数字城市空间框架三维模型构建与应用研究

王树魁， 王睿祺， 来兰梅， 崔蓓， 毛燕翎， 张喜梅

（1. 商丘师范学院；2. 南京市鼓楼实验中学；3. 南京市国土资源信息中心；4. 安徽省特殊教育中专学校）

1 引言

近年来，国家在战略层面提出了数字中国、实景三维中国、城市信息模型平台、新基建等一系列重点工作任务，成为新型智慧城市建设的重要抓手，建设成果形成了城市治理的数字基础设施。国内很多城市也在尝试通过对城市立体空间、建筑物和基础设施等要素的物理和功能特性进行三维数字化模型表达，构建三维数字空间的城市信息有机综合体[1]，作为新型智慧城市的数字化空间载体，接入实时动态物联网信息，通过虚实精准影射、相互联动，模拟城市规划、建设、管理、运营等复杂系统工作，在虚拟世界试验验证，在真实世界推广执行。该工作在推进城市治理体系和治理能力现代化中具有重要意义。

2 现状分析

城市管理的众多决策应用场景，需要三维数据模型的科学支撑。城市空间三维数字模型根据表达精度，可分为框架模型和精细模型。在实景三维等工程实践中，常常采用人工建模、倾斜摄影、激光扫描或BIM翻模等数据生产方式，经过长期的投入，积累海量的高精度数据资产应用于城市治理，提升了城市精细科学的管理水平。同时，也逐渐暴露出精细模型的建模成本高、维护难等一系列问题。一般城市的三维精细模型每平方公里的建设成本为5万元左右，地形比较复杂，每平方公里的成本高达10万元以上；且不同的生产方式生成的数据格式不同，有三维矢量、点云、三角面片等，难以相互转换和集成融合；精细模型数据量巨大，使用普通网络和计算机难以流畅调度渲染。因此，不少团队另辟蹊径，开展了快速构建城市三维空间框架模型的技术方法研究与尝试，比如白畯文等采用自动化、参数化方法快速构建城市级三维GIS场景[2]，杨文婧开展大区域三维建筑白模建设及关键技术研究[3]等，为城市大范围全覆盖的三维建筑单体简模的建设探索技术线路，降低了数据生产成本和维护难度，能满足大部分应用场景的需求。城市是一个多元综合的复杂系统，本文以南京为例，将基于不同数据和不同技术线路生成的数字城市空间框架模型进行系统研究，构建数据体系，建立一套城市三维框架模型数据库，作为新型智慧城市信息协同的空间数字底板，在降低成本和提高效益的同时，满足智慧城市治理中不同应用场景对三维数字模型的多样化需求。

3 城市空间框架模型体系

城市空间框架模型的生产可基于城市既有的测绘4D 产品数据成果，并深入挖掘数据的应用价值，结合实际应用场景的需要研究数据治理的路线和标准，再利用GIS 软件批量驱动生产大规模的城市建筑、道路、水体等信息模型。其利用既有的数据资源，投入成本不到精细模型的十分之一，数据结构和存储格式规范统一，数据容易组织形成体系，能兼顾在空间分析和可视化渲染等方面的数据传输效率和显示效果，作为城市治理的空间可视化载体，可满足不同尺度场景下城市空间形态发展研究模拟、管控分析预警和城市运营管理等应用需要。

南京面向城市规划、自然资源管理和智慧城市等城市建设发展管理的需要，先后经历了城市三维公共服务平台、城市设计成果建库与管理[4]、CIM 平台等技术研究与管理应用总结，针对不同应用场景，将城市三维框架模型系统地分为基础模型、精工模型、功能模型、管控模型和方案模型等5类（见表1）。城市空间框架模型在智慧城市建设和运营中，具有全市统一空间协同数字底板的作用，消除数据孤岛，统筹各部门智慧系统的共建共享和协同管理，推进城市治理数智化转型和高质量发展。

表1 常用城市空间框架模型分类

4 城市空间框架数字模型建设及应用

4.1 基础模型

基础模型基于数字高程模型，可使用三维GIS软件工具进行空间提取分析，为建筑基底图提取地面起始高程值，并作为属性存储；再根据地面高程和建筑高度信息，将建筑基底图驱动生成三维建筑基础模型。河流、道路、绿化等其他要素采用地表覆盖要素渲染后，叠加在数字高程模型上展示，形成全覆盖的三维地面。基础模型可以看作二维地形图的三维表现。基于传统的二维地形图产品，能快速大范围生成城市基础模型，虽然要素的表达精细度不高，但也能够满足宏观了解城市现状空间结构，开展城市空间形态的规划研究，进而根据属性信息生成城市建筑高度、建筑年代、建筑结构等城市三维空间专题图或热力图等应用需求（见图1）。

图1 城市建筑高度专题图

4.2 精工模型

精工模型基于CityEngine 规则化建模技术生成，产品精度和视觉效果提升明显。同样基于数字高程模型、建筑基底图等现有数据，建筑基底图要求更精准详细，对于顶高不唯一的建筑，需要分别构建闭合高度范围边界，并附带建筑高度、层数、材质等属性信息。数据治理中先进行数据的规范化处理，确保建筑基底图符合精工模型生成标准，并带有地面起始高程、建筑高度、层数等属性信息；再结合人眼视觉特性和真实美观的要求，根据建筑材料分类制作贴图库，为了减少数据量、提高显示效率，贴图可用简洁美观的建筑手绘效果图；针对数据和贴图等资源，按照CGA 函数和语法规则，编写建筑物拆分、拉伸、生成屋顶和女儿墙等脚本程序；最后通过CityEngine平台运行脚本程序批量生成精工模型，支持按材质贴图，并利用建筑手绘随机留白、黑白对比等艺术手法绘制建筑分层线，增加精工模型外观轮廓表达的效果和层次感，艺术与技术的结合使模型表现更加精美生动（见图2）。

图2 城市精工模型

采用同样的方法也可批量生成绿化、道路和水体等要素，发布之后的水体模型还具有倒影、流动和波浪等动态效果，各类模型与建筑模型集成融合，共同构成城市全要素的数字底图。精工模型采用低成本高效率的生产方法，可量产接近精细模型工艺效果的三维模型，作为城市精细模型覆盖范围的有效补充，通过多源异构数据模型的融合治理，实现智慧城市空间数字底板的全域覆盖和精细仿真。

精工模型生成的关键是根据需要编写自动驱动生成模型的脚本程序，并对脚本进行反复训练和优化改进，使模型的细节造型接近真实表达，如果材质分类足够详细，通过丰富贴图模型库，生成的模型与精细模型的效果非常接近。精工模型的更新可随4D产品的更新同步进行，快速自动生成，经济实用。因此，南京城市的精工模型已广泛应用于规划和自然资源审批管理、城市体检、新城建和智慧城市等应用场景，成为目前应用最广泛的城市现状三维模型。

4.3 功能模型

功能模型是将建筑模型对象精细到建筑物每层每户功能空间的信息模型，可通过建筑物信息调查、房产测试或者建筑平、立、剖施工图加工，形成建筑物的分层图和分户图，分层图附带起始高度和层高等属性，分户图体现空间分割范围并挂接房间功能、工商管理、不动产权等属性信息。利用三维GIS 软件，经过数据治理和模型驱动等过程生成三维分层分户模型，形成栋、层、户不同粒度的模型对象（见图3），作为城市信息的空间载体，分别挂接相应的行业管理信息，实现从栋、到层和户等不同颗粒度对象的数据管理、信息查询展示和统计分析。比如借助河西建筑物普查构建的分层分户功能模型关联用水量、用电量等能耗信息[5]，可展示过去一段时间的能耗使用动态变化情况（见图4），辅助开展房屋空置率分析、单位GDP 能耗分析等应用，为智慧城市现代化治理决策提供可靠的科学依据。南京在BIM/CIM试点建设中，借助BIM报建的模型数据，快速构建不动产三维空间模型，生成楼盘表，挂接每户的建筑面积、产权等信息，积极探索三维不动产管理应用。

图3 建筑分层分户模型

图4 建筑分层分户用电量分析

4.4 管控模型

在国土空间规划编制中，城市层面划定的“三区三线”、“城市轴线”、“视线廊道”等城市虚实空间的管控要素，作为城市规划空间管控的“底线”；在详细规划、城市设计和专项规划的成果图则中，通常会明确建筑高度控制、建筑后退、街墙控制、机场净空等核心控制要素和控制指标。为了实现城市空间管理的智能化，可利用三维GIS建模软件，将国土空间规划中确定的城市空间管控核心要素根据管控要求指标进行三维模型实例化。批量驱动生成城市空间管控的要素库，作为城市空间智能化治理的管控依据，当建筑方案报建审批时，可辅助自动检测预警建筑方案高度、退线、景观视线、净空等方面是否符合规划要求（见图5），保障城市轴线、廊道系统的通透舒适和秩序良好，营造优美和谐宜居城市空间形态，塑造独具特色的城市精神风貌，外树形象内聚民心。

图5 建筑方案的智能化空间管控预警

4.5 方案模型

城市规划的研究对象是复杂的社会系统，规划设计方案不是工业产品，不能通过物理性的实验来校验，因此利用数字仿真模拟等技术手段，可在数字化虚拟环境中模拟规划方案的未来建成效果，开展空间形态、景观效果和周边关系等研究分析，对规划方案做前期预评估、校验和优化，达到整体的和谐状态，使城市人居环境营造达到可度量、可模拟、可校验、可评估与可优化。

南京曾研发了三维城市设计管理平台。该平台以城市全覆盖的三维数字模型为底板，可快速植入建筑方案模型，开展前期预评估和校验优化。初始平台主要支持精细模型，因此需要设计单位花大量的精力用于模型制作，推广难度较大。为了提高效能，提出基于CAD 文件制定数据规范，通过分层规定简单构建建筑基底轮廓和高度、层数等信息，在三维现状模型的虚拟现实环境中，可自动驱动生成三维模型开展城市空间形态研究，支持在方案会审中，对模型高度、层数、方位和材质贴图等方面的参数化调整和快速编辑。该平台可大大降低在城市规划管控中对城市三维空间形态模拟管控的门槛，在建设项目招商宣传、规划选址和规划条件指标验证等项目前期研究和建筑方案初审等环节，能低成本快速判断建筑设计方案是否符合空间规划管控要求，后续还推广应用到城市更新改造和环境品质提升研究等方面。

5 结语

通过以上研究和应用实践，将城市框架模型分成基础模型、精工模型、功能模型、管控模型和方案模型等5 类，可服务不同的应用场景，并互为补充，共同构成的城市三维数字框架模型体系，既充分挖掘利用现有数据成果，降低建设和维护成本，又能提高生产、调度和渲染效率。通过对不同尺度的模型合理组织分工并建立相互的关联关系，构建有机的城市空间框架协同数字底板，作为智慧城市可视化空间载体，也可对应接入城市动态管理的人、物、事等物联网信息，形成与物理城市精准映射、虚实交融的数字孪生城市，能满足从宏观到中微观不同场景关联互动的管控应用需求，发展前景广阔。