CIM论文 │ 基于CIM基础平台建设实践的三维建模与应用研究
来源丨CIM网智库专家投稿 黎治华
发布丨CIM小编
本文字数：7305
阅读时间：6分钟
基于CIM基础平台建设实践的三维建模与应用研究
【摘要】本文以CIM基础平台建设实践为背景，从CIM+应用主题出发，分析了CIM基础平台中三维模型的空间分辨率及相应的实体表达效果和应用优劣，阐述了三维模型的分类及包含的地理要素、建筑物，重点解析了三维模型与矢量数据、栅格数据、属性数据的关系及其建模技术的难易。在此基础上，对CIM基础平台中不同三维模型的数据类型及其建模技术、生产方式、建设成本和应用效果进行了评估。本文对CIM基础平台建设中三维模型的底座框架搭建、面向主题的模型体系构建及建模技术的选用等实践具有一定参考价值。
【关键词】CIM、信息模型、矢量数据、栅格数据、属性数据
三维模型（Three Dimensional Model）是地形地貌、地上地下人工建（构）筑物等的三维表达，是反映对象的空间位置、几何形态、纹理及属性等信息的模型。[1]其中，几何形态一般用点、线、面、体等几何元素构成复合实体来表达，这种复合实体被称为几何模型（Geometrical Model），也成为单体模型。CIM（City Information Modeling）是以建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、物联网（IoT）等技术为基础，构建起三维数字空间的城市信息有机综合体。[1][2]可以说，三维GIS是CIM基础平台的技术基础，三维模型是CIM基础平台的数据框架，而IOT则是CIM基础平台的动态感知器和活性数据来源。在中国城市发展新需求、西方理性化模式困境背景下，中国应抓住技术发展的历史机遇，充分导入和利用大数据、智能化、云计算、移动网络技术，融入中华文明永续理性思想，推动城乡规划设计方法群体、城市规划建设决策智能化、城乡区域建设模式协同化等方面的理性变革。[3] 当前，中国城市已迈入以“智慧”引领存量的提质改造和增量的结构调整的新型智慧城市建设的新阶段，随着“数字城市”“智慧城市”“城市大脑”等概念的提出及其技术的发展，一种对城市进行数字化描述和表达的技术理论，即CIM应运而生。当前，CIM基础平台开始成为我国新型智慧城市建设的主要发展趋势，为BIM、实景三维、单体模型等三维模型应用提供了广阔的空间。[4]近年来，地信行业发展的一个主流业务就是为CIM基础平台提供“智能地理底座”,CIM基础平台建设项目面临着三维模型的设计、生产、存储、使用和共享等系列技术问题，如采用哪些三维模型，用什么技术进行三维建模，如何降低三维建模成本，怎样达到更好的三维模型应用效果等关键问题。因此，三维模型相关的DEM、DSM、实景三维、BIM、单体模型等技术、方法和生产工艺等多个方面成为学界研究的热点和行业实践的焦点。[4][5]
CIM基础平台定位于城市智慧化运营管理。CIM行业专家吴志强院士认为CIM中的“I”指“Intelligent”，而不仅是“Information”，CIM的最终目标要把城市地上、地下的数据精化、细化、立体化，目前追求是动态化和动态管理，CIM未来重点发展方向应当容纳流结构。这对三维模型与其它数据融合应用提出了新要求。[6]
在总结广州、南京等城市CIM基础平台建设试点的经验和广泛征求相关科研机构、行业专家、城市主管部门的意见基础上，住建部发布了《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》《城市信息模型基础平台技术标准》相关指南及标准规范[1][2]，形成了全国CIM基础平台建设的蓝图。为三维模型在CIM基础平台中的应用提出了一些具体要求：一是CIM以BIM、GIS、IoT等技术为基础的整个多维多尺度空间数据和物联感知数据的三维数字空间的城市信息有机综合体，三维模型是CIM基础平台的“骨架”“载体”和“底座”。二是CIM基础平台一是要实现对城市立体空间、建筑物和基础设施等三维数字模型的管理和表达。三是要支持城市规划、建设、管理、运行工作，并提出国土空间规划、智能建筑、智慧管网、智慧交通、智慧社区等20多项的CIM+应用，这些应用涉及到智慧城市的各方面。[11]
综上，为实现CIM基础平台的基本定位、基础功能及CIM+应用，CIM平台下的三维模型应具有多层级、多尺度、多类型、多属性的语义信息体特性。如果CIM基础平台的三维模型不能和真实世界的物理实体进行语义级的映射解析，就无法支撑各类业务应用，无法支持平台与各类业务数据、二维数据、IOT等数据的汇集融合，最终可能导致CIM基础平台成为一个简单的、静态的信息展示系统。近年来，一些地市的CIM基础平台侧重三维模型汇集和景观立体展示，由于未能实现语义级的三维几何实体与属性映射，未能接入足够用的IOT设备，也未能实现CIM+应用，使得CIM基础平台成为简单的三维展示平台。因此，城市三维模型的建模、应用是CIM基础平台建设实践中的需要解决的关键问题之一。
CIM基础平台是基于可测量的精确的空间参考的严肃应用，需要采用2000国家大地坐标系的投影坐标系或与之联系的城市独立坐标系、1985国家高程系和北京时间系统等测量基础。三维模型是三维GIS中的空间实体数据，按照其精细度分为7级，分别为1）地表模型，2）框架模型，3）标准模型，4）精细模型，5）功能级模型，6）构件级模型，7）零件级模型等，其对应的精度分别为：1）小于1:1万，2）1:1万-1:5千，3）1:2千-1:1千或大于等于0.5m，4）优于1:500或大于等于0.2m、G1、N1，5）G1-G2、N1-N2或大于等于0.05m，6）G2-G3、N2-N3或大于等于0.02m，7）G3-G4、N3-N4或大于等于0.01m。其中，1-4级模型与CJJ/T157标准中规定的LOD1-4层基本对应。[1][11]
在CIM基础平台建设实践中，1-4级模型几乎能表达一个城市的全部地理实体，几乎可以对于一个城市的土地、建筑、交通、卫生等进行全面的宏观、中观和微观分析，因此CIM三维模型大部分可以采用GIS生成、“白模”建模、“标模”等建模方式，少部分则可采用“精模”等相关建模方式。5-7级的01-0.05m尺度的三维模型几乎是对实体对象的“孪生”或“克隆”，不仅建模成本非常高，而且数据量也非常大。如果没有N1-N4级的属性数据和IOT数据支撑，5-7级的三维模型的应用价值并不大。因此，5-7模型一般采用BIM、LiDAR扫描、白模、标模，甚至符号化等多种方式进行组合建模。
按照GB/T 7027《信息分类和编码的基原则和方法》规定，CIM采用面状编码方式分类并编码。CIM分类编码由“表代码”和“详细代码”两部分组成，表代码采用2位数字，详细代码由6位大类代码、6位中类代码、6位小类代码和8位子类代码组成。CIM基础平台需要汇集GIS数据、BIM数据和物联网数据等基础数据，这些数据的汇集、存储和应用涉及到多个规范标准，如：基础地理要素方面，应遵循GB/T 13923；建筑信息模型方面，应遵循GB/T 51269；城市三维模型方面，应遵循CJJ/T 157；BIM方面，GB／T51212；应遵循国民经济方面，应遵循GB/T 4754等。[13][14]
从数据构成看，CIM数据包括时空基础数据、资源调查数据、规划管控数据、工程建设项目数据、公共专题数据和物联感知数据等6门类数据。其中，时空基础数据包括三维模型有：数字高程模型、建筑、水利、交通、管线管廊、植被、地质等6类。这6类三维模型可按照CJJ/T157标准规定的LOD1-4级要求建模，或按照《导则》的1-7级要求建模。[1][12]
从CIM基础平台建设实践看，应以CIM+应用的需求、目标为导向，梳理相关标准规范，整合相关数据，遵循完整性、一致性、关联性等地理要素关系准则，构建多维度、多层次、多树状相互关联的完整的层次数据框架，形成面向关键问题解决的体系化的CIM基础平台三维模型地理底座框架（参见下表）。[16]
从上表可以看出，CIM建模是一个非常复杂的系统工程，建设CIM基础平台三维模型地理底座框架的思路是：聚焦不同层级社会经济、文化生态、生产生活的需要，CIM基础平台的建设面向区域、城市、区、街道、社区、小区等建设的主题，面向智慧城市、智慧街道、智慧园区、智慧社区、智能建筑等治理体系和治理能力现代化建设。每一个层级的多个应用主题均应组建相应的三维模型，其上级模型是对下级的综合和泛化，下级模型是对上级的分解和具体化，形成了不同层级模型的纵向与横向、整体与局部、宏观与微观的相互关联的有机联系。
人类是生存在真实世界的三维空间里。但由于早期受纸张和计算机平面制图技术限制，只能将三维世界中的实体进行投影和测绘处理得到二维GIS。二维GIS主要采用坐标空间坐标（x，y）或栅格图像（行，列，值）来表达点、线、面、复合体及符号，并与相关属性进行关联，由此二维GIS的数据结构、空间表达、空间分析及应用成为GIS行业经典的方法和技术实现。随着技术的不断进步，高程信息显得愈发重要，如建筑物高度的不同会出现线重叠，标注混乱等现象，二维GIS在描述三维空间时候显得力不从心。后来三维GIS的问世克服了这一缺陷，在二维基础上把高程维度纳入到图形运算和显示中来，三维GIS在点、线、面的基础上引入了“面三维”“体”“体元”等三维模型。[7] 因此，三维GIS的数据类型及处理方式要比二维GIS复杂的多，依据数据结构三维数据可以分为以下几类：矢量数据、拓扑数据、栅格数据、实景三维、瓦片数据、激光点云、管线数据、信息模型、白模、精细模型、属性数据、结构化数据、符号化数据、文档数据等。这些数据的来源、采集、显示、数据结构、拓扑处理及空间分析等方式都有明显区别，但均可按照矢量数据、栅格数据和属性数据三种基本类型来分析研究。
1）矢量数据
矢量数据是指在地理坐标系中用坐标表示地图图形或地理实体的位置和形状的几何数据，数量数据具有多种存储格式，如Shape、Geojson、VCT、CGR、DWG、KML等。二维矢量数据用（x，y）坐标表示各类地理对象，矢量数据包括拓扑数据、管线数据等，二维GIS的数据基础，二维GIS的成功在于将真实世界抽象为简单的二维几何模型并进行一一映射，在此基础上建立了系统化的空间分析理论和方法。三维矢量数据用（x，y，z）坐标表示,不仅增加维度，还增加了一种新的被称为“面三维”的数据类型[7]，其实就是一种三维几何模型，如球体模型、长方体模型、柱状模型、建筑模型、交通设施模型、管线模型、管廊模型、空间模型、白模、精细模型等，BIM也可以算作一种三维几何模型。相应地，三维GIS建立了“面三维”数据空间分析理论和方法，如求和、求差、求交等。但矢量数据的采集和制作成本非常高，特别是复杂地理对象，如一座寺庙，一般需要专业软件进行建模，如3d Max、UE4、Unity 3D、Revit、Bentley、Catia、SketchUp并贴上现场高分辨率照片作为纹理成为“真”三维。
在CIM基础平台实践中，为了节约数据采集和建模成本，常用方法是通过二维数据按照一定参数或算法生产三维模型，即“白模”。白模通过加载标准纹理可以让模型显示更“真实”，可以大幅度降低建模成本。同时，随着BIM的数量和规模的扩大，在三维GIS中汇集BIM成了CIM基础平台三维模型数据的主要来源，但一个普通BIM可能有千万级的点、线、面、零件等对象，给三维GIS的运行速度和分析效率带来较大困难。
2）栅格数据
栅格数据是指以空间网格为基础对每一个网格单元上赋予相应数值来表示地理实体的一种数据形式，其数据结构与图像数据用像元存储信息的方式一样，主要数据格式有TIFF、GIF、JPEG等。二维栅格数据一般采用（行，列，值）格式，其中“值”表是单元格的属性，如绿色；也要用来表述高程；三维栅格数据在二维栅格数据基础上增加高程维度，一般采用（行，列，高，值）格式，其中“高”描述地形起伏，“值”描述地物属性。实景三维由于其技术快速发展、“真”实性和采集生产成本迅速降低而得到广泛重视和应用。无论何种栅格数据，在三维GIS中一般采用网格模型（Mesh Model）进行建模，即采用一系列大小和形状接近的多边形（通常是三角形，即TIN模型）近似表示三维物体的模型，形成“皮”状几何模型，然后加上材质纹理，生成“真”实的三维模型，如三维GIS中的实景三维、DOM、DEM、DSM等模型，一些由建模工具3dMax、UE4、Unity最后生成的精细模型也采用网格模型。[8]
在CIM基础平台项目实践中，一些优于10厘米甚至2厘米的高精度实景三维模型得到一定应用，在城市地形地貌和城市面貌展示方面发挥了良好的效果。实景三维最大的问题是缺少语义，主要由于实景三维是运用网格模型对倾斜摄影数据进行空三解算后生成的表面模型，建筑物、地貌等需要关注的地理实体均在一个由栅格数据组成的网格模型里，需要关注的园区、楼幢、基础设施等均无法从中分离成单独实进行体精细化管理；同时，由于实景三维还存在成本还较高、数据量大、更新困难等问题，导致实景三维在CIM中应用推广受到限制。从实景三维进行单体化建模已成为地信行业研究热点之一，目前通过实景三维进行单体化建模主要有ID单体化、切割单体化、动态单体化和人工单体化等四种发展趋势。[9]
3）点云数据
点云数据是指在一个三维坐标系统中的一组向量的集合，以“云”的方式显示地理对象形态。点云是一种包含三维坐标、反射强度等信息的离散点。强度信息是是指LiDAR采集到的回波强度，回波强度与探测目标的表面材质、粗糙度、入射角方向，以及仪器的发波长有关。除了以“云”方式表达地理对象形态外，点云数据通过强度信息分类后用于DEM、DSM、对象外形等建模。由于点云已成为继矢量数据和栅格数据后第三类重要的时空数据源，如何从点云大数据中快速、准确获取三维地理信息成为地信领域科学应用研究的迫切需求和三维建模面临的重大难题，其中点云智能方法和技术是未来发展的重要趋势。[10]可见，目前点云数据还是一种“中间数据”，在三维GIS中很难以单体方式来表达地理实体，直接在CIM基础平台中的应用相对较少。
4）属性数据
属性数据是与地理实体的几何模型或图像相联系的描述性数据，一般是非空间数据，如点、线、面的名称、材质、温度等地理三属性信息。属性数据可分为定性的描述性数据和定量的测定性数据，描述性的属性数据除了文本外，也有照片、视频、音频等其它形式；定量性的属性数据一般以结构化的“表”来存储，通过ID与对应的空间数据相关联。属性数据一般通过业务系统、编辑系统等采集录入。
CIM基础平台建设中，需要以三维模型为“底座”汇集大量的属性数据，如人口、房产、法人、证照、信用、IOT感知数据等各类业务信息数据，以支持CIM+应用，并通过模型、AI算法等面向问题进行智能计算和决策，以让城市更智能。
4.1.主要结论
由于CIM基础平台定位于城市建设运营管理的智慧化，是个非常复杂的又须可持续发展的系统工程，需要考虑到平台的开发性、可扩展性，必须遵循“顶层设计、分步建设、逐步细化”原则，按照不同层级不同主题进行三维模型基础地理底座建设。CIM的基础三维模型主要包括地形模型、建筑模型，地形模型可通过现有高精度的地形地貌数据、高精度的LiDAR点云数据创建，建筑模型的建模方法有白模、标模、精模三类方法，更精细的建筑模型应充分利用BIM，借助高分辨率实景图像来进行纹理处理。从三维建模技术看，目前主要有三维线框建模、曲面建模以及实体建模等，在实体建模基础上还发展了特征建模、参数化建模、混合建模等技术。
4.2.技术展望
与二维图形相比三维模型负载的信息更丰富完整，具有更直观、更真实的应用效果，发展空间很大。随着CIM的发展和CIM基础平台的应用推广，三维模型将在多个行业领域中发挥更大作用，其建模方法和技术也将取得更大进展。一是建筑信息模型获得进一步发展，从当前的简单几何模型应用向数据与几何模型混合的信息模型应用方向发展；二是在三维模型分析技术中引入AI方法和技术，使得三维模型具有智能计算能力;三是三维数字技术与多源数据的融合，产生新的三维模型，进一步提高三维模型的发展空间。四是三维模型数据标准化水平进一步发展，如行业零件标模型库的发展，与CityGML、S3M类似的三维模型数据格式标准的建立。[17]
参考文献
[1]住房和城乡建设部.《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》[S].住
https://www.mohurd.gov.cn/gongkai/fdzdgknr/tzgg/202106/20210609_250420.html，2021-6-1.
[2]住房和城乡建设部.CJJ/T315-2022《城市信息模型基础平台技术标准》[S].
https://www.mohurd.gov.cn/gongkai/fdzdgknr/zfhcxjsbwj/202202/20220209_764450.html,2022-1-19.
[3]吴志强 等.转型时期的城市智能规划技术实践[J].城市建筑,2018.1.
[4]李德仁.超大城市实景三维建设的思考[R].新型测绘赋能数字化转型科技论坛，
https://new.qq.com/rain/a/20210627A08FXX00，2021.6.
[5]李德仁.数字孪生推进新型智慧城市升级发展[R].中国信息化网，
https://mp.weixin.qq.com/s/dQ6kRKkQsNvZSCSCAZpKEg，2022.6.
[6]刘宏恺.CIM与城市未来[R].超图通讯，2021.7(第74期).
[7]吕广宪.真三维GIS的海量体元数据生成与外存组织研究[D].北京大学，2007年.
[8]吴晓军 等.基于八叉树的三维网格模型体素化方法[J].《CNKI，WanFang》，2005年.
[9]陈思 等.基于倾斜摄影实景三维模型单体化分类与应用[J].北京测绘,第32卷 第4期，2018年4月.
[10]杨必胜 等.点云智能研究进展与趋势[J].测绘学报,2019-11-7.
[11]广东省住房和城乡建设厅.《城市信息模型（CIM）基础平台技术标准》（征求意见稿）[R].
http://zfcxjst.gd.gov.cn/jsgl/zcwj/content/post_3919195.html，2022-4-19.
[12]住房和城乡建设部.CJJ/T 157《城市三维建模技术规范》[S].中国建筑工业出版社，2010年.
[13]自然资源部.GB/T 13923《基础地理信息要素分类与代码》[S].中国国家标准化委员会，2022-04-15.
[14]住房和城乡建设部. GB／T51212《建筑信息模型应用统一标准》[S].中国建筑工业出版社，2017年04月.
[15]网易号.全国CIM试点城市现状与智慧城市建设思考[EB/OL].
https://www.163.com/dy/article/H43ABSMU0515APP6.html，2022.4.26.
[16]杨新新 等.关于城市信息模型（CIM）对未来城市发展作用的思考[J].《中国建设信息化》,2021(11).
[17]陈良超 等.三维模型数据标准技术研究与应用[J].测绘科学，2009.
作者简介：黎治华，博士，现任森歌公司总工程师，主要从事CIM平台、实景三维、新型测绘、智慧城市、智慧不动产、智慧旅游、智慧林业、自然资源调查等领域政策解读、关键技术研究、解决方案设计、信息建模及项目规划建设等工作；在GIS、3D数字孪生、人工智能、智慧平台、遥感、测绘及空间数据建库等技术方面有较深的研究和多个项目实践，获得过多项国家省市级科技进步奖，发表过多篇学术论文。
