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        實景三維的概念與內涵

        發布日期:2023-12-25 18:44 瀏覽量:1648


        一、 實景三維的概念

          在2021 年自然資源部發布的《新型基礎測繪與實景三維中國建設技術文件-1名詞解釋》中,首次對實最三維作為專用名詞術語進行了科學定義,即實景三維是對一定范圍內人類生產、生活和生態空間進行真實、立體、時序化反映和表達的數字空間。是新型基礎測繪的標準化產品,是國家重要的新型基礎設施,為經濟社會發展和各部門信息化供統一的空間基底。實景三維屬于新型基礎測繪標準化產品的主要形式,是新型基礎測繪的數據成果之一,新型基礎測繪是實景三維數據生產的能力基礎。

          自自然資源部發布《實景三維中國建設技術大綱(2021 )》以來,實景三維中國建設已經成為全社會關注的焦點之一。先期啟動試點建設的上海、武漢、青島等城市經取得了初步成果,為實景三維中國建設提供了實踐案例。


            二、與實景三維相關的概念

          實景三維來源于三維地理信息系統 (three-demension geographic information Systcm13DGIS)。早在 20 世紀 80 年代,國內外學者(如李清泉、李德仁等)圍繞三維自動化建模、海量數據管理、可視化、共享和互操作等開展了大量的研究工作。自 1998 年的美國副總統艾伯特·戈爾提出數字地球概念以來,3DGIS 的發展迅速走向了快車道特別是2005 Google Earth 的發布,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,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的進步,快速獲取和構建大規模三維模型成為可能。三維數據獲取門檻和建模成本顯著降低,更新頻率和現勢性得到顯著提高。與此同時,隨著物聯網 (internet of things,IoT)、信息與通信技術(information and communication technology,ICT)和人工能等新興技術的勃發展,這些新興技術與測繪技術深度融合,基于數字技術對現實世界進行真實、實時描述和數字化管理成為可能,實景三維的理論與應用也逐漸引起大家的重視,3DGIS 向著實景三維方向進一步發展。

          2.建筑信息模型

          BIM 技術是一種應用于工程設計、建造、管理的數據化工具,通過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程中進行共享和傳遞,使工程技術人員、設計團隊以及包括建筑、運營單位在內的各方建設主體提供協同工作的基礎,在提高生產效率、節約成本和縮短工期方面發揮重要作用。以三維實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據庫,并以數據庫為核心實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中的財務、進度、專業協同、維修等密切相關,成為智能建筑或智能設施的基石。

          實景三維通過接入 BIM 等數據,實現室內微觀細節的表達。BIM 已經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,高精度的 BIM 數據,推動了三維GIS 從宏觀走向微觀,從室外走向室內,BIM 也是部件級實景三維建設的主要數據來源之一。

          3.物聯網

          物聯網是指通過信息傳感設備,按約定的協議,將任何物體與網絡相連接,物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。物聯網是一個動態的全球網絡基礎設施,它具有基于標準和互操作通信協議的自組織能力,其中物理的和虛擬的具有身份標識、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口,并與信息網絡無縫整合。今后,物聯網將與媒體互聯網、服務互聯網和企業互聯網一起構成未來互聯網。

          物聯感知數據的接入與融合能力建設是實景三維中國建設的重要內容之一,物聯感知數據主要包括傳感器數據、空間位置服務數據、互聯網數據、社會經濟數據等類型物聯感知數據接入與融合能力建設構成了實景三維對現實世界的在線感知的現實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感知數據進行空間化,并進行坐標和時間一致性處理,實現其與基礎地理實體數據的時空關聯處理。

          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 等技術為基礎,整合城市地上地下、室內室外、歷史現狀未來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,即城市智能模型 (city intelligent model)。他認為 CIM 中間的“I”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地解決城市發展過程中的問題。對比城市信息模型,實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品,是時空信息底座,城市信息模型更強調對建筑或城市的全生命周期管理,通過融合多源數據實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,實景三維可以作為 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,從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數字孿生是一種超越現實的概念,可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。數字孿生城市通過物理城市與數字孿生城市的精準映射、虛實融合、軟件定義、智能反饋,促進城市生產更加高效安全、生活服務更加便捷、生態環境更加低碳可持續。如今,我國城市治理現代化邁入了智能社會治理階段,核心是使用人工智能技術,構建以數字孿生城市為全息底座的社會有機體。實景三維是數字孿生城市的基礎核心,基于實景三維數據底座,可以連接人口、房屋、住戶水電燃氣信息、安防警務數據、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,實現跨系統應用集成、跨部門信息共享,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單元的復雜系統。實景三維將物理城市的實體模型構建為數字孿生體,實景三維建設是構建數字孿生城市最重要的環節之一。

          三、實景三維的主要特征

        與傳統的測繪地理信息產品比較,實景三維的主要特征包括以下 6 個方面的轉變

        (1)從抽象真實”:實景三維是對現實世界的真實描述,將原有受測繪技術手段約束只能對現實世界進行抽象描述,轉變為采用新技術對現實世界真實直觀刻畫。

        (2)從平面立體”:由現有以點、線、面要素為核心的 4D 產品對現實世界的二維平面抽象表達,擴展至以要素為核心的新產品對現實世界的三維形象表達。

          (3)靜態時序”:實景三維是對現實世界的時序化描述,不僅能夠反映現實世界的某一時點當前的狀態,還可反映多個連續時點的狀態,時序、動態展示現實世界的發展與變化。

          (4)按要素、分尺度按實體、分精度”:實景三維突破現有基礎地理信息要素對現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,切實提高對現實世界的描述準確性。

          (5)人理解人機兼容理解”:與以前對現實世界的一張皮表達相比實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系、社會經濟等信息,通過結構化語義化處理,支持機器自動解譯與識別,真正實現了機器難懂機器易懂的轉變。

          (6)陸地表層全空間,現有地理信息產品更側重陸地表層空間的描述實景三維實現地上下、室內外、水上下全空間的一體化描述。



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