朱萌，萬麗，張媛媛，丁敏生，張云彬

(1.華中科技大學 建筑與城市規(guī)劃學院，湖北 武漢，430074；2.安徽農業(yè)大學 林學與園林學院，安徽 合肥，230036；3.上海交通大學規(guī)劃建筑設計有限公司，上海，200030；4.宿州市自然資源與規(guī)劃局，安徽 宿州，234000，5.巢湖市黃麓鎮(zhèn)政府，安徽 合肥，238076)

1 智慧城市與智慧模型

智慧城市的概念起源于IBM 提出的“智慧地球”，“智慧地球”是對于如何運用先進的信息技術構建新的世界運行模型的一個愿景[1]-[2]，其基礎是城市的智慧管理和運行[3]。王世福提出以戰(zhàn)略體系、社會活動體系、經濟活動體系、支撐體系、空間體系五大分體系共同構成智慧城市的研究概念體系[1]，在該體系中，精確、客觀并全面展現城市現狀物理空間和基本運行規(guī)律的智慧模型則成為支撐體系中的基本組成部分。當前在大數據技術研究的帶動下，智慧模型正逐步成為城鄉(xiāng)規(guī)劃研究的熱點之一。

自2012 年首批國家智慧城市試點名單出臺起，智慧城市的建設已取得了一定成效，按照建設成果可大致分為公共信息服務平臺、“多規(guī)合一”平臺、工程建設的電子報批系統(tǒng)和智慧模型四方面。公共信息服務平臺的建設以國家地理信息公共服務平臺“天地圖”為代表，“天地圖”向各類用戶提供包括地理測繪信息、文化教育、醫(yī)療衛(wèi)生、行政區(qū)劃、人口、國民經濟等權威的在線地理信息統(tǒng)計服務，除此之外，很多地市在不斷拓展“天地圖”的信息服務功能，如武漢市的天地圖，還提供選址分析、在建項目查詢、規(guī)劃一張圖等服務?！岸嘁?guī)合一”平臺是通過整合涉及到空間資源管理的不同部門現狀統(tǒng)計口徑、規(guī)劃標準技術，建設跨越不同管理機構的空間規(guī)劃信息共享機制和軟件，實現高效監(jiān)督城市建設和空間資源利用。電子報批是以BIM 技術為基礎的城市建設項目審批系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過電子校核、簽章、備案的方式對待建項目進行審查，提高建設項目的審批效率，統(tǒng)一審批成果，以實現“最多跑一次”的政府服務目標。

在智慧模型建設方面，廈門市早在2009 年開始建設“廈門城市規(guī)劃三維仿真系統(tǒng)”，至今已完成600 km2的現狀及規(guī)劃三維模型數據，主要共享于公安、城建檔案館、各區(qū)政務中心、軌道辦等部門(張曉宏，2018)。武漢市至今已建立了都市發(fā)展建設區(qū)1200 km2的手工三維模型，不僅包括地上建筑物，還包括地下空間和公共建筑室內空間的三維數據(彭明軍，2018)。長沙市則于近期嘗試利用BIM 和3DGIS 技術建設岳麓區(qū)CIM 智慧模型(張鴻輝，2018)，并利用傾斜攝影技術和Smart 3D 建模平臺開始建設更大范圍的城市實景三維模型[4]，雄安新區(qū)在前期規(guī)劃中，提出“數字孿生城市”的概念，將對應實體空間建設數字虛擬空間，更加協(xié)同高效地規(guī)劃和管理城市[5]。

智慧模型作為智慧城市的載體和支撐體系，在不同發(fā)展階段應具有相對應的特點和內容。當前對智慧模型的理論研究已經從測繪學、地理學、城鄉(xiāng)規(guī)劃學、計算機圖形學、信息學科等不同視角進行了描述，但是對智慧城市、城市模型、三維模型、仿真模型、虛擬城市等關鍵性基礎認知，還存在較大的分歧和不系統(tǒng)、不完整的論述。在實踐領域，如BIM、CIM 等概念的不斷付出實施，智慧模型建設逐步呈現“百花齊放”的狀態(tài)，但是當前各智慧模型建設還停留在不同“點”階段，“點”與“點”之間尚未形成一個統(tǒng)一、完整和可持續(xù)的系統(tǒng)。本文試圖解釋并整合相關概念，闡述智慧模型的發(fā)展過程，構建當前智慧城市模型的建設框架并在實踐中進行運用，夯實進一步研究的基礎。

2 智慧模型的發(fā)展階段及現狀主要問題

2.1 智慧模型的概念與發(fā)展階段

智慧模型目前還沒有普遍接受的明確定義?？偟卣f來，智慧模型是為了直觀展示城市空間和描述城市運行規(guī)律，在不同時期與同期智慧城市發(fā)展的主要目標相對應，其具體內容并不一樣。通過相關學者的研究，智慧城市的發(fā)展可以大致分為數碼城市(cyber city)，數字城市(digital city)，智能城市(intelligent city)到終極目標的智慧城市(smart city)[6]-[11]，根據不同時期智慧城市發(fā)展目標，智慧模型可以分為城市三維模型、城市虛擬三維模型、城市虛擬仿真模型和城市全息模型4 個階段(圖1)。

2.1.1 城市三維模型(urban 3D model)階段

城市三維模型是智慧模型的早期階段，初步實現了城市整體空間觀察和部分靜態(tài)數據查詢的功能，解決了城市模型的從無到有問題。通過手工組建單體模型，并在建模平臺上按照一定規(guī)則進行部署，同時人工收集單體模型的建設年代、使用功能、物理空間、人口等各種屬性數據并進行分類標注，形成屬性數據庫，在模型中實現簡單的查詢功能。

圖1 智慧模型的四個發(fā)展階段

2.1.2 城市虛擬三維模型(urban virtual 3D model)階段

城市虛擬三維模型是在城市三維模型的基礎上，提高空間環(huán)境數字化虛擬的真實程度，并加強模型在規(guī)劃設計、空間管理和公眾參與中的服務作用。在傾斜攝影測繪和激光掃描與測繪(LiDAR)技術的推動下，產生了可以通過軟件半自動合成并真實反映城市空間環(huán)境的實景三維建模方式，與手工繪制的三維模型相比，更能真實地反映地物的外觀、位置、高度等屬性[12]-[13]，并能達到可供實時測量、分析及二次開發(fā)的要求。新的建模技術對建模平臺也提出了更高的技術要求，在新一代虛擬現實開發(fā)引擎的幫助下，形成既支持現有數據庫，又可融合實景三維等新數據類型的城市虛擬三維模型，再根據不同行業(yè)和使用客戶的需求，為規(guī)劃設計過程、空間輔助管理和廣泛的公眾參與開發(fā)模型的各種使用功能和服務端口。

2.1.3 城市虛擬仿真模型(urban virtual simulation model)階段

城市虛擬仿真模型在城市虛擬三維模型的基礎上，加入逐步成熟的各種仿真功能模塊，實現對城市運行規(guī)律的模擬，滿足對城市各種定量研究和高品質城市建設實踐需要。在可見光場景建模的基礎上，進一步采集城市夜視、聲場、紅外熱成像數據，豐富城市夜景、聲景乃至熱景(熱環(huán)境)的多維感知環(huán)境。同時隨著各種仿真技術的逐步成熟，加載諸如光照、氣候、重力、交通等物理仿真和社會活動仿真模塊[14]，形成一個不斷完善的城市虛擬仿真模型。這是城鄉(xiāng)空間研究長久以來所缺乏的實驗平臺，其可以展現諸如從城市洪水淹沒實景演繹到緊急情況下的城市人口疏散情景等過程，為規(guī)劃設計研究者創(chuàng)造“情境式”的規(guī)劃設計研究條件，并提高城市發(fā)展建設和管理運行的效率。

2.1.4 城市全息模型(urban holographic model)階段

城市全息模型在城市虛擬仿真模型的基礎上，利用數據技術對城市運行全過程進行處理和模擬，實現與真實城市相對應數字孿生城市(Digital Twin-City)。在城市相關大數據技術發(fā)展成熟后，借助以深度學習為代表的人工智能技術，形成以全時空感知、全要素聯動、全周期迭代(楊保軍，2018)的城市全息模型。全息模型將能完全展現城市全景空間和城市基本運行規(guī)律，智能地協(xié)助城市管理者、設計者和公眾應對城市發(fā)展和社區(qū)生活的各種問題，實現智慧城市的建設目標。

2.2 當前智慧模型發(fā)展階段與主要問題

當前智慧城市實踐已在國內廣泛開展，但水平并不一致，而多數智慧模型正處于從第一階段向第二階段發(fā)展的過渡時期，與傳統(tǒng)的城市三維模型相比，在建模效率、虛擬真實程度、多源數據處理、功能開發(fā)和多設備支持程度等方面均提出了更高的要求。

在建模技術方面，傳統(tǒng)建模方式首先建立數據框架定位，然后利用二維矢量數據(例如道路、建筑物、植被等)、地物紋理數據以及屬性數據作為數據源，根據現場采集的照片對模型貼圖和編輯，繪制幾何三維模型[15][16]。這種建模方式優(yōu)點在于模型場景中的每一處單體及其屬性都是通過人工繪制和標注，可以全方位漫游，也能夠形成較為豐富的單體屬性數據集。但由于幾乎完全依靠手工方式，第一將耗費大量人力和時間成本，在頻繁更新和快速建設的城市環(huán)境中，同步更新維護模型的成本也較大[17]；第二場景的真實程度較差，與現實空間環(huán)境存在較大差別。

在建模軟件方面，還是延續(xù)著“數據生產為中心”的基本架構[18][19]，通過不斷添加各類數據完善城市模型。但是不斷增加的數據內容使模型的反應和運行速度日趨緩慢，而諸如點云等新型數據的添加則更加讓模型運行“雪上加霜”[20]。在較大規(guī)模的城市區(qū)域，模型建成后只能運行觀察和基本的查詢功能，同時模型也不能離開特定的高端服務器，這同模型高效、廣泛的使用要求產生巨大矛盾，新一代模型需從“以使用者為中心”的角度，采用更加靈活、高效的基本構架。

3 基于UE4 引擎的城市虛擬三維模型建設框架

3.1 虛擬現實開發(fā)引擎和UE4

利用最新的虛擬現實開發(fā)引擎技術，已經在國內外的室內設計、城市設計和參數化建模等相關領域嶄露頭角[21]。在以往模型框架構建的過程中，建模人員需要熟練掌握涉及到軟件開發(fā)、計算機視覺與圖形學、VR 和AR 技術等諸多方面的基礎代碼，而虛擬現實開發(fā)引擎將這些基礎代碼封裝為編程框架[22]，使用者可根據使用目的直接調用框架設計，節(jié)約了大量開發(fā)時間并降低了軟件開發(fā)的技術門檻，這種編程框架還具有模塊化的靈活優(yōu)點，后期可以根據不同需求加載和調用相關程序模塊，從而不斷完善充實開發(fā)內容，并可根據不同使用需求和硬件設備進行優(yōu)化，為大范圍普及使用提供堅實的基礎。

UE4(Unreal Engine 4)則是目前應用最廣、性能最佳的虛擬現實開發(fā)引擎之一，已經成熟地運用在大型網絡游戲、電影場景的制作過程中[23]，目前也已運用在CityEngine、Mars 和Revit 等多款建模和BIM 軟件中[13]。UE4 可無縫兼容包括dwg、shp、3ds、skp、jpg 和rvt 等格式的各種繪圖數據，實現不同數據的導入輸出[24]，方便不同軟件之間的協(xié)同設計。UE4 具有圖形圖像優(yōu)化、海量數據處理、多源數據兼容、靈活的模塊架構、多用戶協(xié)作、多設備平臺端口支持的強大特性[24]，能夠使城市虛擬三維模型真正成為“以使用者為核心”的模型。

3.2 基于UE4虛擬現實開發(fā)引擎的城市虛擬三維模型建設框架

在當前編制國土空間規(guī)劃的要求下，各種數據源如第三輪地調數據、建筑BIM 數據、空間活動大數據等需要進一步整合，這同樣在智慧城市的當前實踐中顯得尤為重要，而城市虛擬三維模型則成為整合數據、體現國土空間真實現狀的重要工具。

在此前提下，當前構建城市虛擬三維模型，首先需要采集地形數據、場景數據和空間屬性數據等基礎數據，并提高數據結構化水平，方便后期不斷更新和擴展。地形數據主要由DEM 和DOM 融合而成，是構建城市三維虛擬模型的“空間索引”；場景數據是主要以傾斜攝影為主，經過LiDAR 數據融合、修正過后空間點云數據，和用于補充這兩種數據采集死角的地面全景照片和視頻數據，這兩種數據通過虛擬現實開發(fā)引擎建設成實景三維模型。屬性數據則是根據楊俊宴等學者提出的動、靜、顯、隱性大數據的分類方法[25]，近期主要包括描述地上地下各類構筑物的BIM 信息數據和由公眾生產生活等活動產生的行為數據等，再次通過虛擬現實開發(fā)引擎將屬性數據自動或半自動分類賦予至實景三維模型中，最終創(chuàng)建出城市虛擬三維模型。

根據設計人員對提高城市規(guī)劃設計水平和效率的需求；管理人員對空間規(guī)劃和城市建設管理的高效和全覆蓋要求；社會公眾模型的使用和城市規(guī)劃積極了解、參與需求，將城市虛擬三維模型開發(fā)出不同使用端口：設計人員端口考慮接駁VR 和可穿戴設備，實現沉浸式規(guī)劃設計和遠距離虛擬會商匯報；管理人員端口考慮空間資源的決策、空間規(guī)劃的實施和城市建設監(jiān)察，實現規(guī)劃委員會的決策平臺，多規(guī)合一統(tǒng)一數據平臺，同時可將規(guī)劃設計指標以圖示化數據庫落實在模型中，通過無人機、遙感等方式自動更新，并與建設指標數據庫自動匹配；社會公眾端口主要考慮到作為智慧城市的主要載體，將模型向市政、醫(yī)療、公安和搶險救災等相關行業(yè)與企業(yè)開放，進一步提高智慧城市的運行效率，同時向市民展示建設現狀和未來建設藍圖，并與微信、微博等媒體接駁，實質性地提高公眾參與城市規(guī)劃的興趣和效果等多種具體功能(圖2)。

4 應用案例：巢湖城市規(guī)劃輔助系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)概況

4.1.1 建設背景

2017 年底，在巢湖政府工作報告中首次提出了建設智慧城市，隨后于2018 年上半年出臺了《巢湖市2018 年智慧城市建設工作要點》(后簡稱《工作要點》)，提出以健全公共服務體系為切入點和重點，籌劃建設“1+1+N”的智慧城市體系，建設一個“云計算中心”(城市大腦)和一個“智慧城市運營場館”；“N”是利用全市匯集的數據進行各種應用開發(fā)和展示。根據《工作要點》，由巢湖市城鄉(xiāng)規(guī)劃行政管理部門首先建設覆蓋總體規(guī)劃范圍內的城市規(guī)劃輔助系統(tǒng)，同時該系統(tǒng)也作為城市虛擬三維模型為未來城市“云計算中心”提供重要載體。

圖2 基于UE4虛擬現實開發(fā)引擎的城市虛擬三維模型構建框架

4.1.2 建設現狀

基于上述需求，從建設進度、技術成熟度和經濟角度方面考慮，確定一期模型建設的場景數據以分辨率為0.05 米的高精度傾斜測繪攝影數據為主，在重要地段和空間節(jié)點通過人視角度的全景照片為補充；屬性數據則以現有城市三維模型的屬性數據進行優(yōu)化、補充；確定UE4 作為系統(tǒng)開發(fā)和二次開發(fā)引擎建立模型，并根據當前和未來的需要不斷開發(fā)和完善相應的功能。

目前完成了中心城區(qū)10 km2的測繪和建模工作，桌面版的巢湖市城市規(guī)劃輔助系統(tǒng)(圖3)已投入使用，并在一些重要建設項目的研討過程和規(guī)委會審批環(huán)節(jié)中發(fā)揮作用，移動版本也已進入到運行檢測環(huán)節(jié)中。

圖3 三維模型系統(tǒng)界面

4.1.3 技術特點

該模型系統(tǒng)充分利用UE4 的圖像動態(tài)編輯技術，創(chuàng)造性地將全景照片與規(guī)劃方案進行融合，以較低成本實現在人視角度形成照片級別的觀察效果(圖4、9b)，并且與場景模型實施聯動，修改后的場景模型立即能在全景照片中顯示出來(圖9b)。在場景渲染效率方面，模型借助UE4 中的實時渲染技術進行高質量的快速光影計算[24]，該技術會自動根據硬件設備優(yōu)化顯示和處理流程，而不需要占用過多硬件資源[26]，使得該模型除了能在服務器級別的電腦終端上運行，還能在家用電腦、筆記本電腦、乃至平板電腦和手機上順暢地運行，擴大了使用范圍。

圖4 人視角度規(guī)劃項目實時場景

4.2 已實現的主要功能

4.2.1 規(guī)劃決策輔助功能

以往城市重要建設項目從公眾參與到領導決策階段，大多都是通過基于建筑效果圖的靜態(tài)圖片手段進行展示，效果圖是建設項目的藝術表達而非展現真實效果，同時這些靜態(tài)的圖片也很難直觀的展示建設項目周邊整體環(huán)境，這點在對城市設計要求嚴格的地段則尤為重要，對那些不具備專業(yè)背景的決策者來說，如何向他們反映建設項目在真實場景中的客觀情況是進行科學決策的重要前提。該系統(tǒng)以傾斜攝影和地面全景照片融合的技術形成空地一體的觀察形式，并將規(guī)劃建設項目模型導入，使全體規(guī)劃決策人員可以通過手機、平板電腦隨時隨地360 度無死角地觀察建設項目及周邊實際情況，并評估建成后對周邊環(huán)境乃至整個城市的帶動和影響，為規(guī)劃決策提供了一個更加客觀的平臺，目前已經在巢湖第四人民醫(yī)院等重要建設項目的規(guī)委會決策中發(fā)揮了重要作用。

4.2.2 規(guī)劃可視化分析功能

在規(guī)劃設計中，將以往的規(guī)劃設計指標和要求以可視化方式直接表達出來，進一步提高了規(guī)劃設計的效率，目前已經實現的規(guī)劃可視化功能主要包括：

(1)可視化測量，可將空間和構筑物的尺度、角度和限高直觀地顯示出來(圖5、圖6)，測量精度達到厘米級。

圖5 建筑高度和道路寬度可視化測量

圖6 建筑限高可視化測量

(2)定點觀察，以某建筑或者空間為中心定點漫游，通過調整觀察高度，可以直接了解建設項目不同高度的視界范圍。

(3)建筑界面與視廊的自動生成，通過選擇起始點位置和長度，可以自動生成街道兩側建筑界面和建筑天際線(圖7)。通過選定觀察點和觀察距離，便可自動生成視覺廊道結果(圖8)，省去了以前拼照片的繁雜步驟。還可在設計實踐過程中根據需要實時變換觀察點，提高了規(guī)劃設計前期分析的工作效率。

圖7 建筑立面與天際線生成

圖8 視廊自動生成

4.2.3 規(guī)劃設計實時會商功能

在設計討論會、規(guī)劃局業(yè)務會等方案協(xié)調會中，甲乙雙方經常需要即時調整方案，在以往的方案會商過程中，與會人員只能依靠口頭描述、描畫和記錄對方案進行討論，限制了溝通效率。在巢湖城市規(guī)劃輔助系統(tǒng)中，可以對設計方案進行直接修改，包括位移、轉向、拉伸、變形、刪除等操作，更重要的是可以在俯視和人視角度的全景照片中實現“所見即所得”修改效果(圖9a、圖9b)。還支持插入說明文本、圖片注釋等功能，更加方便設計方案的集體討論、溝通，并可將修改結論直接發(fā)給項目相關設計、建設和規(guī)劃管理人員，提高了方案會商效率。

4.2.4 公眾參與功能

目前該系統(tǒng)已可以通過微信公眾號的方式將有關規(guī)劃公示的內容發(fā)送至公眾，公眾在手機等媒體終端可以更加全面、客觀的看到規(guī)劃設計方案，推動了公眾參與的興趣，下一步將開發(fā)巢湖規(guī)劃輔助系統(tǒng)公眾號，更加方便市民參與。巢湖城市規(guī)劃建設數字化沙盤也在積極制作過程中，制作完畢后，公眾將可以通過VR 方式在模型中漫游，真實感受巢湖城市建設和未來規(guī)劃的藍圖。

圖9 a 某規(guī)劃項目實時修改過程

圖9 b 及人視角度實時顯示

5 結論與展望

理論方面，本文試圖提出與智慧城市發(fā)展的不同階段相對應的智慧模型，分別為城市三維模型(urban 3D model)、城市虛擬三維模型(urban virtual 3D model)、城市虛擬仿真模型(urban virtual simulation model)和最終階段的城市全息模型(urban holographic model)等概念。在早期階段，城市三維模型主要是通過手工建模并賦予一定的建筑單體屬性信息，能完成一些簡單的查詢和城市的全局預覽工作。由傾斜攝影、LiDAR 技術和相關數據合成建設的城市虛擬三維模型比以往更加客觀反映城市真實場景，同時在虛擬現實引擎的幫助下，可以實現對海量多源數據的快速處理，并可針對不同的使用需求，廣泛地部署在移動設備上，明顯提升了模型的實用價值。在此基礎上根據仿真技術的成熟程度，加載不同的物理和社會仿真模塊，形成城市虛擬仿真模型，為情境式等定量規(guī)劃研究提供數據和可視化平臺。未來在人工智能和大數據技術的逐步成熟下，產生與真實城市對應的“twin city”——城市全息模型，此模型將能完全模擬現實中的城市運行情景，實現智慧城市的建設目標。

實踐方面，本研究認為當前是從城市三維模型向城市虛擬三維模型的過渡時期，并嘗試提出基于UE4 虛擬現實開發(fā)引擎的城市虛擬三維模型建設框架，在巢湖市的實踐中已經初步實現了規(guī)劃決策輔助、規(guī)劃可視化分析、規(guī)劃設計實時會商和公眾參與等功能，根據目前模型在使用階段各方面反饋結果，巢湖城市規(guī)劃輔助系統(tǒng)提高了規(guī)劃設計管理效率和空間規(guī)劃決策的科學性，并且提高了市民參與城市規(guī)劃的興趣。下一步工作重點將集中在模型數據的整合和完善，根據行政管理、規(guī)劃設計和公眾參與等不同要求，逐步開發(fā)沉浸式的協(xié)同設計(Immersive Design)端口，包含建設項目前期條件、專業(yè)審查和后期驗收的規(guī)劃項目一體化管理端口，城市空間日常管理和應急管理端口和通過整合微信、網頁等全媒體便于的公眾參與規(guī)劃發(fā)布端口等功能，盡早完成巢湖市智慧城市的建設目標。

如前文所述，智慧模型是智慧城市建設的重要基礎，智慧城市建設實踐也在不斷促進智慧模型理論和技術發(fā)展，然而兩者的研究才剛剛開始。本文提出智慧模型發(fā)展的四個階段，但每一階段智慧模型的具體內涵、實現方式、技術規(guī)范等方面有待進一步研究。實踐方面則需要根據城市規(guī)劃實踐和研究的重點，不斷調整、優(yōu)化、完善模型的構建框架，為智慧城市的建設提供技術支撐。