面向数据工程体系建设的CIM基础平台研究

韩雯雯，邢韵，王飞飞，梁向春

（北京清华同衡规划设计研究院有限公司）

1 引言

随着我国城镇化率不断提高，城市快速发展和规模扩张带来了诸如环境污染、资源短缺、交通拥堵等一系列问题，如何精细、科学、高效地进行城市治理成为近年来的热门话题。面对互联网、大数据、人工智能等高新技术的不断发展，人们开始探寻用智慧化手段开展城市规划设计、建设和管理，以求实现对城市海量信息资源的合理配置、城市运行状态全面掌控以及城市一体化、精细化管理。在这样背景下，一种对城市进行数字化描述和表达技术理论[1]——CIM（City Information Modeling，城市信息模型）应运而生。关于CIM基础平台定义和内涵业内有多种不同认知，但综合考虑当前各界对CIM 基础平台的共识，论文认为CIM 基础平台是三维城市空间模型和城市动态信息的有机综合体，它将微观尺度的建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）、宏观尺度的地理空间数据（Geo-Spatial Data）、物联网（Internet of Things，简称IoT）数据进行统一[1]，形成支撑城市规划、建设、管理、运行工作的基础性操作平台。因此，CIM 基础平台本质上是对一个城市物理实体和功能特征的数字化表达，是城市的三维数字底座，从而支撑城市各类智慧化应用板块，实现城市规划、建设、管理过程中各资源要素的数据融合、业务协同、状态判别及趋势分析。

虽然目前对于CIM基础平台的研究尚处于起步阶段，相关技术和理论还在孕育和探索之中，但全国各地关于CIM基础平台的相关政策和试点项目建设已经如火如荼地展开了。2018年11月，住建部发布《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》，将北京城市副中心、广州、南京、厦门、雄安新区列入CIM平台建设试点城市，为工程建设电子化审批和CIM 建设实施奠定基础。2020年9月，《关于开展城市信息模型（CIM）基础平台建设的指导意见》提出构建国家、省、市三级CIM 基础平台体系，逐步实现城市级CIM基础平台与国家级、省级CIM 基础平台互联互通。2021年4月，住建部印发《六项城市信息模型（CIM）行业标准的征求意见稿》，规范了CIM行业发展，为CIM技术广泛和深度应用创造了良好的发展环境。自2018年我国CIM 行业正式进入到建设阶段以来，CIM 相关工程建设已迎来飞速发展。2019年—2021年招标项目呈现逐年增长趋势，2021年截至9月9日，我国CIM相关招标项目就已达到72个，是2020年整年数据的两倍[3]。由此看来，CIM基础平台是业内当前乃至未来一段时期的建设和发展重点，是城市规划、建设、管理新的手段和发力点。

2 CIM基础平台数据建设难点分析

建立一个信息和数据汇聚的CIM 基础平台，数据建设是十分重要的环节。数据是CIM基础平台的根本，若将城市发展全生命周期看作一个完整的生命体，那么数据就是城市生命体的血液，是支撑城市各项基础构件正常运转不可或缺的资源。从数据工程体系建设角度出发，CIM 基础平台数据建设是一个系统性、规范化、可持续的工作，需要通过建库、数据服务共享、数据共享等方式，汇聚、连接和融合各种数据源，经过标准化数据导入、清洗、转换和融合处理形成CIM 数据，从而为上层应用提供数据基础支撑[2]。数据是CIM 基础平台的内核，是城市各类感知、运行、管控的基础资源和原材料，因此在CIM基础平台建设时，合理统筹建设数据，将隐性数据价值变成显性资源应用价值显得尤为重要。

然而，CIM基础平台目前尚处于研究探索阶段，相关数据技术理论还不成熟，对于数据采集、存储和处理方法业界认知不统一。论文综合考虑CIM基础平台中数据建设各环节，认为在数据构成、空间组织、采集与更新方面存在三个难点。

①当前针对CIM基础平台数据体系的构建大多零散、局部、孤立，多源异构数据需要系统数据模型规范数据结构，为后续数据处理和应用奠定基础。

②CIM 基础平台汇聚了很多专题数据，种类丰富、范围广泛，不同采集渠道获取到的数据统计口径不一，导致空间组织方法不同，只能进行浅层罗列，数据难以共用，重复建设时有发生，难以对数据进行深度融合处理，这给城市海量数据融合带来困难。

③CIM基础平台需要汇聚大量二、三维数据，同时保持数据信息动态更新。但当前数据采集和更新方法分散、不成体系，缺乏行之有效的数据采集和更新方法。

针对以上CIM 基础平台数据建设的三大难点，论文提出相应对策，以求对数据建设中存在问题和痛点提供有效的解决途径。针对数据构成相对孤立、混乱的问题，构建完整CIM基础平台数据框架体系，从分类、分级以及编码角度规范数据建设基础。针对数据融合困难、难以共用的问题，形成一套数据空间组织方法，使数据可以跨层级、跨专题、在横纵向上融合计算。在数据采集和更新方面，建立数据的快速采集、动态更新方法，保持数据和平台活力。

3 构建基于人居环境理论的数据框架体系

为了对CIM基础平台数据进行科学、规范、全面地梳理，搭建三维数字底座，需要构建一套完整的数据框架体系将CIM 基础平台中的数据归集和分类，解决数据零散片面的问题。论文参考吴良镛院士“人居环境”科学理论，将人居环境分成自然、人、社会、建筑物和支撑网络五大系统[2]。从“人居环境”理论出发，CIM基础平台数据应包含自然、人、社会、建筑物和支撑网络要素属性及状态感知信息，并关联到对应的三维城市空间模型上，从而打造三维数字空间信息有机综合体。CIM基础平台数据构成分类如图1所示。

在此基础上，根据不同需求及数据获取难易程度，可将数据归集整理分成三个阶段L1、L2和L3，形成三级数据框架体系。其中，L1是在三维城市空间模型基础上，增加城市物理实体包括自然环境、支撑网络和建筑物等基础信息，形成最基础实体数据底座；L2是在物理实体数据基础上，增加人、社会等城市参与主体信息，能够反映三维城市空间中人类和社会属性；L3是在城市主体基础上增加城市所有要素状态及感知信息，能够反映城市空间环境及参与主体活动实时状态与动态变化[2]。最终形成CIM 基础平台数据框架体系如图2所示。

图2 CIM基础平台三级数据框架体系

同时，为实现物理城市空间和信息到数字城市映射，需要对CIM 基础平台数据进行编码。一是打造城市全覆盖的物体编码体系，二是要建构空间编码体系，将物体通过编码准确落位到空间[2]。物体编码是基于地理实体或物理实体，统一分配全球唯一的数字标识，并以此关联各部门、各行业、各系统平台的物理对象[2]。如可为建筑物实体分配唯一的数字标识，并将与该建筑相关的人口、法人、土地、纳税、不动产等信息与之关联。空间编码是通过统一空间编码体系，将数据标签化、单元化，根据数据不同分类、属性或特征赋予不同分类编码，划分空间单元，并构建空间身份证[2]，如雄安CIM平台以“空间”为坐标，作为城市数据交换共享和融合的基本ID[4]。

通过建立CIM基础平台数据框架体系以及对数据进行分类、分级、编码，能够实现CIM 数据全面规范梳理，避免数据建设零散、片面、混乱的问题，为后续数据融合共享、采集和更新创造良好的基础条件。

4 搭建支持融合可用的CIM 数据空间组织

不同专业或专题基于研究对象和问题特征，往往具有不同数据统计口径，进而对数据空间落位和空间层次组织有不同需求，比如，交通研究以路网为纲划分空间最小单元，城市用地研究以地块、街区、功能组团等组织空间单元，城市管理以每平方千米空间单元、社区、街道划分空间各级单元，地震仿真研究以地质属性划分空间最小单元等等。基于这些基本或最小空间单元，将空间划分为匀质或非匀质网格，并进行编码进而组织空间数据。基于各专业、部门专题等特点，当前存在基于城管网格、规划单元及地块、自然资源单元、交通小区的空间组织方式。

在规划编制和城市管理中，经常需要人口、企业、社会经济甚至是建筑、停车位、水电用量等基础数据支撑工作，但是各专业、部门数据空间组织方式存在差异，划分空间单元不尽相同，空间统计口径不一致，数据间缺乏逻辑关系，导致数据应用时无法叠加、融合、使用，重复建设问题普遍存在。

如何发挥好基础数据作用，使同一份数据能被不同专业专题使用，适用部门、行政区划边界调整，支持城市级别空间范围内不同专题、不同类型数据的纵向（相同专题不同级别）、横向（不同专题间）融合计算。CIM 基础平台的数据空间组织方法，需要建立多专题多层级空间网格并使各套空间网格在某一层级上具有相通性。同时，确定最优数据采集空间颗粒度，使之可以根据应用需求进行汇总。

4.1 构建多专题多层级空间网格体系

纵向上，CIM 基础平台上每类专题数据的空间网格应是多层级、成体系的一整套，并构建好各层级空间网格间传导关系。最底层数据最为详细，数据量最大，同时可通过各层级间网格传导关系，向上层层汇聚得到各层级数据，呈现金字塔形结构。以行政区划网格为例，应包含社区级、居（村）委会级、街道（乡镇）级、县（区）级、地（市）级、省（自治区、直辖市）级、国家级等不同层级，并通过这一多层级空间网格体系，可使社区级数据向上层层汇聚得到居（村）委会级、街道（乡镇）级等各级数据。

横向上，CIM 基础平台上应存在多专题数据空间组织网格，结合当前网格建设现状情况，应包括行政区划网格（到社区颗粒度）、规划单元网格（到控规地块颗粒度）、城管网格（公里网格单元）、政策性网格、道路网、地下管网、专题网格等，并规定各类网格最小颗粒度。

同时，为打通不同专题、专业间融合通道，各专题的空间网格应在某一层级上具有相通性，如两套不同专题间均存在街道级别空间网格，使不同专业数据具有相同空间统计口径，使数据可以被融合与共用，打破各专业、不同部门间的数据壁垒。因此，在城市部分区域、城市、城市群空间范围内，CIM 基础平台应由多专题（专题数>=1）、多层级（层级>=1）空间网格及其内的实体构成。CIM基础平台上应存在多套空间网格（多套多层级空间单元组织），每一个专题可能会选用不同网格表达，各套空间网格在某一层级上具有相通性，在该层级及以上层级均可使不同专题存在关联关系（见图3）。

图3 构建多专题多层级空间网格体系示意图

4.2 确定最优的数据采集空间颗粒度

在收集基础数据时，CIM 基础平台应尽可能地将数据收集的空间颗粒度降到最小粒度，数据建库一步到位。应用时，根据需要将对应空间范围内的数据汇总即可。如当以街道作为数据的空间组织尺度时，收集各街道基础数据无法支撑跨街道地铁站域研究范围内的基础数据。当降低基础数据收集的空间颗粒度时，地铁站域研究范围内基础数据得以根据对应空间范围内的数据汇总得到（见图4）。

图4 不同尺度基础数据采集示意

此外，数据的空间粒度与成本、数据产权主保护意识、建设者协调力度等因素强相关，需要尽可能地找到一个适中的数据空间粒度。

CIM 基础平台基于上述数据空间组织方法，将实现城市级别空间范围内不同专题、不同类型数据纵向（相同专题内不同颗粒度）落位在不同层级空间网格上，同时，横向（不同专题间）可找到相同空间粒度单元参与同一个专业模型（比如防洪模拟）分析计算，充分发挥CIM 基础平台对城市规划、建设、运营过程中计算机信息化应用数据协同作用，使同一份数据可适用于不同专题，能适应部门和行政区边界调整，实现对基础数据建设的统领作用，满足智慧城市应用系统中数据通用性、功能灵活性和可扩展性的要求，避免数据重复建设和更新维护。

5 探索操作性强的CIM 数据采集更新方法

CIM基础平台上数据采集与更新主要包括三维模型与属性信息数据两类。作为挂接到三维模型上的人口、法人等属性信息可通过普查信息、专项调查等方式获取。对于三维模型数据，当前包括BIM 数据、精模、白模、倾斜摄影等，主要通过相关审批业务积累、建模等方式获取。

在三维模型数据方面，无论是住建部从BIM 审批应用出发推动CIM 基础平台建设，还是行业从整合建筑物总体信息的BIM扩展为整合城市海量信息的CIM来探讨CIM的内涵，亦或是进一步提出CIM=BIM+GIS+IoT 等等，虽然国内尚未对CIM 形成统一理解，但多数人认可BIM 数据可将数据颗粒度精确到城市建筑物内部单独模块，BIM 是CIM 的重要组成部分。

工程建设项目审批制度改革鼓励“运用建筑信息模型（BIM）进行工程项目审查审批”，将在二维报建基础上新增三维报建途径，这提供了收集BIM 模型的途径[5]。但是，通过工程建设项目审批这一方式获取BIM模型，仍存在较多难点，如需要政府打通行政审批事项，存在审批时无需提供BIM 模型的区域等。此外，对城市管理者而言，在城市规划、设计、建造和运营等阶段管理过程中，并非所有需求均需深化到BIM 模型内部构件粒度。

因此，在数据收集时，首先在住建部《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》《实景三维中国建设技术大纲》的指导下，可以先采用多种方式收集体块级、倾斜摄影或人工建模精度级、建筑室内的体块或BIM级、地下设施3D模型等多精度3D模型数据，并通过基于城市部件普查、物联网等方式获取属性信息，建立CIM数据基底与框架。

其次，在数据更新时，在对影像、普查等数据自动采集、定期更新的基础上，对高精度BIM 三维模型，可以工程建设项目三维电子报建业务为切入点，逐步更新完善CIM基础平台上的BIM三维模型，对于仅提交图纸、文本等项目，通过翻模等方式获取BIM三维数据，构建全要素三维空间底板，建设智慧城市基础平台。从而降低资金投入，增强CIM 基础平台数据建设的可操作性，支撑城市规划、建设、管理、服务等各阶段应用，助力智慧城市建设（见图5）。

图5 CIM基础平台数据采集与更新方法

6 展望

当前，CIM基础平台已经在规划审批、工程建设等领域开始发挥积极作用，随着5G、物联网等技术的迅猛发展，物理世界与数字世界将互为连接，CIM基础平台有了更加丰富的内涵和想象空间。面向未来，CIM基础平台将物理世界自然、人、社会、建筑物和支撑网络映射到数字世界，将汇聚城市在规划、建设、管理全生命周期各阶段的数据，进而实现精准映射城市运行细节、挖掘洞悉城市发展规律、推演仿真城市未来趋势，使万物感知、万物互联、万物智能的数字新世界成为可能[1]。