基于三維實景建模與CIM數字孿生的智慧城市建設

基于三維實景建模 與CIM的智慧城市建設，自2012年我國中央政府出臺《國家智慧城市試點暫行管理辦法》始，國家頒布的指導智慧城市合理發展的政策逐年增加，到2017年“建設智慧社會”被正式寫進十九大報告中，智慧城市建設已上升為國家戰略。經過多年探索，我國在智慧城市建設方面已經有了豐富的實踐經驗與理論基礎，但對于智慧城市建設的具體路徑與方式，社會各界尚未達成共識。作為空間規劃信息化、時空大數據應用等領域的實踐者與探索者，國地科技一直致力于探索與我國當前信息化進程相適應的新型智慧城市建設之路。

針對我國大部分城市信息化進程尚處于智能化前期階段的現狀，國地科技認為：城市大數據的智慧應用與可視化應當是智慧城市建設的基本前提。

因此，通過數字孿生城市的建設，在虛擬空間再造一個城市，作為現實城市的映射、鏡像、仿真、輔助與實驗，可以更好地實現數字城市向智慧城市的過渡。

一、數字孿生城市建設：滿足智慧可視的本質需求

為滿足城市創新運營和應用需求，數字孿生城市建設必須解決時空信息可視化問題。而可視化的本質是要解決用戶實際的業務問題，首先要解決城市管理者和數字孿生城市系統應用能“看得懂”的問題。三維場景更容易讓觀者有代入感，能提升事件處理效率，縮短問題反應時間。對于城市管理者而言，實現城市基礎設施可視化管理、城管部件可視化定位、城市用地信息可視化監測、城市應急指揮可視化決策等方面，能更好地滿足管理與決策上的高層次應用。對于公眾而言，可視化的三維實景城市是客觀世界的真實寫照，不需要公眾具有專業知識來判讀理解，能根據實時場景進行問題查詢和處理。

國地科技基于三維實景建模與城市智能模型（CIM）的數字孿生城市建設，可利用高精度的三維實景模型為智慧城市時空大數據平臺提供全過程的可視化支撐，利用城市智能模型（CIM）通過生動準確描述實體單元并融合城市地理實體的動態信息來支撐智慧城市各類應用，從而真正意義上實現智慧城市建設的智慧可視。

二、數字孿生城市建設路徑與方法

（1）城市三維地圖是數字孿生城市可視化的重要基礎

傳統的智慧城市建設在空間規劃上已經實現系統化管理，但大體都停留在二維平面的階段，遠達不到智慧城市智慧化建設要求。三維空間的有效感知與實景可視化日益成為城市建設管理的重要問題，也是數字孿生城市信息化的關鍵內容，從二維平面提升到三維立體已經成為數字孿生城市建設的迫切需求。

首先，從三維實景建模的數據來源來看，無人機航測、激光雷達、傾斜攝影等新一代測繪信息技術方法的發展，可以快速采集制作精細化的城市三維模型和大比例尺地形圖，搭建三維城市地理信息基礎服務框架，為數字孿生城市建設提供高精度可視化的三維空間信息和位置服務。

其次，從三維實景模型的建立過程和優點來看，通過有效刻畫空間幾何模型、拓撲圖和語義等特征，來實現精細化的三維幾何表達，真正實現基礎設施性能的語義描述，與物聯網進行拓展關聯，進而實現復雜地形地理環境的層次描述。三維實景模型的一大特點在于高低細節層次的有效轉化過程中，城市實景信息更加精細和豐富。“影像+模型”的方式實現了對目標的實景可視化查詢，對數字孿生城市進行智能化規劃和管理。

最后，從三維實景建模的應用場景來看，數字孿生城市需要實現城市管理精細化、基礎設施智能化、生活服務便利化的目標，在智慧政務、智慧城管、智慧醫療、智慧教育、智慧旅游等方面達到“以更少投入獲得更優質、更高效產出”的城市系統?？傊?，城市三維實景建模從數據來源特點、模型優勢、應用場景等方面為數字孿生城市可視化提供了重要基礎保障。

三維實景地圖建模

(2) 以時空大數據促進數字孿生城市建設的科學與高效

時空大數據主要包括時序化的基礎時空數據、公共專題數據、物聯網實時感知數據、互聯網在線抓取數據和根據本地特色擴展數據，構成數字孿生城市建設所需的地上地下，室內室外，虛實一體化的、開放的、鮮活的時空數據資源。數字孿生城市建設需要依托城市大數據技術手段，在深度應用上，基于真實有效、高精度和對象化的城市三維實景環境，對城市大數據進行精準定位、深度挖掘，提高數據信息表現力和價值，滿足城市不斷發展變化的要求。在廣度應用上，數字孿生城市建設關注大數據融合分析和應用，基于多源、海量數據分析，全面、準確地掌握事物特征和發展態勢、關鍵影響因素、發展規律，提高政府科學決策水平，提供個性化、差異化服務，提升解決復雜問題的綜合能力。

城市時空大數據平臺

（3）地理學模型、物聯網及三維模型的融合助力數字孿生城市精細模擬

地理學是研究地球表層自然和人文要素相互作用關系及其時空規律的科學，發展至今產生了涵蓋氣象，環保、應急、交通、水文等諸多領域的大量地理學模型。隨著物聯網等技術的發展，無數智能終端設備每分每秒都在產生并傳播海量的數據，這給傳統的地理學模型提供了更多高精度、實時、豐富的數據來源，同時也對原有的模型提出了新的需求和挑戰。地理學模型、物聯網及三維模型的融合，能實現城市的精細化模擬，為數字孿生城市建設管理等提供科學的決策依據。以城市內澇為例，一方面，內澇不能再作為單一的自然現象來研究，內澇的發生會引發后續的諸多城市管理問題，如交通堵塞、居民財產損失等，所以城市洪澇的研究需要將視角放在整個城市的協調發展上。另一方面，城市內澇的持續時間不會很長，在這樣短時性的要求下，仍需為后續的城市管理提供科學的決策信息。因而，計算高效、注重內澇時空過程、實時準確地可視化呈現與提供智慧服務是數字孿生城市發展和管理對城市洪澇模型新的需求。

城市內澇精細模擬

（4）城市智能模型（CIM）是構建數字孿生城市的關鍵技術

城市中的各實體的運行狀況及其生產、生活活動是一個復雜的綜合體，如何實現對其運行狀態的及時感知，風險及問題的早期預測和高效處置應對，需要建立一個具有大量決策支撐信息的多維數據模型和系統來支持上述高復雜度的分析，簡化管理機制并模擬決策。在智慧城市發展應用中，通過CIM建模以實現對城市信息的評估和高效組織是發展的必然趨勢。CIM作為實現數字孿生城市的關鍵技術，雖然其應用從數量、范圍和深度上都有飛速發展，但是目前仍然存在空間建模較為單一、實體描述尺度粗泛、實體表達較為簡單以及難以實現真三維的高仿真模擬分析、處理和表達更多維度信息等問題。因此，國地科技致力于研究并集成創新CIM技術，以實現對城市地理實體信息進行有效的組織，形成城市的數字化鏡像，并依托這一鏡像有力支撐具體應用，從而實現針對城市各專業領域的規劃、建設和運行管理等應用層級的有效協同、精確分析、實時預警預測以及動態的高仿真可視化管理。

CIM的技術構成及應用路徑

三、基于數字孿生城市建設的智慧應用與國地實踐

（1）視頻和三維模型的融合展開數字孿生城市多場景應用

隨著智慧城市網絡通信層、物聯感知層、支撐平臺層、智慧應用層的深入建設，如何將高效海量的城市動態視頻信息進行調用、查看以及視頻場景分析，并與三維實時模型融合，成為當前智慧城市創新建設的重要內容。

城市三維地理信息視頻融合技術從城市地理信息應用的角度出發，依托城市三維實景模型，匹配動態監控視頻，直觀精準打造動態數字孿生城市可視化沙盤，融合人工智能大數據挖掘、物聯網感知信息，以及業務應用系統，打破各系統信息孤島，提升數據應用價值，更好地服務于用戶，目前能應用于交通、應急、安防、警用、城市內澇等多種場景。

視頻與三維模型有機融合首先可以應用于路徑規劃調度，能在交通、應急處理發揮有效作用。在數字孿生城市建設中按照城市道路走向、重要區域部署、特殊情景設計等要求，規劃和設置路徑瀏覽，實現多個事故預案保存和調度，高效用于預置路徑全程動態監控和實時態勢掌握，實現城市部門可視化精準指揮。其次，能夠展開全景細節追視，在安防、警用調查提供重要信息。警務部門在實現宏觀全景瀏覽的同時，關聯高速球機來捕捉目標特寫視頻畫面，解決細節不清晰、視角有偏差等問題，為運動目標的連續、精確監控提供有效手段，在安保、警方迅速獲取視頻信息并及時做出判斷和響應方面提供有力技術支持。另外，還可以實現二維三維聯動，能對城市內澇、火災等自然災害進行及時監控。通過二維場景和三維場景模型統一聯動操作，將二維場景作為整體觀測畫面，三維實景模型場景用于具體區域的視角全程監測，做到整體宏觀和具體細節的協調統一態勢感知，對自然災害的發生與突變做到及時有效控制。

三維實景模型與監控視頻融合

（2）數字孿生城市建設智慧應用的國地實踐

在基于三維實景建模和CIM的數字孿生城市建設上，國地科技做了初步規劃和探索，試圖通過新一代信息技術與城市現代化要求融合，為新型智慧城市建設提供新思路和新途徑，并在多個領域進行了深入實踐。

在空間規劃領域，為解決CIM的應用潛能和優勢未充分發揮的現狀，在用地尺度構建多維態元胞模型，基于空間規劃對用地的引領，充分利用大數據在人群活動及空間行為決策挖掘方面的優勢，進行空間規劃輔助決策系統研究。

在智能管理領域，基于智慧城市對設施進行全生命周期管理的需要，CIM利用BIM在開發建設全過程中的模擬和展現優勢，充分結合大數據技術在規劃設計、施工管理、運維管理等不同階段的數據關聯和信息挖掘能力，構建耦合大數據的BIM模型，進行城市開發建設智能輔助決策系統研究。

在可視化應用領域，集成3DGIS、BIM、VR等高維可視化技術和手段的優勢，進行高仿真、動態化、可交互的可視化系統研究。

結語

智慧可視是智慧城市建設的基本前提。國地科技從當前我國大部分城市信息化發展尚處于智能化前期階段的現實出發，基于三維實景建模與城市智能模型（CIM）進行數字孿生城市建設與智慧應用，將為新型智慧城市建設提供新思路與新途徑，更好的支撐新型智慧城市“無處不在的惠民服務、透明高效的在線政府、融合創新的信息經濟、精準精細的城市治理、安全可靠的運行體系”建設目標的實現。

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