城市信息模型(CIM)平台建设关键技术研究

孙立志,付海龙

(天津市测绘院有限公司,天津 300381)

0 引 言

截至2021年底,国家统计局数据显示全国常住人口城镇化率达到64.72%[1],并且未来有持续增长的趋势,到2022年末中国城镇化率有可能突破66%,通过分析对比数据,按照年复合增长率超过1%发展,到2050年有可能达到80%[2]。随着城市化进程的加快,“城市病”逐渐增多,如交通拥堵、基建设施脆弱不堪、恶化的生态环境等[3],特别是人口超千万的超大城市面临的问题尤为严峻。如何在城市管理中科学地解决这些严峻的难题,包括人口、医疗、交通、环保和资源等问题,成为政府部门首要考虑的问题。习近平总书记在2020年浙江考察时指出:“让城市更聪明一些、更智慧一些,是推动城市治理体系和治理能力现代化的必由之路,前景广阔”[4]。新型智慧城市的提出是解决城市发展中遇到各种问题的强有力方法。学者们一致认为,新型智慧城市已经成为推进城镇化、破解各种城市病、提升城市治理体系以及提高城市治理能力的必由之路和战略选择[5]。而智慧城市需要一个一体化的综合平台来解决信息孤岛和重复建设的问题,城市信息模型(City Information Modeling,简称CIM)平台应运而生。

尽管城市信息模型(CIM)的理论体系和平台实践应用还处于起步阶段,但我国各个城市探索发展普遍认识到,CIM对于智慧城市的科学治理起到突出作用。CIM是以BIM、GIS、IoT等技术为基础,主要是整合CIM中的“C”即城市的历史现状未来、地上地下、室内室外等多维度多尺度的城市感知数据和信息模型数据。我国城市信息模型(CIM)发展是从2018年开始迅猛发展的[6],2018年11月住房城乡建设部将雄安、北京城市副中心、广州、南京和厦门等列入“运用建筑信息模型(BIM)进行工程项目审查审批和城市信息模型(CIM)平台建设”五个试点城市,之后深圳市、重庆市等多个地区也加快在CIM领域的探索[7],其大多都将CIM平台作为智慧城市、数字孪生城市建设的数据底座平台来搭建相应的框架。作为平台基底技术,CIM平台能够从多个维度完整描述结构复杂的城市系统,实现三维可视化展示、统计、分析及应用,辅助城市建设从“平面、外延式发展”向“立体、集约式发展”[8]。本文通过分析CIM平台建设的目标、行业痛点难点来阐述城市信息模型(CIM)平台建设研究现状。

1 CIM平台建设研究现状

1.1 建设目标

CIM平台作为智慧城市及城市三维空间的基础平台,构建包括基础地理信息、建筑物和基础设施三维模型、标准化地址库等CIM平台基础数据库,形成城市三维空间数据底板,以服务智慧城市体检、智慧建设信息、智慧规划、智慧土地储备、智慧建筑质量安全、绿色建筑、城市基础设施和智慧房地产[9]。笔者认为其建设的重要目标包括:一是数据的汇聚和融合,包括城市规划、建设、管理全生命周期中的二维GIS数据、三维模型数据以及BIM数据的汇聚与管理;二是通过建立统一的标准、接口的基础平台,推进城市规划、建设、管理、运行的业务协同,打通信息和模型在全生命周期各环节的横向和纵向流通;三是使城市建设管理实现二三维一体化,而不是仅停留在二维层面,助力建筑工业转型升级,助推城市发展和治理模式创新,推进城市数据大脑的建设。

1.2 建设难点

鉴于CIM目前在国内外都属于较新的技术,虽然国内很多城市都开展CIM平台的建设,但其还存在较多的建设难点,主要的建设难点包括:

(1)数据格式不统一,海量数据的汇聚融合技术。CIM平台需要汇聚融合城市二维及三维数据,数据要素种类丰富,格式不统一且数据量大,如何能够处理好海量数据的存储和处理是CIM平台首先要考虑的技术难题。以一幢综合性商业高楼举例,其BIM数据量就会达到几百GB,其三维构建数是几百万个。而如果上升到城市级别,数据将呈几何倍增长,因此必须解决海量数据的汇聚和融合技术。不同行业渠道的数据其格式和标准往往有很大的不同,多源异构数据的融合也是必须解决的技术难题。

(2)CIM标准体系的建立。BIM概念兴起已有近十年[10],随着BIM技术和应用的不断发展,BIM领域的软件越来越多,每个软件基本都有一套自己的格式。为了让BIM技术能够在各个工程阶段实现信息共享和传递,就需要一套标准体系,国际上已有一套城市BIM标准体系[11]。相比于BIM,CIM是多个行业的纵向和横向的打通,建立标准比BIM难度加大,国内各地方都在尝试定义自己的格式和标准,包括项目级和城市级的基础平台技术标准、数据编码标准、基础数据标准、模型交付标准等,但目前还没有形成让市场认可的标准体系框架。CIM相关标准的编制一般都与实际项目同步并需要不断修订完善,建立专业性、全面性以及权威性的一套CIM标准体系技术难度很大。

(3)加载大场景技术。CIM基础平台需要汇聚城市海量大场景,包括海量的倾斜摄影模型、人工精细模型、BIM模型等,这么多数据要稳定、融合地运行,给数据存储技术及大场景加载带来技术挑战。而针对大模型、大场景的问题,各种模型也都要进行轻量化和优化处理技术也是CIM平台建设的难点。

2 关键技术

CIM平台是CIM数据汇聚、应用的载体,是智慧城市的基础支撑平台,为相关应用提供丰富的信息服务和开发接口,支撑智慧城市应用的建设与运行。本文将结合天津市城市信息模型(CIM)平台建设项目研究经验,重点阐述CIM平台建设需要解决的关键技术。

2.1 跨平台二三维一体化地图服务Server引擎技术

CIM平台需要汇聚融合海量数据功能,即无缝集成二维GIS数据、三维模型和BIM数据等实现二三维一体化,则需要实现跨平台二三维一体化地图服务Server引擎技术。应用Spring Cloud、Kafka、Flume、Redis等技术实现能够简单、快速将不同数据源的地理空间数据发布为满足OGC标准的服务:包括能够将PostGIS数据库的二维矢量数据发布为满足OGC标准的WMS、WFS;能够将Shapefile格式的二维矢量数据文件直接发布为满足OGC标准的WMS、WFS;能够把MongoDB中的ARCGIS的切片成果快速发布为MapServer缓存服务,或满足OGC标准的WMTS/TMS服务;将文件目录存储或MongoDB中的实景模型3dtiles、人工模型3dtiles、BIM模型3dtiles、gltf、czml、kml等多种格式,发布为三维浏览服务,具备模型服务的缓存能力。应用Apache Spark、ES等计算引擎、渲染引擎、搜索引擎等功能实现地图渲染样式文件的增加、删除、修改;将专业制图软件制作好的样式文件导入到平台中,实现地图的渲染。地图服务Server对已发布的影像、高程栅格地图服务进行切片缓存,切片生成的瓦片数据会存储在系统设置位置,将切片瓦片保存在文件及数据库中,提升服务的访问效率。图1为跨平台二三维一体化地图服务Server引擎技术具体应用到CIM资源服务中心的实现。

图1 跨平台二三维一体化地图服务Server引擎技术应用

2.2 海量倾斜摄影三维模型调度及后处理技术

在CIM平台建设过程中,城市倾斜摄影三维模型、BIM模型等海量模型数据的调度和后处理技术是平台能否形成质量较高的城市CIM数据底座的关键技术,主要技术包括:

(1)倾斜摄影模型后处理美化技术。通过研究A3模型美化技术,对其纹理进行后处理,包括亮度、饱和度的批量自动调整,使其色调更加鲜艳,显示效果更加逼真,图2为模型颜色处理后前后对比,提高模型的视觉效果。

图2 模型颜色后处理调色

(2)基于倾斜摄影模型的DOM以及DSM生成技术。通过WebGL、JAI高性能渲染引擎并基于深度图的技术实现渲染生成数字正射影像(DOM)和数字表面模型(DSM)的工具,为后续建立金字塔研究提供技术基础。

(3)海量倾斜摄影模型顶层金字塔重构技术。CIM平台建设需要实现海量倾斜三维模型数据的极速浏览和加载,解决此问题需要实现基于DOM和DSM进行倾斜模型顶层金字塔的重建工具,通过对三维数字表面模型的顶点抽析和简化技术的研究,实现在重建倾斜三维模型顶层金字塔的同时尽可能保留其原有的几何结构,同时将正射纹理影像叠加在几何上。使用四叉树索引构建技术对原始数据瓦片进行抽析和精简,通过设定和优化模型调整因子对重建后的三维模型顶层进行最优调度,通过模型纹理压缩技术和二进制流文件压缩技术减少顶层重建数据的内存占用,生成osgb格式的倾斜金字塔,如图3所示。

图3 顶层金字塔重构

(4)面向WebGL的倾斜摄影模型3DTiles切片转换技术。采用定性分析的方法实现实景三维模型数据格式osgb转换为网络端三维通用格式3DTiles,对转换完的3DTiles金字塔进行调度速度优化,实现一套可用、可修改、可重建顶层的实景三维模型格式转换工具,便于web化的三维一张图极速浏览。

2.3 新型CIM前后台框架技术

基于vue+springboot的新型CIM前后台框架技术,实现三维渲染引擎与vue框架的深度结合,充分发挥vue信息系统框架在业务流方面开发的优势,弥补传统h5 GIS只侧重展示的不足,为三维平台深入电子政务业务做准备,图4为CIM前后台技术框架。

图4 CIM前后台技术框架

采用Vue+Cesium构建新型前台二三维框架。Cesium平台是一款面向三维地球和地图的、世界级的JavaScript开源产品[12],方便用户快速搭建零插件虚拟地球Web应用。原有地图操作API移植到Vue中,包括图层、查询、统计、分析等功能的移植,便于业务流程中随时操作三维地图;采用Vue+SpringBoot构建新型后台框架。SpringBoot是由Pivotal团队提供的全新框架,其简化的应用初始搭建和开发过程[13],使其能快速应用在开发领域,采用Java Spring Boot技术+PostGres数据库,满足国家对信创的要求,也为后期继续将服务改造为微服务提供基础。

3 结 语

建设CIM平台是智慧城市建设的关键环节,CIM平台是城市规划、建设、管理、运行工作的基础平台,是智慧城市的基础性、关键性和实体性信息基础设施。

本文从CIM的发展趋势,总结CIM平台的建设目标及行业发展痛点,结合天津市城市信息模型(CIM)平台建设经验,对CIM平台建设过程中的关键技术进行了研究总结。下一步,将基于CIM平台深入开展不同管理领域的CIM+应用研究,为数字城市的建设提供支撑。