基于UIM平臺構建智慧城市

文｜吳其煊 樊爍

2013年中國建筑科學研究院部分專家學者在天津某項目的實踐中提出了UIM（Urban Information Model城市信息模型）的概念。UIM是BIM從單一建筑到建筑群，再到城市的延伸模式，城市管理者能夠以城市模型為載體，實現(xiàn)從微觀到宏觀的城市管理和建設規(guī)劃。UIM采用先進的BIM技術和理念，融合多家成熟的軟件產(chǎn)品，按照城市層次、區(qū)域層次、地塊層次、建筑層次、空間層次以及設施層次等，建立多層次的、反映城市特征的空間模型。UIM數(shù)據(jù)平臺是從工業(yè)與民用建筑到建筑全行業(yè)，再到民生全行業(yè)的城市級別全息數(shù)據(jù)集合。UIM全息數(shù)據(jù)包括城市建筑、市政管線、橋梁、廠房、道路、交通管制系統(tǒng)、交通樞紐站、軌道、地形地貌、人口、戶籍等信息。

UIM信息模型

建立數(shù)字城市UIM工作理念

從狹義BIM到廣義的UIM，是一個從建筑到建筑群再到城市的發(fā)展過程，視點更高、影響更大。UIM符合從宏觀到微觀的城市管理與建設規(guī)律，也是未來數(shù)字化高度集約發(fā)展必然。

UIM平臺數(shù)據(jù)庫的建設原則包括前瞻性，采用先進的BIM技術和理念，構建超前數(shù)字城市。開放性，融合多家成熟軟件產(chǎn)品，開發(fā)基礎平臺數(shù)據(jù)庫。層次性，包括城市層次、區(qū)域層次、地塊層次、建筑層次、空間層次、設施層次。標準性，包括數(shù)據(jù)采集標準、數(shù)據(jù)存儲標準、數(shù)據(jù)交換標準。

區(qū)別于傳統(tǒng)的數(shù)字三維城市模型，數(shù)字城市作為建筑信息模型BIM的延伸，強調所有城市信息的數(shù)字化，這其中包括城市地理數(shù)字信息、建筑工程數(shù)字信息、基礎設施數(shù)字信息等等，從而實現(xiàn)各種城市數(shù)據(jù)的深度整合和應用。傳統(tǒng)的數(shù)字三維城市模型僅僅可以理解為城市GIS數(shù)據(jù)的可視化，而其中的可視化內容，如建筑，道路等僅具有基礎的地理信息，不能提供關于建筑、道路和其他基礎設施更進一步的數(shù)字信息，信息量極為有限?？梢哉f，傳統(tǒng)的數(shù)字三維城市模型只完成了基本的城市地理信息的采集以及可視化。對于真正意義上的數(shù)字城市模型和信息系統(tǒng)而言，還需要在GIS數(shù)據(jù)基礎上進一步整合建筑工程信息、城市基礎設施信息等海量的信息內容。

數(shù)字城市信息系統(tǒng)是一個三維基礎地理信息平臺，用戶可以在平臺上加載各種地理、地籍信息及業(yè)務屬性信息。通過數(shù)字城市平臺，用戶可以迅速搭建一個基于經(jīng)緯度坐標的數(shù)字地球平臺，各種傳統(tǒng)地理信息數(shù)據(jù)均可以很方便地發(fā)布到數(shù)字地球上面，包括遙感影像、地形、三維模型、GIS數(shù)據(jù)等。同時，通過數(shù)字城市信息系統(tǒng)的空間索引技術，用戶還可以將與空間位置有間接關聯(lián)或無關聯(lián)的業(yè)務屬性信息發(fā)布到數(shù)字地球平臺上。通過與各類空間數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺的結合，數(shù)字城市平臺就可以作為測繪部門、國土部門等需要的城市級基礎數(shù)據(jù)維護和管理平臺。

由于三維模型都是基于真實的測繪或者設計圖紙數(shù)據(jù)，因此可以實觀對報建的三維模型場景進行一系列的分析，例如：控高分析，規(guī)劃審批部門可根據(jù)控高數(shù)據(jù)和現(xiàn)實報建的小區(qū)的三維場景，通過此功能很直觀地了解哪些建筑超高、哪些符合規(guī)定。

配合方案上報數(shù)據(jù)包中的屬性數(shù)據(jù)、指標數(shù)據(jù)、相關附件進行綜合對比評價分析，以直觀的方式評估各個方案的優(yōu)缺點，便于使用者分析和判斷最優(yōu)化的方案。

數(shù)字城市數(shù)據(jù)維護平臺建立的技術體系

1.城市地理數(shù)據(jù)采集和對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的利用能力

數(shù)字城市數(shù)據(jù)維護平臺首先要建立在完善的城市地理信息模型的基礎上，要求實現(xiàn)數(shù)字城市的技術體系具有準確、高效的城市地理信息測繪能力。同時，對于現(xiàn)有的大量測繪數(shù)據(jù)，如二維CAD電子圖紙信息和測繪的點云數(shù)據(jù)信息，具有識別消化的能力，從而使城市地理信息模型的建立工作高效完成。

控高分析

2.城市內建筑和各項基礎設施信息的采集和承載能力

以UIM為核心的數(shù)字城市數(shù)據(jù)維護平臺與傳統(tǒng)三維城市模型的最大不同就在于，其承載了豐富的建筑和基礎設施的數(shù)字信息。所以，其建立的技術體系就必須具備BIM信息的處理能力，從而實現(xiàn)對城市內建筑和基礎設施模型的采集和存儲。

3.海量數(shù)據(jù)的存儲能力

僅傳統(tǒng)的三維城市模型的數(shù)據(jù)量就已相當龐大。再結合各個建筑和基礎設施的數(shù)字信息，數(shù)字城市數(shù)據(jù)維護平臺的數(shù)據(jù)量將達到前所未有的巨大量級。這就要求其建立的技術體系必須具有對大數(shù)據(jù)的處理能力，換而言之，其技術體系必須對云技術開放兼容。

4.各類數(shù)據(jù)的整合共享能力

整個數(shù)字城市數(shù)據(jù)維護平臺的數(shù)據(jù)不僅量大而且種類繁多，僅就建筑本身來說就包含建筑、結構、設備等各方面的信息，同時還要結合城市級別的地理信息、管線信息等等內容。各類數(shù)據(jù)之間如果不能整合共享，就會形成“信息孤島”，海量數(shù)據(jù)的存儲本身也就失去了意義。所以，平臺建立的技術體系必須具有的各類數(shù)據(jù)的兼容和傳遞能力，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合共享。

紅線分析

可視域分析

5.進一步開發(fā)應用的拓展能力

數(shù)字城市信息維護平臺建立的目的是在平臺數(shù)據(jù)的支持下實現(xiàn)科學的城市規(guī)劃、管理及運營。這就要求其建立的技術體系具備一定的開放性，可以實現(xiàn)后續(xù)各類應用程序的研發(fā)使用。

6.數(shù)字信息可視化能力

作為一個最終服務于城市的數(shù)字信息平臺，優(yōu)良的數(shù)字信息可視化水平與數(shù)據(jù)的完整準確同樣重要。通過數(shù)字可視化技術，將數(shù)字信息裝載于數(shù)字三維模型上，這本身就是BIM技術的特點。作為以UIM理論為支撐的數(shù)字城市信息維護平臺也必須將這一特點完善強化，才能進一步顯示出UIM的跨越發(fā)展。

Bentley系列軟件是數(shù)字城市UIM平臺技術體系目前唯一解決途徑

在一定層面上，我們可以認為數(shù)字城市信息維護平臺是將GIS技術和BIM技術的整合。從平臺建立的路線上講就存在以GIS為核心的“自上而下”和以BIM為核心的“自下而上”兩種技術路線。很明顯，以UIM理念為指導的數(shù)字城市選擇以后者作為其建立的技術路線。原因在于，完整的數(shù)字城市數(shù)據(jù)構成是以BIM信息為主導的。選擇從BIM出發(fā)，以點帶面形成UIM體系這樣的技術路線有利于平臺便捷完整地吸收BIM信息的內容以及信息整合。城市層面信息系統(tǒng)的建立和整合工作可以借鑒建筑單體信息系統(tǒng)建立和整合的工作模式，實現(xiàn)難度大大降低。反之，如果以GIS為主導， BIM信息載入GIS模型就會帶來大量的工作。GIS平臺對BIM信息的兼容能力也存在問題。選擇以BIM技術為核心自下而上、以點帶面的技術路線對于數(shù)字城市信息維護平臺建立在實現(xiàn)的合理性和難易程度上都具有優(yōu)勢。

對于BIM技術而言，其核心在于BIM核心建模軟件。目前，常用的核心建模軟件包括Autodesk公司的Revit系列軟件；Bentley公司以MicroStation為核心的多專業(yè)建模系統(tǒng)（AECOsim Building Designer、ProStructural、PowerCivil、OpenPlant等 ）；Nemetschek Graphisoft公 司 的ArchiCAD軟件；Gery Technology Dassault公司的CATIA軟件。

Bentley系列軟件相比其他BIM軟件的獨特優(yōu)勢在于其軟件涵蓋的內容包含了城市建設的各個領域；同時，系列中不同軟件的數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)無縫對接，也是其他軟件所不具備的。Bentley系列軟件涉及的領域包括測繪、建筑、道路交通、工廠設施、市政系統(tǒng)等各個方面。針對每一個領域都有相應的設計和數(shù)據(jù)分析軟件與之對應。不同類別的軟件可以完成本領域內項目的三維設計、建模、可視化、文檔制作和測繪工作。最為重要的是，各個針對不同類別的設計分析軟件都整合在Bentley公司的MicroStation平臺之下，這就為各類不同類型設計數(shù)據(jù)的共享互通提供了支持。這種數(shù)據(jù)之間的共享互通是數(shù)字城市信息維護平臺建立的必要條件，保證了城市各個部分之間信息的通暢。

在對GIS信息的采集和實景建模方面，結合徠卡測量系統(tǒng)在其無人機和載人航空器的高端傾斜航拍技術使用Bentley實景建模軟件Acute3D可以從航空攝影測量的影像中生成全三維實景網(wǎng)格。其測繪結果可以用于設計建模和施工環(huán)境建模，結合Bentley各類設計建模軟件的BIM模型，就可以生成整個區(qū)域的數(shù)字城市信息模型。

在數(shù)據(jù)的存儲和傳遞方面，Bentley的ProjectWise平臺可以實現(xiàn)設計數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)到后期運行維護數(shù)據(jù)的無縫對接。保證了數(shù)字城市基礎信息平臺中的各類設計數(shù)據(jù)可以準確導入平臺中。新的PorojectWise Connect版本結合云技術，更加強了數(shù)據(jù)的實時更新能力和大數(shù)據(jù)的處理能力，為數(shù)字城市信息維護平臺建立和運行提供保障。

可見，Bentley系列軟件因其涵蓋范圍廣、數(shù)據(jù)共享便利、大數(shù)據(jù)處理能力強等優(yōu)勢基本滿足了數(shù)字城市基礎平臺建立技術體系的能力要求，形成了良好的基礎。在此基礎上，還要結合最新的測繪技術、云技術、物聯(lián)網(wǎng)等技術，完成數(shù)字城市數(shù)據(jù)維護平臺的建立。

建立數(shù)字城市UIM信息維護平臺的步驟

1.信息采集

利用傾斜攝影、無人機航拍、人視街拍，衛(wèi)星遙感等高科技技術手段，獲取真實準確的城市地上設施基礎數(shù)據(jù)，利用實景建模軟件ContextCapture完成對城市地理信息的建模工作。

利用微爆破、鉆探、挖探、微波勘測等技術手段，就城市主要道路下管網(wǎng)以及地理結構進行探測，完成城市地下情況勘測，利用Bentley相關市政管網(wǎng)軟件建立城市地下管網(wǎng)設施模型。

收集城市建設信息以及民生信息，基于基礎功能目標，分類分級收集整理主要民生信息如人口、氣候、能源、能耗、醫(yī)療、交通等，加載于城市地理信息模型之上。再收集城市重要單體建筑或重大基礎設施的數(shù)據(jù)，包括城市內建筑物的物理信息——如結構、電器、設備、材料、預算、建設程度、房屋質量、高度、建筑風貌、使用情況、租售情況等全部建筑物理信息。

2.模型建立

利用MicroStation平臺下各類設計軟件完成城市地上、地下基礎信息模型和整體城市數(shù)據(jù)模型的建立。進行模型單體建筑物、構筑物的拆分，分類以及分級規(guī)則的建立。分級加載民生與建設信息。完成大數(shù)據(jù)城市模型。

完成基礎數(shù)據(jù)的收集、定位及策劃后，根據(jù)這些基礎信息，分階段、分深度地完成信息模型的建立。此階段工作主要由規(guī)劃建筑設計機構或專業(yè)數(shù)據(jù)模型公司著手，完成BIM單體建筑、建筑群UIM模型的建立。由于城市涵蓋龐大的地域面積，因此模型的建立必須分片區(qū)、分步驟、分階段，按照具有代表性的構筑物、老舊城區(qū)市政基礎設施管網(wǎng)→城市干道→核心片區(qū)→整個城市的順序完成BIM模型構建。

3.信息鏈接

依托ProjectWise平臺的信息共享和傳送能力，基于圖形、數(shù)據(jù)分離的原則，完成信息鏈接的規(guī)則研究與實施。針對受保護信息，老舊信息建立鏈接以及對載規(guī)則轉換接口處理。實現(xiàn)信息與實體數(shù)據(jù)模型的一一對應。

根據(jù)搭建完成的BIM模型單體集合構建完成城市UIM模型體系，形成城市管理的基礎數(shù)據(jù)平臺。UIM模型的構建和前期的BIM模型搭建一樣，按照分片區(qū)、分步驟、分階段進行，包含城市地形、城市建筑、城市交通、開放空間、地下管網(wǎng)等，完完全全反應出該城市的城市風貌。以UIM城市綜合實體信息模型為平臺，結合物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、地理信息系統(tǒng)等新一代信息基礎設施，建立超精確、完整性極高的數(shù)字城市信息維護平臺。

基于UIM平臺的智慧城市

智慧城市是運用信息和通信技術手段感測、分析、整合城市運行核心系統(tǒng)的各項關鍵信息，從而對包括民生、環(huán)保、公共安全、城市服務、工商業(yè)活動在內的各種需求做出智能響應?，F(xiàn)階段我國主流智慧城市類型主要有虛擬城市類、電子政務類、數(shù)據(jù)共享類以及智慧功能模塊等幾大類型。而歐美發(fā)達國家的智慧城市類型主要集中在大數(shù)據(jù)安全保護以及綠色城市兩大類型。

基于UIM建構的智慧城市特點包括可視化。UIM是建立大數(shù)據(jù)采集、整合，將城市所有信息進行可視化處理的應用平臺。視覺是人類感知速度最快的感官，眼睛對色彩、形狀和樣式的變化極為敏感，這個特點決定了可視化技術是數(shù)據(jù)分析領域的重要手段。UIM通過建立可視的城市管理交互界面，輔助決策者進行數(shù)據(jù)分析、推理和決策。

全真化。通過遙感、遙測、全息掃描等一系列現(xiàn)代科技手段，建立三維幾何尺寸、位置等等空間信息都準確真實的全真城市信息模型。

標準化。建立城市信息的標準化機制。UIM體系在對城市空間信息的處理上是可分可合的——既可以在城市模型的基礎上以多級超鏈的方式引出各級更為詳盡的城市信息，又可以在宏觀層面總體掌握城市動態(tài)。所以UIM體系是建立一套城市信息的數(shù)據(jù)標準和接口標準，未來所有的城市相關信息和數(shù)據(jù)，由于采用統(tǒng)一的標準，都能方便地接入城市管理系統(tǒng)平臺，也為信息孤島的消除提出了切實可行的手段。

UIM系統(tǒng)的核心意義是建立了一個跨系統(tǒng)、跨平臺、跨數(shù)據(jù)結構的政府綜合信息可視化處理平臺，為整合數(shù)據(jù)資源、消除數(shù)據(jù)壁壘、輔助決策和應急資源調配等等智慧城市管理應用提供了底層管理基礎構架。

智慧城市的核心理念是利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)對城市各類信息進行有效管理。希望基于UIM的智慧城市管理系統(tǒng)，是全方位的、唯一反映城市特征信息集合，一一對應城市所有建設和非建設信息，展現(xiàn)城市真實空間的虛擬實體城市數(shù)據(jù)平臺及管理平臺。