運營管理方面。需要建設真實準確、精細美觀、現勢動態的現狀城市空間數字底板。④城市發展規劃方面。需要建設能夠直觀重現歷史、反映現在、模擬未來的城市空間應用場景。⑤企業方面。需要能支撐專業分析應用的空間可視化共享服務數字底板。⑥市民方面。希望能夠以立體直觀的方式了解、參與、監督城市的發展規劃和建設，共治家園，體現市民的參與感、歸屬感和幸福感。

南京面向多對象、多層次、多維度CIM需求，采用總體規劃、分步實施的總體思路。首先研究構建CIM 標準，通過標準引領，從數據存儲、管理、分析、可視化和服務發布等方面全面考慮，分類開展多源異構數據的規范化治理。其次理清數據關系、制定融合規則、建立信息關聯，再以GIS 數據為基礎、BIM數據為核心，將正射影像、數字高程模型、城市三維模型和BIM等多源異構數據體系化融合建庫。然后掛接承載物聯網、經濟、社會等信息，形成立體空間全覆蓋的CIM全息底板。最后采用數據和服務統一框架管理的方式，實現二三維數據一源存儲、統一庫管、統一注冊、發布多種標準服務，支撐智慧城市各領域應用。

2 數據資源收集

本著開放共享、重復利用、充分挖掘的原則，收集了各部門CIM 相關的既有數據，用于本項目開展CIM全息底板建設研究，主要匯集的數據資源目錄如表1所示。

表1 CIM相關數據資源目錄

3 CIM全息底板構建

圍繞CIM全息底板構建的核心任務，首先研制標準，在標準引領下，由簡入深研究和實踐，通過治理整合地上模型要素、地下空間、BIM、物聯網大數據等信息資源，形成CIM全息底板，支撐CIM基礎平臺融合二三維空間業務屬性信息和應用的能力。

3.1 標準研制

立足城市CIM標準化需求，基于系統論、頂層設計思維等方法論，運用“A-C-R-E-O”循環法：分析（Analyzing）、編制（Compiling）、運行（Running）、評價（Evaluating）、優化（Optimizing）、UML 建模語言等技術手段，充分考慮未來動態優化與迭代升級的開放兼容能力，構建了3 個層次（基礎層、通用層和應用層）8 大類38 小類CIM 標準體系框架（如圖1），制定了全面成套的CIM標準體系，內容涵蓋CIM數據采集、生產、數據建庫及更新、CIM平臺服務及運維等，為CIM建設提供規范、指引和預測。

圖1 CIM標準體系框架

在CIM標準體系指引下，制定了城市地下地表全空間、物理實體全要素、BIM 構件全覆蓋的一套CIM數據標準。將城市地上地下基礎設施和空間資源全面數字化，創建全空間一體的CIM 數據結構；制定了數字空間與物理空間一一映射的全要素數據分類和編碼[10]，涵蓋建筑、交通、植被、水系、城市部件、地質、管線等要素實體類型，在南京市《三維地理信息模型數據規范》規定的三維模型LOD1 至LOD4 分級的基礎上[11]，增加了功能級BIM、構件級BIM 和零件級BIM 的精細分級表達，面向不同應用領域對實體對象精細程度的需求，標準還支撐了墻、門、窗等內部構件分層次在數字空間進行呈現和表達。實體通過統一標識編碼進行索引，對接實現數據調用和更新。

3.2 CIM空間底板構建

針對不同來源的數據，實現不同空間尺度數據的組織管理，從不同范圍表達城市空間形態。電子地圖、正射影像和數字高程模型等基礎地理數據可在大尺度的場景中表達全市的地形地貌，三維白模數據可在中尺度的場景中表達城市建筑群空間形態，精模、傾斜攝影、激光點云數據適合在中小尺度的場景中精確表達城市建筑形態以及建筑色彩，而BIM 數據則可在小尺度場景中精準地表達建筑單體及其內部構件。

城市精細三維模型的生產成本高、周期長，一般只在主城和重點開發建設區建設，為了實現市域范圍全覆蓋，項目組基于數字高程模型和電子地圖（建筑物不同高度分別構建閉合面，并帶有高度、層數、結構等屬性信息），采用參數化建模技術[12]，結合人眼視覺特性，構建了市域全覆蓋的精工白模，相比傳統白模，增加了女兒墻、層線、材質文理等要素的細節表達，體現手繪建筑留白藝術之美（如圖2），既保證了城市現狀底板的完整性，又降低了建模成本。

圖2 精工白模

針對不同應用場景的要求，數字底板能提前預設，按需組合靈活應對，比如通過虛擬看現場研究某地區環境提升方案，需要較大范圍詳細了解現狀環境情況，簡單圖層疊加無法滿足，還要考慮多源數據根據覆蓋范圍的物理拼接、去除冗余有機融合，可以先將人工精模、傾斜攝影、激光雷達等高精度現狀三維模型按范圍拼接，根據現勢性、精細度等因素綜合取舍去除冗余，再將精細模型未覆蓋的區域用精工白模補充，從而實現不同精度現狀模型信息的最優全域覆蓋（如圖3）。

圖3 集成融合城市空間底板

在數字地下空間的構建中，將全市普查積累的二維地下管線、地下空間數據，驅動生成三維管井、管線和各種地下空間設施模型，并帶有豐富的屬性信息，通過項目、設施關系與地上地物有機關聯，實現地上地下一體化（如圖4）。通過收集匯總工程建設項目建設和地質勘探活動中形成的大量鉆孔數據，將其驅動生成三維地質鉆孔模型，采用插值擬合方法，構建地質層模型，形成地上地下全空間底板。

城市發展規劃研究中，需要根據不同時期城市建設發展情況，研究城市發展動因和演變規律，在發展規律的基礎上進行合理的城市規劃和建設；設計師也希望把理想的設計成果融入城市場景，更大范圍模擬分析城市未來的發展規劃。因此在CIM 底板構建中，引入了過去不同時期的正射影像。基于南京歷史演變研究成果[13]，復原了從東吳、東晉到隋唐、南唐、宋、元、明、清、民國不同歷史時期的城市空間格局，直觀模擬南京市千年文脈、歷史格局演變以及城市發展規律（如圖5）。在歷史文化名城保護中，把歷史建筑中真正遺存下來有保護價值的部件（如門、窗、雕花、斗拱等），利用BIM 技術建設構件級數字模型，并以BIM構件為載體，掛接細節圖片，整合歷史建筑的結構、材料、殘損、修繕等信息，實現歷史建筑的數字化復原和精準保護。在城市未來規劃中，將規劃成果根據建筑高度、容積率等開發強度指標，驅動生成不同專題的三維規劃成果一張圖，實現規劃成果直觀建立起來的目標，讓老百姓也能看懂規劃、參與城市建設，更加科學高效地管控規劃建設活動[14]；在現狀底板上，融合植入城市設計模型，開展天際線、街墻立面、景觀等分析，使其能更直觀地回顧過去、把握現在、規劃未來。

圖5 城市空間格局歷史演變

BIM 數據可高精度地表達城市建筑對象，包括對建筑外廓、功能空間、內部構件等。GIS 優勢在城市中宏觀領域的應用場景，BIM 優勢在于工程項目級，以GIS 作為CIM 框架，BIM 作為新的數據源補充，讓智慧城市的應用場景從室外走向室內功能空間，精度上從建筑單體級走向構件級（如圖6），大大提升了服務管理的精細化程度，實現與真實世界的一一映射[15]。通過與工程建設項目在工程規劃、施工圖、竣工等階段的BIM 方案報建審查系統對接集成，BIM 報建模型自動植入CIM場景（如圖3），動態更新CIM數字底板，可為CIM提供持久生命力，內生CIM自生長動力。南京市自BIM報建試點項目成果上線運行半年多來，已為CIM底板更新自動提供了20多個建設項目的BIM模型。

圖6 BIM構件級模型

通過多元異構數據的治理融合，尤其BIM 與GIS技術有機集成，共同構成了二三維一體、地上地表地下銜接、室外室內連通、歷史現狀規劃共存的多源多尺度全空間的“城市空間數字底板”，實現對城市空間細節的精準刻畫。

3.3 CIM動態全息底板構建

以“城市空間數字底板”為載體，項目組嘗試接入了城市用水、用電等能耗信息，環境檢測、雨情、城市監控視頻、物聯網監測等動態數據，讓城市空間數字底板產生了“神經和血液”，共同構成CIM 全息底板。

基于CIM全息底板，可按需構建城市各領域實時動態應用場景，支撐智慧城市的建設與運營。例如在三維不動產示范應用中，基于BIM模型，按照建筑面積的計算規則，提取構建了一套分層分戶的不動產權空間模型，掛接不動產權管理信息。為了充分挖掘數據資源價值，以不動產空間模型為載體，進一步嘗試掛接用水、用電量等能耗信息，進行可視化分析，直觀動態顯示片區或者某戶過去一段時間的用電量變化情況（如圖7），可用于輔助開展房屋空置率分析和單位GDP能耗分析等應用。

圖7 能耗（用電量）分析

為了在CIM場景中融入城市運行的動態信息，利用基于啟發式算法的多路視頻與CIM場景自動融合技術，實現了多路實時視頻自動投影、校準、畸變糾正與CIM 場景融合及相鄰攝像頭實時視頻的無縫銜接（如圖8），讓整個城市的數據處于生動鮮活狀態，進一步夯實了CIM的全息底板。

圖8 多路視頻與CIM場景自動融合

為適應智慧城市應用需要，將CIM二三維數據發布成多種三維服務，滿足基于不同三維引擎構建的智慧城市應用系統調用。充分利用時空云或天地圖等公共服務平臺的現有成果，研發三維數據轉換及服務發布公共組件，在組件中集成IFC、RVT、OBJ、OSG、FBX、3DMax 等格式的模型轉換程序和I3S 格式、3DTiles格式、S3M格式的三維服務發布程序，并對外提供統一的調用接口，在此基礎上開發了南京市CIM基礎平臺，用戶只要通過平臺上傳模型數據，平臺便會調用公共組件的接口來實現模型格式自動轉換及I3S、3DTiles 等格式的三維服務自動發布，為智慧城市各領域應用提供全市協同共享的全息空間信息服務支撐。

4 結 論

CIM 是GIS 應對新時代需求的一種融合創新，它從數據源、展現效果、技術等層面給GIS 帶來新的生命力。CIM 具有良好的開放性、兼容性和可擴展性，通過多源異構數據融合與技術集成，尤其在GIS 的基礎上融合BIM，不但克服了GIS 缺乏對城市實體內部、細節、參數化的精準刻畫，還通過工程建設項目BIM 報建，為CIM 提供自我完善機制，持續推動CIM新陳代謝、自我生長、發展壯大。通過整合經濟社會物聯網等實時“流”信息大數據，共同構成城市有機生命體的CIM 全息底板，實現對城市空間細節的精準刻畫，虛實融合、以虛控實，在數字空間對城市治理方案進行不限次數的模擬仿真試錯，找到最優解，然后在物理世界執行最優方案，避免在物理世界中為試錯付出高昂的成本，實現更精細、更高效、更智能的城市治理。作為城市智慧化轉型的空間協同載體，促進智慧城市開放共享、協同互聯，為智慧城市的建設和運營提供堅實有力的基礎支撐，賦能城市治理體系和治理能力現代化。