實(shí)景三維的概念與內涵

一、 實(shí)景三維的概念

　　在2021 年自然資源部發(fā)布的《新型基礎測繪與實(shí)景三維中國建設技術(shù)文件-1名詞解釋》中，首次對實(shí)最三維作為專(zhuān)用名詞術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了科學(xué)定義，即“實(shí)景三維是對一定范圍內人類(lèi)生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進(jìn)行真實(shí)、立體、時(shí)序化反映和表達的數字空間。是新型基礎測繪的標準化產(chǎn)品，是國家重要的新型基礎設施，為經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展和各部門(mén)信息化供統一的空間基底。”實(shí)景三維屬于新型基礎測繪標準化產(chǎn)品的主要形式，是新型基礎測繪的數據成果之一，新型基礎測繪是實(shí)景三維數據生產(chǎn)的能力基礎。

　　自自然資源部發(fā)布《實(shí)景三維中國建設技術(shù)大綱(2021 版)》以來(lái)，實(shí)景三維中國建設已經(jīng)成為全社會(huì )關(guān)注的焦點(diǎn)之一。先期啟動(dòng)試點(diǎn)建設的上海、武漢、青島等城市經(jīng)取得了初步成果，為實(shí)景三維中國建設提供了實(shí)踐案例。

    二、與實(shí)景三維相關(guān)的概念

　　實(shí)景三維來(lái)源于三維地理信息系統 (three-demension geographic information Systcm13DGIS)。早在 20 世紀 80 年代，國內外學(xué)者(如李清泉、李德仁等)圍繞三維自動(dòng)化建模、海量數據管理、可視化、共享和互操作等開(kāi)展了大量的研究工作。自 1998 年的美國副總統艾伯特·戈爾提出數字地球概念以來(lái)，3DGIS 的發(fā)展迅速走向了快車(chē)道特別是2005 年 Google Earth 的發(fā)布，全球范圍更是掀起了一股前所未有的三維虛擬地球熱潮，三維虛擬地球軟件在測繪、規劃、氣象、水利、電力、軍事、城市管理、災害應急等領(lǐng)域得到了廣泛應用。

　　1.三維地理信息系統 (3DGIS)

　　早期三維模型主要是人工建模生成，巨大的建設成本限制了其應用。近年來(lái)，隨著(zhù)傾斜攝影測量、激光掃描測量以及自動(dòng)化建模等新型測繪技術(shù)的進(jìn)步，快速獲取和構建大規模三維模型成為可能。三維數據獲取門(mén)檻和建模成本顯著(zhù)降低，更新頻率和現勢性得到顯著(zhù)提高。與此同時(shí)，隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng) (internet of things，IoT)、信息與通信技術(shù)(information and communication technology，ICT)和人工能等新興技術(shù)的勃發(fā)展，這些新興技術(shù)與測繪技術(shù)深度融合，基于數字技術(shù)對現實(shí)世界進(jìn)行真實(shí)、實(shí)時(shí)描述和數字化管理成為可能，實(shí)景三維的理論與應用也逐漸引起大家的重視，3DGIS 向著(zhù)實(shí)景三維方向進(jìn)一步發(fā)展。

　　2.建筑信息模型

　　BIM 技術(shù)是一種應用于工程設計、建造、管理的數據化工具，通過(guò)對建筑的數據化信息化模型整合，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過(guò)程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員、設計團隊以及包括建筑、運營(yíng)單位在內的各方建設主體提供協(xié)同工作的基礎，在提高生產(chǎn)效率、節約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。以三維實(shí)體形式表達的建筑模型是 BIM 的基礎、核心和工作對象。從本質(zhì)上來(lái)看，作為實(shí)體的建筑信息模型是存儲了項目集成化信息的數據庫，并以數據庫為核心實(shí)現多種不同程度的應用。BIM將設計和建設的信息融入單體建筑或市政的三維部件之中，且這些信息與施工和運營(yíng)中的財務(wù)、進(jìn)度、專(zhuān)業(yè)協(xié)同、維修等密切相關(guān)，成為智能建筑或智能設施的基石。

　　實(shí)景三維通過(guò)接入 BIM 等數據，實(shí)現室內微觀(guān)細節的表達。BIM 已經(jīng)廣泛應用于建筑物生命周期內的設計、采購、制造和管理活動(dòng)，高精度的 BIM 數據，推動(dòng)了三維GIS 從宏觀(guān)走向微觀(guān)，從室外走向室內，BIM 也是部件級實(shí)景三維建設的主要數據來(lái)源之一。

　　3.物聯(lián)網(wǎng)

　　物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)信息傳感設備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò )相連接，物體通過(guò)信息傳播媒介進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò )基礎設施，它具有基于標準和互操作通信協(xié)議的自組織能力，其中物理的和虛擬的“物”具有身份標識、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口，并與信息網(wǎng)絡(luò )無(wú)縫整合。今后，物聯(lián)網(wǎng)將與媒體互聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一起構成未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)。

　　物聯(lián)感知數據的接入與融合能力建設是實(shí)景三維中國建設的重要內容之一，物聯(lián)感知數據主要包括傳感器數據、空間位置服務(wù)數據、互聯(lián)網(wǎng)數據、社會(huì )經(jīng)濟數據等類(lèi)型物聯(lián)感知數據接入與融合能力建設構成了實(shí)景三維對現實(shí)世界的在線(xiàn)感知的現實(shí)基礎基于感知設備本身的空間位置或者地名地址的匹配方法將物聯(lián)感知數據進(jìn)行空間化，并進(jìn)行坐標和時(shí)間一致性處理，實(shí)現其與基礎地理實(shí)體數據的時(shí)空關(guān)聯(lián)處理。

　　4. 城市信息模型

　　當前對城市信息模型 (city information model，CIM)的主流定義為:以城市信息數據為基數，以BIM、地理信息系統 (geographic information system，GIS)、IOT 等技術(shù)為基礎，整合城市地上地下、室內室外、歷史現狀未來(lái)多維多尺度信息模型數據和城市感知數據，構建起三維數字空間的城市信息有機綜合體。吳志強院士 2011 年提出了對城市信息模型的另一種解釋?zhuān)闯鞘兄悄苣Ｐ?/span> (city intelligent model)。他認為 CIM 中間的“I”是“智能”(intelligent),“不僅包括對城市數據的收集、儲存和處理，更應強調基于多維模型主動(dòng)地解決城市發(fā)展過(guò)程中的問(wèn)題”。對比城市信息模型，實(shí)景三維更強調為數字化映射提供通用的、標準化的三維數據產(chǎn)品，是時(shí)空信息底座，城市信息模型更強調對建筑或城市的全生命周期管理，通過(guò)融合多源數據實(shí)現多維空間信息整合、空間數據分析與應用、數據融合共享、綜合集成管理等。由此可見(jiàn)，實(shí)景三維可以作為 CIM 的重要數據源。

　　5.數字孿生

數字孿生(digital twins) 是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。數字孿生是一種超越現實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴(lài)的裝備系統的數字映射系統。數字孿生城市通過(guò)物理城市與數字孿生城市的精準映射、虛實(shí)融合、軟件定義、智能反饋，促進(jìn)城市生產(chǎn)更加高效安全、生活服務(wù)更加便捷、生態(tài)環(huán)境更加低碳可持續。如今，我國城市治理現代化邁入了智能社會(huì )治理階段，核心是使用人工智能技術(shù)，構建以數字孿生城市為全息底座的社會(huì )有機體。實(shí)景三維是數字孿生城市的基礎核心，基于實(shí)景三維數據底座，可以連接人口、房屋、住戶(hù)水電燃氣信息、安防警務(wù)數據、交通信息、旅游資源信息、公共醫療等眾多城市公共系統的信息資源，實(shí)現跨系統應用集成、跨部門(mén)信息共享，支撐數字孿生城市的決策分析。數字孿生城市是數字城市的高級階段，也是智慧城市的新高度，數字孿生城市是融合統一數據標準、城市信息模型、城市運行數據、共性支撐平臺、數字孿生應用等多個(gè)單元的復雜系統。實(shí)景三維將物理城市的實(shí)體模型構建為數字孿生體，實(shí)景三維建設是構建數字孿生城市最重要的環(huán)節之一。

　 三、實(shí)景三維的主要特征

與傳統的測繪地理信息產(chǎn)品比較，實(shí)景三維的主要特征包括以下 6 個(gè)方面的轉變

(1)從“抽象”到“真實(shí)”:實(shí)景三維是對現實(shí)世界的真實(shí)描述，將原有受測繪技術(shù)手段約束只能對現實(shí)世界進(jìn)行抽象描述，轉變?yōu)椴捎眯录夹g(shù)對現實(shí)世界真實(shí)直觀(guān)刻畫(huà)。

(2)從“平面”到“立體”:由現有以“點(diǎn)、線(xiàn)、面”要素為核心的 4D 產(chǎn)品對現實(shí)世界的二維平面抽象表達，擴展至以“體”要素為核心的新產(chǎn)品對現實(shí)世界的三維形象表達。

　　(3)從“靜態(tài)”到“時(shí)序”:實(shí)景三維是對現實(shí)世界的時(shí)序化描述，不僅能夠反映現實(shí)世界的某一時(shí)點(diǎn)當前的狀態(tài)，還可反映多個(gè)連續時(shí)點(diǎn)的狀態(tài)，時(shí)序、動(dòng)態(tài)展示現實(shí)世界的發(fā)展與變化。

　　(4)從“按要素、分尺度”到“按實(shí)體、分精度”:實(shí)景三維突破現有基礎地理信息要素對現實(shí)世界分尺度表達的概念，達到“一個(gè)實(shí)體只需要高精度施測一次”，切實(shí)提高對現實(shí)世界的描述準確性。

　　(5)從“人理解”到“人機兼容理解”:與以前對現實(shí)世界的“一張皮”表達相比實(shí)景三維不僅包含幾何結構和紋理信息，還蘊含豐富的空間關(guān)系、社會(huì )經(jīng)濟等信息，通過(guò)結構化語(yǔ)義化處理，支持機器自動(dòng)解譯與識別，真正實(shí)現了“機器難懂”到“機器易懂”的轉變。

　　(6)從“陸地表層”到“全空間”，現有地理信息產(chǎn)品更側重陸地表層空間的描述實(shí)景三維實(shí)現“地上下、室內外、水上下”全空間的一體化描述。