CIM基 礎平臺在智慧城市建設中的應用研究

章嘯程 馬燁貝

上海勘測設計研究院有限公司 上海 200335

1 概述

智慧城市概念最早由IBM公司提出，是利用先進的信息與通信技術，從基礎設施、公共服務、社會經濟等多方面對城市進行全方面的智能化升級，提高城市的運行效率、生態環境、公共安全、居民生活等，實現一種可持續的城市發展模式[1]。目前，全球各地都在積極推進智慧城市的建設，中國也相繼提出了“智慧城市”、“互聯網+”等相關戰略[2]，北京、上海、廣州、武漢、長沙、無錫等6個城市已經開展了第一批智慧城市建設試點工作。《“十四五”住房和城鄉建設信息化規劃》中明確提出，要以建設綠色智能、安全可靠的新型城市基礎設施為目標，以CIM 平臺為支撐，推進5G、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術與城市發展深度融合應用，開展智慧城市管理服務平臺建設研究。提升城市建設管理數字化、精細化、網絡化、智能化水平，為打造便民、宜居、綠色、安全的新型智慧城市建設提供堅實底座和保障，推進城市發展轉型升級。

2 CIM基礎平臺概述

2.1 城市信息模型

CIM是管理城市復雜空間中各類要素和各種維度的全要素信息模型。它以基礎的地理信息，空間坐標系統為基礎，整合城市地上與地下、室內與室外、跨時間維度的歷史、現狀和未來多維信息模型數據和城市感知數據，構建起了三維數字空間的城市部件要素信息有機綜合體。它是數字孿生城市的核心，是智慧城市的數字底板，為城市的規劃、建設、運行管理全過程進行“智慧”賦能[3]。

2.2 CIM基礎平臺

CIM平臺是智慧城市建設的基礎平臺，是在現有信息化成果的基礎上構建以二維地圖、三維模型、BIM等數據為底板，匯集城市、土地、建設、交通、市政、教育、公共設施等各種專業規劃和建設項目全生命周期信息，全面接入移動、監控、城市運行、交通出行等實時動態數據，打造城市CIM基礎平臺和應用支撐服務，賦能全市各領域智慧應用，為智慧城市建設提供穩定、高效的三維數據底座。

CIM基礎平臺作為BIM、GIS、IoT的融合，既可以存儲城市規模的海量信息，又可以作為云平臺提供協同工作與數據調閱功能。同時可基于CIM基礎平臺開發的智慧城市應用場景，如城市一張圖、重點園區管理、重點工程管理、重點建筑管理等，為城市宏觀微觀一體化以及規監管全生命周期管理提供有效支撐，平臺總體架構如下圖所示。

圖1 CIM基礎平臺總體架構圖

2.3 關鍵技術

（1）GIS引擎+游戲級引擎混合架構

游戲級引擎可支持真實地理坐標系下的地形數據、影像數據、傾斜攝影模型、激光點云數據、BIM三維模型等大規模的、在線/離線的、多源異構的城市地理空間數據的實時動態載入。通過CIM基礎平臺，利用數字孿生技術模擬真實世界，可實現城市大體量的游戲級顯示效果，打造集宏觀微觀一體化、地上地下一體化和室內室外一體化的游戲級渲染效果的城市全要素、全空間和可交互的高逼真場景，構建全數字化三維空間可視化數字孿生。

平臺采用GIS引擎與游戲級引擎兩者集成，不僅保留了GIS引擎的定量化分析能力，且兼顧了游戲引擎對三維場景高效動態渲染的展示能力，綜合提升多尺度的城市三維實景數據渲染能力與分析能力，為進一步挖掘智慧城市建造中涉及的三維業務應用的應用價值與提升用戶體驗提供保障。

（2）大體量BIM三維模型輕量化處理技術

BIM 三維模型使用貫穿智慧城市建造的整個生命周期中，包括建筑物內外景模型、建筑單體模型、機電設備模型、綠化和管網模型等多專業的BIM三維模型，通常城市建筑物的三維模型體量較大，且不同專業間模型的復用率較低[4]。CIM基礎平臺需將城市三維模型進行實時動態的可視化展現，為了滿足不同場景下的視覺效果，平臺會盡可能壓縮大體量的BIM三維模型的大小，對BIM三維模型進行輕量化處理，使專業模型達到應用要求。

平臺的BIM三維模型輕量化處理方法包括面向幾何信息和非幾何信息拆分、幾何信息輕量化處理、最大限度保留原生模型信息等手段，采用優化的模型壓縮算法、三角網格簡化[5]、模型格式轉化等方法對BIM模型進行壓縮，利用構件模型流、運用緩存、等技術對模型進行渲染，實現BIM原生模型與對應輕量化模型的無差異展示應用。

圖2 輕量化模型展示界面圖

（3）三維全景視頻動態融合技術

三維全景動態融合技術是在三維全景的技術的基礎上進一步發展延伸形成的，可以將靜態的全景圖片轉化為動態的全景視頻圖像，并將視頻與城市三維虛擬全景進行融合，支持設備拍攝角度的360°中任何視角查看三維全景中的動態視頻。平臺不僅可以展示三維全景中的靜態的畫面，也可以展示三維全景中的動態場景，場景瀏覽不受時間、空間和地域的限制。三維全景動態融合技術運用自動投影、校準、畸變矯正等攝像測量學算法，將相鄰攝像頭傳輸的視頻畫面進行無縫拼接與融合，從而實現對城市重點區域整體現場的全景、實時、多角度監控，在CIM基礎平臺中將動態視頻圖像、聲音等進行呈現，確保畫面中聲畫對位與同步。全景視頻相對于傳統的三維展示具有更好的視覺效果表達效果，全景動態融合技術讓傳統的三維全景有了質的提高。

圖3 三維全景視頻展示界面圖

3 CIM基礎平臺在智慧城市建設中的應用

3.1 智慧工地應用

智慧城市建設施工需要同時統籌協調現場施工人員、建筑設備、物資、施工環境的安全、質量及進度等方面，CIM基礎平臺借助物聯網、BIM三維模型及三維實景技術，進行數據采集與整合，實現涵蓋城市建筑設計與施工過程的全流程信息互通。通過在智慧城市建設過程中建立互聯協同、智能生產與科學管理的智慧工地應用，對施工重點部位進行可視化實時監測，關鍵位置進行定點、遠程、視頻錄像、全景影像、無人機等方式的巡檢，確保工程質量安全。實現工地施工階段的可視化、高效化、實時化，提升施工效率并控制施工成本。

3.2 城市運維管理

城市運維管理主要利用CIM基礎平臺關聯的城市物聯網設備結合建筑物內相關設備的BIM模型，通過BIM模型對城市內的基礎設施設備進行精細化三維建模，確保設備位置的準確性，盡可能還原城市狀態。基于微服務的城市管理理念，利用設備廠商提供的設備接口提取設備監測數據，同時調用CIM基礎平臺中的管轄區域BIM三維模型，建立城市運維管理一張圖，對區域內基礎設施設備的物聯設備信息進行統一的可視化管理。利用CIM基礎平臺的智慧城市運維管理通過一個可視化頁面完成所有的信息接收，準確的顯示異常的設施設備的編號、位置、異常信息等，大大地減少運維人員的排查量，提升了城市運維管理的效率。

圖4 城市日常監測界面圖

3.3 城市更新應用

城市更新是在合理的城市規劃基礎之上，根據城市已利用的土地及地上建筑及其各種既有權利關系，對城市發展中產生的不同社會價值進行利益再分配并創造新價值的發展過程[6]。城市更新變化監測存在周期短、時效性高等特點，借助CIM基礎平臺中的實景三維場景融合應用全景數據點位、設備拍攝高度與拍攝角度等參數，實現城市全景影像與實景三維模型數據的全方位同步聯動，對現狀地物進行多維度、立體化的綜合展示與應用，實時監測城市更新的周期變化，滿足城市更新監測需求。

4 結語

智慧城市建設是實現數字中國、智慧社會的重要途徑，而CIM基礎平臺是推進智慧城市的重要基礎能力平臺。將智慧城市與CIM 基礎平臺進行有機結合，積極探索CIM+ 應用，進而讓CIM賦能智慧城市的發展。本文通過研究CIM基礎平臺在現代智慧城市建設中的應用，為推動智慧城市的建設提供有力的技術支撐。隨著現代信息化技術的不斷發展與智慧城市建設的進程的進一步推進，CIM基礎平臺在智慧城市中的應用亦會在將在未來不斷完善。