實(shí)景三維的概念與內(nèi)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(chǔ)測(cè)繪與實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)技術(shù)文件-1名詞解釋》中，首次對(duì)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(duì)一定范圍內(nèi)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(dá)的數(shù)字空間。是新型基礎(chǔ)測(cè)繪的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，是國(guó)家重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和各部門(mén)信息化供統(tǒng)一的空間基底。”實(shí)景三維屬于新型基礎(chǔ)測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的主要形式，是新型基礎(chǔ)測(cè)繪的數(shù)據(jù)成果之一，新型基礎(chǔ)測(cè)繪是實(shí)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(shí)景三維中國(guó)建設(shè)技術(shù)大綱(2021 版)》以來(lái)，實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)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(shè)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(guó)建設(shè)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(tǒng) (three-demension geographic information Systcm13DGIS)。早在 20 世紀(jì) 80 年代，國(guó)內(nèi)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(shù)據(jù)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(guó)副總統(tǒng)艾伯特·戈?duì)柼岢鰯?shù)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(cè)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(lái)，隨著傾斜攝影測(cè)量、激光掃描測(cè)量以及自動(dòng)化建模等新型測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)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(mén)檻和建模成本顯著降低，更新頻率和現(xiàn)勢(shì)性得到顯著提高。與此同時(shí)，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(cè)繪技術(shù)深度融合，基于數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行真實(shí)、實(shí)時(shí)描述和數(shù)字化管理成為可能，實(shí)景三維的理論與應(yīng)用也逐漸引起大家的重視，3DGIS 向著實(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(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，通過(guò)對(duì)建筑的數(shù)據(jù)化信息化模型整合，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)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(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以及包括建筑、運(yùn)營(yíng)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(shí)體形式表達(dá)的建筑模型是 BIM 的基礎(chǔ)、核心和工作對(duì)象。從本質(zhì)上來(lái)看，作為實(shí)體的建筑信息模型是存儲(chǔ)了項(xiàng)目集成化信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，并以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心實(shí)現(xiàn)多種不同程度的應(yīng)用。BIM將設(shè)計(jì)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(yùn)營(yíng)中的財(cái)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(shè)施的基石。

　　實(shí)景三維通過(guò)接入 BIM 等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)微觀細(xì)節(jié)的表達(dá)。BIM 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑物生命周期內(nèi)的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造和管理活動(dòng)，高精度的 BIM 數(shù)據(jù)，推動(dòng)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(jí)實(shí)景三維建設(shè)的主要數(shù)據(jù)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(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(guò)信息傳播媒介進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)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(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(shí)、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(gòu)成未來(lái)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(shí)景三維中國(guó)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(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等類(lèi)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(shí)景三維對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的在線(xiàn)感知的現(xiàn)實(shí)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(jìn)行空間化，并進(jìn)行坐標(biāo)和時(shí)間一致性處理，實(shí)現(xiàn)其與基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)的時(shí)空關(guān)聯(lián)處理。

　　4. 城市信息模型

　　當(dāng)前對(duì)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(lái)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(jī)綜合體。吳志強(qiáng)院士 2011 年提出了對(duì)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(rèn)為 CIM 中間的“I”是“智能”(intelligent),“不僅包括對(duì)城市數(shù)據(jù)的收集、儲(chǔ)存和處理，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)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(duì)比城市信息模型，實(shí)景三維更強(qiáng)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(shí)空信息底座，城市信息模型更強(qiáng)調(diào)對(duì)建筑或城市的全生命周期管理，通過(guò)融合多源數(shù)據(jù)實(shí)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(jiàn)，實(shí)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(yùn)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(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)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(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。數(shù)字孿生城市通過(guò)物理城市與數(shù)字孿生城市的精準(zhǔn)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(xù)。如今，我國(guó)城市治理現(xiàn)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(gòu)建以數(shù)字孿生城市為全息底座的社會(huì)有機(jī)體。實(shí)景三維是數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)核心，基于實(shí)景三維數(shù)據(jù)底座，可以連接人口、房屋、住戶(hù)水電燃?xì)庑畔?、安防警?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(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)應(yīng)用集成、跨部門(mén)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(jí)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(yùn)行數(shù)據(jù)、共性支撐平臺(tái)、數(shù)字孿生應(yīng)用等多個(gè)單元的復(fù)雜系統(tǒng)。實(shí)景三維將物理城市的實(shí)體模型構(gòu)建為數(shù)字孿生體，實(shí)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(shí)景三維的主要特征

與傳統(tǒng)的測(cè)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(zhuǎn)變

(1)從“抽象”到“真實(shí)”:實(shí)景三維是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)描述，將原有受測(cè)繪技術(shù)手段約束只能對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行抽象描述，轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎眯录夹g(shù)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界真實(shí)直觀刻畫(huà)。

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

　　(3)從“靜態(tài)”到“時(shí)序”:實(shí)景三維是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的時(shí)序化描述，不僅能夠反映現(xiàn)實(shí)世界的某一時(shí)點(diǎn)當(dāng)前的狀態(tài)，還可反映多個(gè)連續(xù)時(shí)點(diǎn)的狀態(tài)，時(shí)序、動(dòng)態(tài)展示現(xiàn)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(xiàn)有基礎(chǔ)地理信息要素對(duì)現(xiàn)實(shí)世界分尺度表達(dá)的概念，達(dá)到“一個(gè)實(shí)體只需要高精度施測(cè)一次”，切實(shí)提高對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的描述準(zhǔn)確性。

　　(5)從“人理解”到“人機(jī)兼容理解”:與以前對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的“一張皮”表達(dá)相比實(shí)景三維不僅包含幾何結(jié)構(gòu)和紋理信息，還蘊(yùn)含豐富的空間關(guān)系、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等信息，通過(guò)結(jié)構(gòu)化語(yǔ)義化處理，支持機(jī)器自動(dòng)解譯與識(shí)別，真正實(shí)現(xiàn)了“機(jī)器難懂”到“機(jī)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(shí)景三維實(shí)現(xiàn)“地上下、室內(nèi)外、水上下”全空間的一體化描述。