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智慧可视:基于三维实景建模与CIM的数字孪生城市建设

发布时间:2019-03-14


导语

自2012年我国中央政府出台《国家智慧城市试点暂行管理办法》始,国家颁布的指导智慧城市合理发展的政策逐年增加,到2017年“建设智慧社会”被正式写进十九大报告中,智慧城市建设已上升为国家战略。经过多年探索,我国在智慧城市建设方面已经有了丰富的实践经验与理论基础,但对于智慧城市建设的具体路径与方式,社会各界尚未达成共识。作为空间规划信息化、时空大数据应用等领域的实践者与探索者,国地科技一直致力于探索与我国当前信息化进程相适应的新型智慧城市建设之路。


针对我国大部分城市信息化进程尚处于智能化前期阶段的现状,国地科技认为:城市大数据的智慧应用与可视化应当是智慧城市建设的基本前提。因此,通过数字孪生城市的建设,在虚拟空间再造一个城市,作为现实城市的映射、镜像、仿真、辅助与实验,可以更好地实现数字城市向智慧城市的过渡。


数字孪生(Digital Twin)的概念最早是由美国密歇根大学的Michael Grives 教授于2003年提出。但其在国内引起广泛关注,是因为雄安新区的建设中明确提出,数字雄安建设最重大的创新,是形成与新区共同成长的数字孪生城市,而实现的主要方式,就是在建设物理城市的同时,通过万物互联感知,汇聚多方数据搭建城市智能模型(CIM)。2018年住建部起草的《“多规合一”业务协同平台技术标准(征求意见稿)》,鼓励有条件的城市,可在BIM(Building Information Modeling)应用的施工技术上建立城市信息模型(City Information Modeling)。中国工程院吴志强院士则提出了城市智能模型(City Intelligent Modeling),对CIM进行了更深层次的解读。可以说,随着CIM定义的提出和不断深化,数字孪生城市建设将更加深入。总之,这些概念的提出给予了智慧城市有力的支撑。


一、数字孪生城市建设:满足智慧可视的本质需求


为满足城市创新运营和应用需求,数字孪生城市建设必须解决时空信息可视化问题。而可视化的本质是要解决用户实际的业务问题,首先要解决城市管理者和数字孪生城市系统应用能“看得懂”的问题。三维场景更容易让观者有代入感,能提升事件处理效率,缩短问题反应时间。对于城市管理者而言,实现城市基础设施可视化管理、城管部件可视化定位、城市用地信息可视化监测、城市应急指挥可视化决策等方面,能更好地满足管理与决策上的高层次应用。对于公众而言,可视化的三维实景城市是客观世界的真实写照,不需要公众具有专业知识来判读理解,能根据实时场景进行问题查询和处理。


国地科技基于三维实景建模与城市智能模型(CIM)的数字孪生城市建设,可利用高精度的三维实景模型为智慧城市时空大数据平台提供全过程的可视化支撑,利用城市智能模型(CIM)通过生动准确描述实体单元并融合城市地理实体的动态信息来支撑智慧城市各类应用,从而真正意义上实现智慧城市建设的智慧可视。


二、数字孪生城市建设路径与方法


(1)城市三维地图是数字孪生城市可视化的重要基础


传统的智慧城市建设在空间规划上已经实现系统化管理,但大体都停留在二维平面的阶段,远达不到智慧城市智慧化建设要求。三维空间的有效感知与实景可视化日益成为城市建设管理的重要问题,也是数字孪生城市信息化的关键内容,从二维平面提升到三维立体已经成为数字孪生城市建设的迫切需求。


首先,从三维实景建模的数据来源来看,无人机航测、激光雷达、倾斜摄影等新一代测绘信息技术方法的发展,可以快速采集制作精细化的城市三维模型和大比例尺地形图,搭建三维城市地理信息基础服务框架,为数字孪生城市建设提供高精度可视化的三维空间信息和位置服务。


其次,从三维实景模型的建立过程和优点来看,通过有效刻画空间几何模型、拓扑图和语义等特征,来实现精细化的三维几何表达,真正实现基础设施性能的语义描述,与物联网进行拓展关联,进而实现复杂地形地理环境的层次描述。三维实景模型的一大特点在于高低细节层次的有效转化过程中,城市实景信息更加精细和丰富。“影像+模型”的方式实现了对目标的实景可视化查询,对数字孪生城市进行智能化规划和管理。


最后,从三维实景建模的应用场景来看,数字孪生城市需要实现城市管理精细化、基础设施智能化、生活服务便利化的目标,在智慧政务、智慧城管、智慧医疗、智慧教育、智慧旅游等方面达到“以更少投入获得更优质、更高效产出”的城市系统。总之,城市三维实景建模从数据来源特点、模型优势、应用场景等方面为数字孪生城市可视化提供了重要基础保障。


三维实景地图建模


(2) 以时空大数据促进数字孪生城市建设的科学与高效


时空大数据主要包括时序化的基础时空数据、公共专题数据、物联网实时感知数据、互联网在线抓取数据和根据本地特色扩展数据,构成数字孪生城市建设所需的地上地下,室内室外,虚实一体化的、开放的、鲜活的时空数据资源。数字孪生城市建设需要依托城市大数据技术手段,在深度应用上,基于真实有效、高精度和对象化的城市三维实景环境,对城市大数据进行精准定位、深度挖掘,提高数据信息表现力和价值,满足城市不断发展变化的要求。在广度应用上,数字孪生城市建设关注大数据融合分析和应用,基于多源、海量数据分析,全面、准确地掌握事物特征和发展态势、关键影响因素、发展规律,提高政府科学决策水平,提供个性化、差异化服务,提升解决复杂问题的综合能力。


城市时空大数据平台


(3)地理学模型、物联网及三维模型的融合助力数字孪生城市精细模拟


地理学是研究地球表层自然和人文要素相互作用关系及其时空规律的科学,发展至今产生了涵盖气象,环保、应急、交通、水文等诸多领域的大量地理学模型。随着物联网等技术的发展,无数智能终端设备每分每秒都在产生并传播海量的数据,这给传统的地理学模型提供了更多高精度、实时、丰富的数据来源,同时也对原有的模型提出了新的需求和挑战。地理学模型、物联网及三维模型的融合,能实现城市的精细化模拟,为数字孪生城市建设管理等提供科学的决策依据。以城市内涝为例,一方面,内涝不能再作为单一的自然现象来研究,内涝的发生会引发后续的诸多城市管理问题,如交通堵塞、居民财产损失等,所以城市洪涝的研究需要将视角放在整个城市的协调发展上。另一方面,城市内涝的持续时间不会很长,在这样短时性的要求下,仍需为后续的城市管理提供科学的决策信息。因而,计算高效、注重内涝时空过程、实时准确地可视化呈现与提供智慧服务是数字孪生城市发展和管理对城市洪涝模型新的需求。


城市内涝精细模拟


(4)城市智能模型(CIM)是构建数字孪生城市的关键技术


城市中的各实体的运行状况及其生产、生活活动是一个复杂的综合体,如何实现对其运行状态的及时感知,风险及问题的早期预测和高效处置应对,需要建立一个具有大量决策支撑信息的多维数据模型和系统来支持上述高复杂度的分析,简化管理机制并模拟决策。在智慧城市发展应用中,通过CIM建模以实现对城市信息的评估和高效组织是发展的必然趋势。CIM作为实现数字孪生城市的关键技术,虽然其应用从数量、范围和深度上都有飞速发展,但是目前仍然存在空间建模较为单一、实体描述尺度粗泛、实体表达较为简单以及难以实现真三维的高仿真模拟分析、处理和表达更多维度信息等问题。因此,国地科技致力于研究并集成创新CIM技术,以实现对城市地理实体信息进行有效的组织,形成城市的数字化镜像,并依托这一镜像有力支撑具体应用,从而实现针对城市各专业领域的规划、建设和运行管理等应用层级的有效协同、精确分析、实时预警预测以及动态的高仿真可视化管理。



CIM的技术构成及应用路径


三、基于数字孪生城市建设的智慧应用与国地实践


(1)视频和三维模型的融合展开数字孪生城市多场景应用


随着智慧城市网络通信层、物联感知层、支撑平台层、智慧应用层的深入建设,如何将高效海量的城市动态视频信息进行调用、查看以及视频场景分析,并与三维实时模型融合,成为当前智慧城市创新建设的重要内容。


城市三维地理信息视频融合技术从城市地理信息应用的角度出发,依托城市三维实景模型,匹配动态监控视频,直观精准打造动态数字孪生城市可视化沙盘,融合人工智能大数据挖掘、物联网感知信息,以及业务应用系统,打破各系统信息孤岛,提升数据应用价值,更好地服务于用户,目前能应用于交通、应急、安防、警用、城市内涝等多种场景。


视频与三维模型有机融合首先可以应用于路径规划调度,能在交通、应急处理发挥有效作用。在数字孪生城市建设中按照城市道路走向、重要区域部署、特殊情景设计等要求,规划和设置路径浏览,实现多个事故预案保存和调度,高效用于预置路径全程动态监控和实时态势掌握,实现城市部门可视化精准指挥。其次,能够展开全景细节追视,在安防、警用调查提供重要信息。警务部门在实现宏观全景浏览的同时,关联高速球机来捕捉目标特写视频画面,解决细节不清晰、视角有偏差等问题,为运动目标的连续、精确监控提供有效手段,在安保、警方迅速获取视频信息并及时做出判断和响应方面提供有力技术支持。另外,还可以实现二维三维联动,能对城市内涝、火灾等自然灾害进行及时监控。通过二维场景和三维场景模型统一联动操作,将二维场景作为整体观测画面,三维实景模型场景用于具体区域的视角全程监测,做到整体宏观和具体细节的协调统一态势感知,对自然灾害的发生与突变做到及时有效控制。


三维实景模型与监控视频融合


(2)数字孪生城市建设智慧应用的国地实践


在基于三维实景建模和CIM的数字孪生城市建设上,国地科技做了初步规划和探索,试图通过新一代信息技术与城市现代化要求融合,为新型智慧城市建设提供新思路和新途径,并在多个领域进行了深入实践。


在空间规划领域,为解决CIM的应用潜能和优势未充分发挥的现状,在用地尺度构建多维态元胞模型,基于空间规划对用地的引领,充分利用大数据在人群活动及空间行为决策挖掘方面的优势,进行空间规划辅助决策系统研究。


在智能管理领域,基于智慧城市对设施进行全生命周期管理的需要,CIM利用BIM在开发建设全过程中的模拟和展现优势,充分结合大数据技术在规划设计、施工管理、运维管理等不同阶段的数据关联和信息挖掘能力,构建耦合大数据的BIM模型,进行城市开发建设智能辅助决策系统研究。


在可视化应用领域,集成3DGIS、BIM、VR等高维可视化技术和手段的优势,进行高仿真、动态化、可交互的可视化系统研究。




结语


智慧可视是智慧城市建设的基本前提。国地科技从当前我国大部分城市信息化发展尚处于智能化前期阶段的现实出发,基于三维实景建模与城市智能模型(CIM)进行数字孪生城市建设与智慧应用,将为新型智慧城市建设提供新思路与新途径,更好的支撑新型智慧城市“无处不在的惠民服务、透明高效的在线政府、融合创新的信息经济、精准精细的城市治理、安全可靠的运行体系”建设目标的实现。


参考文献

[1]严宇,臧庆山,张艳兵.三维GIS在智慧城市中的应用[J].城市地理,2017,(20):41.

[2]刘勇,张韶月,柳林,王先伟,黄华兵.智慧城市视角下城市洪涝模拟研究综述[J].地理科学进展,2015,34(04):494-504.

[3]三维重构融合在视频监控领域——城市篇[Z].机器人与智能系统研究院.( 2019-1-28). https://mp.weixin.qq.com/s/43Oxzm8f8XSsiEpmYqOC2w.

[4] 自然资源部.智慧城市时空大数据平台建设技术大纲(2019版)[EB/OL].(2019-1-24).http://gi.mnr.gov.cn/201902/t20190218_2395831.html.


作者简介:


张鸿辉,国地科技副总裁、蓝图信息总工程师,工学博士,理学博士后,教授级高级工程师,广东省“智慧空间规划”工程技术研究中心主任, 国家自然科学基金评审专家、中国测绘学会智慧城市专业委员会委员、中国城市科学研究会城市大数据专业委员会委员、中国BIM认证联盟技术委员会专家委员。长期从事多规合一、城市规划与国土资源信息化工作,出版专著4部,在国内外发表文章60多篇。


洪良,国地科技技术创新中心总监,城乡规划高级工程师,注册城市规划师,研究领域:城乡规划、空间规划信息化、智慧城市、时空大数据。


杨枭,主要研究方向为机器学习、大数据挖掘在城市研究中的应用。


向雨,主要研究方向为深度学习、时空大数据分析与应用。

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