三维GIS在智慧城市中的应用

发展背景

截至2016年6月，我国95%的副省级城市、76%的地级城市，总计超过500座城市，均在政府工作报告中明确提出或正在建设智慧城市，这一数字占据全世界智慧城市创建总数的一半以上，2013年以来国家智慧城市试点名单共分三批合计共290个。

城市景观

智慧城市是在社会的发展，城市建设的进一步发展，城市规模越来越大，城市人口越来越多，城市管理面临管理范围不断扩大、管理领域不断增多、管理内容日趋多样和繁杂等问题的背景下提出来的，为解决城市发展难题，实现城市可持续发展，建设智慧城市已成为当今世界城市发展不可逆转的历史潮流。到目前为止，智慧城市目前也没有一个比较明确的定义。

人们通常会给智慧城市一个非常广阔的外延，这没有问题，因为城市确实需要从整体来理解。但仅仅采纳任何一项技术本身，不管多么的优秀，都不能解决城市问题——但信息技术毫无疑问作用将会重大。在这本书里，我取一个更窄的定义，把“智慧城市”定义为一个将信息技术与基础设施、建筑、日常生活用品、甚至我们的身体相结合来解决社会、经济、和环境问题的城市。 ——安东尼·汤森

而三维GIS就在其中发挥着重要的作用。

关系

• 地理信息是智慧城市的重要基础信息
• 地理信息是智慧城市的重要感知信息
• GIS技术是智慧应用的重要支撑
• 基于GIS的空间关联分析提升城市智能

GIS技术作为城市空间信息表达和管理的主要工具，在城市规划和管理中发挥着越来越重要的作用。

随着我国城市化进程的不断加快，对城市规划建设管理工作也提出了更高的要求，仅仅基于二维GIS技术的城市规划与分析，现已无法满足城市规划与监督管理中多维动态空间分析的需求，必须借助三维GIS技术，展现城市的景观风貌，以提高城市空间环境品质，提升城市规划建设管理水平，减少决策失误和盲目性。

利用三维GIS对整个城市的三维立体空间进行统一描述，并充分准确地集成表达地下的地质、管线、构筑物，地上的土地、交通、建筑、植被,以及室内的设施、房产、人口等，形成与现实世界一致的三维立体空间框架。

实际街景图
自动化建模

应用

• 城市规划

利用三维城市规划系统，可以在仿真的城市场景中实时互动地评估与分析规划方案，为规划管理者提供更加直观与科学的依据，这是平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的效果。

虚拟城市

除了单体建筑物的规划，我们还可以从整体考虑城市的发展方向。

智能城市科学规划平台系统

1号区域标识17个领域指数加一个综合宜居指数。每个领域的指数都由该领域的几个基础指标经过数据挖掘算法综合计算得出。综合宜居指数由17个领域的指标综合计算得到，标识该区域的人民生活宜居情况。
2号区域标识城市特征，如水滴形的工业城市，陀螺形的旅游城市，圆形的综合城市等，城市特征更接近于哪个形状，标识城市当前处于什么类型的城市，且与该类型的典型城市的差别，以及发展方向。
3号区域标识城市指数分布情况，与17+1个指标联动，展示各指标的分布情况。
4号区域罗列出整个评估体系的100个指标，用颜色区分不同指标的分类情况，鼠标经过会展示该指标名称和具体数值。

• 公共设施管理

智慧城市就是为了解决各种各样的城市病而诞生的，所以公共社会管理是智慧城市中很重要一环。

地下管道

公共大型服务设施建筑一般分布广泛，建筑物庞大，结构复杂，这里以地下管线为例介绍，地下管线历来是城市的“血管”和“神经”，涉及给水、雨水、污水、燃气、电力、路灯、有线电视、工业等十多种地下管线，形成一张错综复杂的地下管线网络，利用三维GIS技术建立地下综合管线信息系统可使和城市规划建设部门轻松掌握所管辖范围内各类地下管网的用途、管径、材质、年限、净距等数据信息。

• 应急救灾

应急救灾

应急救灾也是智慧城市建设中很重要的一环。

在洪水、台风、地震、火灾、爆炸、化学品泄露、交通事故、恐怖袭击等重大突发公共事件面前，如何实现全面检测监控，并快速、动态的全面了解现场装，如何根据现场实时情况疏散人群、组织救援、协调各方资源提供应急保障。一般来说，突发事件都发生在一个特定空间环境内，应急指挥救援也依赖于这一空间环境，所以引入空间信息理论和计算机应用技术相结合的三维地理信息系统来解决这一矛盾势在必行。

• 室内服务

室内景观

现在移动设备越来越普遍，手机里的各种APP应用让路痴们总算不至于在城里迷路饿死，但是有一些路痴却迷路迷到建筑物里面了。公共设施建筑内部结构越来越复杂，尤其是商场、医院，就算不是路痴的人想一下子搞清楚东南西北也有点困难。

然而现在的室内导航图一般都是二维电子图，甚至只是示意图，用起来不是很直观方便，BIM与Skyline结合，似乎让问题得到了解决。Skyline作为一款非常成熟的三维GIS平台，已经支持物联网数据的接入，结合BIM建筑特点，可以做轻松做到模拟真实情景定位，应用方面当然也很广，比如地下停车场内寻找车位、医院内寻找科室、商场内寻找品牌店等等。

在大型商业购物中心，基于位置的营销正在逐渐兴起，这可以帮助顾客从进入商场的那一刻开始，通过智能手机获取到商场的促销信息和个性化推荐信息，提升顾客的购物体验。这也是三维GIS在智慧城市中的一个应用。

重难点

• 真三维模型

传统三维空间数据模型大都面向特定的专业领域，如地质模型、矿山模型、地表景观模型等，这些模型大部分针对单一数据类型，不能表示多源异构数据，并且缺乏统一的语义表达、在多尺度表达的一致性方面较差，需要在线进行坐标转换、数据结构转换，不同系统功能难以并行处理、增加三维绘制状态的切换频率等

基于此开发的系统，数据和软件的耦合程度很高，重用价值不高。

针对地上下和室内外多粒度对 象统一表达的复杂性与高效性难题，地上下和室内 外一体化表达的问题，需要建立真三维数据模型。

将复杂的三维地理环境划分为3个层次进行描述：地形表面层次、地上下立 体空间层次和建筑物三维内部空间层次。

（1）地形表面层次是面向完整的2.5D地表空间 管理，在整个区域地形表面空间层次上确保合理的 空间划分与区域识别；

（2）地上下立体层次是基于基本的立体层次描 述的三维空间，主要解决三维空间对象在二维抽象 表示中产生的地上下交叠问题，满足三维空间层面 的对象精确表达与分析需求；

（3）建筑物三维内部空间层次是基于建筑结构 的语义关系进一步详细划分的内部空间层次，使用“位于”和“部分－组成”语义关系来表达建筑物的内
部逻辑构成，从而建立完整的三维内部空间表示。

• 精确高效的三维GIS集成建模

GIS BIM

GIS是应用于大空间尺度的，比如道路，燃气，电力，通讯，供水等，而BIM是负责单体工程信息管理的，如建筑，结构，机电等。

因此，传统三维GIS难以提供一个城市完整的空间表达与管理的解决方案，尤其是宏观规划管理跟微观精细化管理之间的矛盾十分突出，需要发展全要素级地理空间信息系统。

• 管理运维

虽然“智慧城市”的概念在国内炒的比较火热，相关的项目也有很多，但到目前为止，并没有看到落地的案例或者突破性的进展。

数字化城市 智慧城市

上述的概念图只是从技术上给“智慧城市”的定义，但要真正的实现智慧城市，更多的是管理运维上的思考。

智慧城市之所以一直无法落地，主要原因有：

• 发展盲目
  很多“智慧城市”的项目，往往只是跟风，没有明确的规划和设计方案

• 有智慧项目，无智慧城市
  智慧城市属于大集合的概念，许多城市虽然有“智慧城管”，“电子政务”，“数字交通”等项目，但难于集成，跨越多个行业和专业的解决方案的整合还是一个难题

• 基础薄弱
  很多区县级别的城市罔顾城市发展的规律，在基础设计没有建设好，“数字城市”还在摸索阶段时，就开始盲目跟风，上马相关项目，“数字”都没有达到，何来的“智慧”

真正成熟的智慧城市目前来看还是一种美好的愿景，而不是短期内可以达到的目标。

我们可以在信息搜集、指挥调度、信息反馈方面先做一些工作，逐步把城市居民的个体智慧能力接进去，从而推动智慧城市的发展。但总体来看，智慧城市建设的路还非常长。