SuperMap CIM基础平台助力数字孪生城市建设

发布时间:2022 年 07 月 12 日  文/应用产品研发中心 杨颖
导读:SuperMap CIM基础平台作为支撑数字孪生在城市尺度应用的平台,运用BIM、GIS、物联网、大数据、云计算、人工智能等先进技术,从数据处理、数据融合、空间分析、三维可视化与模拟仿真五个方面支撑数字孪生城市建设。
数字孪生城市与 CIM 基础平台
 
数字孪生(Digital Twin)是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达,该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛,并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图,有助于优化整体性能 [1],其应用领域最早集中在航空航天、国防军工等机构,经过近 20 多年的发展,现在已全面扩展至制造、建筑、能源、交通、医药和科学等多个领域。
 
数字孪生与各产业的深入融合能够有力推动各产业智能化发展进程,随着智慧城市理念不断变革和数字孪生相关技术不断发展,数字孪生在城市尺度的应用促使“数字孪生城市”概念应运而生:数字孪生城市(Digital Twin Cities)是基于数字化标识、自动化感知、网络化连接、普惠化计算、智能化控制、平台化服务的信息技术体系,在数字空间再造一个与物理城市匹配的对应的数字城市,全息模拟、动态监控、实时诊断、精准预测城市物理实体在现实环境中的状态,推动城市全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、城市运行管理协同化智能化,实现物理城市与数字城市协同交互、平行运转 [2]。数字孪生城市成为未来城市提升长期竞争力、实现精明增长、实现可持续发展的新型基础设施 [3]。
 
根据世界经济论坛 2022 年发布的《数字孪生城市:框架与全球实践洞察力报告》中提到的关于数字孪生城市关键要素架构,数字孪生城市建设需要一个城市级平台支撑,为数字孪生城市提供统一对话界面、操作系统和开发土壤。
 
城市级平台是数字孪生城市承上启下的核心枢纽,平台向下连接各类基础设施,汇聚了城市运行、城市部件等多源数据;平台向上为各类应用开发提供了低成本、可接入、全要素的开发平台,显著降低政府和企业开发成本。同时,平台提供了数字孪生仿真推演、空间运算等多种技术能力,为企业开发数字孪生应用、市民享受虚实融合服务提供多维度能力支撑。
 
CIM(城市信息模型)基础平台(简称“CIM 基础平台”)是以建筑信息模型 (BIM)、地理信息系统 (GIS) 数据、物联 (IoT) 感知数据为基础,聚合集成政府和社会各类城市管理相关数据,实现多源数据的汇聚、管理、可视化、服务与共享的城市管理中台。根据这一功能定义,CIM 基础平台理所当然成为数字孪生城市的城市级平台,是数字孪生城市的操作系统。
 
 
SuperMap CIM 基础平台支撑数字孪生城市建设
 
“十四五”国家信息化规划明确提出“稳步推进城市数据资源体系和数据大脑建设,打造互联、开放、赋能的智慧中枢,完善城市信息模型平台和运行管理服务平台,探索建设数字孪生城市”。同时部委及地方政府鼓励建设数字孪生城市的相关政策和指导文件也陆续出台,全国各地的 CIM 建设正如火如荼地进行中。
 
通过深入分析研究雄安新区等 CIM 建设实践经验,结合超图各地实施案例,超图推出了 SuperMap CIM 基础平台,主要运用 BIM、GIS、物联网、大数据、云计算、人工智能等先进技术,从数据处理、数据融合、空间分析、三维可视化与模拟仿真这几个方面支撑数字孪生城市建设。

认识 SuperMap CIM 基础平台五大主要功能
 
• 空间数据处理
 
基 于 数 字 孪 生 城 市 构 建 真 实 城 市 地 理 空 间 的 需 求,SuperMap CIM 基础平台集成了地形、遥感影像、倾斜摄影、点云等数据以构建基本城市地理空间,并叠加 BIM 模型以构建城市建(构)筑物,最后融合物联网数据,实现全要素、全空间、全生命周期的城市空间数字孪生,即“CIM = GIS + BIM + IoT”。因此首先便要考虑城市多源异构数据的处理问题。SuperMap CIM 基础平台对于 GIS 数据的处理,采用全空间表达的三维数据模型技术、倾斜摄影和激光点云单体化技术、规则建模技术等;对于不同 BIM 格式(.obj、.rvt、.fbx 等)数据的处理,采用数据无损接入技术和模型轻量化技术;对于IoT 数据的处理,采用数据抽取、数据清洗、数据压缩与信息解译等处理手段。
 
• 多源数据融合
 
SuperMap CIM 基础平台汇聚了海量多源异构数据,如何在三维场景中将GIS和BIM数据融合匹配到统一的空间位置,平台提供空间坐标转换及三维数据配准等功能以实现时空基准的统一。其次,倾斜摄影、地形、BIM 模型等不同类型的数据统一空间位置后,可能出现遮挡压盖问题,平台提供镶嵌、挖洞、压平等功能满足 BIM 模型与地形、倾斜摄影与 BIM 模型等不同数据融合需求。最后,在 BIM 与 GIS 数据融合的基础上,平台基于统一的空间位置编码标准,通过语义化技术自动挂载监控摄像头、传感器、RFID 等 IoT 数据,实现动静态数据的融合。
 
• 空间分析
 
SuperMap CIM 基础平台整合数百种城市级经典空间数据的分析算子,并对这些算子进行分布式重构。如基于 GPU实时的三维空间查询分析技术,通过可视域分析、开敞度分析、天际线分析等支撑城市规建管养运全过程;BIM 指标计算,通过提供建筑容积率、日照分析、用地面积、建筑退线等指标数据,助力工程建设项目全生命周期管理;人工智能技术,通过对象识别、地理围栏等实现城市运行态势实时监控,实施有效的预警联动,保障城市正常运行。
 
对于深度融合业务的城市复杂空间分析需求,SuperMap CIM 基础平台更进一步引进地理处理自动化工具 (GPA),基于可视化编排页面和丰富算子搭建复杂分析模型。
 
 
• 三维可视化
 
数字孪生城市对于城市场景的模型精度和逼真表现要求很高,包括几何体的精细程度,模型表面材质的金属特性、粗糙特性、表面凹凸细节,日照、云层、灯光等环境因素,水柱、火焰等业务元素以及植被系统等。
 
基于这些城市场景可视化需求,SuperMap CIM 基础平台采用高性能二三维 GIS 图形引擎、前沿 HTML5 WebGL 技术构建一个室内 / 室外一体化、宏观 / 微观一体化、地上 / 地表/ 地下一体化的数字孪生平行世界。另外,SuperMap CIM 基础平台可以与游戏引擎跨界融合,将具有真实地理坐标的室外地理环境、室内 BIM 模型、IoT 数据等与游戏引擎的特效与粒子渲染有机结合,以实现更加贴近真实世界的场景复刻。
 
• 模拟仿真
 
与物理城市相比,数字孪生城市具有可重复性、可逆性等特点,可以为城市规划、应急管理等方案的评估提供直观的、量化的分析结论。
 
SuperMap CIM 基础平台通过算法与仿真技术不断将城市运行规则、业务模型、深度学习预测结果等模拟仿真呈现给所有城市用户,实现包括日照时长计算、水体气体淹没扩散跟踪、人群疏散推演、疫情防控、大型复杂交通态势仿真等典型场景的应用,支撑城市生产、生活、生态等诸多领域的智能化、智慧化管理。
 
数字孪生城市与现实城市实时交互映射,“孪生兄弟”如影随形同生共长,SuperMap CIM 基础平台作为现实城市与数字孪生城市交互的桥梁,使得城市能感知会思考。数字孪生城市是发展和带动数字经济的重要载体,将推动城市规划建设治理服务整体性转变,全方位赋能数字经济转型。
 
参考文献:
[1] 中国电子技术标准化研究院 . 数字孪生应用 白皮书 , 2020.
[2] 世界经济论坛 . 数字孪生城市:框架与全球实践 洞察力报告 , 2022.
[3] 全国信标委智慧城市标准工作组 . 城市数字孪生标准化 白皮书 , 2022.

 

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