數(shù)字城市空間框架三維模型構(gòu)建與應(yīng)用研究

王樹(shù)魁， 王睿祺， 來(lái)蘭梅， 崔蓓， 毛燕翎， 張喜梅

（1. 商丘師范學(xué)院；2. 南京市鼓樓實(shí)驗(yàn)中學(xué)；3. 南京市國(guó)土資源信息中心；4. 安徽省特殊教育中專學(xué)校）

1 引言

近年來(lái)，國(guó)家在戰(zhàn)略層面提出了數(shù)字中國(guó)、實(shí)景三維中國(guó)、城市信息模型平臺(tái)、新基建等一系列重點(diǎn)工作任務(wù)，成為新型智慧城市建設(shè)的重要抓手，建設(shè)成果形成了城市治理的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施。國(guó)內(nèi)很多城市也在嘗試通過(guò)對(duì)城市立體空間、建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施等要素的物理和功能特性進(jìn)行三維數(shù)字化模型表達(dá)，構(gòu)建三維數(shù)字空間的城市信息有機(jī)綜合體[1]，作為新型智慧城市的數(shù)字化空間載體，接入實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)物聯(lián)網(wǎng)信息，通過(guò)虛實(shí)精準(zhǔn)影射、相互聯(lián)動(dòng)，模擬城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、運(yùn)營(yíng)等復(fù)雜系統(tǒng)工作，在虛擬世界試驗(yàn)驗(yàn)證，在真實(shí)世界推廣執(zhí)行。該工作在推進(jìn)城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化中具有重要意義。

2 現(xiàn)狀分析

城市管理的眾多決策應(yīng)用場(chǎng)景，需要三維數(shù)據(jù)模型的科學(xué)支撐。城市空間三維數(shù)字模型根據(jù)表達(dá)精度，可分為框架模型和精細(xì)模型。在實(shí)景三維等工程實(shí)踐中，常常采用人工建模、傾斜攝影、激光掃描或BIM翻模等數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的投入，積累海量的高精度數(shù)據(jù)資產(chǎn)應(yīng)用于城市治理，提升了城市精細(xì)科學(xué)的管理水平。同時(shí)，也逐漸暴露出精細(xì)模型的建模成本高、維護(hù)難等一系列問(wèn)題。一般城市的三維精細(xì)模型每平方公里的建設(shè)成本為5萬(wàn)元左右，地形比較復(fù)雜，每平方公里的成本高達(dá)10萬(wàn)元以上；且不同的生產(chǎn)方式生成的數(shù)據(jù)格式不同，有三維矢量、點(diǎn)云、三角面片等，難以相互轉(zhuǎn)換和集成融合；精細(xì)模型數(shù)據(jù)量巨大，使用普通網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)難以流暢調(diào)度渲染。因此，不少團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，開(kāi)展了快速構(gòu)建城市三維空間框架模型的技術(shù)方法研究與嘗試，比如白畯文等采用自動(dòng)化、參數(shù)化方法快速構(gòu)建城市級(jí)三維GIS場(chǎng)景[2]，楊文婧開(kāi)展大區(qū)域三維建筑白模建設(shè)及關(guān)鍵技術(shù)研究[3]等，為城市大范圍全覆蓋的三維建筑單體簡(jiǎn)模的建設(shè)探索技術(shù)線路，降低了數(shù)據(jù)生產(chǎn)成本和維護(hù)難度，能滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)景的需求。城市是一個(gè)多元綜合的復(fù)雜系統(tǒng)，本文以南京為例，將基于不同數(shù)據(jù)和不同技術(shù)線路生成的數(shù)字城市空間框架模型進(jìn)行系統(tǒng)研究，構(gòu)建數(shù)據(jù)體系，建立一套城市三維框架模型數(shù)據(jù)庫(kù)，作為新型智慧城市信息協(xié)同的空間數(shù)字底板，在降低成本和提高效益的同時(shí)，滿足智慧城市治理中不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)三維數(shù)字模型的多樣化需求。

3 城市空間框架模型體系

城市空間框架模型的生產(chǎn)可基于城市既有的測(cè)繪4D 產(chǎn)品數(shù)據(jù)成果，并深入挖掘數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的需要研究數(shù)據(jù)治理的路線和標(biāo)準(zhǔn)，再利用GIS 軟件批量驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)大規(guī)模的城市建筑、道路、水體等信息模型。其利用既有的數(shù)據(jù)資源，投入成本不到精細(xì)模型的十分之一，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)格式規(guī)范統(tǒng)一，數(shù)據(jù)容易組織形成體系，能兼顧在空間分析和可視化渲染等方面的數(shù)據(jù)傳輸效率和顯示效果，作為城市治理的空間可視化載體，可滿足不同尺度場(chǎng)景下城市空間形態(tài)發(fā)展研究模擬、管控分析預(yù)警和城市運(yùn)營(yíng)管理等應(yīng)用需要。

南京面向城市規(guī)劃、自然資源管理和智慧城市等城市建設(shè)發(fā)展管理的需要，先后經(jīng)歷了城市三維公共服務(wù)平臺(tái)、城市設(shè)計(jì)成果建庫(kù)與管理[4]、CIM 平臺(tái)等技術(shù)研究與管理應(yīng)用總結(jié)，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，將城市三維框架模型系統(tǒng)地分為基礎(chǔ)模型、精工模型、功能模型、管控模型和方案模型等5類（見(jiàn)表1）。城市空間框架模型在智慧城市建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中，具有全市統(tǒng)一空間協(xié)同數(shù)字底板的作用，消除數(shù)據(jù)孤島，統(tǒng)籌各部門智慧系統(tǒng)的共建共享和協(xié)同管理，推進(jìn)城市治理數(shù)智化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展。

表1 常用城市空間框架模型分類

4 城市空間框架數(shù)字模型建設(shè)及應(yīng)用

4.1 基礎(chǔ)模型

基礎(chǔ)模型基于數(shù)字高程模型，可使用三維GIS軟件工具進(jìn)行空間提取分析，為建筑基底圖提取地面起始高程值，并作為屬性存儲(chǔ)；再根據(jù)地面高程和建筑高度信息，將建筑基底圖驅(qū)動(dòng)生成三維建筑基礎(chǔ)模型。河流、道路、綠化等其他要素采用地表覆蓋要素渲染后，疊加在數(shù)字高程模型上展示，形成全覆蓋的三維地面?；A(chǔ)模型可以看作二維地形圖的三維表現(xiàn)。基于傳統(tǒng)的二維地形圖產(chǎn)品，能快速大范圍生成城市基礎(chǔ)模型，雖然要素的表達(dá)精細(xì)度不高，但也能夠滿足宏觀了解城市現(xiàn)狀空間結(jié)構(gòu)，開(kāi)展城市空間形態(tài)的規(guī)劃研究，進(jìn)而根據(jù)屬性信息生成城市建筑高度、建筑年代、建筑結(jié)構(gòu)等城市三維空間專題圖或熱力圖等應(yīng)用需求（見(jiàn)圖1）。

圖1 城市建筑高度專題圖

4.2 精工模型

精工模型基于CityEngine 規(guī)則化建模技術(shù)生成，產(chǎn)品精度和視覺(jué)效果提升明顯。同樣基于數(shù)字高程模型、建筑基底圖等現(xiàn)有數(shù)據(jù)，建筑基底圖要求更精準(zhǔn)詳細(xì)，對(duì)于頂高不唯一的建筑，需要分別構(gòu)建閉合高度范圍邊界，并附帶建筑高度、層數(shù)、材質(zhì)等屬性信息。數(shù)據(jù)治理中先進(jìn)行數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理，確保建筑基底圖符合精工模型生成標(biāo)準(zhǔn)，并帶有地面起始高程、建筑高度、層數(shù)等屬性信息；再結(jié)合人眼視覺(jué)特性和真實(shí)美觀的要求，根據(jù)建筑材料分類制作貼圖庫(kù)，為了減少數(shù)據(jù)量、提高顯示效率，貼圖可用簡(jiǎn)潔美觀的建筑手繪效果圖；針對(duì)數(shù)據(jù)和貼圖等資源，按照CGA 函數(shù)和語(yǔ)法規(guī)則，編寫建筑物拆分、拉伸、生成屋頂和女兒墻等腳本程序；最后通過(guò)CityEngine平臺(tái)運(yùn)行腳本程序批量生成精工模型，支持按材質(zhì)貼圖，并利用建筑手繪隨機(jī)留白、黑白對(duì)比等藝術(shù)手法繪制建筑分層線，增加精工模型外觀輪廓表達(dá)的效果和層次感，藝術(shù)與技術(shù)的結(jié)合使模型表現(xiàn)更加精美生動(dòng)（見(jiàn)圖2）。

圖2 城市精工模型

采用同樣的方法也可批量生成綠化、道路和水體等要素，發(fā)布之后的水體模型還具有倒影、流動(dòng)和波浪等動(dòng)態(tài)效果，各類模型與建筑模型集成融合，共同構(gòu)成城市全要素的數(shù)字底圖。精工模型采用低成本高效率的生產(chǎn)方法，可量產(chǎn)接近精細(xì)模型工藝效果的三維模型，作為城市精細(xì)模型覆蓋范圍的有效補(bǔ)充，通過(guò)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)模型的融合治理，實(shí)現(xiàn)智慧城市空間數(shù)字底板的全域覆蓋和精細(xì)仿真。

精工模型生成的關(guān)鍵是根據(jù)需要編寫自動(dòng)驅(qū)動(dòng)生成模型的腳本程序，并對(duì)腳本進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練和優(yōu)化改進(jìn)，使模型的細(xì)節(jié)造型接近真實(shí)表達(dá)，如果材質(zhì)分類足夠詳細(xì)，通過(guò)豐富貼圖模型庫(kù)，生成的模型與精細(xì)模型的效果非常接近。精工模型的更新可隨4D產(chǎn)品的更新同步進(jìn)行，快速自動(dòng)生成，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。因此，南京城市的精工模型已廣泛應(yīng)用于規(guī)劃和自然資源審批管理、城市體檢、新城建和智慧城市等應(yīng)用場(chǎng)景，成為目前應(yīng)用最廣泛的城市現(xiàn)狀三維模型。

4.3 功能模型

功能模型是將建筑模型對(duì)象精細(xì)到建筑物每層每戶功能空間的信息模型，可通過(guò)建筑物信息調(diào)查、房產(chǎn)測(cè)試或者建筑平、立、剖施工圖加工，形成建筑物的分層圖和分戶圖，分層圖附帶起始高度和層高等屬性，分戶圖體現(xiàn)空間分割范圍并掛接房間功能、工商管理、不動(dòng)產(chǎn)權(quán)等屬性信息。利用三維GIS 軟件，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)治理和模型驅(qū)動(dòng)等過(guò)程生成三維分層分戶模型，形成棟、層、戶不同粒度的模型對(duì)象（見(jiàn)圖3），作為城市信息的空間載體，分別掛接相應(yīng)的行業(yè)管理信息，實(shí)現(xiàn)從棟、到層和戶等不同顆粒度對(duì)象的數(shù)據(jù)管理、信息查詢展示和統(tǒng)計(jì)分析。比如借助河西建筑物普查構(gòu)建的分層分戶功能模型關(guān)聯(lián)用水量、用電量等能耗信息[5]，可展示過(guò)去一段時(shí)間的能耗使用動(dòng)態(tài)變化情況（見(jiàn)圖4），輔助開(kāi)展房屋空置率分析、單位GDP 能耗分析等應(yīng)用，為智慧城市現(xiàn)代化治理決策提供可靠的科學(xué)依據(jù)。南京在BIM/CIM試點(diǎn)建設(shè)中，借助BIM報(bào)建的模型數(shù)據(jù)，快速構(gòu)建不動(dòng)產(chǎn)三維空間模型，生成樓盤表，掛接每戶的建筑面積、產(chǎn)權(quán)等信息，積極探索三維不動(dòng)產(chǎn)管理應(yīng)用。

圖3 建筑分層分戶模型

圖4 建筑分層分戶用電量分析

4.4 管控模型

在國(guó)土空間規(guī)劃編制中，城市層面劃定的“三區(qū)三線”、“城市軸線”、“視線廊道”等城市虛實(shí)空間的管控要素，作為城市規(guī)劃空間管控的“底線”；在詳細(xì)規(guī)劃、城市設(shè)計(jì)和專項(xiàng)規(guī)劃的成果圖則中，通常會(huì)明確建筑高度控制、建筑后退、街墻控制、機(jī)場(chǎng)凈空等核心控制要素和控制指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)城市空間管理的智能化，可利用三維GIS建模軟件，將國(guó)土空間規(guī)劃中確定的城市空間管控核心要素根據(jù)管控要求指標(biāo)進(jìn)行三維模型實(shí)例化。批量驅(qū)動(dòng)生成城市空間管控的要素庫(kù)，作為城市空間智能化治理的管控依據(jù)，當(dāng)建筑方案報(bào)建審批時(shí)，可輔助自動(dòng)檢測(cè)預(yù)警建筑方案高度、退線、景觀視線、凈空等方面是否符合規(guī)劃要求（見(jiàn)圖5），保障城市軸線、廊道系統(tǒng)的通透舒適和秩序良好，營(yíng)造優(yōu)美和諧宜居城市空間形態(tài)，塑造獨(dú)具特色的城市精神風(fēng)貌，外樹(shù)形象內(nèi)聚民心。

圖5 建筑方案的智能化空間管控預(yù)警

4.5 方案模型

城市規(guī)劃的研究對(duì)象是復(fù)雜的社會(huì)系統(tǒng)，規(guī)劃設(shè)計(jì)方案不是工業(yè)產(chǎn)品，不能通過(guò)物理性的實(shí)驗(yàn)來(lái)校驗(yàn)，因此利用數(shù)字仿真模擬等技術(shù)手段，可在數(shù)字化虛擬環(huán)境中模擬規(guī)劃方案的未來(lái)建成效果，開(kāi)展空間形態(tài)、景觀效果和周邊關(guān)系等研究分析，對(duì)規(guī)劃方案做前期預(yù)評(píng)估、校驗(yàn)和優(yōu)化，達(dá)到整體的和諧狀態(tài)，使城市人居環(huán)境營(yíng)造達(dá)到可度量、可模擬、可校驗(yàn)、可評(píng)估與可優(yōu)化。

南京曾研發(fā)了三維城市設(shè)計(jì)管理平臺(tái)。該平臺(tái)以城市全覆蓋的三維數(shù)字模型為底板，可快速植入建筑方案模型，開(kāi)展前期預(yù)評(píng)估和校驗(yàn)優(yōu)化。初始平臺(tái)主要支持精細(xì)模型，因此需要設(shè)計(jì)單位花大量的精力用于模型制作，推廣難度較大。為了提高效能，提出基于CAD 文件制定數(shù)據(jù)規(guī)范，通過(guò)分層規(guī)定簡(jiǎn)單構(gòu)建建筑基底輪廓和高度、層數(shù)等信息，在三維現(xiàn)狀模型的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，可自動(dòng)驅(qū)動(dòng)生成三維模型開(kāi)展城市空間形態(tài)研究，支持在方案會(huì)審中，對(duì)模型高度、層數(shù)、方位和材質(zhì)貼圖等方面的參數(shù)化調(diào)整和快速編輯。該平臺(tái)可大大降低在城市規(guī)劃管控中對(duì)城市三維空間形態(tài)模擬管控的門檻，在建設(shè)項(xiàng)目招商宣傳、規(guī)劃選址和規(guī)劃條件指標(biāo)驗(yàn)證等項(xiàng)目前期研究和建筑方案初審等環(huán)節(jié)，能低成本快速判斷建筑設(shè)計(jì)方案是否符合空間規(guī)劃管控要求，后續(xù)還推廣應(yīng)用到城市更新改造和環(huán)境品質(zhì)提升研究等方面。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上研究和應(yīng)用實(shí)踐，將城市框架模型分成基礎(chǔ)模型、精工模型、功能模型、管控模型和方案模型等5 類，可服務(wù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，并互為補(bǔ)充，共同構(gòu)成的城市三維數(shù)字框架模型體系，既充分挖掘利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)成果，降低建設(shè)和維護(hù)成本，又能提高生產(chǎn)、調(diào)度和渲染效率。通過(guò)對(duì)不同尺度的模型合理組織分工并建立相互的關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建有機(jī)的城市空間框架協(xié)同數(shù)字底板，作為智慧城市可視化空間載體，也可對(duì)應(yīng)接入城市動(dòng)態(tài)管理的人、物、事等物聯(lián)網(wǎng)信息，形成與物理城市精準(zhǔn)映射、虛實(shí)交融的數(shù)字孿生城市，能滿足從宏觀到中微觀不同場(chǎng)景關(guān)聯(lián)互動(dòng)的管控應(yīng)用需求，發(fā)展前景廣闊。