基于三維實(shí)景建模 與CIM的智慧城市建設(shè)，自2012年我國(guó)中央政府出臺(tái)《國(guó)家智慧城市試點(diǎn)暫行管理辦法》始，國(guó)家頒布的指導(dǎo)智慧城市合理發(fā)展的政策逐年增加，到2017年“建設(shè)智慧社會(huì)”被正式寫進(jìn)十九大報(bào)告中，智慧城市建設(shè)已上升為國(guó)家戰(zhàn)略。經(jīng)過(guò)多年探索，我國(guó)在智慧城市建設(shè)方面已經(jīng)有了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與理論基礎(chǔ)，但對(duì)于智慧城市建設(shè)的具體路徑與方式，社會(huì)各界尚未達(dá)成共識(shí)。作為空間規(guī)劃信息化、時(shí)空大數(shù)據(jù)應(yīng)用等領(lǐng)域的實(shí)踐者與探索者，國(guó)地科技一直致力于探索與我國(guó)當(dāng)前信息化進(jìn)程相適應(yīng)的新型智慧城市建設(shè)之路。

針對(duì)我國(guó)大部分城市信息化進(jìn)程尚處于智能化前期階段的現(xiàn)狀，國(guó)地科技認(rèn)為：城市大數(shù)據(jù)的智慧應(yīng)用與可視化應(yīng)當(dāng)是智慧城市建設(shè)的基本前提。

因此，通過(guò)數(shù)字孿生城市的建設(shè)，在虛擬空間再造一個(gè)城市，作為現(xiàn)實(shí)城市的映射、鏡像、仿真、輔助與實(shí)驗(yàn)，可以更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市向智慧城市的過(guò)渡。

一、數(shù)字孿生城市建設(shè)：滿足智慧可視的本質(zhì)需求

為滿足城市創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)和應(yīng)用需求，數(shù)字孿生城市建設(shè)必須解決時(shí)空信息可視化問(wèn)題。而可視化的本質(zhì)是要解決用戶實(shí)際的業(yè)務(wù)問(wèn)題，首先要解決城市管理者和數(shù)字孿生城市系統(tǒng)應(yīng)用能“看得懂”的問(wèn)題。三維場(chǎng)景更容易讓觀者有代入感，能提升事件處理效率，縮短問(wèn)題反應(yīng)時(shí)間。對(duì)于城市管理者而言，實(shí)現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施可視化管理、城管部件可視化定位、城市用地信息可視化監(jiān)測(cè)、城市應(yīng)急指揮可視化決策等方面，能更好地滿足管理與決策上的高層次應(yīng)用。對(duì)于公眾而言，可視化的三維實(shí)景城市是客觀世界的真實(shí)寫照，不需要公眾具有專業(yè)知識(shí)來(lái)判讀理解，能根據(jù)實(shí)時(shí)場(chǎng)景進(jìn)行問(wèn)題查詢和處理。

國(guó)地科技基于三維實(shí)景建模與城市智能模型（CIM）的數(shù)字孿生城市建設(shè)，可利用高精度的三維實(shí)景模型為智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供全過(guò)程的可視化支撐，利用城市智能模型（CIM）通過(guò)生動(dòng)準(zhǔn)確描述實(shí)體單元并融合城市地理實(shí)體的動(dòng)態(tài)信息來(lái)支撐智慧城市各類應(yīng)用，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)智慧城市建設(shè)的智慧可視。

二、數(shù)字孿生城市建設(shè)路徑與方法

（1）城市三維地圖是數(shù)字孿生城市可視化的重要基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的智慧城市建設(shè)在空間規(guī)劃上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化管理，但大體都停留在二維平面的階段，遠(yuǎn)達(dá)不到智慧城市智慧化建設(shè)要求。三維空間的有效感知與實(shí)景可視化日益成為城市建設(shè)管理的重要問(wèn)題，也是數(shù)字孿生城市信息化的關(guān)鍵內(nèi)容，從二維平面提升到三維立體已經(jīng)成為數(shù)字孿生城市建設(shè)的迫切需求。

首先，從三維實(shí)景建模的數(shù)據(jù)來(lái)源來(lái)看，無(wú)人機(jī)航測(cè)、激光雷達(dá)、傾斜攝影等新一代測(cè)繪信息技術(shù)方法的發(fā)展，可以快速采集制作精細(xì)化的城市三維模型和大比例尺地形圖，搭建三維城市地理信息基礎(chǔ)服務(wù)框架，為數(shù)字孿生城市建設(shè)提供高精度可視化的三維空間信息和位置服務(wù)。

其次，從三維實(shí)景模型的建立過(guò)程和優(yōu)點(diǎn)來(lái)看，通過(guò)有效刻畫空間幾何模型、拓?fù)鋱D和語(yǔ)義等特征，來(lái)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的三維幾何表達(dá)，真正實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施性能的語(yǔ)義描述，與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行拓展關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形地理環(huán)境的層次描述。三維實(shí)景模型的一大特點(diǎn)在于高低細(xì)節(jié)層次的有效轉(zhuǎn)化過(guò)程中，城市實(shí)景信息更加精細(xì)和豐富。“影像+模型”的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的實(shí)景可視化查詢，對(duì)數(shù)字孿生城市進(jìn)行智能化規(guī)劃和管理。

最后，從三維實(shí)景建模的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，數(shù)字孿生城市需要實(shí)現(xiàn)城市管理精細(xì)化、基礎(chǔ)設(shè)施智能化、生活服務(wù)便利化的目標(biāo)，在智慧政務(wù)、智慧城管、智慧醫(yī)療、智慧教育、智慧旅游等方面達(dá)到“以更少投入獲得更優(yōu)質(zhì)、更高效產(chǎn)出”的城市系統(tǒng)?？傊?，城市三維實(shí)景建模從數(shù)據(jù)來(lái)源特點(diǎn)、模型優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用場(chǎng)景等方面為數(shù)字孿生城市可視化提供了重要基礎(chǔ)保障。

三維實(shí)景地圖建模

(2) 以時(shí)空大數(shù)據(jù)促進(jìn)數(shù)字孿生城市建設(shè)的科學(xué)與高效

時(shí)空大數(shù)據(jù)主要包括時(shí)序化的基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)在線抓取數(shù)據(jù)和根據(jù)本地特色擴(kuò)展數(shù)據(jù)，構(gòu)成數(shù)字孿生城市建設(shè)所需的地上地下，室內(nèi)室外，虛實(shí)一體化的、開(kāi)放的、鮮活的時(shí)空數(shù)據(jù)資源。數(shù)字孿生城市建設(shè)需要依托城市大數(shù)據(jù)技術(shù)手段，在深度應(yīng)用上，基于真實(shí)有效、高精度和對(duì)象化的城市三維實(shí)景環(huán)境，對(duì)城市大數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)定位、深度挖掘，提高數(shù)據(jù)信息表現(xiàn)力和價(jià)值，滿足城市不斷發(fā)展變化的要求。在廣度應(yīng)用上，數(shù)字孿生城市建設(shè)關(guān)注大數(shù)據(jù)融合分析和應(yīng)用，基于多源、海量數(shù)據(jù)分析，全面、準(zhǔn)確地掌握事物特征和發(fā)展態(tài)勢(shì)、關(guān)鍵影響因素、發(fā)展規(guī)律，提高政府科學(xué)決策水平，提供個(gè)性化、差異化服務(wù)，提升解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力。

城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)

（3）地理學(xué)模型、物聯(lián)網(wǎng)及三維模型的融合助力數(shù)字孿生城市精細(xì)模擬

地理學(xué)是研究地球表層自然和人文要素相互作用關(guān)系及其時(shí)空規(guī)律的科學(xué)，發(fā)展至今產(chǎn)生了涵蓋氣象，環(huán)保、應(yīng)急、交通、水文等諸多領(lǐng)域的大量地理學(xué)模型。隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，無(wú)數(shù)智能終端設(shè)備每分每秒都在產(chǎn)生并傳播海量的數(shù)據(jù)，這給傳統(tǒng)的地理學(xué)模型提供了更多高精度、實(shí)時(shí)、豐富的數(shù)據(jù)來(lái)源，同時(shí)也對(duì)原有的模型提出了新的需求和挑戰(zhàn)。地理學(xué)模型、物聯(lián)網(wǎng)及三維模型的融合，能實(shí)現(xiàn)城市的精細(xì)化模擬，為數(shù)字孿生城市建設(shè)管理等提供科學(xué)的決策依據(jù)。以城市內(nèi)澇為例，一方面，內(nèi)澇不能再作為單一的自然現(xiàn)象來(lái)研究，內(nèi)澇的發(fā)生會(huì)引發(fā)后續(xù)的諸多城市管理問(wèn)題，如交通堵塞、居民財(cái)產(chǎn)損失等，所以城市洪澇的研究需要將視角放在整個(gè)城市的協(xié)調(diào)發(fā)展上。另一方面，城市內(nèi)澇的持續(xù)時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)，在這樣短時(shí)性的要求下，仍需為后續(xù)的城市管理提供科學(xué)的決策信息。因而，計(jì)算高效、注重內(nèi)澇時(shí)空過(guò)程、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地可視化呈現(xiàn)與提供智慧服務(wù)是數(shù)字孿生城市發(fā)展和管理對(duì)城市洪澇模型新的需求。

城市內(nèi)澇精細(xì)模擬

（4）城市智能模型（CIM）是構(gòu)建數(shù)字孿生城市的關(guān)鍵技術(shù)

城市中的各實(shí)體的運(yùn)行狀況及其生產(chǎn)、生活活動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的綜合體，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(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)和高效處置應(yīng)對(duì)，需要建立一個(gè)具有大量決策支撐信息的多維數(shù)據(jù)模型和系統(tǒng)來(lái)支持上述高復(fù)雜度的分析，簡(jiǎn)化管理機(jī)制并模擬決策。在智慧城市發(fā)展應(yīng)用中，通過(guò)CIM建模以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市信息的評(píng)估和高效組織是發(fā)展的必然趨勢(shì)。CIM作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生城市的關(guān)鍵技術(shù)，雖然其應(yīng)用從數(shù)量、范圍和深度上都有飛速發(fā)展，但是目前仍然存在空間建模較為單一、實(shí)體描述尺度粗泛、實(shí)體表達(dá)較為簡(jiǎn)單以及難以實(shí)現(xiàn)真三維的高仿真模擬分析、處理和表達(dá)更多維度信息等問(wèn)題。因此，國(guó)地科技致力于研究并集成創(chuàng)新CIM技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地理實(shí)體信息進(jìn)行有效的組織，形成城市的數(shù)字化鏡像，并依托這一鏡像有力支撐具體應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)針對(duì)城市各專業(yè)領(lǐng)域的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行管理等應(yīng)用層級(jí)的有效協(xié)同、精確分析、實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)測(cè)以及動(dòng)態(tài)的高仿真可視化管理。

CIM的技術(shù)構(gòu)成及應(yīng)用路徑

三、基于數(shù)字孿生城市建設(shè)的智慧應(yīng)用與國(guó)地實(shí)踐

（1）視頻和三維模型的融合展開(kāi)數(shù)字孿生城市多場(chǎng)景應(yīng)用

隨著智慧城市網(wǎng)絡(luò)通信層、物聯(lián)感知層、支撐平臺(tái)層、智慧應(yīng)用層的深入建設(shè)，如何將高效海量的城市動(dòng)態(tài)視頻信息進(jìn)行調(diào)用、查看以及視頻場(chǎng)景分析，并與三維實(shí)時(shí)模型融合，成為當(dāng)前智慧城市創(chuàng)新建設(shè)的重要內(nèi)容。

城市三維地理信息視頻融合技術(shù)從城市地理信息應(yīng)用的角度出發(fā)，依托城市三維實(shí)景模型，匹配動(dòng)態(tài)監(jiān)控視頻，直觀精準(zhǔn)打造動(dòng)態(tài)數(shù)字孿生城市可視化沙盤，融合人工智能大數(shù)據(jù)挖掘、物聯(lián)網(wǎng)感知信息，以及業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，打破各系統(tǒng)信息孤島，提升數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值，更好地服務(wù)于用戶，目前能應(yīng)用于交通、應(yīng)急、安防、警用、城市內(nèi)澇等多種場(chǎng)景。

視頻與三維模型有機(jī)融合首先可以應(yīng)用于路徑規(guī)劃調(diào)度，能在交通、應(yīng)急處理發(fā)揮有效作用。在數(shù)字孿生城市建設(shè)中按照城市道路走向、重要區(qū)域部署、特殊情景設(shè)計(jì)等要求，規(guī)劃和設(shè)置路徑瀏覽，實(shí)現(xiàn)多個(gè)事故預(yù)案保存和調(diào)度，高效用于預(yù)置路徑全程動(dòng)態(tài)監(jiān)控和實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)掌握，實(shí)現(xiàn)城市部門可視化精準(zhǔn)指揮。其次，能夠展開(kāi)全景細(xì)節(jié)追視，在安防、警用調(diào)查提供重要信息。警務(wù)部門在實(shí)現(xiàn)宏觀全景瀏覽的同時(shí)，關(guān)聯(lián)高速球機(jī)來(lái)捕捉目標(biāo)特寫視頻畫面，解決細(xì)節(jié)不清晰、視角有偏差等問(wèn)題，為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的連續(xù)、精確監(jiān)控提供有效手段，在安保、警方迅速獲取視頻信息并及時(shí)做出判斷和響應(yīng)方面提供有力技術(shù)支持。另外，還可以實(shí)現(xiàn)二維三維聯(lián)動(dòng)，能對(duì)城市內(nèi)澇、火災(zāi)等自然災(zāi)害進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控。通過(guò)二維場(chǎng)景和三維場(chǎng)景模型統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)操作，將二維場(chǎng)景作為整體觀測(cè)畫面，三維實(shí)景模型場(chǎng)景用于具體區(qū)域的視角全程監(jiān)測(cè)，做到整體宏觀和具體細(xì)節(jié)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一態(tài)勢(shì)感知，對(duì)自然災(zāi)害的發(fā)生與突變做到及時(shí)有效控制。

三維實(shí)景模型與監(jiān)控視頻融合

（2）數(shù)字孿生城市建設(shè)智慧應(yīng)用的國(guó)地實(shí)踐

在基于三維實(shí)景建模和CIM的數(shù)字孿生城市建設(shè)上，國(guó)地科技做了初步規(guī)劃和探索，試圖通過(guò)新一代信息技術(shù)與城市現(xiàn)代化要求融合，為新型智慧城市建設(shè)提供新思路和新途徑，并在多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了深入實(shí)踐。

在空間規(guī)劃領(lǐng)域，為解決CIM的應(yīng)用潛能和優(yōu)勢(shì)未充分發(fā)揮的現(xiàn)狀，在用地尺度構(gòu)建多維態(tài)元胞模型，基于空間規(guī)劃對(duì)用地的引領(lǐng)，充分利用大數(shù)據(jù)在人群活動(dòng)及空間行為決策挖掘方面的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行空間規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)研究。

在智能管理領(lǐng)域，基于智慧城市對(duì)設(shè)施進(jìn)行全生命周期管理的需要，CIM利用BIM在開(kāi)發(fā)建設(shè)全過(guò)程中的模擬和展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，充分結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)在規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工管理、運(yùn)維管理等不同階段的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和信息挖掘能力，構(gòu)建耦合大數(shù)據(jù)的BIM模型，進(jìn)行城市開(kāi)發(fā)建設(shè)智能輔助決策系統(tǒng)研究。

在可視化應(yīng)用領(lǐng)域，集成3DGIS、BIM、VR等高維可視化技術(shù)和手段的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行高仿真、動(dòng)態(tài)化、可交互的可視化系統(tǒng)研究。

結(jié)語(yǔ)

智慧可視是智慧城市建設(shè)的基本前提。國(guó)地科技從當(dāng)前我國(guó)大部分城市信息化發(fā)展尚處于智能化前期階段的現(xiàn)實(shí)出發(fā)，基于三維實(shí)景建模與城市智能模型（CIM）進(jìn)行數(shù)字孿生城市建設(shè)與智慧應(yīng)用，將為新型智慧城市建設(shè)提供新思路與新途徑，更好的支撐新型智慧城市“無(wú)處不在的惠民服務(wù)、透明高效的在線政府、融合創(chuàng)新的信息經(jīng)濟(jì)、精準(zhǔn)精細(xì)的城市治理、安全可靠的運(yùn)行體系”建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

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