3D城市建模的最新技术

图1：用3D城市模型决定风循环的影响，摘自Sanchez（2017）

图2：荷兰法尔肯堡3D城市模型的部分视图在3D城市模型中可以表现的元素包括：建筑、植被、水体、建成区、绿地、道路等（摘自荷兰地籍制图局）

为了开发高级应用程序，3D城市模型应该描述城市中通常存在的所有单个元素的几何形状和属性，例如地形、道路、水体和建筑物（图2）。此外，相关的语义信息可以包括在几何形状中，例如建筑物的建造年份、其中的居住人数以及建筑物的建材——所有重要信息均可优化循环经济流动或能源消耗。此类语义丰富的3D城市模型有潜力代表强大的集成信息中心，可用于包括在诸如智能城市和数字孪生之类的更广泛发展的背景下基于计算机的城市分析。

图3a：瑞士地形（Swisstopo）的3D城市模型示例（摘自https://map.geo.admin.ch）

激光雷达和摄影测量收集3D高程信息技术的进步使不同领域的从业人员能相对容易地自动重建3D城市模型（参见图3的两个示例）。这些模型通常主要包含建筑物，但其他对象类型也越来越多，例如道路、桥梁、树木（参见图4）和水。如上所述，在城市规划和环境模拟领域，3D模型的可用性和应用仍在不断增加。此外，由于可以以相对较低的成本获取高程数据，因此可以频繁地更新该数据，也可以在不同的时间段重建覆盖相同区域的3D城市模型。

图3b：赫尔辛基3D城市模型（摘自https://kartta.hel.fi/3d/#/）

3D城市模型有可能在塑造未来中发挥关键作用。这种超越3D可视化的3D城市模型需要以实现3D数据作为平台基础的3D城市建模集成方法。在这种方法中，相同的最新3D虚拟现实可以服务于不同的城市应用程序，同时提供一个集成不同应用程序结果的环境。但是，在实现3D数据作为平台之前，必须克服以下挑战：

图4：不同细节层次的树⽊建模(摘自Ortega-Córdova(2018))

为了确保几何和语义上的一致性，标准化是必不可少的。OGC标准CityGML是用于存储和交换3D语义城市模型的主要标准，其目的是定义用于描述3D城市模型中存在的最常见对象类型、组成部分、属性以及不同对象之间关系的基本类别。尽管大多数C i t y G M L示例和数据集都集中在建筑物上，但CityGML还可以表示其他要素类别，例如土地使用、地势、道路和铁路、植被、桥梁和城市设施。虽然CityGML为“一般”城市规定了标准数据模型，但可以通过定义应用程序领域扩展（ADEs）将其扩展到特定的领域，例如建筑物的能源需求或国家特定的数据模型。ADEs的主要问题在于软件包和函数库通常无法自动从中读取和处理特定应用程序的信息，因为这种扩展无需遵循许多规则。

CityGML既用作信息模型（以UML模型的形式），又用作编码模型，它基于XML的表现形式，使用地理标记语言（GML）的几何定义。使用CityGML编码的数据面临的一个挑战是CityGML的软件支持仍然有限。部分原因是在CityGML中定义对象的方式有很多种可能，这使得完全实现变得困难（该软件需要支持所有可能的情况）。另外，XML（以及GML）可能冗长而复杂，这使得它对许多应用程序而言不切实际。

还有其他可实现CityGML数据模型的解决方案来克服这些问题。其中一个是3DCityDB，这是一个开源数据库，建立在Oracle Spatial或PostGIS上，用于将CityGML数据模型存储在关系数据库中。CityGML编码的另一种替代方法是C i t y J S O N，它是一种使用JavaScript对象符号（JSON）对CityGML数据模型的子集进行编码的格式。CityJSON在设计时就考虑了程序员，因此可以快速构建支持它的工具和API。它的设计紧凑，与基于XML的CityGML文件相比，压缩系数约为6，并且对Web和移动开发友好（除了交换数据外，它还支持使用3D数据）。CityJSONv1.0于2019年发布，并被多个软件包支持，包括浏览器、3D建模工具、3D城市模型生成工具和GIS软件（图5）。

图5：CityJason格式的瑞士上维尔的3D城市模型

质量（或质量缺失）是限制不同软件系统和应用程序之间共享3 D城市模型的另一个问题。正如Biljecki等人（2016）所强调的，大多数公开可用的3D城市模型都包含许多几何和拓扑错误，例如重复的顶点、表面缺失、自相交等。通常，这些错误在数据集可视化的尺度上是不可见的，或者对于建模它们的特定软件来说也不是问题。结果导致工作人员没有意识到这个问题。但是，这些错误会阻止数据集在其他软件和高级应用程序中的使用，但是这种在不同软件和应用程序中的使用对于促进3D数据作为平台至关重要。如果建模软件强制3D几何符合ISO 19107标准（即连接的表面、平面、表面的方向正确、密闭空间等），则所有这些几何错误都可以被避免。解决此问题的另一种方法是使用自动修复算法。但是，这些仍然通常是半手动的，此外，更正一个错误可能会在其他地方引入新的错误。

从几何的角度来看，以及语义不兼容的原因，语义3D城市模型从一种格式到另一种格式的转换具有挑战性。对于建筑物信息建模（BIM）的IFC标准而言，最好将为建筑物的设计和建造而生成的高度细节模型集成到3D城市模型中。但是，IFC模型和CityGML模型之间的自动转换并不简单。例如，对于根据两个标准建模的建筑物，语义类之间的映射很复杂，因为两个模型中的几何图元都附加了不同的语义信息。此外，IFC具有更多的类别，而CityGML包含数量有限的按层次结构组织的类别。此外，在IFC中，一所简单的房子可以轻松地由上千个体积元素组成，而在CityGML中，它仅包含外壳和其他一些元素，例如门、窗户和烟囱。由于语义上的这些差异，再加上不同的软件和几何建模范式的使用，很难重复利用来自其他领域的数据。OGC（2016）和Arroyo Ohori等人（2018）更详细地解释了阻碍流程自动化的问题，并提供了更好地统一这两个标准的建议。这需要更好地了解在基于GIS的应用程序中如何使用详细的BIM模型，以及如何从BIM软件更好地访问GIS语境数据。从详细的BIM模型派生出与GIS相关的概念，将其用作两个领域之间的接口，这被认为是向前迈出的关键一步（参见图6）。另外，BIM模型需要地理配准后才能在其地理环境中定位它们。

图6：从BIM的体元素数据集中提取GIS相关的概念（空间）

许多政府组织已经投资了自己的3D城市模型。尽管人们越来越了解最新的3D城市模型的重要性，但是他们常常无法制定更新模型和维护数据不同版本的策略。一种潜在的方法是使用IFC/BIM模型中新设计的数据。但是，这就需要提交的设计数据和IFC/BIM数据的预处理达成良好的协议（例如，得出与地理相关的概念，例如地理参考环境中的占地面积和包围盒），以及组织/机构间的协议（谁负责数据？如何保护建筑师/设计师的知识产权？）。

在原型和试验中看起来很有前途的关于3D数据使用的技术创新在实践中可能会遇到问题。实际的生产设置通常会覆盖较大的区域，并且需要更多的自动化功能，这会使监测和数据质量控制变得更加困难。此外，将适用于小型测试区域的解决方案应用于大面积区域（例如完整的城市甚至是国家）时会超出其限制（无论是性能还是必须涵盖的情况）。因此，需要进一步重视获得更高质量的3D城市模型和建筑模型，确保它们可以为服务于各种城市应用的3D数据平台奠定基础。这要求对规范进行更精确的定义，并需要验证机制来检查获取的3D数据是否满足那些规范。“更高的质量”并不一定意味着“更高的精度”，它意味着没有错误的最新3D数据，并且与城市应用的特定需求保持一致，而非仅仅用于可视化。并非3D数据平台面临的所有挑战都是技术挑战。想要实施3D数据作为平台的组织，通常缺乏最新的知识和技能。可能他们在有关3D数据的获取、维护和发布方面缺乏知识，或者对城市数据质量、如何在元数据中表达它以及数据质量如何影响城市应用的结果等方面缺乏了解。还有3D数据面临的机构和组织方面的问题，例如，应提供哪些3D数据、应在何处以及如何提供、负责更新和维护的人员以及如何将大型公共部门3D城市模型与各个建筑物的私有部门的详细建筑模型集成在一起。

越来越多的3D城市模型可以在不同的细节级别、不同的时间段和不同的应用程序中使用。因此，重要的是要有足够的方法以语义标准化和组织化的方式存储历史系列的3D城市模型。将物理世界转换为虚拟现实的能力已成为各种城市应用（例如噪声、高热和污染等）的设计、规划、可视化和管理中的宝贵资产。但是，复杂性不断增加（例如，除了可视化之外的3D城市建模）通常以可用性、互操作性和维护为代价。当前的实践仍然显示出缺乏用于处理3D城市模型的特定且用户友好的软件，以及一些脱节和效率低下的软件选项，而数据集成是3D城市建模的固有组成部分。为了使3D城市模型成为现实的“数字孪生”，并为各种应用提供信息，这种集成需要进一步的关注。将传感器数据集成到3D城市模型中是另一个需要进一步开发的领域，以便将3D城市模型转变为现实的动态表示。最后，高度细节和结构不同的IFC/BIM模型集成仍然需要进一步研究以及支持集成的进一步协议。本文列出了3D城市模型用于可持续城市环境的当前挑战。基于以上几项内容，似乎还有很多事情要做。当然，在过去的几十年中，可用的3D城市模型数量急剧增加，并且在数据采集、建模、维护、使用和可视化方面取得了许多进展。所有这些都为实现3D城市模型的潜力奠定了基础。通过解决本文中描述的挑战，就可以再跨越一大步，让3D城市模型成为一个强大的信息中心，用于基于计算机的城市分析。