實景三維的(de)概念與内涵

發布日期：2023-12-25 18:44 浏覽量：3083

一、實景三維的(de)概念

　　在2021 年自然資源部發布的(de)《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(duì)實最三維作爲專用(yòng)名詞術語進行了(le)科學定義，即“實景三維是對(duì)一定範圍内人(rén)類生産、生活和(hé)生态空間進行真實、立體、時(shí)序化(huà)反映和(hé)表達的(de)數字空間。是新型基礎測繪的(de)标準化(huà)産品，是國家重要的(de)新型基礎設施，爲經濟社會發展和(hé)各部門信息化(huà)供統一的(de)空間基底。”實景三維屬于新型基礎測繪标準化(huà)産品的(de)主要形式，是新型基礎測繪的(de)數據成果之一，新型基礎測繪是實景三維數據生産的(de)能力基礎。

　　自自然資源部發布《實景三維中國建設技術大(dà)綱(2021 版)》以來(lái)，實景三維中國建設已經成爲全社會關注的(de)焦點之一。先期啓動試點建設的(de)上海、武漢、青島等城(chéng)市經取得(de)了(le)初步成果，爲實景三維中國建設提供了(le)實踐案例。

二、與實景三維相關的(de)概念

　　實景三維來(lái)源于三維地理(lǐ)信息系統 (three-demension geographic information Systcm13DGIS)。早在 20 世紀 80 年代，國内外學者(如李清泉、李德仁等)圍繞三維自動化(huà)建模、海量數據管理(lǐ)、可(kě)視化(huà)、共享和(hé)互操作等開展了(le)大(dà)量的(de)研究工作。自 1998 年的(de)美(měi)國副總統艾伯特·戈爾提出數字地球概念以來(lái)，3DGIS 的(de)發展迅速走向了(le)快(kuài)車道特别是2005 年 Google Earth 的(de)發布，全球範圍更是掀起了(le)一股前所未有的(de)三維虛拟地球熱(rè)潮，三維虛拟地球軟件在測繪、規劃、氣象、水(shuǐ)利、電力、軍事、城(chéng)市管理(lǐ)、災害應急等領域得(de)到了(le)廣泛應用(yòng)。

　　1.三維地理(lǐ)信息系統 (3DGIS)

　　早期三維模型主要是人(rén)工建模生成，巨大(dà)的(de)建設成本限制了(le)其應用(yòng)。近年來(lái)，随著(zhe)傾斜攝影(yǐng)測量、激光(guāng)掃描測量以及自動化(huà)建模等新型測繪技術的(de)進步，快(kuài)速獲取和(hé)構建大(dà)規模三維模型成爲可(kě)能。三維數據獲取門檻和(hé)建模成本顯著降低，更新頻(pín)率和(hé)現勢性得(de)到顯著提高(gāo)。與此同時(shí)，随著(zhe)物(wù)聯網 (internet of things，IoT)、信息與通(tōng)信技術(information and communication technology，ICT)和(hé)人(rén)工能等新興技術的(de)勃發展，這(zhè)些新興技術與測繪技術深度融合，基于數字技術對(duì)現實世界進行真實、實時(shí)描述和(hé)數字化(huà)管理(lǐ)成爲可(kě)能，實景三維的(de)理(lǐ)論與應用(yòng)也(yě)逐漸引起大(dà)家的(de)重視，3DGIS 向著(zhe)實景三維方向進一步發展。

　　2.建築信息模型

　　BIM 技術是一種應用(yòng)于工程設計、建造、管理(lǐ)的(de)數據化(huà)工具，通(tōng)過對(duì)建築的(de)數據化(huà)信息化(huà)模型整合，在項目策劃、運行和(hé)維護的(de)全生命周期過程中進行共享和(hé)傳遞，使工程技術人(rén)員(yuán)、設計團隊以及包括建築、運營單位在内的(de)各方建設主體提供協同工作的(de)基礎，在提高(gāo)生産效率、節約成本和(hé)縮短工期方面發揮重要作用(yòng)。以三維實體形式表達的(de)建築模型是 BIM 的(de)基礎、核心和(hé)工作對(duì)象。從本質上來(lái)看，作爲實體的(de)建築信息模型是存儲了(le)項目集成化(huà)信息的(de)數據庫，并以數據庫爲核心實現多(duō)種不同程度的(de)應用(yòng)。BIM将設計和(hé)建設的(de)信息融入單體建築或市政的(de)三維部件之中，且這(zhè)些信息與施工和(hé)運營中的(de)财務、進度、專業協同、維修等密切相關，成爲智能建築或智能設施的(de)基石。

　　實景三維通(tōng)過接入 BIM 等數據，實現室内微觀細節的(de)表達。BIM 已經廣泛應用(yòng)于建築物(wù)生命周期内的(de)設計、采購(gòu)、制造和(hé)管理(lǐ)活動，高(gāo)精度的(de) BIM 數據，推動了(le)三維GIS 從宏觀走向微觀，從室外走向室内，BIM 也(yě)是部件級實景三維建設的(de)主要數據來(lái)源之一。

　　3.物(wù)聯網

　　物(wù)聯網是指通(tōng)過信息傳感設備，按約定的(de)協議(yì)，将任何物(wù)體與網絡相連接，物(wù)體通(tōng)過信息傳播媒介進行信息交換和(hé)通(tōng)信，以實現智能化(huà)識别、定位、跟蹤、監管等功能。物(wù)聯網是一個(gè)動态的(de)全球網絡基礎設施，它具有基于标準和(hé)互操作通(tōng)信協議(yì)的(de)自組織能力，其中物(wù)理(lǐ)的(de)和(hé)虛拟的(de)“物(wù)”具有身份标識、物(wù)理(lǐ)屬性、虛拟的(de)特性和(hé)智能的(de)接口，并與信息網絡無縫整合。今後，物(wù)聯網将與媒體互聯網、服務互聯網和(hé)企業互聯網一起構成未來(lái)互聯網。

　　物(wù)聯感知數據的(de)接入與融合能力建設是實景三維中國建設的(de)重要内容之一，物(wù)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(wù)聯感知數據接入與融合能力建設構成了(le)實景三維對(duì)現實世界的(de)在線感知的(de)現實基礎基于感知設備本身的(de)空間位置或者地名地址的(de)匹配方法将物(wù)聯感知數據進行空間化(huà)，并進行坐(zuò)标和(hé)時(shí)間一緻性處理(lǐ)，實現其與基礎地理(lǐ)實體數據的(de)時(shí)空關聯處理(lǐ)。

　　4. 城(chéng)市信息模型

　　當前對(duì)城(chéng)市信息模型 (city information model，CIM)的(de)主流定義爲:以城(chéng)市信息數據爲基數，以BIM、地理(lǐ)信息系統 (geographic information system，GIS)、IOT 等技術爲基礎，整合城(chéng)市地上地下(xià)、室内室外、曆史現狀未來(lái)多(duō)維多(duō)尺度信息模型數據和(hé)城(chéng)市感知數據，構建起三維數字空間的(de)城(chéng)市信息有機綜合體。吳志強院士 2011 年提出了(le)對(duì)城(chéng)市信息模型的(de)另一種解釋，即城(chéng)市智能模型 (city intelligent model)。他(tā)認爲 CIM 中間的(de)“I”是“智能”(intelligent),“不僅包括對(duì)城(chéng)市數據的(de)收集、儲存和(hé)處理(lǐ)，更應強調基于多(duō)維模型主動地解決城(chéng)市發展過程中的(de)問題”。對(duì)比城(chéng)市信息模型，實景三維更強調爲數字化(huà)映射提供通(tōng)用(yòng)的(de)、标準化(huà)的(de)三維數據産品，是時(shí)空信息底座，城(chéng)市信息模型更強調對(duì)建築或城(chéng)市的(de)全生命周期管理(lǐ)，通(tōng)過融合多(duō)源數據實現多(duō)維空間信息整合、空間數據分(fēn)析與應用(yòng)、數據融合共享、綜合集成管理(lǐ)等。由此可(kě)見，實景三維可(kě)以作爲 CIM 的(de)重要數據源。

　　5.數字孿生

數字孿生(digital twins) 是充分(fēn)利用(yòng)物(wù)理(lǐ)模型、傳感器更新、運行曆史等數據，集成多(duō)學科、多(duō)物(wù)理(lǐ)量、多(duō)尺度、多(duō)概率的(de)仿真過程，在虛拟空間中完成映射，從而反映相對(duì)應的(de)實體裝備的(de)全生命周期過程。數字孿生是一種超越現實的(de)概念，可(kě)以被視爲一個(gè)或多(duō)個(gè)重要的(de)、彼此依賴的(de)裝備系統的(de)數字映射系統。數字孿生城(chéng)市通(tōng)過物(wù)理(lǐ)城(chéng)市與數字孿生城(chéng)市的(de)精準映射、虛實融合、軟件定義、智能反饋，促進城(chéng)市生産更加高(gāo)效安全、生活服務更加便捷、生态環境更加低碳可(kě)持續。如今，我國城(chéng)市治理(lǐ)現代化(huà)邁入了(le)智能社會治理(lǐ)階段，核心是使用(yòng)人(rén)工智能技術，構建以數字孿生城(chéng)市爲全息底座的(de)社會有機體。實景三維是數字孿生城(chéng)市的(de)基礎核心，基于實景三維數據底座，可(kě)以連接人(rén)口、房(fáng)屋、住戶水(shuǐ)電燃氣信息、安防警務數據、交通(tōng)信息、旅遊資源信息、公共醫療等衆多(duō)城(chéng)市公共系統的(de)信息資源，實現跨系統應用(yòng)集成、跨部門信息共享，支撐數字孿生城(chéng)市的(de)決策分(fēn)析。數字孿生城(chéng)市是數字城(chéng)市的(de)高(gāo)級階段，也(yě)是智慧城(chéng)市的(de)新高(gāo)度，數字孿生城(chéng)市是融合統一數據标準、城(chéng)市信息模型、城(chéng)市運行數據、共性支撐平台、數字孿生應用(yòng)等多(duō)個(gè)單元的(de)複雜(zá)系統。實景三維将物(wù)理(lǐ)城(chéng)市的(de)實體模型構建爲數字孿生體，實景三維建設是構建數字孿生城(chéng)市最重要的(de)環節之一。

　三、實景三維的(de)主要特征

與傳統的(de)測繪地理(lǐ)信息産品比較，實景三維的(de)主要特征包括以下(xià) 6 個(gè)方面的(de)轉變

(1)從“抽象”到“真實”:實景三維是對(duì)現實世界的(de)真實描述，将原有受測繪技術手段約束隻能對(duì)現實世界進行抽象描述，轉變爲采用(yòng)新技術對(duì)現實世界真實直觀刻畫(huà)。

(2)從“平面”到“立體”:由現有以“點、線、面”要素爲核心的(de) 4D 産品對(duì)現實世界的(de)二維平面抽象表達，擴展至以“體”要素爲核心的(de)新産品對(duì)現實世界的(de)三維形象表達。

　　(3)從“靜态”到“時(shí)序”:實景三維是對(duì)現實世界的(de)時(shí)序化(huà)描述，不僅能夠反映現實世界的(de)某一時(shí)點當前的(de)狀态，還(hái)可(kě)反映多(duō)個(gè)連續時(shí)點的(de)狀态，時(shí)序、動态展示現實世界的(de)發展與變化(huà)。

　　(4)從“按要素、分(fēn)尺度”到“按實體、分(fēn)精度”:實景三維突破現有基礎地理(lǐ)信息要素對(duì)現實世界分(fēn)尺度表達的(de)概念，達到“一個(gè)實體隻需要高(gāo)精度施測一次”，切實提高(gāo)對(duì)現實世界的(de)描述準确性。

　　(5)從“人(rén)理(lǐ)解”到“人(rén)機兼容理(lǐ)解”:與以前對(duì)現實世界的(de)“一張皮”表達相比實景三維不僅包含幾何結構和(hé)紋理(lǐ)信息，還(hái)蘊含豐富的(de)空間關系、社會經濟等信息，通(tōng)過結構化(huà)語義化(huà)處理(lǐ)，支持機器自動解譯與識别，真正實現了(le)“機器難懂(dǒng)”到“機器易懂(dǒng)”的(de)轉變。