成都市城市空间信息模型系统建设实践

成都市城市空间信息模型系统建设实践

杨小华 1 张丹 1 郭洪彬 2

1成都市规划信息技术中心 四川成都 610000 2北京超图软件按股份有限公司 四川成都 610041

摘要：数字孪生技术是有力推动数字产业化和产业数字化进程的重要抓手，近年来，国家密集出台政策文件，大力推动城市信息模型平台（CIM）及建筑信息模型（BIM）相关技术、产业与应用快速发展，加速了数字孪生技术在智慧城市建设过程中的应用。成都市规划信息技术中心于2018年至2021年完成了成都市城市空间信息模型系统一期、二期的开发研究工作，满足了对城市三维数据的日常展示与规划管理需求，为城市科学规划与决策提供先进的三维展示及分析支撑，同时也为成都市城市信息模型平台（CIM）的建设打下了坚实的基础。

关键词：数字孪生技术 城市信息模型平台 建筑信息模型 科学规划决策

1. 引言

成都市规划信息技术中心自2011年以来，利用三维技术辅助原成都市规划管理局建设项目审批1000余项，实现了规划审批从二维到三维的转变，广泛应用于规划编制业务、规划审批业务、证后抽查业务。但是，随着技术的不断发展，尤其是在2018年完成成都五城区420平方公里实景三维数据生产以后，对于该三维数据的承载和展示效果，也对三维平台提出了迫切需求。为了更好的服务于城市规划编制、审批、证后抽查监督等工作，同时也为成都市新型智慧城市建设和服务提供三维数据综合展示与分析支撑，成都市规划信息技术中心开展了“成都市城市空间信息模型系统”项目建设，并于2018年至2021年完成了成都市城市空间信息模型系统一、二期的设计与开发研究工作。

2. 总体技术路线

   1. 采用基于服务（SOA）的Service GIS

为了确保成都市城市空间信息模型系统的可持续发展，确保其技术架构和技术体系长期不落后，根据系统公用性和基础性的特点，本次系统建设采用了面向服务的软件架构（Service-Oriented Architecture），SOA是一种组件模型，它通过应用程序功能单元之间定义完善的接口和契约，来联系应用程序中的不同服务。（见图1）

图1 SOA模型

1. 2. 以WebGL的方式实现网页客户端三维展示

随着网络技术和计算机技术的发展，基于Web的三维可视化技术也得到了快速的发展，并有着广泛的应用。但传统的用于实现三维数据的Web3D技术包括VRML、X3D、Java3D等技术，都需要安装插件或者加载组件，而且具有操作性复杂、兼容性差等缺点。因此实现Web3D免插件环境将是网络三维发展的一个方向。WebGL规范的出现为web浏览器带来无插件三维图形加速，其兼容性强、渲染效果好，得到了众多浏览器生产厂商支持。该技术的出现使得三维数据无需插件直接在网络浏览器中的可视化成为现实。

3. 总体架构设计

成都市城市空间信息模型系统总体架构包括支撑层、数据层、逻辑层和应用层四层（见图2）

支撑层：支撑层即系统运行所需要的服务器、网络、数据库、存储、基础GIS平台等相关基础设施，现有的私有云中心服务器结合现有的基础软件，可以满足需求。

数据层：系统数据层主要分为基础地理信息库与业务管理数据库，其中基础地理信息主要包括基础地形数据、数字高程模型、遥感影像数据、3DMAX三维模型数据、各类规划数据，用于三维GIS展示；业务管理数据主要包括数据目录、标注信息、用户管理数据。另外还有管理数据的元数据库。

逻辑层：系统逻辑层主要基于基础三维地理信息平台，针对成都市三维数据管理需求，实现三维空间数据管理、三维空间分析、三维空间浏览、空间数据目录管理等功能模块，在实现成都市三维空间数据管理的同时，能基于成都市三维基础空间数据，实现规划分析、管网应用、社会公众应用等应用支撑模块。

应用层：基于逻辑层功能模块，实现成都市三维数据的浏览、空间查询、空间分析、三维测量、规划分析、管网应用、社会公众应用等应用功能。

图2：总体架构图

4. 主要技术创新

   1. 多维数据一体化管理及三维综合展示

成都市城市空间信息模型系统搭建数据汇聚与管理的多维数据中心，以数据本地存储以及服务接入的方式整合全成都市域基础地理信息数据、规划管控数据、公共专题数据、社区人口数据、地质灾害监测点位数据、地下管网数据、多测合一分户数据、地质模型数据、BIM方案模型数据等多源、多维、异构数据，实现系统二三维数据管理一体化，并且在城市级三维数据底板上纳入多维数据，实现宏观大场景与精细局部模型无缝融合，构建出城市二三维一体化、室内外一体化、地上下一体化、多类型时空表达的可视化模式。

1. 2. 基于体元栅格的噪声影响范围表达

体元栅格是对三维连续空间或现象的规则划分，由在三维空间规则排列的体元（立方体/正六棱柱）构成，可以用于表达通讯信号、温度、风场、污染范围、噪声影响范围等三维场；成都市城市空间信息模型系统实现对噪声影响范围进行三维分析及处理以后，利用体元栅格数据格式对噪声三维空间影响范围进行三维表达，并且可以对展示出来的噪声影响范围三维体进行三维剖切分析。

1. 3. 实时动态三维空间分析

成都市城市空间信息模型系统在统一的三维地理空间框架体系中挂接各类规划专题及测绘成果信息，实现多种三维场景下的可交互三维空间分析，包括三维空间关系判断、二三维缓冲区分析、叠加分析、通视分析、剖面分析、天际线分析、淹没分析、基于体元栅格的日照分析、建设强度分析等二三维基础分析能力以及基于体元栅格场数据表达的噪声三维空间影响范围分析等可视化建模的复杂分析能力，助力多业务三维场景的辅助决策。

1. 4. 基于多测合一分户数据的全要素数据关联支撑

以多测合一分户数据为核心，通过坐标计算、矢量三维化等技术手段，实现三维场景中小区楼栋的分层分户表达，通过分户数据可以关联单位机构、工商注册、人口、房屋用途、城市POI等多类别数据，从而实现基于楼栋分层分户实体的多种查询和下钻展示方式。从表达的精细程度上，可以按地址的详细程度分单个建筑物、单层、单户等粒度，可以接入纳税、水电气、安防警务、交通物流、旅游资源、公共医疗等诸多城市公共系统的动态信息资源，从而实现“以三维分层分户地理实体关联地址，以地址关联多维度数据”的全要素联动。

5. 主要建设内容

   1. 数据库建设

建立成都市城市空间信息模型系统的核心数据库，统一所有业务数据及空间数据的标准及格式，便于系统实现不同业务数据综合分析、叠加显示等，不同业务数据的调取和显示，便于数据的管理、维护与安全保障。

将不同业务应用的数据分别按照各自的编码保存在数据库中，按照多级数据表达索引机制进行索引，实现数据显示的平滑过渡和逐步载入，实现多类型数据的集成管理，主要包括基础空间数据库和三维业务空间数据库，其中业务空间数据库包含地下管网数据、规划数据、地质灾害数据以及社区防灾减灾等相关数据（见图3）。

图3：数据分类

1. 2. 标准规范建设

结合行业内现有成功的三维地理空间框架的标准规范成果，进一步探索、研究行业内新型三维数据、专业三维地理信息数据等的应用成果和标准，结合成都市规划信息技术中心本地实际情况，形成指导和规范全市三维数据建设标准规范体系，作为成都市城市空间信息模型系统建设与运营维护的主要标准。

1. 3. 主要功能模块

成都市城市空间信息模型系统主要包括基础三维分析、土地出让展示、规划专题展示、规划指标展示、三维管网、BIM方案上传、三维小场景、矿产资源管理、社会公众应用等几大功能模块（见图4）。

图4：功能结构图

1. 1. 1. 基础三维分析模块

通过运用前端GPU的运算能力，结合相关算法，在三维场景中实现坡度坡向分析、淹没分析、填挖方分析、盒子裁剪、多边形裁剪等三维分析功能。

1. 1. 2. 土地出让展示

系统提供数据上传功能，支持将土地出让地块SHP文件直接上传到系统中，并可将上传成功的地块数据以半透明的方式直接叠加到三维场景，与三维建筑物以及控规服务等二维数据进行整合展示。

1. 1. 3. 规划专题展示

主要包括城市控制性详细规划、地铁专项规划、抗震工程规划、防洪工程规划、消防工程规划等相关规划数据专题展示。

1. 1. 4. 规划指标展示

国土空间规划指标在宏观、中观、微观层面都有体现，主要以经济指标、社会人文指标、资源环境指标和空间评价指标为主，本次主要实现了实现人口指标及控规指标的分析展示。

1. 1. 5. 三维规划分析

在成都市城市空间信息模型系统中任意选择一个建筑，可在三维地图中高亮显示该小区，并且提供基于该小区的5分钟、10分钟、15分钟的公共设施服务圈分析，展示每个等时圈内的各类公共设施。

图5：公共服务设施服务全分析

1. 1. 6. BIM方案上传

可以将BIM方案直接上传到系统中进行发布以及方案比对展示，支持直接上传的数据格式包括 fbx、Obj，其他的BIM格式数据（CATIA\Bentley\IFC\Tekla\Revit等）可以导出成UDB数据，然后直接上传。

1. 1. 7. 三维管网

在整合成都市地下管线的基础上，实现管线的三维符号化，并且实现三维管线的浏览、查询定位、断面分析、连通性分析、管线统计等应用。

1. 1. 8. 三维小场景

可以在三维场景中展示园区或者新区等小三维场景，在场景中可以综合叠加展示包括矢量数据以及三维模型数据，同时在三维场景中提供了基本的图层管理、测量、通视分析、可视域分析等功能，场景中展示的数据，均以服务形式提供。

1. 1. 9. 社会公众应用

系统建设了社区防灾减灾资源展示应用和应急预案展示应用，在三维场景中，对指定社区避难场所、灾害隐患点、医疗等各类防灾减灾应急资源以及逃生避难路线进行三维展示，并可以动画的形式展示一个社区在发生应急事件以后，社区周边应急资源分布情况以及社区居民的逃生路线分布，完成一个简单应急事件处置过程。

6. 结语

成都市城市空间信息模型系统着眼于“看、查、用、管”四个方面，利用数据库技术和二三维GIS技术，充分考虑系统建设的安全性、兼容性、可扩展性、可维护性，搭建了二三维空间数据库，并且探索建设成都市城市信息模型，实现了二三维数据统一标准化管理及综合展示、规划管理、专题展示、三维分析、行业应用等功能，进而满足了对城市三维数据的日常展示与规划管理需求，同时也为城市科学规划与决策提供先进的三维展示及分析支撑，对于提升城市规划管理软实力、增强可持续发展后劲起到了积极的推动作用。

[参考文献]

[1] 住房城乡建设部发布《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》[J].   工程建设标准化. 2020(10)

[2] 经济系统变化的信息模型[J]. 孟照刚.  管理科学文摘. 1997(12)

[3] 数字孪生城市视角的城市信息模型及现代城市治理研究[J]. 杜明芳.  中国建设信息化. 2020(17)

[4] 赋能智慧城市建设的城市信息模型（CIM）的内涵及关键技术探究[J]. 季珏,汪科,王梓豪,张宁.  城市发展研究. 2021(03)

[5] 基于领域信息模型标准的信息化实施方法[J]. 顾明,刘玉身,高歌.  铁路技术创新. 2014(02)