實景三維的概念與內(nèi)涵

一、 實景三維的概念

　　在2021 年自然資源部發(fā)布的《新型基礎(chǔ)測繪與實景三維中國建設(shè)技術(shù)文件-1名詞解釋》中，首次對實最三維作為專用名詞術(shù)語進行了科學(xué)定義，即“實景三維是對一定范圍內(nèi)人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進行真實、立體、時序化反映和表達的數(shù)字空間。是新型基礎(chǔ)測繪的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，是國家重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施，為經(jīng)濟社會發(fā)展和各部門信息化供統(tǒng)一的空間基底。”實景三維屬于新型基礎(chǔ)測繪標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的主要形式，是新型基礎(chǔ)測繪的數(shù)據(jù)成果之一，新型基礎(chǔ)測繪是實景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)的能力基礎(chǔ)。

　　自自然資源部發(fā)布《實景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱(2021 版)》以來，實景三維中國建設(shè)已經(jīng)成為全社會關(guān)注的焦點之一。先期啟動試點建設(shè)的上海、武漢、青島等城市經(jīng)取得了初步成果，為實景三維中國建設(shè)提供了實踐案例。

    二、與實景三維相關(guān)的概念

　　實景三維來源于三維地理信息系統(tǒng) (three-demension geographic information Systcm13DGIS)。早在 20 世紀(jì) 80 年代，國內(nèi)外學(xué)者(如李清泉、李德仁等)圍繞三維自動化建模、海量數(shù)據(jù)管理、可視化、共享和互操作等開展了大量的研究工作。自 1998 年的美國副總統(tǒng)艾伯特·戈爾提出數(shù)字地球概念以來，3DGIS 的發(fā)展迅速走向了快車道特別是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(guī)劃、氣象、水利、電力、軍事、城市管理、災(zāi)害應(yīng)急等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　1.三維地理信息系統(tǒng) (3DGIS)

　　早期三維模型主要是人工建模生成，巨大的建設(shè)成本限制了其應(yīng)用。近年來，隨著傾斜攝影測量、激光掃描測量以及自動化建模等新型測繪技術(shù)的進步，快速獲取和構(gòu)建大規(guī)模三維模型成為可能。三維數(shù)據(jù)獲取門檻和建模成本顯著降低，更新頻率和現(xiàn)勢性得到顯著提高。與此同時，隨著物聯(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(shù)字技術(shù)對現(xiàn)實世界進行真實、實時描述和數(shù)字化管理成為可能，實景三維的理論與應(yīng)用也逐漸引起大家的重視，3DGIS 向著實景三維方向進一步發(fā)展。

　　2.建筑信息模型

　　BIM 技術(shù)是一種應(yīng)用于工程設(shè)計、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，通過對建筑的數(shù)據(jù)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程中進行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員、設(shè)計團隊以及包括建筑、運營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用。以三維實體形式表達的建筑模型是 BIM 的基礎(chǔ)、核心和工作對象。從本質(zhì)上來看，作為實體的建筑信息模型是存儲了項目集成化信息的數(shù)據(jù)庫，并以數(shù)據(jù)庫為核心實現(xiàn)多種不同程度的應(yīng)用。BIM將設(shè)計和建設(shè)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中的財務(wù)、進度、專業(yè)協(xié)同、維修等密切相關(guān)，成為智能建筑或智能設(shè)施的基石。

　　實景三維通過接入 BIM 等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)室內(nèi)微觀細節(jié)的表達。BIM 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑物生命周期內(nèi)的設(shè)計、采購、制造和管理活動，高精度的 BIM 數(shù)據(jù)，推動了三維GIS 從宏觀走向微觀，從室外走向室內(nèi)，BIM 也是部件級實景三維建設(shè)的主要數(shù)據(jù)來源之一。

　　3.物聯(lián)網(wǎng)

　　物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。物聯(lián)網(wǎng)是一個動態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，它具有基于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(gòu)成未來互聯(lián)網(wǎng)。

　　物聯(lián)感知數(shù)據(jù)的接入與融合能力建設(shè)是實景三維中國建設(shè)的重要內(nèi)容之一，物聯(lián)感知數(shù)據(jù)主要包括傳感器數(shù)據(jù)、空間位置服務(wù)數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等類型物聯(lián)感知數(shù)據(jù)接入與融合能力建設(shè)構(gòu)成了實景三維對現(xiàn)實世界的在線感知的現(xiàn)實基礎(chǔ)基于感知設(shè)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(shù)據(jù)進行空間化，并進行坐標(biāo)和時間一致性處理，實現(xiàn)其與基礎(chǔ)地理實體數(shù)據(jù)的時空關(guān)聯(lián)處理。

　　4. 城市信息模型

　　當(dāng)前對城市信息模型 (city information model，CIM)的主流定義為:以城市信息數(shù)據(jù)為基數(shù)，以BIM、地理信息系統(tǒng) (geographic information system，GIS)、IOT 等技術(shù)為基礎(chǔ)，整合城市地上地下、室內(nèi)室外、歷史現(xiàn)狀未來多維多尺度信息模型數(shù)據(jù)和城市感知數(shù)據(jù)，構(gòu)建起三維數(shù)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，即城市智能模型 (city intelligent model)。他認為 CIM 中間的“I”是“智能”(intelligent),“不僅包括對城市數(shù)據(jù)的收集、儲存和處理，更應(yīng)強調(diào)基于多維模型主動地解決城市發(fā)展過程中的問題”。對比城市信息模型，實景三維更強調(diào)為數(shù)字化映射提供通用的、標(biāo)準(zhǔn)化的三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品，是時空信息底座，城市信息模型更強調(diào)對建筑或城市的全生命周期管理，通過融合多源數(shù)據(jù)實現(xiàn)多維空間信息整合、空間數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用、數(shù)據(jù)融合共享、綜合集成管理等。由此可見，實景三維可以作為 CIM 的重要數(shù)據(jù)源。

　　5.數(shù)字孿生

數(shù)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(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。數(shù)字孿生城市通過物理城市與數(shù)字孿生城市的精準(zhǔn)映射、虛實融合、軟件定義、智能反饋，促進城市生產(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(xù)。如今，我國城市治理現(xiàn)代化邁入了智能社會治理階段，核心是使用人工智能技術(shù)，構(gòu)建以數(shù)字孿生城市為全息底座的社會有機體。實景三維是數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)核心，基于實景三維數(shù)據(jù)底座，可以連接人口、房屋、住戶水電燃氣信息、安防警務(wù)數(shù)據(jù)、交通信息、旅游資源信息、公共醫(yī)療等眾多城市公共系統(tǒng)的信息資源，實現(xiàn)跨系統(tǒng)應(yīng)用集成、跨部門信息共享，支撐數(shù)字孿生城市的決策分析。數(shù)字孿生城市是數(shù)字城市的高級階段，也是智慧城市的新高度，數(shù)字孿生城市是融合統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、城市信息模型、城市運行數(shù)據(jù)、共性支撐平臺、數(shù)字孿生應(yīng)用等多個單元的復(fù)雜系統(tǒng)。實景三維將物理城市的實體模型構(gòu)建為數(shù)字孿生體，實景三維建設(shè)是構(gòu)建數(shù)字孿生城市最重要的環(huán)節(jié)之一。

　 三、實景三維的主要特征

與傳統(tǒng)的測繪地理信息產(chǎn)品比較，實景三維的主要特征包括以下 6 個方面的轉(zhuǎn)變

(1)從“抽象”到“真實”:實景三維是對現(xiàn)實世界的真實描述，將原有受測繪技術(shù)手段約束只能對現(xiàn)實世界進行抽象描述，轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎眯录夹g(shù)對現(xiàn)實世界真實直觀刻畫。

(2)從“平面”到“立體”:由現(xiàn)有以“點、線、面”要素為核心的 4D 產(chǎn)品對現(xiàn)實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(xiàn)實世界的三維形象表達。

　　(3)從“靜態(tài)”到“時序”:實景三維是對現(xiàn)實世界的時序化描述，不僅能夠反映現(xiàn)實世界的某一時點當(dāng)前的狀態(tài)，還可反映多個連續(xù)時點的狀態(tài)，時序、動態(tài)展示現(xiàn)實世界的發(fā)展與變化。

　　(4)從“按要素、分尺度”到“按實體、分精度”:實景三維突破現(xiàn)有基礎(chǔ)地理信息要素對現(xiàn)實世界分尺度表達的概念，達到“一個實體只需要高精度施測一次”，切實提高對現(xiàn)實世界的描述準(zhǔn)確性。

　　(5)從“人理解”到“人機兼容理解”:與以前對現(xiàn)實世界的“一張皮”表達相比實景三維不僅包含幾何結(jié)構(gòu)和紋理信息，還蘊含豐富的空間關(guān)系、社會經(jīng)濟等信息，通過結(jié)構(gòu)化語義化處理，支持機器自動解譯與識別，真正實現(xiàn)了“機器難懂”到“機器易懂”的轉(zhuǎn)變。

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