智慧城市背景下城市信息模型相關(guān)技術(shù)發(fā)展綜述

我國(guó)智慧城市建設(shè)受到廣泛關(guān)注。前幾年智慧城市取得的一些成效主要來(lái)自于社會(huì)管理和服務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理等專(zhuān)項(xiàng)領(lǐng)域開(kāi)展的一些典型示范應(yīng)用建設(shè)，但其架構(gòu)模式、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、關(guān)鍵技術(shù)等都有待進(jìn)一步發(fā)展。

當(dāng)前，智慧城市建設(shè)正向深度推進(jìn)，技術(shù)、管理和機(jī)制創(chuàng)新成為其必須遵循的核心理念，其中技術(shù)的創(chuàng)新為管理和機(jī)制的創(chuàng)新提供有力支撐。智慧城市建設(shè)已初步進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息通信技術(shù)融合應(yīng)用時(shí)代，智慧城市建設(shè)的重點(diǎn)不再是IaaS（基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）層的信息基礎(chǔ)設(shè)施和SaaS（軟件即服務(wù)）層的具體應(yīng)用，而是面向城市和區(qū)域系統(tǒng)下的多源信息的實(shí)時(shí)融合、跨領(lǐng)域的信息共享，進(jìn)而支撐跨部門(mén)的協(xié)同聯(lián)動(dòng)和城市的精細(xì)化管理服務(wù)?？梢哉f(shuō)，通過(guò)新一代信息通信技術(shù)與城市規(guī)劃建設(shè)管理的融合創(chuàng)新，為城市治理能力提升和可持續(xù)發(fā)展提供支撐，已經(jīng)成為當(dāng)前智慧城市建設(shè)的核心任務(wù)。

一、城市信息模型（CIM）及其特征與內(nèi)涵

城市信息模型（City Information Modeling，CIM）是對(duì)城市地上地下、室內(nèi)室外各種實(shí)體目標(biāo)及其時(shí)空狀態(tài)的數(shù)字化描述和表達(dá)。該術(shù)語(yǔ)近幾年才被學(xué)術(shù)界提出，其主要目的是期望提供一種有效的方法，以組織描述城市的信息。

眾所周知，利用BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的信息建模，三維GIS技術(shù)在城市規(guī)劃、土地利用、城市管理等領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。但實(shí)際應(yīng)用中，城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析、運(yùn)行、管理、決策等對(duì)城市或園區(qū)尺度地理實(shí)體的精細(xì)化、可視化、動(dòng)態(tài)化、一體化描述需求十分迫切，例如在城市運(yùn)行管理領(lǐng)域，為了透徹感知建筑、橋梁、地下空間設(shè)施、地上基礎(chǔ)設(shè)施、植被、水體、各類(lèi)設(shè)備等物理實(shí)體對(duì)象的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況以及各類(lèi)法人、自然人的生產(chǎn)、生活活動(dòng)，分析各種狀況和活動(dòng)間的耦合關(guān)系，深度挖掘城市運(yùn)行規(guī)律，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的及時(shí)感知，風(fēng)險(xiǎn)及問(wèn)題的早期預(yù)測(cè)預(yù)警和高效處置應(yīng)對(duì)，如何應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、GIS、RS、GNSS、BIM等技術(shù)，發(fā)展新型的城市建模技術(shù)，從而更好地對(duì)城市或社區(qū)進(jìn)行數(shù)字化描述表達(dá)，勾繪好智慧城市“一張藍(lán)圖”的智慧底圖，成為智慧城市建設(shè)面臨的新課題。CIM或許可以為此提供解決方案。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)CIM尚缺乏系統(tǒng)深入的研究。我們嘗試依據(jù)構(gòu)成CIM術(shù)語(yǔ)的三個(gè)單詞初步分析其基本特征。

首先是City。CIM要覆蓋城市尺度，當(dāng)然這里的“城市”可以實(shí)例化為某個(gè)城市或某個(gè)城區(qū)、某個(gè)園區(qū)、某個(gè)社區(qū)、某個(gè)院落等，但是它對(duì)建模對(duì)象的描述能力應(yīng)該是城市級(jí)的。

其次是Information。CIM所能容納的信息應(yīng)該是覆蓋各種空間、時(shí)間維度的，是能支撐各種城市應(yīng)用的。也就是說(shuō)CIM中的信息可以描述城市內(nèi)各種物理或人文實(shí)體，具有多時(shí)態(tài)、多類(lèi)型、多粒度級(jí)別、多來(lái)源等特點(diǎn)。

最后是Modeling。CIM要基于一定規(guī)則和方法，對(duì)上述信息按需進(jìn)行組織、模擬、分析和表達(dá)。更進(jìn)一步的，可通過(guò)融合、挖掘提煉新的知識(shí)，凝聚出智慧。

基于上述理解， CIM的內(nèi)涵可以概括為：

一種描述——CIM是對(duì)一個(gè)城市物理和功能特征的數(shù)字表達(dá)。

一項(xiàng)多方協(xié)同維護(hù)的資源——在城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析、運(yùn)行、管理各階段的不同利益相關(guān)方可通過(guò)在CIM中插入、提取、更新和修改信息以支持和反應(yīng)其各自職責(zé)，形成一個(gè)共享的知識(shí)資源，同時(shí)，CIM中的所有信息均應(yīng)依權(quán)責(zé)分類(lèi)分級(jí)實(shí)現(xiàn)共享。

一個(gè)過(guò)程——CIM是一個(gè)分享有關(guān)這個(gè)城市的信息，為該城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)、分析、運(yùn)行、管理中的各項(xiàng)決策提供可靠依據(jù)的過(guò)程。

二、CIM核心技術(shù)

從CIM提出的初衷和當(dāng)前發(fā)展來(lái)看，它主要與BIM、GIS及物聯(lián)網(wǎng)（IOT）等技術(shù)密切相關(guān)。

BIM發(fā)展到今天，不同行業(yè)的人對(duì)其本質(zhì)仍然存在不同的認(rèn)識(shí)，一些學(xué)者從不同的視角分別將BIM視為一個(gè)過(guò)程、一種理念、一類(lèi)方法或一項(xiàng)技術(shù)工具。美國(guó)的國(guó)家BIM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)BIM所做的最完整權(quán)威的定義為：BIM是設(shè)施的物理和功能特征的數(shù)字化表示，它可以用作設(shè)施信息的共享知識(shí)資源，成為設(shè)施全生命期決策的可靠基礎(chǔ)。BIM已在建筑、市政工程及其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

目前的3D GIS（三維地理信息系統(tǒng)）技術(shù)能夠識(shí)別三維空間實(shí)體對(duì)象上任一點(diǎn)的精確位置（坐標(biāo)），但是不能構(gòu)造實(shí)體要素間的拓?fù)潢P(guān)系，這就使很多真三維的高仿真模擬分析難以實(shí)現(xiàn)，也無(wú)法處理和表達(dá)時(shí)間維度以及更多維度的信息，因此需要向真三維及更高維度發(fā)展。在智慧城市背景下，3D GIS必將向智慧化、集成化的方向發(fā)展，不再只局限于空間分析和數(shù)據(jù)庫(kù)管理，而是與數(shù)據(jù)融合，具備挖掘知識(shí)、推理預(yù)測(cè)的能力。3D GIS正面臨兩方面的挑戰(zhàn)：一是需要面向不同專(zhuān)項(xiàng)領(lǐng)域業(yè)務(wù)應(yīng)用精準(zhǔn)描述各類(lèi)物理實(shí)體對(duì)象的空間位置；二是面向物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用需求，將三維模型的顆粒度細(xì)化設(shè)施內(nèi)部構(gòu)件的級(jí)別，以支撐城市的精細(xì)化管理。

IOT是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它通過(guò)對(duì)物理世界的信息進(jìn)行感知、計(jì)算、處理，從中挖掘知識(shí)，在信息的充分交互和鏈接的基礎(chǔ)上，使由人和物兩類(lèi)實(shí)體構(gòu)成的物理世界實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，從而根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和精確管理。物聯(lián)網(wǎng)基于由“感、傳、知、用”多個(gè)層次構(gòu)成的通用架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其在各專(zhuān)項(xiàng)領(lǐng)域的智慧應(yīng)用。

三、核心技術(shù)之間的關(guān)系

3.1 BIM與GIS關(guān)系

BIM和GIS的體系很不一樣，兩大系統(tǒng)各自具有特殊優(yōu)勢(shì)。在BIM登上歷史舞臺(tái)以前，建筑物等城市基礎(chǔ)設(shè)施通常由一個(gè)二維或者三維的圖塊來(lái)表達(dá)，BIM模型代替了圖塊之后，才得以對(duì)設(shè)施內(nèi)部進(jìn)行精細(xì)的描述。在“世界—國(guó)家—地區(qū)—省—市—場(chǎng)地（園區(qū)）—不動(dòng)產(chǎn)—設(shè)施/建成物”這一物理世界由粗到細(xì)的對(duì)象體系中，設(shè)施或建成物對(duì)象的內(nèi)部細(xì)節(jié)由BIM模型定義和表達(dá)，設(shè)施外部更大尺度的對(duì)象由GIS描述，在對(duì)城市或園區(qū)尺度內(nèi)全部物理實(shí)體進(jìn)行描述時(shí)需要集成這兩個(gè)領(lǐng)域之間的信息，CIM理論的提出可以覆蓋這一領(lǐng)域的研究工作。

3.2 BIM和IOT的關(guān)系

在工程的施工建造及運(yùn)維階段，為了滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求，數(shù)據(jù)模型要表達(dá)的對(duì)象中包含了建筑、設(shè)備、設(shè)施等物體，由于這些物體的狀態(tài)會(huì)動(dòng)態(tài)變化，BIM無(wú)法完全滿(mǎn)足關(guān)于這些物體狀態(tài)信息采集和傳遞需求。因此，需要引入IOT技術(shù)來(lái)完成環(huán)境和物質(zhì)實(shí)體動(dòng)態(tài)信息和BIM已描述的靜態(tài)信息的關(guān)聯(lián)。

BIM和IOT技術(shù)的集成，能夠銜接設(shè)計(jì)階段的虛擬與建造運(yùn)維階段現(xiàn)實(shí)，使各個(gè)工程階段的BIM交付成果的一致性和可交互性得以保障。同時(shí)這種技術(shù)的融合將帶來(lái)更多有價(jià)值的應(yīng)用模式。

3.3 GIS和IOT的關(guān)系

GIS作為IOT各種對(duì)象的統(tǒng)一空間載體，其信息源的數(shù)量和質(zhì)量直接影響到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的廣度和深度。在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)時(shí)期，基于基礎(chǔ)地理信息可以實(shí)現(xiàn)傳感器布設(shè)的選擇、空間分析，達(dá)到終端布設(shè)的科學(xué)性、合理性；傳感器網(wǎng)絡(luò)建成之后，通過(guò)基礎(chǔ)地理信息平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)傳感器的定位、追蹤、查找、控制，最終把所有的物聯(lián)對(duì)象都落到這個(gè)統(tǒng)一的空間平臺(tái)上來(lái)，在這個(gè)平臺(tái)上可以直觀、生動(dòng)、形象、快速地找到用戶(hù)想要的信息。

GIS技術(shù)屬于對(duì)空間信息的存儲(chǔ)、處理、分析、應(yīng)用的核心技術(shù)，因此，在有關(guān)物物相連的網(wǎng)絡(luò)中，必須要有相關(guān)空間信息處理平臺(tái)的支撐。在大尺度、大范圍應(yīng)用領(lǐng)域，盡管物聯(lián)網(wǎng)可以通過(guò)前端傳感器來(lái)感知對(duì)象的基本物理特征，但只局限于個(gè)別的具備傳感器的監(jiān)控點(diǎn)。如何通過(guò)現(xiàn)有的、有限的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)獲取范圍內(nèi)的任意連續(xù)點(diǎn)的信息，地理信息技術(shù)已經(jīng)在此領(lǐng)域做出了探索。通過(guò)接受某個(gè)地方的某個(gè)事件及其隨時(shí)間的變化過(guò)程，地理信息技術(shù)可以根據(jù)已有的感知數(shù)據(jù)，不僅能夠?qū)ΜF(xiàn)象的變化過(guò)程做出判斷，而且能對(duì)未來(lái)做出預(yù)測(cè)和對(duì)過(guò)去做出回溯。GIS是一種能讓物聯(lián)網(wǎng)更加智慧、更加有序、更加有用、更加直觀好用的核心技術(shù)。反之，物聯(lián)網(wǎng)本身也為GIS 提供了一種新的信息采集方法，拓展了GIS 的管理范疇。從這個(gè)意義上看，物聯(lián)網(wǎng)與GIS 是一種互相交融的關(guān)系。

四、結(jié)語(yǔ)

需要指出的是，盡管CIM主要與BIM、GIS和IOT等技術(shù)關(guān)系密切，但其不可避免地需要應(yīng)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、VR/AR（虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）等其他技術(shù)，限于篇幅本文不再介紹。

本文從當(dāng)前智慧城市需求與發(fā)展出發(fā)，介紹了CIM的基本特征及BIM、GIS、IOT等核心技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)況，簡(jiǎn)要討論了BIM、GIS與IOT之間的關(guān)系，為進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究奠定了初步基礎(chǔ)。在作者最近開(kāi)展的有關(guān)智慧園區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)及建設(shè)中，有關(guān)技術(shù)方法得到了積極的探索和應(yīng)用。我們相信，隨著技術(shù)方法的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新融合，城市信息模型理念及技術(shù)一定能為未來(lái)智慧城市和智慧園區(qū)等的建設(shè)與發(fā)展提供新的支撐。