城市信息模型(CIM)分級分類研究

王永海，姚 玲，陳順清，包世泰,3

城市信息模型(CIM)分級分類研究

王永海1，姚 玲2，陳順清2，包世泰2,3

(1. 廣州市建設(shè)科技中心，廣東 廣州 510030； 2.奧格科技股份有限公司，廣東 廣州 510663； 3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642)

城市信息模型(CIM)可為城市規(guī)劃、建設(shè)與管理運(yùn)營過程提供多尺度三維數(shù)據(jù)底座和科學(xué)決策支持，成為國家“十四五”規(guī)劃建設(shè)內(nèi)容。但CIM具有多尺度、多專業(yè)和多行業(yè)應(yīng)用交叉融合的復(fù)雜特性，不利于指導(dǎo)模型集成應(yīng)用和信息高效共享，建立統(tǒng)一的CIM分級分類將有效改善這一問題。通過梳理綜合對比分析城市三維模型、CityGML分級及建筑信息模型(BIM)等標(biāo)準(zhǔn)的分級層次，綜合研究CIM概念及范圍，提出了CIM從地表模型到零件級模型逐漸精細(xì)的分級方法，并得到了初步驗(yàn)證。采用面狀分類法在BIM分類的基礎(chǔ)上，對CIM分類進(jìn)行定義與擴(kuò)展，從成果、進(jìn)程、資源、特性和應(yīng)用5大維度探究了分類及規(guī)則。CIM分級與分類研究，有助于明確和規(guī)范CIM特征，促進(jìn)模型建立、加工、表達(dá)與共享應(yīng)用。

城市信息模型；CIM分級；CIM分類；建筑信息模型；地理信息系統(tǒng)

當(dāng)下，城市信息模型(city information model，CIM)在國內(nèi)已成為新型智慧城市建設(shè)的熱點(diǎn)，受到政府和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注和認(rèn)同。CIM在國內(nèi)外均處于起步階段，相關(guān)技術(shù)與理論還在討論之中[1]。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《城市信息模型(CIM)基礎(chǔ)平臺技術(shù)導(dǎo)則》(2020年9月公開發(fā)布)，CIM是以建筑信息模型(building information model，BIM)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)、物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT)等技術(shù)為基礎(chǔ)，整合城市地上地下、室內(nèi)室外、歷史現(xiàn)狀未來多維多尺度信息模型數(shù)據(jù)和城市感知數(shù)據(jù)，構(gòu)建起三維數(shù)字空間的城市信息有機(jī)綜合體。在建設(shè)及研究討論過程中，CIM遇到不少挑戰(zhàn)，包括模型概念、內(nèi)容框架、模型分級與信息分類、數(shù)據(jù)融合建模等，相關(guān)部門和專家學(xué)者從不同角度進(jìn)行了探索與研究。國內(nèi)CIM由政府引導(dǎo)開始[2]，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2018年先后將廣州、廈門、北京城市副中心、雄安新區(qū)、南京列入“運(yùn)用建筑信息模型(BIM)進(jìn)行工程項(xiàng)目審查審批和城市信息模型(CIM)平臺建設(shè)”試點(diǎn)城市，大力推進(jìn)CIM在我國的發(fā)展建設(shè)。專家學(xué)者也開始積極研究討論，王明省等[2]針對CIM每類數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)分并歸納，形成了完整的CIM數(shù)據(jù)庫，最后給出實(shí)踐應(yīng)用；楊滔等[3]以雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)BIM管理平臺項(xiàng)目為例對數(shù)字孿生城市與CIM進(jìn)行了思辨；許鎮(zhèn)等[4]通過梳理CIM的發(fā)展過程，總結(jié)了CIM的主要研究方向和技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺，并介紹了其典型應(yīng)用；孫宏軍[5]以南京市南部新城集中展示區(qū)為例研究了基于CIM的智慧城市系統(tǒng)建設(shè)；吳麗賢和林鈺杰[6]對基于CIM+GIS的配電網(wǎng)拓?fù)浣Ｅc布局算法進(jìn)行了研究。

CIM是地理信息[7]、建筑信息[8-10]、城市規(guī)劃[11]、道路交通[12]、市政管理[2]、城市環(huán)境[13]等多行業(yè)、多專業(yè)交叉匯集的領(lǐng)域[4,14]，其數(shù)據(jù)種類復(fù)雜多樣[2,11,15]。專業(yè)視角的差異導(dǎo)致一些相似概念定義或分類方法在不同專業(yè)系統(tǒng)中存在較大差異，這些差異在各自原有獨(dú)立系統(tǒng)中不被暴露，而當(dāng)考慮建立城市級CIM平臺，需要對各類相關(guān)信息匯聚、規(guī)整和共享應(yīng)用時，問題就變得十分突出。分類分級的差異，致使各類數(shù)據(jù)重疊、層次交錯、互相矛盾等問題突出，數(shù)據(jù)整合困難，進(jìn)而影響模型創(chuàng)建和應(yīng)用，但目前CIM分類分級研究尚處于探索階段。如《城市信息模型(CIM)基礎(chǔ)平臺技術(shù)導(dǎo)則》從模型表達(dá)角度提出了24級CIM指導(dǎo)了廣州和南京等地CIM顯示分級，雄安新區(qū)從模型精細(xì)角度提出“BIM1至BIM6”。

CIM涉及的GIS、BIM、城市三維模型各自有相對獨(dú)立的分級分類標(biāo)準(zhǔn)。如GB/T 13923規(guī)定了基礎(chǔ)地理信息要素分類與編碼[16]，GB/T 35634規(guī)定了瓦片數(shù)據(jù)的分級及各級別的地面分辨率和顯示比例尺[17]，GB/T 35648規(guī)定了地理信息興趣點(diǎn)的分類與編碼原則[18]，ISO 12006及GB/T 51269規(guī)定了BIM分類及編碼[19-20]，GB/T 51301規(guī)定了BIM模型的四級精細(xì)度分級[21]，CJJ/T 157規(guī)定了城市三維模型的分類及分級[22]，GB/T 4754規(guī)定了國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)的分類[23]。本文通過梳理整合上述分類分級標(biāo)準(zhǔn)和各地實(shí)踐，結(jié)合行業(yè)專家反饋意見，對比分析了CIM分級分類，這是CIM創(chuàng)建、共享、傳遞、交互的關(guān)鍵，也是CIM協(xié)同應(yīng)用的基礎(chǔ)，對推進(jìn)我國CIM發(fā)展有著重要意義。

1 CIM分級分類研究路線

本文立足于CIM迫切需要解決的問題，全面梳理相關(guān)國標(biāo)、省標(biāo)和行標(biāo)(表1)，結(jié)合正參與編制的CIM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并借鑒相關(guān)城市分級分類實(shí)踐探索，確定出CIM分級分類的框架，最后總結(jié)完善得出成果。研究路線如圖1所示。

表1 借鑒標(biāo)準(zhǔn)

圖1 技術(shù)路線圖

2 CIM分級

結(jié)合具體技術(shù)路線，綜合現(xiàn)有研究文獻(xiàn)表明，CIM是在GIS和BIM的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的[4,8,24]，由GIS整合及管理建筑外部環(huán)境信息和建筑物內(nèi)部信息[8]，故CIM分級可以從GIS和BIM2方面來考慮。

城市三維模型能夠逼真的對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行模擬仿真[25]，2010年我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》[22]將城市三維模型按表現(xiàn)細(xì)節(jié)劃分為4個層級，LOD1～LOD4級隨著比列尺逐漸增大，模型精度要求逐漸提高，模型表現(xiàn)逐漸精細(xì)，側(cè)重于對地形立體表面和實(shí)體三維框架的表達(dá)。2018年《建筑信息模型設(shè)計交付標(biāo)準(zhǔn)》[20]將BIM模型按精細(xì)度等級劃分為4級，LOD1.0～LOD4.0模型逐漸精細(xì)，其中項(xiàng)目級BIM (LOD1.0)承載項(xiàng)目、子項(xiàng)目或局部建筑信息，滿足二維化或符號化識別需求的幾何表達(dá)；功能級BIM承載完整功能的模塊或空間信息，可表達(dá)建筑物的功能分區(qū)，相當(dāng)于建筑物分層分戶的單元層次；構(gòu)件級BIM承載單一的構(gòu)配件或產(chǎn)品信息，可精細(xì)表達(dá)建筑或?qū)嶓w的構(gòu)成部件；零件級BIM (LOG4.0)承載從屬于構(gòu)配件或產(chǎn)品的組成零件或安裝零件信息。DENG等[26]還詳細(xì)分析對比了CityGML與BIM的分級IFC對象及其制圖特征，根據(jù)常見模型對象及特征，可將三維模型4個等級、BIM精細(xì)度4個基本等級與CityGML5分級進(jìn)行綜合比對，雖然各級別細(xì)節(jié)略有出入，但整體上可形成見表2的級別對應(yīng)關(guān)系。

依據(jù)現(xiàn)有模型不同級別所展現(xiàn)的特征，結(jié)合各級別尺度與精細(xì)度，城市三維模型的精細(xì)模型細(xì)節(jié)表現(xiàn)層次側(cè)重表達(dá)建筑體(群)的三維框架及表面，完全達(dá)到項(xiàng)目級BIM的層次要求，故將精細(xì)模型與項(xiàng)目級BIM融合形成同一個層級。綜合設(shè)計形成7級CIM模型，其特征見表3。

CIM模型分為地表模型、框架模型、標(biāo)準(zhǔn)模型、精細(xì)模型、功能級模型、構(gòu)件級模型、零件級模型7級，其中：

(1) 1級模型是根據(jù)實(shí)體對象的基本輪廓和高度生成的三維符號，可采用GIS數(shù)據(jù)生成；

(2) 2級模型是表達(dá)實(shí)體三維框架和表面的基礎(chǔ)模型，實(shí)體邊長大于10 m (含10 m)應(yīng)細(xì)化建模，表現(xiàn)為無表面紋理的“白?！?，可采用傾斜攝影和衛(wèi)星遙感等方式組合建模；

表2 城市三維模型、CityGML和BIM層級對比

表3 CIM分級

(3) 3級模型是表達(dá)實(shí)體三維框架、內(nèi)外表面的標(biāo)準(zhǔn)模型，實(shí)體邊長大于2 m (含2 m)應(yīng)細(xì)化建模，可采用激光雷達(dá)、傾斜攝影和衛(wèi)星遙感等方式組合建模；

(4) 4級模型是表達(dá)實(shí)體三維框架、內(nèi)外表面細(xì)節(jié)的精細(xì)模型，實(shí)體邊長大于0.5 m(含0.5 m)應(yīng)細(xì)化建模，可采用傾斜攝影、激光雷達(dá)等方式組合建模；

(5) 5級模型是滿足模型主要內(nèi)容空間占位、功能分區(qū)等需求的幾何精度(功能級)，對應(yīng)建筑信息模型幾何精度G1～G2級，表面凸凹結(jié)構(gòu)邊長大于0.05 m(含0.05 m)應(yīng)細(xì)化建模，可采用BIM、傾斜攝影和激光雷達(dá)等方式組合建模；

(6) 6級模型是滿足模型主要內(nèi)容建造安裝流程、采購等精細(xì)識別需求的幾何精度(構(gòu)件級)，對應(yīng)BIM幾何精度G2～G3級，表面凸凹結(jié)構(gòu)邊長大于0.02 m (含0.02 m)應(yīng)細(xì)化建模，可采用BIM、激光雷達(dá)和人工測繪等方式組合建模；

(7) 7級模型是滿足模型主要內(nèi)容高精度渲染展示、產(chǎn)品管理、制造加工準(zhǔn)備等高精度識別需求的幾何精度(零件級)，對應(yīng)BIM幾何精度G3～G4級，表面凸凹結(jié)構(gòu)邊長大于0.01 m (含0.01 m)應(yīng)細(xì)化建模，可采用BIM和人工測繪等方式組合建模。

CIM作為新興概念，涉及城市規(guī)劃建設(shè)運(yùn)行的方方面面，若CIM層次重新建立一套分級方式既可能與現(xiàn)存行業(yè)產(chǎn)生巨大沖突分歧及重復(fù)，浪費(fèi)現(xiàn)有基礎(chǔ)資源，也不利CIM在各行各業(yè)的推廣應(yīng)用。因此，整合已有城市三維模型與BIM分級方式設(shè)計的7級CIM，其中CIM1～4級分別對應(yīng)城市三維模型的LOD1體塊模型、LOD2基礎(chǔ)模型、LOD3標(biāo)準(zhǔn)模型、LOD4精細(xì)模型，CIM4～7級分別對應(yīng)BIM的LOD1.0項(xiàng)目級模型單元、LOD2.0功能級模型單元、LOD3.0構(gòu)件級模型單元、LOD4.0零件級模型單元，能促進(jìn)現(xiàn)有模型融合、快速構(gòu)建CIM模型，便于CIM共享應(yīng)用。

3 CIM分類

從某種角度而言，BIM是CIM的細(xì)胞單元，建筑、市政、道橋、水利、園林等要素的BIM組合起來，打通其之間的關(guān)聯(lián)，就構(gòu)成了城市級別的CIM。目前，國內(nèi)外對BIM分類的研究較為完善成熟[19-20,27-29]，文獻(xiàn)[27]探析了BIM建筑功能分類編碼及擴(kuò)展路徑；ISO 12006-2[19]定義了BIM的模型框架，并給出BIM分類的方法論，指出建設(shè)項(xiàng)目全生命期信息一般應(yīng)包括建設(shè)成果、建設(shè)過程以及建設(shè)資源；美國Omniclass與Uniclass為目前建設(shè)全生命期主流編碼體系，二者均采用面分類法將工程建設(shè)過程相關(guān)內(nèi)容分解為多個維度，在各維度內(nèi)采用線分類法將概念按層次分解，從頂層設(shè)計角度對建筑全生命周期涉及的所有內(nèi)容，按施工單位功能、施工單位形式、功能、形式、細(xì)分(包括設(shè)計元素)、工作結(jié)果、產(chǎn)品、階段、服務(wù)、學(xué)科、組織角色、工具、信息、物質(zhì)、屬性等分類法進(jìn)行分類[28]；我國國標(biāo)《建筑信息模型分類和編碼》[20]從在ISO12006-2為基礎(chǔ)進(jìn)行了推展，從建設(shè)成果、進(jìn)程、資源、屬性幾個維度對BIM進(jìn)行分類；文獻(xiàn)[29]針對水電工程分類編碼應(yīng)用現(xiàn)狀和信息化發(fā)展需求，結(jié)合提出了水電工程全生命期線分類與面分類的編碼擴(kuò)展方法。本文在上述BIM標(biāo)準(zhǔn)的分類基礎(chǔ)上，考慮到CIM需完整地描述結(jié)構(gòu)復(fù)雜的城市系統(tǒng)，以領(lǐng)域擴(kuò)展思路對CIM采用面分類法進(jìn)行擴(kuò)展，包含成果、進(jìn)程、資源、特性和應(yīng)用5大維度。其中成果包括按功能分建筑物、按形態(tài)分建筑物、按功能分建筑空間、按形態(tài)分建筑空間、BIM元素、工作成果、模型內(nèi)容7種分類，前6種引用GB/T 51269附錄A.0.1～A.0.6分類，模型內(nèi)容參考GB/T 13923和CJJ 157分類；進(jìn)程包括工程建設(shè)項(xiàng)目階段、行為、專業(yè)領(lǐng)域、采集方式4種分類，前3種引用GB/T 51269附錄A.0.7～A.0.9分類，采集方式參考《測繪標(biāo)準(zhǔn)體系》；資源包括建筑產(chǎn)品、組織角色、工具、信息4種分類，引用GB/T 51269附錄A.0.10～A.0.13分類；特性包括材質(zhì)、屬性、用地類型3種分類，前2種引用GB/T 51269附錄A.0.14～A.0.15分類，用地類型引用自然資源部《國土空間調(diào)查、規(guī)劃、用途管制用地用海分類指南(試行)》的用地分類代碼；應(yīng)用包括行業(yè)1種分類，引用GB/T 4754的國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類編碼。具體分類如圖2所示。

CIM的分類可在符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《信息分類和編碼的基本原則和方法》GB/T 7027的規(guī)定下，依據(jù)可擴(kuò)延性、兼容性和綜合實(shí)用性原則進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展分類時，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中已規(guī)定的類目和編碼保持不變。

以上CIM分類具有如下特點(diǎn)：

(1) 吸收BIM精華，展現(xiàn)自身特色。BIM分類已是我國建筑工程的一個新分類系統(tǒng)，貫穿了整個建筑生命期：從概念期到報廢期，也包括了構(gòu)成建設(shè)環(huán)境及建造工程，其可在很多領(lǐng)域應(yīng)用。CIM除了匯聚BIM的信息，又加入GIS和IoT等其他信息。本文分類在BIM基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充，分類維度上新增了應(yīng)用，并在成果分類維度下新增模型內(nèi)容，進(jìn)程分類維度下新增采集方式，特性分類維度下新增用地類型等。這樣分類既充分吸收BIM已有的精華、做到高度兼容，同時又?jǐn)U展了CIM信息分類、展現(xiàn)了其自身特色。

(2) 多維分類角度，覆蓋范圍全面。CIM所容納的信息覆蓋各種空間、時間維度，可描述城市內(nèi)各種物理或人文實(shí)體，具有多時態(tài)、多類型、多粒度級別、多來源等特點(diǎn)[14]，其多尺度、多維度、多類別導(dǎo)致其數(shù)據(jù)種類復(fù)雜，數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富，單一維度的分類必然無法滿足CIM實(shí)際應(yīng)用的需求。本文從成果、進(jìn)程、資源、特性和應(yīng)用多種維度對CIM進(jìn)行分類，覆蓋范圍及內(nèi)容更加全面，更符合CIM集成應(yīng)用，也更易于現(xiàn)實(shí)的信息交換與共享應(yīng)用。

圖2 CIM分類圖

4 結(jié)束語

CIM可用于管理建筑、設(shè)施、資源與環(huán)境、城市現(xiàn)狀與規(guī)劃空間的需求，以及城市規(guī)劃建設(shè)管理全過程中各類利益相關(guān)者之間的協(xié)作，將會是未來城市智慧規(guī)劃、建設(shè)和管理運(yùn)營的重要技術(shù)支撐。本文在已有城市三維模型、CityGML及BIM分級的對比研究基礎(chǔ)上，提出了CIM從地表模型到零件級模型逐漸精細(xì)的分級方法，并得到了初步驗(yàn)證，但在各級模型的應(yīng)用與驗(yàn)證有待加強(qiáng)。探索了采用面狀分類法對CIM分類進(jìn)行定義與擴(kuò)展，從成果、進(jìn)程、資源、特性和應(yīng)用5大維度探究了分類和分類規(guī)則，下一步將加強(qiáng)與現(xiàn)有GIS等數(shù)據(jù)線狀分類編碼的銜接與自動轉(zhuǎn)換，希望為CIM數(shù)據(jù)融合與建模加工、CIM模型共享應(yīng)用推廣及CIM分級分類標(biāo)準(zhǔn)化提供幫助。

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Research on levels and classification of city information model

WANG Yong-hai1, YAO Ling2, CHEN Shun-qing2, BAO Shi-tai2,3

(1. Guangzhou Construction Science and Technology Center, Guangzhou Guangdong 510030, China; 2. Augur Intelligence Technology Ltd, Guangzhou Guangdong 510663, China; 3. College of Natural Resources and Environment, South China Agriculture University, Guangzhou Guangdong 510642, China)

The research is aimed at key characteristics of City Information Model (CIM) on level and classification. CIM could provide multi-scale 3D data base and scientific decision support for city planning, construction, management and operation, which becomes a part of 14thfive-yearnational economicandsocialdevelopmentplanning in China. CIM has the complex characteristics of multi-scale, multi-specialty and multi-industry cross-integration, which isdifficult to guide the integrated application and sharing information of models. The establishment of a unified levels and classification of CIM will effectively improve the situation. By comparing and analyzing the existing standard systems of City three-dimensional model, CityGML classification and Building information model (BIM), comprehensive concept and levels of CIM are deeply explored. This paper proposed a gradually refined levels of CIM from 1st to 7th, which includes terrain surface model, frame model, standard model, fine model,functional level model,component-level model, and part-level model. The content, feature and precision of seven-level models were described and preliminarily verified. Based on BIM classification, this paper used faceted classification method to define and expand CIM classification., including the five dimensions of result, process, resource, character and application. This research explored the levels and classification characteristics of CIM, which contribute to the creation, procedure, display, sharing and application of CIM.

city information model; levels of CIM; classification of CIM; building information model; geographic information system

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2021060995

A

2095-302X(2021)06-0995-07

2021-04-20；

2021-05-25

2019年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程BIM平臺建設(shè)專項(xiàng)項(xiàng)目(TC19083WA)；廣州市科技計劃重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(202103050001)

王永海(1982-)，男，浙江瑞安人，助理研究員，博士。主要研究方向?yàn)槌鞘行畔⒛Ｐ?。E-mail：wangyonghai@gz.gov.cn

包世泰(1977-)，男，湖北孝感人，副教授，博士，科技特派員。主要研究方向?yàn)榈乩砟M優(yōu)化、城市信息模型。E-mail：bst100@scau.edu.cn

20 April，2021；

25 May，2021

Industrial Internet Innovation and Development Project in 2019 (TC19083WA); Key R&D Project of Guangzhou Science and Technology Program (202103050001)

WANG Yong-hai (1982-), male, assistant researcher, Ph.D. His main research interest covers city information modeling. E-mail：wangyonghai@gz.gov.cn

BAO Shi-tai (1977-), male, associate professor, Ph.D,scientific special agents. His main research interests cover geographical simulation and optimization, city information modeling. E-mail：bst100@scau.edu.cn