智慧城市背景下城市信息模型相关技术发展综述

我国智慧城市建设受到广泛关注。前几年智慧城市取得的一些成效主要来自于社会管理和服务、基础设施建设和管理等专项领域开展的一些典型示范应用建设，但其架构模式、标准规范、关键技术等都有待进一步发展。

当前，智慧城市建设正向深度推进，技术、管理和机制创新成为其必须遵循的核心理念，其中技术的创新为管理和机制的创新提供有力支撑。智慧城市建设已初步进入物联网、云计算、大数据等新一代信息通信技术融合应用时代，智慧城市建设的重点不再是IaaS（基础设施即服务）层的信息基础设施和SaaS（软件即服务）层的具体应用，而是面向城市和区域系统下的多源信息的实时融合、跨领域的信息共享，进而支撑跨部门的协同联动和城市的精细化管理服务。可以说，通过新一代信息通信技术与城市规划建设管理的融合创新，为城市治理能力提升和可持续发展提供支撑，已经成为当前智慧城市建设的核心任务。

一、城市信息模型（CIM）及其特征与内涵

城市信息模型（City Information Modeling，CIM）是对城市地上地下、室内室外各种实体目标及其时空状态的数字化描述和表达。该术语近几年才被学术界提出，其主要目的是期望提供一种有效的方法，以组织描述城市的信息。

众所周知，利用BIM技术可以实现对城市建筑物和基础设施的信息建模，三维GIS技术在城市规划、土地利用、城市管理等领域发挥了越来越重要的作用。但实际应用中，城市规划、设计、分析、运行、管理、决策等对城市或园区尺度地理实体的精细化、可视化、动态化、一体化描述需求十分迫切，例如在城市运行管理领域，为了透彻感知建筑、桥梁、地下空间设施、地上基础设施、植被、水体、各类设备等物理实体对象的实时运行状况以及各类法人、自然人的生产、生活活动，分析各种状况和活动间的耦合关系，深度挖掘城市运行规律，实现运行状态的及时感知，风险及问题的早期预测预警和高效处置应对，如何应用物联网、GIS、RS、GNSS、BIM等技术，发展新型的城市建模技术，从而更好地对城市或社区进行数字化描述表达，勾绘好智慧城市“一张蓝图”的智慧底图，成为智慧城市建设面临的新课题。CIM或许可以为此提供解决方案。

目前国内外对CIM尚缺乏系统深入的研究。我们尝试依据构成CIM术语的三个单词初步分析其基本特征。

首先是City。CIM要覆盖城市尺度，当然这里的“城市”可以实例化为某个城市或某个城区、某个园区、某个社区、某个院落等，但是它对建模对象的描述能力应该是城市级的。

其次是Information。CIM所能容纳的信息应该是覆盖各种空间、时间维度的，是能支撑各种城市应用的。也就是说CIM中的信息可以描述城市内各种物理或人文实体，具有多时态、多类型、多粒度级别、多来源等特点。

最后是Modeling。CIM要基于一定规则和方法，对上述信息按需进行组织、模拟、分析和表达。更进一步的，可通过融合、挖掘提炼新的知识，凝聚出智慧。

基于上述理解， CIM的内涵可以概括为：

一种描述——CIM是对一个城市物理和功能特征的数字表达。

一项多方协同维护的资源——在城市规划、设计、分析、运行、管理各阶段的不同利益相关方可通过在CIM中插入、提取、更新和修改信息以支持和反应其各自职责，形成一个共享的知识资源，同时，CIM中的所有信息均应依权责分类分级实现共享。

一个过程——CIM是一个分享有关这个城市的信息，为该城市规划、设计、分析、运行、管理中的各项决策提供可靠依据的过程。

二、CIM核心技术

从CIM提出的初衷和当前发展来看，它主要与BIM、GIS及物联网（IOT）等技术密切相关。

BIM发展到今天，不同行业的人对其本质仍然存在不同的认识，一些学者从不同的视角分别将BIM视为一个过程、一种理念、一类方法或一项技术工具。美国的国家BIM标准对BIM所做的最完整权威的定义为：BIM是设施的物理和功能特征的数字化表示，它可以用作设施信息的共享知识资源，成为设施全生命期决策的可靠基础。BIM已在建筑、市政工程及其他基础设施建设中得到广泛应用。

目前的3D GIS（三维地理信息系统）技术能够识别三维空间实体对象上任一点的精确位置（坐标），但是不能构造实体要素间的拓扑关系，这就使很多真三维的高仿真模拟分析难以实现，也无法处理和表达时间维度以及更多维度的信息，因此需要向真三维及更高维度发展。在智慧城市背景下，3D GIS必将向智慧化、集成化的方向发展，不再只局限于空间分析和数据库管理，而是与数据融合，具备挖掘知识、推理预测的能力。3D GIS正面临两方面的挑战：一是需要面向不同专项领域业务应用精准描述各类物理实体对象的空间位置；二是面向物联网技术的应用需求，将三维模型的颗粒度细化设施内部构件的级别，以支撑城市的精细化管理。

IOT是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它通过对物理世界的信息进行感知、计算、处理，从中挖掘知识，在信息的充分交互和链接的基础上，使由人和物两类实体构成的物理世界实现万物互联，从而根据应用需求对物理实体进行实时控制和精确管理。物联网基于由“感、传、知、用”多个层次构成的通用架构，实现其在各专项领域的智慧应用。

三、核心技术之间的关系

3.1 BIM与GIS关系

BIM和GIS的体系很不一样，两大系统各自具有特殊优势。在BIM登上历史舞台以前，建筑物等城市基础设施通常由一个二维或者三维的图块来表达，BIM模型代替了图块之后，才得以对设施内部进行精细的描述。在“世界—国家—地区—省—市—场地（园区）—不动产—设施/建成物”这一物理世界由粗到细的对象体系中，设施或建成物对象的内部细节由BIM模型定义和表达，设施外部更大尺度的对象由GIS描述，在对城市或园区尺度内全部物理实体进行描述时需要集成这两个领域之间的信息，CIM理论的提出可以覆盖这一领域的研究工作。

3.2 BIM和IOT的关系

在工程的施工建造及运维阶段，为了满足业务需求，数据模型要表达的对象中包含了建筑、设备、设施等物体，由于这些物体的状态会动态变化，BIM无法完全满足关于这些物体状态信息采集和传递需求。因此，需要引入IOT技术来完成环境和物质实体动态信息和BIM已描述的静态信息的关联。

BIM和IOT技术的集成，能够衔接设计阶段的虚拟与建造运维阶段现实，使各个工程阶段的BIM交付成果的一致性和可交互性得以保障。同时这种技术的融合将带来更多有价值的应用模式。

3.3 GIS和IOT的关系

GIS作为IOT各种对象的统一空间载体，其信息源的数量和质量直接影响到物联网应用的广度和深度。在物联网建设时期，基于基础地理信息可以实现传感器布设的选择、空间分析，达到终端布设的科学性、合理性；传感器网络建成之后，通过基础地理信息平台可以实现传感器的定位、追踪、查找、控制，最终把所有的物联对象都落到这个统一的空间平台上来，在这个平台上可以直观、生动、形象、快速地找到用户想要的信息。

GIS技术属于对空间信息的存储、处理、分析、应用的核心技术，因此，在有关物物相连的网络中，必须要有相关空间信息处理平台的支撑。在大尺度、大范围应用领域，尽管物联网可以通过前端传感器来感知对象的基本物理特征，但只局限于个别的具备传感器的监控点。如何通过现有的、有限的监测数据来获取范围内的任意连续点的信息，地理信息技术已经在此领域做出了探索。通过接受某个地方的某个事件及其随时间的变化过程，地理信息技术可以根据已有的感知数据，不仅能够对现象的变化过程做出判断，而且能对未来做出预测和对过去做出回溯。GIS是一种能让物联网更加智慧、更加有序、更加有用、更加直观好用的核心技术。反之，物联网本身也为GIS 提供了一种新的信息采集方法，拓展了GIS 的管理范畴。从这个意义上看，物联网与GIS 是一种互相交融的关系。

四、结语

需要指出的是，尽管CIM主要与BIM、GIS和IOT等技术关系密切，但其不可避免地需要应用云计算、大数据、VR/AR（虚拟现实/增强现实）等其他技术，限于篇幅本文不再介绍。

本文从当前智慧城市需求与发展出发，介绍了CIM的基本特征及BIM、GIS、IOT等核心技术的发展简况，简要讨论了BIM、GIS与IOT之间的关系，为进一步开展相关研究奠定了初步基础。在作者最近开展的有关智慧园区规划设计及建设中，有关技术方法得到了积极的探索和应用。我们相信，随着技术方法的进一步发展和创新融合，城市信息模型理念及技术一定能为未来智慧城市和智慧园区等的建设与发展提供新的支撑。