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本文內容摘自《中國測繪》2020年第5期
語義豐富的3D城市模型具有成為強大信息集成中心的潛力，這種信息集成中心將為基於計算機的城市空間分析提供支持。本文介紹了智能城市和數字孿生等更廣泛的發展背景下3D城市建模的最新技術，並概述了實現3D數據作為平臺之前必須克服的六個挑戰。
圖1：用3D城市模型決定風循環的影響，摘自Sanchez（2017）
3D城市模型作為城市地區的數字表示形式，可用於促進多項應用，例如城市風模型和彌散模擬、能源研究、噪聲研究以及需要將規劃的建築設計置於其背景中的各種類型的分析（例如：視線和陰影分析、地下電纜和管道的碰撞檢測、風循環的影響，參見圖1）。這些3D模型也包含語義，不同於3D網格（在計算機圖形和遊戲中使用）和原始點雲。後兩者可用於可視化和視覺分析，但不適用於大多數其他空間分析的目的。
圖2：荷蘭法爾肯堡3D城市模型的部分視圖在3D城市模型中可以表現的元素包括：建築、植被、水體、建成區、綠地、道路等（摘自荷蘭地籍製圖局）
為了開發高級應用程式，3D城市模型應該描述城市中通常存在的所有單個元素的幾何形狀和屬性，例如地形、道路、水體和建築物（圖2）。此外，相關的語義信息可以包括在幾何形狀中，例如建築物的建造年份、其中的居住人數以及建築物的建材——所有重要信息均可優化循環經濟流動或能源消耗。此類語義豐富的3D城市模型有潛力代表強大的集成信息中心，可用於包括在諸如智能城市和數字孿生之類的更廣泛發展的背景下基於計算機的城市分析。
圖3a：瑞士地形（Swisstopo）的3D城市模型示例（摘自https://map.geo.admin.ch）
雷射雷達和攝影測量收集3D高程信息技術的進步使不同領域的從業人員能相對容易地自動重建3D城市模型（參見圖3的兩個示例）。這些模型通常主要包含建築物，但其他對象類型也越來越多，例如道路、橋梁、樹木（參見圖4）和水。如上所述，在城市規劃和環境模擬領域，3D模型的可用性和應用仍在不斷增加。此外，由於可以以相對較低的成本獲取高程數據，因此可以頻繁地更新該數據，也可以在不同的時間段重建覆蓋相同區域的3D城市模型。
圖3b：赫爾辛基3D城市模型（摘自https://kartta.hel.fi/3d/#/）
3D城市模型有可能在塑造未來中發揮關鍵作用。這種超越3D可視化的3D城市模型需要以實現3D數據作為平臺基礎的3D城市建模集成方法。在這種方法中，相同的最新3D虛擬實境可以服務於不同的城市應用程式，同時提供一個集成不同應用程式結果的環境。但是，在實現3D數據作為平臺之前，必須克服以下挑戰：
挑戰1:模型之間的一致性
第一個挑戰是覆蓋同一區域的3D城市模型之間缺乏一致性。當前，3D城市模型通常由不同的基礎（傳感器）數據、重建方法和軟體獨立生成。因此，生成的模型通常在其幾何形狀（例如，表面集合與體積表現形式）、外觀和語義上顯著不同。此外，由於這些模型使用不同的格式（XML、圖形或二進位格式）存儲，它們的基礎數據模型通常也有所不同。當最初相同的模型通過不匹配的更新或者不同格式之間轉換（例如，嘗試處理軟體不兼容性）等獨立的數據處理時，甚至可能會出現重大差異。所有這些差異在實踐中都會產生深遠的影響，例如會影響使用3D模型的應用程式，影響使用模型所必需的處理過程以及最終結果中可能出現的錯誤。因此，重要的是要了解3D城市模型的建模方式，並在模型的元數據中明確提供此信息。
圖4：不同細節層次的樹⽊建模(摘自Ortega-Córdova(2018))
挑戰2:標準化
為了確保幾何和語義上的一致性，標準化是必不可少的。OGC標準CityGML是用於存儲和交換3D語義城市模型的主要標準，其目的是定義用於描述3D城市模型中存在的最常見對象類型、組成部分、屬性以及不同對象之間關係的基本類別。儘管大多數C i t y G M L示例和數據集都集中在建築物上，但CityGML還可以表示其他要素類別，例如土地使用、地勢、道路和鐵路、植被、橋梁和城市設施。雖然CityGML為「一般」城市規定了標準數據模型，但可以通過定義應用程式領域擴展（ADEs）將其擴展到特定的領域，例如建築物的能源需求或國家特定的數據模型。ADEs的主要問題在於軟體包和函數庫通常無法自動從中讀取和處理特定應用程式的信息，因為這種擴展無需遵循許多規則。
CityGML既用作信息模型（以UML模型的形式），又用作編碼模型，它基於XML的表現形式，使用地理標記語言（GML）的幾何定義。使用CityGML編碼的數據面臨的一個挑戰是CityGML的軟體支持仍然有限。部分原因是在CityGML中定義對象的方式有很多種可能，這使得完全實現變得困難（該軟體需要支持所有可能的情況）。另外，XML（以及GML）可能冗長而複雜，這使得它對許多應用程式而言不切實際。
還有其他可實現CityGML數據模型的解決方案來克服這些問題。其中一個是3DCityDB，這是一個開源資料庫，建立在Oracle Spatial或PostGIS上，用於將CityGML數據模型存儲在關係資料庫中。CityGML編碼的另一種替代方法是C i t y J S O N，它是一種使用JavaScript對象符號（JSON）對CityGML數據模型的子集進行編碼的格式。CityJSON在設計時就考慮了程式設計師，因此可以快速構建支持它的工具和API。它的設計緊湊，與基於XML的CityGML文件相比，壓縮係數約為6，並且對Web和移動開發友好（除了交換數據外，它還支持使用3D數據）。CityJSONv1.0於2019年發布，並被多個軟體包支持，包括瀏覽器、3D建模工具、3D城市模型生成工具和GIS軟體（圖5）。
圖5：CityJason格式的瑞士上維爾的3D城市模型
挑戰3:數據
質量（或質量缺失）是限制不同軟體系統和應用程式之間共享3 D城市模型的另一個問題。正如Biljecki等人（2016）所強調的，大多數公開可用的3D城市模型都包含許多幾何和拓撲錯誤，例如重複的頂點、表面缺失、自相交等。通常，這些錯誤在數據集可視化的尺度上是不可見的，或者對於建模它們的特定軟體來說也不是問題。結果導致工作人員沒有意識到這個問題。但是，這些錯誤會阻止數據集在其他軟體和高級應用程式中的使用，但是這種在不同軟體和應用程式中的使用對於促進3D數據作為平臺至關重要。如果建模軟體強制3D幾何符合ISO 19107標準（即連接的表面、平面、表面的方向正確、密閉空間等），則所有這些幾何錯誤都可以被避免。解決此問題的另一種方法是使用自動修復算法。但是，這些仍然通常是半手動的，此外，更正一個錯誤可能會在其他地方引入新的錯誤。
挑戰4:數據
從幾何的角度來看，以及語義不兼容的原因，語義3D城市模型從一種格式到另一種格式的轉換具有挑戰性。對於建築物信息建模（BIM）的IFC標準而言，最好將為建築物的設計和建造而生成的高度細節模型集成到3D城市模型中。但是，IFC模型和CityGML模型之間的自動轉換並不簡單。例如，對於根據兩個標準建模的建築物，語義類之間的映射很複雜，因為兩個模型中的幾何圖元都附加了不同的語義信息。此外，IFC具有更多的類別，而CityGML包含數量有限的按層次結構組織的類別。此外，在IFC中，一所簡單的房子可以輕鬆地由上千個體積元素組成，而在CityGML中，它僅包含外殼和其他一些元素，例如門、窗戶和煙囪。由於語義上的這些差異，再加上不同的軟體和幾何建模範式的使用，很難重複利用來自其他領域的數據。OGC（2016）和Arroyo Ohori等人（2018）更詳細地解釋了阻礙流程自動化的問題，並提供了更好地統一這兩個標準的建議。這需要更好地了解在基於GIS的應用程式中如何使用詳細的BIM模型，以及如何從BIM軟體更好地訪問GIS語境數據。從詳細的BIM模型派生出與GIS相關的概念，將其用作兩個領域之間的接口，這被認為是向前邁出的關鍵一步（參見圖6）。另外，BIM模型需要地理配準後才能在其地理環境中定位它們。
圖6：從BIM的體元素數據集中提取GIS相關的概念（空間）
挑戰5:數據維護/管理
許多政府組織已經投資了自己的3D城市模型。儘管人們越來越了解最新的3D城市模型的重要性，但是他們常常無法制定更新模型和維護數據不同版本的策略。一種潛在的方法是使用IFC/BIM模型中新設計的數據。但是，這就需要提交的設計數據和IFC/BIM數據的預處理達成良好的協議（例如，得出與地理相關的概念，例如地理參考環境中的佔地面積和包圍盒），以及組織/機構間的協議（誰負責數據？如何保護建築師/設計師的智慧財產權？）。
挑戰6:從烏託邦實驗到實際應用案例
在原型和試驗中看起來很有前途的關於3D數據使用的技術創新在實踐中可能會遇到問題。實際的生產設置通常會覆蓋較大的區域，並且需要更多的自動化功能，這會使監測和數據質量控制變得更加困難。此外，將適用於小型測試區域的解決方案應用於大面積區域（例如完整的城市甚至是國家）時會超出其限制（無論是性能還是必須涵蓋的情況）。因此，需要進一步重視獲得更高質量的3D城市模型和建築模型，確保它們可以為服務於各種城市應用的3D數據平臺奠定基礎。這要求對規範進行更精確的定義，並需要驗證機制來檢查獲取的3D數據是否滿足那些規範。「更高的質量」並不一定意味著「更高的精度」，它意味著沒有錯誤的最新3D數據，並且與城市應用的特定需求保持一致，而非僅僅用於可視化。並非3D數據平臺面臨的所有挑戰都是技術挑戰。想要實施3D數據作為平臺的組織，通常缺乏最新的知識和技能。可能他們在有關3D數據的獲取、維護和發布方面缺乏知識，或者對城市數據質量、如何在元數據中表達它以及數據質量如何影響城市應用的結果等方面缺乏了解。還有3D數據面臨的機構和組織方面的問題，例如，應提供哪些3D數據、應在何處以及如何提供、負責更新和維護的人員以及如何將大型公共部門3D城市模型與各個建築物的私有部門的詳細建築模型集成在一起。
結論與未來展望
越來越多的3D城市模型可以在不同的細節級別、不同的時間段和不同的應用程式中使用。因此，重要的是要有足夠的方法以語義標準化和組織化的方式存儲歷史系列的3D城市模型。將物理世界轉換為虛擬實境的能力已成為各種城市應用（例如噪聲、高熱和汙染等）的設計、規劃、可視化和管理中的寶貴資產。但是，複雜性不斷增加（例如，除了可視化之外的3D城市建模）通常以可用性、互操作性和維護為代價。當前的實踐仍然顯示出缺乏用於處理3D城市模型的特定且用戶友好的軟體，以及一些脫節和效率低下的軟體選項，而數據集成是3D城市建模的固有組成部分。為了使3D城市模型成為現實的「數字孿生」，並為各種應用提供信息，這種集成需要進一步的關注。將傳感器數據集成到3D城市模型中是另一個需要進一步開發的領域，以便將3D城市模型轉變為現實的動態表示。最後，高度細節和結構不同的IFC/BIM模型集成仍然需要進一步研究以及支持集成的進一步協議。本文列出了3D城市模型用於可持續城市環境的當前挑戰。基於以上幾項內容，似乎還有很多事情要做。當然，在過去的幾十年中，可用的3D城市模型數量急劇增加，並且在數據採集、建模、維護、使用和可視化方面取得了許多進展。所有這些都為實現3D城市模型的潛力奠定了基礎。通過解決本文中描述的挑戰，就可以再跨越一大步，讓3D城市模型成為一個強大的信息中心，用於基於計算機的城市分析。
來源：《GIM-International》官方網站2020年4月9日文章
譯者：一景，荷蘭對地觀測公司（NEO BV）遙感地信諮詢顧問。
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原標題：《3D城市建模的最新技術》
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