遥感技术在CIM建模及模型监测与更新中的应用

马玲，郑圣培，贺弢

（深圳航天智慧城市系统技术研究院有限公司）

1 研究背景

按照《住房城乡建设部关于开展运用建筑信息模型系统进行工程建设项目审查审批和城市信息模型平台建设试点工作的函》（建城函[2018]222号）和《住房和城乡建设部办公厅关于开展城市信息模型（CIM）平台建设试点工作的函》要求，统筹协调BIM、GIS（地理信息系统）和CIM标准体系，消除数据交换壁垒，探索建设底层数据打通、自主可控、安全可靠的CIM平台，不断丰富和完善城市规划建设管理数据信息，为智慧城市管理平台建设奠定基础。很多学者开始关注如何发展城市建模技术，以更好地对城市进行数字化描述和表达。BIM是构成CIM的重要基础数据之一，任何一个城市建设都是从单体建筑开始的[1]，CIM基础平台总体架构中，CIM数据从要素、应用行业、成果形式、时态、城市建设运营阶段和工程建设专业等角度进行采集与分类。航空航天遥感无疑是最直接、最快速、最经济获取城市大范围数据的手段之一，对城市模型更新也是必要的监测手段。

2 研究目标

本研究主要是探索遥感技术在CIM平台集成中的创新应用，丰富城市CIM建模与更新的方法，完善遥感贯穿“感知—数据—应用”全生态链条。阐述了测绘遥感数据中数字正射影像图、倾斜摄影、激光点云数据在CIM建模中的应用。

3 技术路线

CIM模型作为新型智慧城市的基础信息模型，在模型定义、分析以及管理等方面需要全新的、专业的平台支持，以满足新型智慧城市建设需要[2]。CIM基础平台应具备城市基础地理信息、三维模型和BIM汇聚、清洗、转换、模型轻量化、模型抽取、模型浏览、定位查询、多场景融合与可视化表达、支撑各类应用的开放接口等基本功能，为工程建设项目各阶段提供模型汇聚、物联监测和模拟仿真等专业功能。

4 CIM建模

目前城市CIM模型主要是基于BIM+GIS场景实现的，通过单体化CIM建模，加到GIS场景，现阶段主要通过三种方式实现建模。

1）传统手工建模

基于CAD、3dmax等软件，后期加入数码相机，进行模型纹理处理，实现场景仿真。这类方法可实现单体建模及查询，较灵活，但较耗费时间，需要人工干预较多，成本较高。模型若有缺失后期修复较难。

2）三维激光扫描实现建模

使用激光探测雷达，通过点云数据及精度数码相机采集纹理的配准、点云重建、分割等技术，形成精度较高的模型。这类方法可不与建筑物接触，通过扫描方法得到模型。但造价成本较高，实际工程中难以得到大范围使用。

3）倾斜摄影全自动建模

通过使用无人机与传感器，从多个角度进行倾斜遥感影像采集，从无组织的重叠像片组中依据特定的算法自动生成高度逼真的城市三维景观数据。但由于使用大范围自动处理程度较高，对于地物精细分类和场景分类查询较困难。

5 遥感协同城市CIM模型

5.1 城市GIS场景底图制作

由于遥感影像现势性较强，作为城市CIM同一信息来源，经过一系列处理，可得到具有空间信息且具有严格数学基础的地理底图，表达各类专题信息，最常见的是遥感技术衍生的4D产品。

遥感影像提取DEM具有获取成本低、数据采集量大等优点，是当前极具推广价值的方法，常用于1:5万立体测图。资源三号卫星是我国高分辨率光学传输型立体测图卫星，卫星采用三线阵测绘方式，由具有良好交会角的前视、正视和后视相机通过对同一地面点不同视角的观测，形成立体影像，同时配以精确的内外方位元素参数，准确获取影像的三维地面坐标，生成CIM平台可视化平台中可体现地形起伏的城市数字高程模型（DEM）。结合SAR立体像对的匹配，是雷达摄影测量技术提取地形高程信息的关键，提高DEM的高程精度的匹配。

由于数字高程模型(DEM)结合了数字线化地图(DLG)或数字栅格地图(DRG)、数字影像地图(DOM)，再镶嵌城市建筑模型(BIM)进行叠加，形成具有三维可视化的城市实景场景（见图1）。

图1 CIM城市三维底图制作

5.2 地物轮廓提取

随着高分辨率遥感影像获取技术的快速发展，遥感影像的处理、分析和应用有了更好的数据源。计算机图像处理技术、模式识别、人工智能等方面的进展，通过目标地物的光谱和结构特征，利用深度学习算法实现高精度提取，为高效地提取海量影像中的有效信息提供了可能，如对有明显特征的地物道路进行轮廓提取（见图2）。

图2 基于遥感影像的道路信息提取

建筑物是城市主要地理要素，对于CIM平台有重要意义。但受影像数据源、建筑物复杂等多因素的影响，目前自动提取建筑轮廓还受一定限制。SAR遥感影像在城市环境中常用于建设用地和建筑物信息的提取。高分辨率的SAR对建筑物的屋顶和边缘有显著的探测作用，可用于精确识别建筑物轮廓和边界信息。

5.3 提取建筑物纹理

利用CityEngine，通过建筑底面数据与正射遥感影像数据唯一的对应坐标值，从建筑底面得到建筑屋顶的切片影像，获取建筑屋顶纹理。同时，用二维数据快速创建三维场景利用建筑高度属性将二维的建筑物底面多边形拉伸，成为三维的街区。结合其他数据，如建筑轮廓、屋顶的形式、材料、楼层数，楼层高度、窗口等信息，提供信息越多，所创建的3D内容就越复杂、越逼真。减少了系统再投资的成本，也缩短了三维GIS系统的建设周期。

6 遥感在CIM数据更新中的应用

在快速城市化背景下，城市模型数据更新在数字城市和智慧城市建设过程中具有重要意义，但因数据结构复杂，CIM平台中数据模型的及时更新较难。遥感影像是监测地表变化最直接和权威的数据源，从遥感影像可以获取土地覆盖、城市扩张、森林健康、水面变化等信息。

随着遥感技术的发展，遥感影像数据空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率越来越高，数据类型也越来越丰富，遥感器探测地物的电磁波谱信息覆盖了可见光、红外、微波波段，形成光学高分辨率影像、高光谱影像、机载激光雷达扫描数据（Li‐DAR）、合成孔径雷达（SAR）数据等，能反映城市各类建设用地在成像中的光谱、纹理、结构等特征，对城市内部复杂的地表地物进行精细化描绘[3]。

通常来说，2m分辨率卫星影像的更新时间可达到每个月一次，特别地区可实现每个月更新2次～3次。多源的遥感数据利用能实现多角度的建设用地空间感知和信息互补，遥感检测通过2个以上时相的影像产生对比显示变化与未变的区域，从高分辨率的遥感能通过目视解译判断建设用地的变化，通过不同时期影像的对比，找出城市变化区域，对CIM中模型进行调整，对城市更新助力。

7 结语

航空航天技术的优势在于可快速获取的高分辨率的遥感影像和高精度地理定位定向信息，形成大比例尺的数字地图4D产品基础成果，广泛应用于城市基础数据库建设、城乡规划、交通、生态环境、土地利用、三维街景制作以及城市各种资源的综合调查与监测等。开展遥感技术在CIM建模及模型监测与更新中的应用研究有助于提升CIM平台建设的基础支撑能力。有部分地区开始应用三维模型、倾斜摄影测量数据、实景影像等数据的应用，但没有地区建立真正意义上的CIM数据库。建设智慧城市的数据量非常大而且信息很繁杂，许多领域的信息需要融合起来，在未来一定时间内需要各部门共同努力推动。