城市信息模型(CIM)平臺建設關鍵技術研究

孫立志,付海龍

(天津市測繪院有限公司,天津 300381)

0 引 言

截至2021年底,國家統計局數據顯示全國常住人口城鎮化率達到64.72%[1],并且未來有持續增長的趨勢,到2022年末中國城鎮化率有可能突破66%,通過分析對比數據,按照年復合增長率超過1%發展,到2050年有可能達到80%[2]。隨著城市化進程的加快,“城市病”逐漸增多,如交通擁堵、基建設施脆弱不堪、惡化的生態環境等[3],特別是人口超千萬的超大城市面臨的問題尤為嚴峻。如何在城市管理中科學地解決這些嚴峻的難題,包括人口、醫療、交通、環保和資源等問題,成為政府部門首要考慮的問題。習近平總書記在2020年浙江考察時指出:“讓城市更聰明一些、更智慧一些,是推動城市治理體系和治理能力現代化的必由之路,前景廣闊”[4]。新型智慧城市的提出是解決城市發展中遇到各種問題的強有力方法。學者們一致認為,新型智慧城市已經成為推進城鎮化、破解各種城市病、提升城市治理體系以及提高城市治理能力的必由之路和戰略選擇[5]。而智慧城市需要一個一體化的綜合平臺來解決信息孤島和重復建設的問題,城市信息模型(City Information Modeling,簡稱CIM)平臺應運而生。

盡管城市信息模型(CIM)的理論體系和平臺實踐應用還處于起步階段,但我國各個城市探索發展普遍認識到,CIM對于智慧城市的科學治理起到突出作用。CIM是以BIM、GIS、IoT等技術為基礎,主要是整合CIM中的“C”即城市的歷史現狀未來、地上地下、室內室外等多維度多尺度的城市感知數據和信息模型數據。我國城市信息模型(CIM)發展是從2018年開始迅猛發展的[6],2018年11月住房城鄉建設部將雄安、北京城市副中心、廣州、南京和廈門等列入“運用建筑信息模型(BIM)進行工程項目審查審批和城市信息模型(CIM)平臺建設”五個試點城市,之后深圳市、重慶市等多個地區也加快在CIM領域的探索[7],其大多都將CIM平臺作為智慧城市、數字孿生城市建設的數據底座平臺來搭建相應的框架。作為平臺基底技術,CIM平臺能夠從多個維度完整描述結構復雜的城市系統,實現三維可視化展示、統計、分析及應用,輔助城市建設從“平面、外延式發展”向“立體、集約式發展”[8]。本文通過分析CIM平臺建設的目標、行業痛點難點來闡述城市信息模型(CIM)平臺建設研究現狀。

1 CIM平臺建設研究現狀

1.1 建設目標

CIM平臺作為智慧城市及城市三維空間的基礎平臺,構建包括基礎地理信息、建筑物和基礎設施三維模型、標準化地址庫等CIM平臺基礎數據庫,形成城市三維空間數據底板,以服務智慧城市體檢、智慧建設信息、智慧規劃、智慧土地儲備、智慧建筑質量安全、綠色建筑、城市基礎設施和智慧房地產[9]。筆者認為其建設的重要目標包括:一是數據的匯聚和融合,包括城市規劃、建設、管理全生命周期中的二維GIS數據、三維模型數據以及BIM數據的匯聚與管理;二是通過建立統一的標準、接口的基礎平臺,推進城市規劃、建設、管理、運行的業務協同,打通信息和模型在全生命周期各環節的橫向和縱向流通;三是使城市建設管理實現二三維一體化,而不是僅停留在二維層面,助力建筑工業轉型升級,助推城市發展和治理模式創新,推進城市數據大腦的建設。

1.2 建設難點

鑒于CIM目前在國內外都屬于較新的技術,雖然國內很多城市都開展CIM平臺的建設,但其還存在較多的建設難點,主要的建設難點包括:

(1)數據格式不統一,海量數據的匯聚融合技術。CIM平臺需要匯聚融合城市二維及三維數據,數據要素種類豐富,格式不統一且數據量大,如何能夠處理好海量數據的存儲和處理是CIM平臺首先要考慮的技術難題。以一幢綜合性商業高樓舉例,其BIM數據量就會達到幾百GB,其三維構建數是幾百萬個。而如果上升到城市級別,數據將呈幾何倍增長,因此必須解決海量數據的匯聚和融合技術。不同行業渠道的數據其格式和標準往往有很大的不同,多源異構數據的融合也是必須解決的技術難題。

(2)CIM標準體系的建立。BIM概念興起已有近十年[10],隨著BIM技術和應用的不斷發展,BIM領域的軟件越來越多,每個軟件基本都有一套自己的格式。為了讓BIM技術能夠在各個工程階段實現信息共享和傳遞,就需要一套標準體系,國際上已有一套城市BIM標準體系[11]。相比于BIM,CIM是多個行業的縱向和橫向的打通,建立標準比BIM難度加大,國內各地方都在嘗試定義自己的格式和標準,包括項目級和城市級的基礎平臺技術標準、數據編碼標準、基礎數據標準、模型交付標準等,但目前還沒有形成讓市場認可的標準體系框架。CIM相關標準的編制一般都與實際項目同步并需要不斷修訂完善,建立專業性、全面性以及權威性的一套CIM標準體系技術難度很大。

(3)加載大場景技術。CIM基礎平臺需要匯聚城市海量大場景,包括海量的傾斜攝影模型、人工精細模型、BIM模型等,這么多數據要穩定、融合地運行,給數據存儲技術及大場景加載帶來技術挑戰。而針對大模型、大場景的問題,各種模型也都要進行輕量化和優化處理技術也是CIM平臺建設的難點。

2 關鍵技術

CIM平臺是CIM數據匯聚、應用的載體,是智慧城市的基礎支撐平臺,為相關應用提供豐富的信息服務和開發接口,支撐智慧城市應用的建設與運行。本文將結合天津市城市信息模型(CIM)平臺建設項目研究經驗,重點闡述CIM平臺建設需要解決的關鍵技術。

2.1 跨平臺二三維一體化地圖服務Server引擎技術

CIM平臺需要匯聚融合海量數據功能,即無縫集成二維GIS數據、三維模型和BIM數據等實現二三維一體化,則需要實現跨平臺二三維一體化地圖服務Server引擎技術。應用Spring Cloud、Kafka、Flume、Redis等技術實現能夠簡單、快速將不同數據源的地理空間數據發布為滿足OGC標準的服務:包括能夠將PostGIS數據庫的二維矢量數據發布為滿足OGC標準的WMS、WFS;能夠將Shapefile格式的二維矢量數據文件直接發布為滿足OGC標準的WMS、WFS;能夠把MongoDB中的ARCGIS的切片成果快速發布為MapServer緩存服務,或滿足OGC標準的WMTS/TMS服務;將文件目錄存儲或MongoDB中的實景模型3dtiles、人工模型3dtiles、BIM模型3dtiles、gltf、czml、kml等多種格式,發布為三維瀏覽服務,具備模型服務的緩存能力。應用Apache Spark、ES等計算引擎、渲染引擎、搜索引擎等功能實現地圖渲染樣式文件的增加、刪除、修改;將專業制圖軟件制作好的樣式文件導入到平臺中,實現地圖的渲染。地圖服務Server對已發布的影像、高程柵格地圖服務進行切片緩存,切片生成的瓦片數據會存儲在系統設置位置,將切片瓦片保存在文件及數據庫中,提升服務的訪問效率。圖1為跨平臺二三維一體化地圖服務Server引擎技術具體應用到CIM資源服務中心的實現。

圖1 跨平臺二三維一體化地圖服務Server引擎技術應用

2.2 海量傾斜攝影三維模型調度及后處理技術

在CIM平臺建設過程中,城市傾斜攝影三維模型、BIM模型等海量模型數據的調度和后處理技術是平臺能否形成質量較高的城市CIM數據底座的關鍵技術,主要技術包括:

(1)傾斜攝影模型后處理美化技術。通過研究A3模型美化技術,對其紋理進行后處理,包括亮度、飽和度的批量自動調整,使其色調更加鮮艷,顯示效果更加逼真,圖2為模型顏色處理后前后對比,提高模型的視覺效果。

圖2 模型顏色后處理調色

(2)基于傾斜攝影模型的DOM以及DSM生成技術。通過WebGL、JAI高性能渲染引擎并基于深度圖的技術實現渲染生成數字正射影像(DOM)和數字表面模型(DSM)的工具,為后續建立金字塔研究提供技術基礎。

(3)海量傾斜攝影模型頂層金字塔重構技術。CIM平臺建設需要實現海量傾斜三維模型數據的極速瀏覽和加載,解決此問題需要實現基于DOM和DSM進行傾斜模型頂層金字塔的重建工具,通過對三維數字表面模型的頂點抽析和簡化技術的研究,實現在重建傾斜三維模型頂層金字塔的同時盡可能保留其原有的幾何結構,同時將正射紋理影像疊加在幾何上。使用四叉樹索引構建技術對原始數據瓦片進行抽析和精簡,通過設定和優化模型調整因子對重建后的三維模型頂層進行最優調度,通過模型紋理壓縮技術和二進制流文件壓縮技術減少頂層重建數據的內存占用,生成osgb格式的傾斜金字塔,如圖3所示。

圖3 頂層金字塔重構

(4)面向WebGL的傾斜攝影模型3DTiles切片轉換技術。采用定性分析的方法實現實景三維模型數據格式osgb轉換為網絡端三維通用格式3DTiles,對轉換完的3DTiles金字塔進行調度速度優化,實現一套可用、可修改、可重建頂層的實景三維模型格式轉換工具,便于web化的三維一張圖極速瀏覽。

2.3 新型CIM前后臺框架技術

基于vue+springboot的新型CIM前后臺框架技術,實現三維渲染引擎與vue框架的深度結合,充分發揮vue信息系統框架在業務流方面開發的優勢,彌補傳統h5 GIS只側重展示的不足,為三維平臺深入電子政務業務做準備,圖4為CIM前后臺技術框架。

圖4 CIM前后臺技術框架

采用Vue+Cesium構建新型前臺二三維框架。Cesium平臺是一款面向三維地球和地圖的、世界級的JavaScript開源產品[12],方便用戶快速搭建零插件虛擬地球Web應用。原有地圖操作API移植到Vue中,包括圖層、查詢、統計、分析等功能的移植,便于業務流程中隨時操作三維地圖;采用Vue+SpringBoot構建新型后臺框架。SpringBoot是由Pivotal團隊提供的全新框架,其簡化的應用初始搭建和開發過程[13],使其能快速應用在開發領域,采用Java Spring Boot技術+PostGres數據庫,滿足國家對信創的要求,也為后期繼續將服務改造為微服務提供基礎。

3 結 語

建設CIM平臺是智慧城市建設的關鍵環節,CIM平臺是城市規劃、建設、管理、運行工作的基礎平臺,是智慧城市的基礎性、關鍵性和實體性信息基礎設施。

本文從CIM的發展趨勢,總結CIM平臺的建設目標及行業發展痛點,結合天津市城市信息模型(CIM)平臺建設經驗,對CIM平臺建設過程中的關鍵技術進行了研究總結。下一步,將基于CIM平臺深入開展不同管理領域的CIM+應用研究,為數字城市的建設提供支撐。