芬蘭三維城市建模概述

3D城市模型可用于規(guī)劃、可視化和決策等領(lǐng)域中。3D城市模型推動(dòng)了智慧城市模式的發(fā)展，因此，希望城市模型和承載它們的信息系統(tǒng)具有高度的互操作性，同時(shí)還希望3D城市模型能支持多種應(yīng)用程序。這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性、面臨重重阻礙的任務(wù)，例如，建模方面的歧義和差異、視角上的差異、指導(dǎo)方針的缺失、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和地理參考方面的挑戰(zhàn)，以及數(shù)據(jù)質(zhì)量方面的問題等。

1 探索數(shù)據(jù)集成

數(shù)據(jù)集成是城市建模的固有組成部分。3D城市模型結(jié)合GIS數(shù)據(jù)與攝影測(cè)量或激光掃描數(shù)據(jù)，如建筑足跡和IDs，通過三維重建和數(shù)據(jù)集成來構(gòu)建。目前，使用高度詳細(xì)的建筑信息模型(BIM)作為按規(guī)劃數(shù)據(jù)來源仍然是一個(gè)重要的開發(fā)主題，另一個(gè)發(fā)展方向是將時(shí)間序列和傳感器數(shù)據(jù)集成到城市模型中。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不是環(huán)境的靜態(tài)表示，而是將城市模型轉(zhuǎn)變成逐漸動(dòng)態(tài)化的人工“作品”，并轉(zhuǎn)向城市“數(shù)字孿生”的概念。圖1是不同類型的3D城市模型，左圖為赫爾辛基能源與氣候地圖集，中圖為埃斯波的BIM可視化，右圖為虛擬奧盧。

圖1 不同類型的3D城市模型

2 擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域

3D城市模型的應(yīng)用空間隨著技術(shù)的發(fā)展而逐步擴(kuò)大，除了城市規(guī)劃和分區(qū)這些“傳統(tǒng)”的應(yīng)用外，還希望3D城市模型能用于能源分析、詳細(xì)構(gòu)架的可視化、交互式和沉浸式應(yīng)用程序開發(fā)以及參與式GIS應(yīng)用等。這些應(yīng)用都對(duì)3D城市模型平臺(tái)提出了一些具有挑戰(zhàn)性的要求。由于3D城市模型應(yīng)用使用的平臺(tái)數(shù)量不同，關(guān)于3D城市模型的討論變得更加復(fù)雜。除了專業(yè)的GIS/CAD工具外，3D城市模型還被用于游戲引擎和各種基于Web的3D瀏覽器，如虛擬地球。

3 芬蘭主要的3D城市建模項(xiàng)目

芬蘭六大城市的一些3D城市建模項(xiàng)目及其總結(jié)分析如表1所示。

4 平臺(tái)過剩

1)研究的3D城市模型應(yīng)用了多種平臺(tái)。在19個(gè)研究項(xiàng)目中，共有13個(gè)平臺(tái)寄宿了模型，包括GIS/CAD軟件(如Trimble Locus和Bentley Microstation)、虛擬地球(如Cesium、CityPlanner、Sova3D、MAPGETS)和游戲引擎(如Unity、Unreal Engine)。在一定程度上，應(yīng)用于芬蘭3D城市建模項(xiàng)目的一些軟件的解決方案是唯一的，不會(huì)在全球更廣范圍使用。

2)在每個(gè)研究城市中，3D城市模型的維護(hù)與法定基礎(chǔ)測(cè)繪過程相關(guān)聯(lián)，而該過程很大程度上依賴于所選擇的GIS/CAD軟件。在許多情況下，由城市維護(hù)的3D模型數(shù)據(jù)被用作虛擬地球和使用3D游戲引擎項(xiàng)目的輸入或參考數(shù)據(jù)，它通常專注于特定的應(yīng)用程序，因此受眾更廣泛。

5 數(shù)據(jù)質(zhì)量和可訪問性

3D城市建模項(xiàng)目包含了各種不同層次的細(xì)節(jié)，從簡(jiǎn)單的塊模型到包含詳細(xì)建模(如立面模型)中的高度逼真模型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近一半的模型使用了規(guī)劃數(shù)據(jù)，如BIM或建筑計(jì)劃，超過一半的城市模型覆蓋了城市的整個(gè)區(qū)域。除了數(shù)據(jù)質(zhì)量外，可訪問性在3D城市建模中也起著至關(guān)重要的作用，特別是當(dāng)模型被用作開發(fā)新應(yīng)用程序的基礎(chǔ)時(shí)。幾乎三分之二的研究城市模型可以通過網(wǎng)絡(luò)查看器自由觀看，例如，通過單獨(dú)的查看器實(shí)用程序?qū)崿F(xiàn)，或者在虛擬地球下通過平臺(tái)本身實(shí)現(xiàn)。研究的城市模型中有超過一半是通過互聯(lián)網(wǎng)下載的，但是沒有一個(gè)城市提供原始數(shù)據(jù)，如激光點(diǎn)云。這妨礙了自由編輯模型或運(yùn)行其他分析的可能性。

表1 3D城市建模活動(dòng)分析城 市項(xiàng) 目使用的平臺(tái)數(shù)據(jù)訪問性數(shù)據(jù)公開可瀏覽數(shù)據(jù)公開可下載全市數(shù)據(jù)覆蓋按規(guī)劃信息使用埃斯波3D城市模型數(shù)據(jù)Locus—××—Leppavaara任務(wù)CityPlnner×——×奧塔涅米照明模擬Unity×——×塔皮奧拉Unity×——×赫爾辛基赫爾辛基3D+信息模型Cesium×××—赫爾辛基3D+網(wǎng)絡(luò)模型Cesium×××—3D城市模型數(shù)據(jù)Microstation—××—奧龍古拉 2030Unity×——×奧盧3D城市模型數(shù)據(jù)Locus—××—虛擬奧盧Unity、Unreal、Engine××—Hiukkavaara 3D模型Unity×——×智慧奧盧MAPGETS×—××坦佩雷3D城市模型數(shù)據(jù)Novapoint、Quadri、AutoCAD、Viasys-VDC×××—圖爾庫3D城市模型數(shù)據(jù)Locus——×—圖爾庫校園與科技園區(qū)3D模型Sova3D××——萬塔3D城市模型數(shù)據(jù)KivistoMicrostation—××—KivistoUnity×——×MinecraftMinecraft—××—MyyrmakiUnity×——×總計(jì)19131310108

6 城市模型的理想模式

制作和維護(hù)一個(gè)3D城市模型需要多個(gè)技術(shù)解決方案和多個(gè)利益方的參與。技術(shù)解決方案和利益方的數(shù)量因項(xiàng)目而異，例如，許多研究案例很可能只有有限個(gè)用途，或在有限的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行3D建模試點(diǎn)。調(diào)查結(jié)果顯示，這并不是城市建模項(xiàng)目的最初意圖，其共同愿景是使3D城市模型能作為一般平臺(tái)使用，包括再利用收集數(shù)據(jù)和模型的能力。三維模型通?？商岣呖梢暬瘜?shí)現(xiàn)的程度，這被視為增強(qiáng)不同利益方之間互動(dòng)和信任的關(guān)鍵因素。城市組織內(nèi)、外部的利益方是一個(gè)異構(gòu)的用戶組，他們對(duì)3D城市建模有不同的需求、期望和看法。目前主要存在的問題是缺少最新的指導(dǎo)方針和政策，或者是沒有遵循現(xiàn)有的指導(dǎo)方針。含糊不清的術(shù)語、缺乏協(xié)調(diào)和領(lǐng)導(dǎo)以及標(biāo)準(zhǔn)的滯后性往往會(huì)阻礙溝通和合作。此外，缺乏專業(yè)知識(shí)則無法認(rèn)識(shí)到3D城市建模的必要性，進(jìn)而不能明確建模項(xiàng)目的需求。

7 對(duì)整體情況的理解

根據(jù)對(duì)3D城市建模項(xiàng)目和相關(guān)文獻(xiàn)的特征研究，3D城市建模場(chǎng)景有三部分重疊的運(yùn)營(yíng)文化：3D GIS、BIM和計(jì)算機(jī)圖形，每一種運(yùn)營(yíng)文化對(duì)3D城市建模都有一個(gè)獨(dú)特的視角，通常會(huì)以不同的結(jié)果呈現(xiàn)(見表2)。在3D GIS類別中，建模項(xiàng)目通常具有較大的區(qū)域覆蓋范圍，但在三維重建中的細(xì)節(jié)水平有限；大多數(shù)應(yīng)用主要集中在專業(yè)用途，如城市規(guī)劃、測(cè)繪和各種地理空間分析。此外，需要強(qiáng)調(diào)指出：語義數(shù)據(jù)與現(xiàn)有城市GIS數(shù)據(jù)的聯(lián)系比幾何重建更重要。在BIM類別中，項(xiàng)目重點(diǎn)是將單個(gè)建筑按規(guī)劃數(shù)據(jù)整合到有限區(qū)域模型上，可以理解為模型轉(zhuǎn)換和內(nèi)部包含等方面是明顯的；典型應(yīng)用程序包括城市規(guī)劃、建筑許可流程和〗建筑可視化。在計(jì)算機(jī)圖形類別中，項(xiàng)目是基于游戲引擎的，通過促進(jìn)先進(jìn)的實(shí)時(shí)渲染，提供最高水平的攝影現(xiàn)實(shí)；模型通常局限于局部坐標(biāo)系，很少利用語義信息；基于3D游戲引擎的模型強(qiáng)調(diào)了類似游戲的互動(dòng)和沉浸感，目的是讓用戶，即便是行人都能參與合作和探索。

表2 3D城市建模中的運(yùn)營(yíng)文化特點(diǎn)3D GISBIM計(jì)算機(jī)圖形側(cè)重于現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)側(cè)重于按計(jì)劃的數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)與按計(jì)劃數(shù)據(jù)低等模型復(fù)雜度高等模型復(fù)雜度中等模型復(fù)雜度城市范圍數(shù)據(jù)覆蓋局地?cái)?shù)據(jù)覆蓋局地?cái)?shù)據(jù)覆蓋全球坐標(biāo)系統(tǒng)有限使用坐標(biāo)系有限使用坐標(biāo)系數(shù)據(jù)庫方法生命周期方法靈活的應(yīng)用開發(fā)方法自動(dòng)或半自動(dòng)化建模人工建模人工建模用戶參與視覺寫實(shí)(實(shí)時(shí)渲染)

從整體來看，3D城市建模是一個(gè)多樣化的多學(xué)科領(lǐng)域，其愿景是實(shí)現(xiàn)高度互操作性和平臺(tái)樣特性。然而，從荷蘭的19個(gè)3D城市模型研究項(xiàng)目來看，它們又似乎很分散，不能達(dá)到所設(shè)想的廣泛適用性。這在某種程度上可以用復(fù)雜性來解釋。首先，建模項(xiàng)目由來自不同領(lǐng)域的人執(zhí)行，使用不同的工具，并針對(duì)不同的結(jié)果；其次，3D城市模型的未來用途可能很難預(yù)測(cè)，不僅體現(xiàn)利益方本身的差異上，還體現(xiàn)在其專業(yè)知識(shí)類型方面的異構(gòu)性上。因此，很難實(shí)現(xiàn)單一的、完全協(xié)調(diào)的3D城市模型。在這三種運(yùn)營(yíng)文化中，改善人員和技術(shù)之間的相互作用和溝通是推進(jìn)互操作性和創(chuàng)建未來靈活的、需求驅(qū)動(dòng)的3D城市模型的關(guān)鍵因素。