摘要：本研究以南京市、廉江市为例，深入分析了城市信息模型（CIM）平台发展历程和存在问题，借鉴国内外相关案例经验和研究成果，提出基于泛在物联感知时空大数据识别与获取技术、快速低成本BIM建模技术、混合图形引擎的二三维一体化融合方法、BIM模型轻量化极限压缩方法和CIM平台在智慧城市规划、建设、管理、运营等方面的众多创新性应用，并将研究成果集成到CIM平台，构建面向新型智慧城市的城市信息模型（CIM）平台，实现城市规划编制、建设实施、运营管理的全流程管理与全业务协同。为新型智慧城市建设提供技术支撑，为探索城市治理体系和治理能力现代化提供研究范例。

　　关键词：新型智慧城市；城市信息模型（CIM）；建筑信息模型（BIM）；物联网（IOT）

　　一、研究背景

　　随着城市化进程加快，城市面临的问题也逐渐增多，如何解决城市加速发展带来的严峻挑战，成为了城市管理首要考虑的问题之一。2018年11月以来，习近平总书记在城市考察中多次指出要善用科技实现智能化，推进国家治理体系和治理能力现代化和精细化水平。2020年以来，中央多部门先后出台《关于开展城市信息模型基础平台建设的指导意见》、《关于加快推进新型城市基础设施建设的指导意见》等文件，提出在全国各级城市全面推进CIM平台建设，打造智慧城市基础平台，全面推进CIM基础平台在城市各领域的深化应用。并在国家“十四五”规划和国家信息化“十四五”规划中，提出了“完善城市信息模型CIM基础平台和运行管理服务平台，探索建设数字孪生城市”相关要求。CIM旨在落实国家信息化发展战略、大数据发展行动、“十四五”规划等重要战略，构筑现代城市新型基础设施和智慧城市三维空间底座。实现城市规划、建设、管理的信息化、智能化和智慧化，推动国家治理体系和治理能力现代化。

　　本研究课题的目标在于：构建城市信息模型平台建设的技术路线和关键技术体系并编制系列规范，研发城市信息模型平台。进一步地将城市信息模型平台作为新型智慧城市建设的底层平台在智慧城市实际案例中进行应用验证，为规划编制单位、工程建设单位、城市决策部门、规划管理部门搭建数字化环境；为城市信息模型（CIM）平台建设提供范例；为新型智慧城市从规划设计、建设实施、运营管理全流程辅助决策提供智能化、可视化的科学支撑。

　　二、研究思路

　　本项目在城市信息模型（CIM）平台建设的标准规范、数据体系、平台架构、关键技术、技术路线、平台功能等方面进行深入研究，把握建设中存在的关键技术问题和主要需求，借鉴国内外重点城市建设经验和构想，提出基于泛在物联感知时空大数据识别与获取技术、快速低成本BIM建模技术、混合图形引擎的二三维一体化融合方法、BIM模型轻量化极限压缩方法和CIM平台在智慧城市规划、建设、管理、运营等方面的众多创新性应用。并将上述研究成果集成到CIM平台，构建面向新型智慧城市的城市信息模型（CIM）平台，实现城市规划编制、建设实施、运营管理的全流程管理与全业务协同。

图2-1项目研究思路图

　　三、研究内容

　　（一）平台关键技术研究

　　对三维数据生产、三维数据治理、平台建设及支撑规划报建全过程应用的相关技术四大关键性技术进行研究。

　　三维数据生产技术包括城市信息模型（CIM）技术、建筑信息模型（BIM）技术、基于CAD图纸的BIM快速建模技术、基于激光点云数据的三维建模技术、倾斜摄影三维实景模型单体化技术和建筑三维语义建模技术。

　　三维数据治理技术包括多时空谱遥感影像自动配准、多源多坐标系融合、BIM模型的轻量化压缩、多种设计软件BIM数据转换、海量数据的切片缓存。

　　平台建设技术包括微服务架构、Spring Cloud、Spring Boost、Hadoop分布式存储、基于Web Service的信息服务、Rest服务、智慧城市情景模拟仿真技术、基于混合图形引擎的二三维一体化融合方法等。

　　支撑规划报建全过程应用技术包括空间大数据分析处理技术、结构自然化语言（SNL）技术、智能审查规则引擎等。

　　（二）相关标准规范编制

　　以工程建设项目审查审批改革目标为导向，以BIM和CIM技术为抓手，深入研究城市信息（CIM）平台数据生产建库标准、CIM平台建设及运行规范与面向规划报建审查应用的标准规范。

　　CIM平台数据生产建库标准规范包括数据资源目录设计规范、二维数据生产标准、三维数据生产标准、数据建库标准规范、成果数据入库标准、数据服务发布规范。

　　CIM平台建设及运行标准规范包括平台总体规范、服务接口规范、数据接口规范、系统接入规范、开发技术规范、运行管理办法。

　　面向规划报建审查应用的标准规范包括工程建设项目规划报建交付标准、工程建设项目规划报建数据标准、工程建设项目规划报建技术审查规范。

　　（三）平台总体框架设计

　　运用系统论的方法，从全局的角度，对城市信息模型（CIM）平台项目的各方面、各层次、各要素统筹规划，实现平台要素整体关联、技术方法先进可行、多源数据覆盖全面、系统部署集约高效，以及与规划报建审批全过程业务深度融合等目标。面向新型智慧城市的CIM平台的总体架构基于标准规范体系和信息安全与运维保障体系，由设施层、数据层、服务层、应用层和用户层构成。

图3-1CIM平台总体架构

　　（四）平台应用功能研究

　　CIM平台应用功能包括应用支撑层、应用服务层和CIM+应用层。其中支撑层提供安全支撑系统、核心算法库、核心引擎，是整个平台的基础支撑；CIM平台的服务层功能包括CIM基础子系统、数据中台、服务中台、共享中台和运维管理，为CIM平台应用提供基础性、通用性的功能和服务；在支撑层和服务层基础上，根据实际应用需要，构建CIM+应用体系，推进CIM平台在智慧规划、智慧建设、智慧水务、智慧城管、智慧环保、智慧旅游、智慧安防、应急管理、辅助决策等方面的应用。

图3-2CIM平台应用架构

　　（五）平台示范应用实践

　　根据项目研究成果，进行应用于新型智慧城市规划、建设、运营、管理全过程的城市信息模型示范应用建设。项目研究成果在《南京市运用建筑信息模型系统(BIM)进行工程建设项目审查审批和城市信息模型平台(CIM)建设试点项目—总体设计项目》《南京市江北新区BIM建模及示范应用研究项目》《江北新区城市信息模型可视化应用平台建设项目》《荆州市空间规划信息管理平台》《武汉土地利用和空间规划信息平台》《廉江市新型智慧城市》等项目中进行了实践应用，服务于城市规划辅助决策、智慧城市建设监管、智慧城市运营管理、智慧城市综合决策等全过程业务应用，实现从城市规划、工程建设、城市运营、城市管理决策全过程的精细化管控。

　　四、创新点与特色

　　（一）基于BIM模型极限压缩方法和混合图形引擎打造云端“BIM+”轻量化集成与流畅加载

　　针对BIM模型文件量大、加载速度慢、展示效果差等问题，本研究提出基于多尺度特征优化策略的BIM模型极限压缩方法，突破BIM模型数据因体量大、结构复杂而难以实现云端审查的困境，结合基于混合图形引擎的二三维一体化融合方法，打造云端“BIM+”轻量化集成与流畅加载。

　　1、多尺度特征优化策略的BIM模型极限压缩方法

　　BIM模型是城市三维模型组成中的一类重要数据，为更好解决因结构复杂且数据体量大，不便于进行灵活显示和扩展应用的局限性，项目采用宏微观策略相结合的方法，在微观层面上利用三角形拼接的方式对模型几何进行描述，减少单个图元的体量；在宏观层面上采用顶点焊接的方法，合并相似顶点，减少相似图元的数量，从而保证模型在不丢失几何、属性、材质等信息的情况下，其轻量化转换时间和体量远小于市面上同类型技术，进而为实现BIM模型数据应用于审查流转提供支撑，发挥其在城市管理应用中重要支撑作用。

　　2、基于混合图形引擎的二三维一体化融合方法

　　项目提出一种基于混合图形引擎的二三维一体化融合方法，构建多维联动、要素汇聚的规划成果底板，实现海量报建数据的流畅加载和精细表达。在模型数据处理方面，采用glTF数据结构，并对模型数据进行压缩,加快大规模BIM模型的加载速度；在模型渲染方面，采用了物体实例化绘制、非实时刷新渲染、按物体类型分类别渲染和网格合并渲染的方法提高大规模BIM模型的渲染帧率；在渲染真实感方面，根据BIM模型的材质特点，通过建模软件的api导出光照算法需要的材质参数，实现BIM模型的真实感渲染。通过该方法，实现报建数据的精细表达，进而为扩展BIM数据在城市规划、建设、施工、管理等方面的“BIM+”集成应用提供可能。

　　（二）基于多源多模态异构的CIM平台大数据体系构建

　　项目针对城市存量建筑BIM建模问题以及BIM模型与GIS数据融合的问题，提出了基于CAD图纸自动化BIM建模方法，构建语义化建筑模型实现多幅建筑物立面的倾斜影像及屋顶垂直遥感影像与三维几何模型的自动化纹理映射方法，提升BIM建模效率，优化BIM模型与GIS数据融合效果。

　　1、基于CAD图纸自动化BIM建模方法

　　针对现阶段的智慧城市需求以及建筑管理的需要，项目构建通过产籍系列CAD图件快速生成BIM模型技术方法、工艺流程和数据预处理工具，自动或半自动识别建筑部件而完成建筑三维模型构建，具有很高的经济和应用价值。

　　2、提出面向建筑三维重建的语义建模框架

　　项目通过激光点云构网TIN技术，将现有点云进行贴近于显示地物的三维曲面重建，实现多幅建筑物立面的倾斜影像及屋顶垂直遥感影像与三维几何模型的快速、高精度纹理映射。该方法较好的支撑了规划条件提取，开发智能规则审查引擎，提高规划报建方案智能审查和量化水平。

　　五、成果市场推广应用前景分析

　　（一）建设管理领域应用前景

　　1、建设审批全覆盖

　　基于CIM平台能力，逐步形成从规划报建方案审查、施工图审查、竣工验收的全过程智能化审查工作模式，实现各阶段建设项目审查的有机统一、前后联动、有效衔接，同时从建筑工程为切入点，完善市政、交通、水利、园林等类型项目的审查指标体系，加速不同类型项目的智能化审批进程，扎实推进工程建设项目审批制度改革。

　　2、施工管理精细化

　　以城市信息模型（CIM）平台为载体，围绕工程在建设和管理过程中产生的数据，反映出施工过程中的特点、规律和变化，将人员动态、环境及微气象、实时动态影像、大型机具设备行为、风险动态分部、现场巡视和施工进度等数据进行整合，构建智慧工地大数据分析模型，进行施工现场质量、安全、风险、进度等的大数据分析，为施工管理的智慧化以及精细化管理提供决策依据。

　　（二）空间规划领域应用前景

　　1、多模态数字化表达

　　结合新型测绘技术成果，通过遥感、物联网等手段多渠道采集自然资源数据，构建地上地下一体、二三维融合的时空数据模型，对各类信息分类分级存储，深度挖掘数据所蕴含的自然资源发展运行状态信息，实现对山水林田湖草有机生命体的信息提取与表达，构建全要素的自然资源立体监测一张图。

　　2、全场景可视化呈现

　　基于CIM基础平台，结合自然资源监测监管业务需求，实现超大场景动态缩放加载渲染、自然现象的效果渲染，提升逼真可视化呈现能力。将现实自然资源要素和环境虚拟映射，打造精准、动态、可视化的数字场景。借助智能大屏、自然资源仪表盘、数字沙盘、立体投影等形式，全方位展示自然资源各领域各要素的综合运行态势。

　　3、自适应智能化推演

　　基于海量自然资源监测信息的快速更新和动态调整和CIM基础平台，引入人工智能等技术，利用数据模拟等方法，推演自然资源的演变趋势。如根据用水量和降雨量监测，推演水资源的立体存储空间，根据建设用地的空间扩张，推演自然生态环境的承载能力等。

　　（三）城市治理领域应用前景

　　1、城市展示全息化

　　通过加载显示高精度地形数据、三维建筑结构数据、车辆、人员、摄像头、基础设施、事件数据等要素信息，与交通流量、教育医疗、气候环境、城市能耗等动态业务数据打通，完整、详尽的对城市管理态势进行全方位复现，实现管辖区域内“人、车、地、事、物”的全面监控，以动静结合的一张图全方位展示整个城市空间和运行态势。

　　2、城市感知实时化

　　融合城市物联网设备，提升全局态势感知能力，改变以往信息割裂、数据碎片化的局面，满足城市管理日常监测监管的需求，对城市管理各领域的核心指标进行态势监测与可视分析，全面描绘城市发展现状，并对细分领域的数据指标进行查询分析。实现城市各类数据的融会贯通与直观可视，辅助管理者从各个层面洞察城市运行态势，提升监管力度和行政效率。通过整合信息、事件与工作流，实现从城市日常整体态势感知到突发事件应急联动指挥的无缝对接，辅助管理人员提升安全风险管控力度和处置突发事件的效率。

　　3、城市决策科学化

　　城市信息模型（CIM）建立了一个与现实城市同步的数字虚拟城市，通过收集城市各个方面的动态数据，实时监测和模拟分析，建立基于物联网和服务的城市管理架构。虚拟城市能够在任意角度和观察场景中实时体验已存在的道路交通体系，还可以在虚拟城市中整合仿真。通过对城市现象仿真和事件态势推演，能够有效实现城市问题研判、解决预案生成和事后复盘分析，做到事前、事中、事后全过程的管理，从而为城市智慧管理提供数据、决策支持，为城市的智慧化以及精细化管理提供全面、客观、科学的依据。

　　六、实施成效

　　研究成果于2021年12月完成并通过评审，得到了评审专家的一致认可，认为是有创新意义和改革成效的研究项目。并将本研究的成果和技术应用在廉江新型智慧城市管理平台建设项目中，取得了良好的效果和成绩。

　　（一）数据汇聚共享能力不断提升

　　印发《廉江市新型智慧城市大数据中心数据归集工作方案》，整合优化各职能部门政务数据服务能力，在政务信息资源共享开辟新路径。目前已有35个部门对接信息资源交换平台及公共基础数据库，登记数据类型目录606个，数据项7943个。已发布服务1037个，完成数据治理量4.28亿条，积累可用数据超过1.14亿条，为廉江政务服务、政府治理等应用提供了坚实的数据支撑。

　　（二）环保监管更加有力

　　依托CIM平台和物联前端感知设备，建设环保在线系统、智慧环保APP、水环境监测及决策支持平台、空气质量监测及决策支持平台四大系统，实现廉江市240余处重点源管理预警，并为环境治理提供执法依据，发现并拆除非法网箱3100多个，拆除饮用水源一级保护区内的违章建筑2处，极大震慑环境违法行为。

　　（三）城市治理更加智能精细

　　在综合治理方面，汇聚与共享全市视频，实现视频智能化分析检测，提高案件办理准确度和效率。在城市管理方面，实现环卫设备云监控全覆盖，并对市容环境设施、道路交通设施、公用设施、园林绿化设施、其他设施5大类部件115575件实施精准定位和实时监测，重点管控区域24小时违规行为自动识别与预警，极大提高了环卫作业质量。在交通整治方面，在重点管控路口部署一体化治超系统，自动检测超限车辆的重量、轴数、车牌等相关数据信息自动上报省执法平台，严厉打击了货车超限超载违法行为。

　　（四）政府决策更加科学高效

　　建设基础资源中心和运营管理中心，城市一体化运行监测平台和数据共享交换平台建设，形成“两中心、两平台”大格局。利用三维实景建模分析技术，展示城市规划成果，对城市地下管线进行统一分布监控，较好解决了道路的改、扩建工程和管线市政工程中各类管线安全难题，对城市发展决策提供技术支持，为廉江市部分重点项目建设的改造成本核算和规划提供参考，协助方案审核顺利落地。