基于SuperMap GIS的CIM平台构建探索
来源 本文刊登于2021年7月第74期《超图通讯》
CIM基础平台提供了城市多尺度时空数据管理与服务支撑、城市时空建模与分析计算支撑、城市场景二三维一体化展现支撑，可以快速搭建省市县多级CIM系统。根据各试点城市CIM的示范应用，基于SuperMap GIS构建CIM基础平台的整体构建思路可以概括为定标准、建底板、建平台、定规则、扩应用等五大环节。
目前，各地CIM建设仍处于热度上行期，尚未形成较为统一、规范的构建体系模式，且缺乏成熟的经验积累和知识沉淀，因此在CIM系统搭建前期，需要依照项目单位要求、城市现状分析与目前发展态势，采用“因地制宜”的方案综合评估，不能一概而论，根据所需业务、数据、服务应用类型甚至涉及行业范围的差异，对项目各阶段的工作和交付成果严格规范，确保CIM建设周期可期可待、交付成果具有评判标准。
根据CIM建设热点城市的相关经验积累，根据标准类型划分为数据标准、技术标准和审查标准等几大方向。根据项目周期流程，CIM标准可划分为：规划前期以建设指导意见、招投标管理意见出台为参考，项目实施期间以工作流程、数据标准、技术标准、智能审查标准为依据，项目后期以资料指引、运维管理标准为核心。SuperMap GIS通过对CIM项目前-中-后各阶段开展交付标准部署。
▲图 项目流程标准制定
基于SuperMap GIS的CIM基础平台集合了BIM、GIS和IoT等先进技术，通过数据接入、数据加工、数据融合等GIS技术，实现了对城市海量多源异构数据的统一汇聚与管理，实现了地上地下、室内室外、动态静态、二维三维、历史现状、宏观微观等“六位一体”的城市空间表达，便于城市管理者全面掌控城市运行状态。
基于SuperMap三维数字底盘，可面向全国、区域、城市、园区、场站、楼宇建筑等不同层次的场景空间，构建全空间覆盖、全周期管控、全业务协同的空间治理应用，进而提升城市管理和社会治理水平，推动城市高质量发展。构建城市CIM数字底板，是开展面向城市各行业智慧应用的基础，从而实现对城市的一体化、精细化管理，为城市规划、设计、建设、运营等全流程管控提供可靠依据和指导。
城市地理空间数据的获取主要包括新型测绘和数据利旧两部分。随着互联网、移动互联网、物联网等高新技术的发展，城市数据的采集方式愈发高效便捷。
• 数据接入
基于不同的数据获取方式，基于SuperMap GIS的CIM基础平台可以将时空基础、资源调查、规划管控、工程建设项目、物联感知和公共专题等不同类型、不同数据结构、不同分辨率甚至不同粒度的多源数据进行汇聚，共同构成CIM数据资源体系。
时空基础数据包括二维矢量、栅格、地形等；三维倾斜摄影建模数据、激光点云、人工建模等；依靠BIM模型数据来实现对工程建设项目信息的表达及描述；CIM智能感知数据包括环境感知和社会感知，环境感知主要包括对光学、声学等的传感技术，社会感知指通过交易信息、位置和移动信息、通话通讯信息和网络上访问社交媒体信息产生的信息流动，其他公共专题数据通常为非结构化数据。
在CIM时空数据汇聚过程中，除了由基础地理信息数据、BIM以及物联感知数据等重要组成之外，还需具有各类专题数据支撑，涉及到各行业调查成果等，广泛来源于区域规划、自然资源、公共监管等各个领域。
• 数据建库
由于各类数据库层出不穷，各种存储引擎特点不一，海量城市大数据融合需要丰富的存储机制与多类型存储引擎的支撑。基于SuperMap GIS的CIM基础平台为多源数据融合提供了多种数据存储机制，为各类数据的高效存储提供支持，因此CIM平台建设者需要根据各类主流数据库系统的特点和优势，结合城市异构时空数据类型，选择不同的存储系统来进行统一的数据管理。
MongoDB数据库主要用来存储栅格瓦片、矢量瓦片及三维瓦片等城市海量数据，为CIM平台缓存库建设提供技术支持。HBase支持城市多源数据存储，包括栅格数据（如GeoTIFF）、矢量数据（如UDB/UDBX、Shapefile、GDB等）和各种文件数据，基于HBase数据库实现了城市时空数据的高性能存储。
Elasticsearch主要用来进行城市各类流数据的高效存储，它提供了一个分布式多用户能力的全文搜索引擎，主要应用于云计算环境中，能够达到海量动态物联网数据的实时搜索、稳定、可靠、快速的功能需求。HDFS支持非结构化空间大数据的存储，主要用来存储更新较少的存量数据。它的设计建立在“一次写入、多次读取”任务的基础上，满足CIM平台中非结构数据库的常用需求。
• CIM分级
在完成城市信息模型汇聚和入库之后，还要按照《城市信息模型平台应用统一标准》相关规定进行城市信息模型等级划分，在不同管理范围和显示层级，需要依托异构数据组织进行表达。
根据《城市信息模型和数据加工标准》要求，CIM基础平台应集成二维地理信息、三维模型和BIM等，实现二三维一体化数字模型，集合各粒度信息。因此，在CIM资源整合框架下，按照从大到小的范围，应将城市信息划分为7个资源等级粒度，分别为CIM 1级模型为地表模型，CIM 2级模型为框架模型，CIM 3级模型为标准模型，CIM 4级模型为精细模型，CIM 5级模型为功能模型，CIM 6级模型为构件模型，CIM 7级模型为零件模型。
不同粒度信息通过不同维度数字模型支持，采用金字塔式分级管理的方法，对不同层级的信息和模型整合，在不同显示层级下通过不同的模型表达支撑，需要根据场景需求提供多类型轻量化机制来维护多比例尺场景的无缝切换和浏览缩放。
1、CIM 1级
CIM 1级重点对上千平方公里城市级数字化管理进行地表级支撑。在这一层级，主要对城市整体分布形态等进行粗粒度、归纳式和骨架式的趋势性分析和呈现。因此，CIM平台采用宏观GIS数据以DEM、DOM、DLG等构成，主要用来表达地形、行政区、水系分布和主干道的步伐，通常应用于区域和城市群规划和建设等场景。
▲图 CIM1级地表模型
2、CIM 2级
CIM 2级主要对城市某区域范围内的地物信息进行框架性模型构建，显示范围小于城市级、模型精度略大于地表级，主要增加了交通、植被、建筑、详细规划等信息。框架模型主要通过卫星影像、房屋楼盘表、标准地址等数据来表达，以DEM和DOM表达区域地形起伏，通过符号表达行政区模型，通过面表达水系模型和植被模型，通过符号表达交通模型，主要是将城市面对象升维至体对象进行立体化管理，对象管理更加细粒度化，CIM 2级主要应用于市域城乡规划和建设等。
3、CIM 3级
CIM 3级主要对亚于区块级的标准模型信息进行管理，细化到社区级，重点对要素的三维框架、室内外表面进行表达，主要增加场地、管线、地质、城市部件等信息。因此，主要通过倾斜摄影建模数据、地质模型、专题地图、房产分层分户图、标准地址等方式组合呈现，如地形通过高精度DEM和高精度DOM表达，建筑模型、交通模型、水系模型、植被模型、场地模型、管线模型和城市部件以及各类设施，通过符号或细节建模数据表达。CIM3级主要应用于城市建成区规划、建设和管理。
4、CIM 4级
CIM 4级主要对单栋建筑模型信息进行精细模型管理，细化到LOD1.0层级，重点对建筑内外部功能及各类设施模型等详细属性管理，主要增加项目级BIM、精模和房屋建筑工程CAD图来进行细节信息补充和完善，表达要素三维框架、室内外表面及其细节。因此，主要通过单个BIM对建筑内部构件进行精细化表达，通过精细模型对地形、水利工程设施、交通设施、管廊管线、地下及地面信息、植被等进行细化补充，主要应用于中心城区、重点区域规划、建设、管理、运行。
▲图 CIM4级精准模型
5、CIM 5级至CIM 7级
CIM 5级到 CIM 7级是基于CIM 4级作进一步的精细化模型管理，分别为功能模型、构建模型和零件模型。CIM 5级、6级主要依托激光扫描室内模型、地下空间模型、房屋建筑工程CAD图等数据表达来达到LOD2.0、LOD3.0的数据精度，CIM 7级通过部件级BIM达到LOD4.0的模型精度。CIM 5级到CIM 7级主要对小场景范围下的建筑内外、交通、场地、地下空间等要素及主要功能分区、主要构件、主要设备零件等内容进行支撑表达。其应用场景涉及到建筑构筑物管理、构筑物设施管理以及精细零件管理。
• CIM分级加工优化处理
基于CIM分级多源数据融合对数据质量的要求，需要将源数据进行预处理，使其符合 CIM平台对数据整体的要求。基于不同的数据类型，SuperMap GIS提供了各类丰富多样的数据分析算子，满足多场景对不同数据的处理需求。针对矢量数据，平台提供了拓扑检查、数据追加、字段计算、数据集裁剪等。栅格数据的处理算子有重采样、重分级、数据集裁剪、像素格式转换等。三维数据处理方法针对不同数据类型划分，典型算子为纹理压缩、单体化、合并根节点等。
相同区域按照不同的CIM分级，模型构建方式也有所差异。因此，在进行模型加工时，也采用异构策略来执行，需要对各分级下的二三维模型进行输入要求、数据加工要求和输出要求等进行相关GIS能力支撑。
1、CIM 1级优化处理
CIM 1级主要为时空基础数字底盘数据，以DEM、DOM、DLG等大范围地形数据为主，需要对数据做空间位置配准、修正高程数据以及叠加计算等相关加工处理操作，形成整体 CIM1级模型后采用通用栅格格式存储，提供包含空间投影、文件目录结构的模型说明文件。
2、CIM 2级优化处理
CIM 2级数据在时空底盘的基础上，增加标准地址库、楼盘信息等相关微宏观地理信息数据，且对DEM等做更精细化的要求，DLG所包含的属性字段也更加详细，包含建筑用途、结构等信息。因次，需要对CIM 2级数据做分层分户、修正水面高程数值、标识编码、关系映射等数据加工工作，采用通用三维数据格式存储和输出。
3、CIM 3级优化处理
CIM 3级在2级的基础上增加了倾斜摄影建模数据、地质数据、管线专题地图、城市部件专题地图等数据。对倾斜摄影、地质体、专题图等数据做单体化、分区分块建模、符号化建模等加工操作。生成的CIM 3级模型采用通用三维数据格式存储，提供包含空间投影、文件目录结构的模型说明文件。
▲图 分层分户
4、CIM 4级优化处理
CIM 4级对DEM、DOM、DLG、专题图等基底模型做精细化分辨率及比例尺定义，对城市三维人工精细模型、激光结合倾斜摄影模型、地质模型、管线管廊模型平面精度和高程精度做亚米级规定，BIM 模型应包含建筑模型。CIM 4级模型采用通用三维数据格式存储，提供包含空间投影、文件目录结构的模型说明文件。CIM4 级多源数据组合机制要求平台具备不同模型的分类编码和三维模型转换功能，并且既能转换单个模型，还能实现批量转换。
5、CIM 5级至7级优化处理
CIM 5级要求BIM模型应包含建筑、交通、场地、地下空间等模型，精度宜为 LOD2.0。CIM 6级要求BIM模型应包含建筑、交通、场地、地下空间等模型，精度宜为LOD3.0。CIM 7级要求BIM模型应包含主要设施设备及其零部件模型，精度宜为LOD4.0。CIM 5级至7级主要对BIM各LOD层级下的数据进行不同机制的加工处理工作，如基于BIM模型的提取外壳、删除无用子节点、实例化、三角网简化等。
• 基于分布式技术的数据优化处理
面对海量异构数据，常见传统的处理方式效率低下，同时存在着存储管理耗时长等问题。基于以上问题，为了能够真正实现空间大数据分布式计算的能力，SuperMap GIS引入分布式技术，从平台内部和外围与Spark技术进行全方位的深度融合，实现大规模多源数据的高效处理，为海量多源数据的融合提供前提和保障。
例如，将292GB的倾斜摄影建模数据采用不同处理模式进行相同处理操作（合并根节点、单体化、纹理压缩一、转为S3M、存入MongoDB）的性能比对，该过程分别在单机单线程（8CPU，64GB 内存）、单机多线程（4CPU，64GB 内存）、分布式（6节点*（4CPU，16GB内存））情况下进行测试。对比得出，由传统多步骤执行模式下3天的处理时间，在分布式模式下只需要3小时完成，分布式技术方案大大提高了倾斜摄影处理效率。
• 基于GP的数据优化处理
在CIM孪生数据库构建过程中，需要进行大量复杂的数据处理工作，通常需要进行多步处理过程来优化数据质量。随着数据类型的不断增多，传统的多步骤执行数据处理方法会增大许多工作量从而耗费大量的时间。通过SuperMap GIS提供的地理处理GP工具，可将多类型600多种数据处理算子，包含200多种分布式算子进行封装，集成到SuperMap GIS中通过统一界面选择算子和关系部署，实现数据处理的流程化建模。平台只需要一次I/O，就可以轻松进行多类型数据处理工作，可以提供从入库、处理到发布全流程服务，还可以为多种场景提供预定义数据处理模型，避免对同一流程进行重复的建模，方便模型复用，同时在Web和PC端可以进行模型互用，简化工作流程，提高任务效率。
• 多源数据融合
CIM基础平台是城市信息化的基础，通过运用GIS技术与各类物联网、AI等有机结合，打通数据资源的融合共享与开发利用。其中，打通信息孤岛、区块分割等问题，实现数据互通、相互关联从而进行多维度的综合分析决策能力等，是推进智慧城市建设的必经之路和重要条件。
基于SuperMap GIS的CIM基础平台主要依托以下共享交换机制实现二三维一体化的数字孪生平台构建：一方面通过开放式空间数据库互联互访（Open Geospatial Database Connectivity，OGDC）标准实现数据互操作，将异构GIS平台中的数据写入SuperMap GIS 平台；另一方面城市二维数据、三维数据特别是BIM数据如Revit、Bentley、Catia等可以原生写入或者插件转换，并以UDBX的方式进行存储。
为了便于服务发布和存取性能方面的优化，可以将UDBX中的二三维数据以《空间三维模型数据格式》标准（S3M）的形式进行融合统一，还可以转化为3D Tiles开放规范。在数据融合的基础上进行服务发布，一方面可以将将UDBX中的二维数据以OGC服务的方式进行发布，CIM平台支持OGC标准下的WMS、WFS、WCS、WPS、CSW、KML、WMTS、GeoSS等服务类型；另一方面，将二三维一体化的S3M以《空间三维模型数据服务接口》的方式进行发布，3D Tiles规范数据则发布为3D Tiles对应的服务，最后通过前端调用服务进行多端可视化展示，可实现整个城市大规模场景从多源数据接入和融合到服务发布全流程一体化的数字孪生基础，为城市空间数据统一标准和共享交换提供技术支持。
• CIM交互体验
为顺应多类型用户需求和满足多应用场景便利，基于SuperMap GIS的CIM基础平台将面向不同分辨率和尺寸的大屏、PC屏幕和移动终端等展现媒介，自适应地进行多端轻量表达交互使用。同时，利用最新的IT可视化及交互技术，如 WebGL\VR\AR，提高对城市地理环境的真实化表达，给人们提供沉浸式体验。
基于SuperMap GIS的CIM基础平台综合应用各种端的优势：
1、将PC端体验融入，主要进行城市场景构建等，结合超图三维GIS游戏引擎开发包的效果优化，以强大的三维数据承载力，为各行业多端媒介多维展示城市全貌和运行状态。
2、WebGL通过提供硬件三维加速渲染能力，实现利用显卡在浏览器里展示城市场景和模型，同时支持城市时空数据的可视化表达。
3、领导驾驶舱就是通过整个超大屏幕来展示关键数据内容，在城市管理中心、指挥调度中心支持全局式体验。
4、CIM基础平台以用户角色机制实现了移动端任务务协同，在移动巡检、外业采集等场景获得轻量式体验。
5、通过与VR设备结合使得城市展示在人机交互上拥有更丰富的视觉感和体验感。
6、CIM基础平台提供支持AR功能，实现真实环境与虚拟环境的融合，在工程建设、水利水电勘察设计和导航等行业中，实现城市三维协同设计等能力。
基于SuperMap CIM基础开发支撑平台的先进技术体系，在城市CIM建设中提供高效边界的时空信息服务能力，包括城市多源异构时空数据融合与治理能力、城市二三维一体化全要素时空信息表达能力、城市规建管全流程指标建模与分析能力、高性能时空信息服务能力。
▲图 CIM基础平台城市沙盘
SuperMap CIM基础开发支撑平台应提供工程建设各阶段基础能力保障，实现对多源数据的“逻辑集中，物理分布”的一体化、全流程管理，具体体现在模型检查入库、碰撞检测、多版本管理、模型轻量化、模型抽取、模型比对与差异分析等功能。
SuperMap CIM基础开发支撑平台通过资源展示系统支持对模型数据进行综合整合，同时支持资源查询、检索、整合、以及管理等能力。基于完整的模型体系实现对现实城市的全空间数字化表达，在此基础上才能进行城市计算，包括二维空间分析、三维空间分析以及复杂空间运算。平台基于不同的数据类型，提供了丰富多样的空间分析算子。
其中，构建城市规则入库、指标体系建设、项目方案审查、方案体检单管理等流程化的项目控规管理体系，是平台建设的重点发展方向，将作为核心环节，在下一章节重点阐述。
此外，SuperMap CIM基础开发支撑平台提供基础服务支持系统，主要包括门户构建、运维管理服务、资源中心、安全中心、开发中心和应用中心等模块。
在规划、建设工程，以及自然资源等城市建设的诸多领域，会对历史、现状和未来各阶段进行严格规定，需谨慎遵守细则条例，因此其中不免会涉及到指标体系、指标服务能力、构建思路和指标类型等方面的业务流程建设。
• 技术路线
SuperMap CIM基础开发支撑平台基于数字孪生的场景构建，将城市规划中各项控规条例进行数字化转译，利用多种GIS二三维一体化的降维计算、规则建模、场景表达、三维空间运算、三维空间关系判断以及三维空间查询和分析等功能进行支撑，实现了指标库的构建。
SuperMap CIM基础开发支撑平台支持用地红线、容积率、建筑高度、地下建筑范围、总建筑面积、贴线率等刚性规则，和贴线率、开敞度、可视域、天际线、道路高宽比等柔性规则，将这些规则以数字化的立体形式内置到平台中来形成指标计算规则库，对城市建筑及设施进行全量规划审批指标的自动计算，快速检测出现存及规划项目中的空间矛盾，有效避免重复拆建。当用户将项目设计方案导入平台中，平台可以自动根据待审批项目类型及相应审核指标进行自动计算和审查。
▲图 控高分析（刚性规则）
• 知识沉淀复用
SuperMap CIM 基础开发支撑平台采用 DIKW 金字塔（Data-Information-Knowledge-Wisdom，即数据、信息、知识与智慧）：按现实世界的组成结构，对三维孪生数据进行分类与组合，即以数据的形式在虚拟世界进行实体对象的数字化转译，即实体库；将基础数据通过一定的分析和统计算法，挖掘数据信息，即指标库；通过提取出的信息中存在的规则，进行数学建模来反映现实世界的变化规律，利用探索的知识对现状影响因子进行评估，利用变化规律模型来预演未来，即模型库；通过对未来的探知来优化现状，进行相关的资源调整等改变，体现为智慧。
例如，利用实体库中某城市或区域的房屋、人口等基础专题数据进行信息挖掘，查看时空范围内区域人、物的分布情况和变化规律，从而得到人均住房面积、区域时段人流等指标数据；再利用挖掘到信息进行规律“二次挖掘”分析建模，得到不同影响因素对事件的复杂关联关系，对区域内土地开发强度、资源承载力等因素进行判定，从而得到模型库；再根据构建模型进行影像分析、状态预测及未来模拟推演，可以得到未来规划设施后的时空分布，如规划地铁后未来客流量分析；最后依照推演结果，合理调整政策导向和资源调整，从而达到优化设施和稳定区域发展等效果。
全套流程进行复用和循环，不断调整模型来完善预测结果，以达到知识沉淀复用的目的，这也是系统持续自我优化的过程。目前在此方法下应用较为成熟的有交通流量预测、人口预测、地类预测等。
• 构建流程
首先，根据各地方政府与规划部门对整体城市设计的管控条例，需要按照基本信息、设计属性、位置指标、空间占位、空间布局、空间影响等维度，对细则条例进行规则分类，形成规则库。再按照不同的类型，将文字性的条例以统一的模板进行入库，平台根据模板和字段信息自动进行指标字典对应和指标配置，根据指标配置将算法进行对应和排列，形成指标库。同时根据各业务场景和指标配置沉淀模型以实现复用。当用户需要进行项目审查时，可将项目工程文件上传，新建或选择相关的规则，系统将自动映射到对应的指标流程和复杂算子编排中，开始自动审查流程，最后将分析结果生成体检单，提交给用户，以全流程无人值守机器化审核的方式实现快速工程合规审查任务。
• 指标类型
基于指标体系中的分类类型，包括建筑工程、道路工程、给排水工程、综合管廊、燃气工程、热力工程、电力工程、通信工程、环卫工程、园林工程、林业工程、湿地工程等十二大类不同行业项目中的500多种指标算法模型，主要分为基本信息、设计属性、位置指标、空间布局、高度控制、空间影响等指标类型。SuperMap CIM基础开发支撑平台提供了通用指标体系，赋能各行业自动审查任务，同时支持指标编辑、更新和批量删除等功能，用户根据需求弹性扩展指标类型和参数，灵活定制。
• 指标自动化应用
SuperMap CIM基础开发支撑平台将城市设计与三维GIS技术结合，利用城市设计管控规则数字化转译为多项电子规则，把三维空间转换三维数字化空间，实现了从城市设计到规划管理全环节的运用。
道路红线是城市道路规划中一项核心规则，各项目建设需严格遵守。依照相关规定，红线范围内不允许规划永久性建筑，沿街建筑结构如阳台、外墙、楼梯等立体对象不能占据道路的立体空间。SuperMap CIM基础开发支撑平台支持将道路红线拉伸构建为实体模型与建筑模型进行布尔运算，不但能判断建筑物是否超侵占道路，而且能够准确计算出超限部分的面积与体积。通过道路红线结合退线距离进行缓冲区构建，基于缓冲区的面进行线状拉伸生成基于体对象的控规盒子，再与沿街对象做三维空间关系判断，就可以判定哪些建筑不符合规则。
CIM融合IT、BIM、GIS、IoT等技术，通过CIM基础平台提供的各类数据管理、数据加工、分析挖掘、可视化展示等能力，为下沉到各行业的应用系统提供基础GIS能力，开展1+N应用，服务城市规划、建设和治理等多个场景，助力城市挖掘数据价值。
在CIM+应用体系中，可基于SuperMap CIM基础平台能力，辅助规划建设、城市管理、城市运行监测与综合决策等多个行业的业务应用，辅助自然资源、城市精细化管理等多方向智能化发展。
本文结合试点城市的建设经验和SuperMap GIS在CIM方面的持续探索，从定标准、建底板、搭平台、定规则、扩应用等方面，提出基于SuperMap CIM基础开发支撑平台的CIM平台构建思路，并对各层次建设内容做详细阐述。
通过搭建基于SuperMap GIS的CIM基础平台，使各专业、各领域致力于城市发展的不同协作者，能够有效、合理、持久地开发、建设、运营和维护城市，同时利用知识沉淀复用体系，不断优化城市管理模式。
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