通過(guò)“3D城市模型”加速發(fā)展的智能城市、數(shù)字孿生的構(gòu)建、電子領(lǐng)域的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

什么是將地理空間信息可視化的“GIS（地理信息系統(tǒng)）”？

GIS是“Geographic Information System”的縮寫(xiě)，中文譯為“地理信息系統(tǒng)”，是指把用于不同目的的各種信息在地圖上進(jìn)行可視化的系統(tǒng)。此類(lèi)與空間中的地點(diǎn)或區(qū)域的位置信息相關(guān)連的信息，即有關(guān)事物或現(xiàn)象的信息則被稱(chēng)為“地理空間信息”。例如，根據(jù)不同目的，用不同顏色顯示某個(gè)區(qū)域或地點(diǎn)的人口分布、地價(jià)、建筑物的屬性信息、水災(zāi)時(shí)的浸水程度等；或?qū)⑷伺c物的移動(dòng)、氣象的變化等流動(dòng)性信息可視化；亦或疊加顯示不同類(lèi)型的地理空間信息。以此可將多種信息同時(shí)可視化。這樣一來(lái)人們就能夠直觀地掌握所需的信息，從而實(shí)現(xiàn)快速且復(fù)雜的分析和判斷。

GIS的活用目的多種多樣，除了城市規(guī)劃、災(zāi)害時(shí)的防災(zāi)地圖、防災(zāi)計(jì)劃，生活基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)等以外，還可以用于評(píng)價(jià)從房地產(chǎn)建筑物到車(chē)站等處的交通便利性，以及商業(yè)設(shè)施開(kāi)店計(jì)劃所需的商業(yè)區(qū)分析等方面。

另外，在貼近我們生活的場(chǎng)景中，汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)和智能手機(jī)的地圖應(yīng)用程序等可以說(shuō)是GIS的代表性服務(wù)。此類(lèi)應(yīng)用程序是將建筑物的信息和交通狀況等地理空間信息，附加并顯示在通過(guò)GPS獲取到的地圖中的地點(diǎn)以及區(qū)域上。

活用GIS，將所需的地理空間信息可視化，以此就能快速理解、分析和判斷。

以往的GIS的課題和高端的“3D城市模型”的必要性

過(guò)去，GIS大多都是2D顯示，隨著技術(shù)的發(fā)展，3D顯示也開(kāi)始被廣泛使用，它能根據(jù)使用目的，讓地理空間信息更易于理解并可視化?，F(xiàn)在智能手機(jī)的地圖應(yīng)用程序等也能輕松地利用3D顯示的服務(wù)。

然而，代表性服務(wù)中的3D顯示，是用幾何形狀（三角形或多邊形）構(gòu)成地面狀態(tài)的3D多邊形的“幾何模型”，所以地形、建筑物、相鄰建筑物、街道等都是以不加區(qū)分的狀態(tài)被可視化。因此，很難將位置信息、3D數(shù)據(jù)和詳細(xì)的地理空間信息高精度地結(jié)合起來(lái)。

例如，細(xì)致分析和模擬城市規(guī)劃、防災(zāi)計(jì)劃等以及實(shí)現(xiàn)智能城市，城市的數(shù)字孿生化則必不可少。在這個(gè)高端的用途中存在的課題是，要制作準(zhǔn)確且精細(xì)的3D數(shù)據(jù)作為根基，需要花費(fèi)很多工時(shí)和費(fèi)用。在這個(gè)背景下，開(kāi)放且高精度的3D城市模型的必要性逐漸提高，各國(guó)都開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的整備和活用。

什么是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)“CityGML”和日本的3D城市模型“PLATEAU”？

除了國(guó)家和地方自治體，如果企業(yè)和個(gè)人等各種人士要把3D數(shù)據(jù)用于多樣化目的，必須的條件就是要遵循共同的平臺(tái)。為此，采用地理空間信息領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體OGC（Open Geospatial Consortium，開(kāi)放地理空間信息聯(lián)盟）作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的“CityGML”，就可以使3D城市模型的數(shù)據(jù)在日本國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

另外，在CityGML中，除了以往統(tǒng)一由幾何形狀構(gòu)成的“幾何模型”外，還采用了“語(yǔ)義模型”，將各建筑物和街道進(jìn)行區(qū)分定義，并分別賦予了高度和屬性信息，因此就可以應(yīng)對(duì)需要細(xì)致性和高精度的高端用途。

“PLATEAU”是符合CityGML的3D城市模型的開(kāi)放數(shù)據(jù)，由日本政府直接管轄的行政機(jī)關(guān)國(guó)土交通省主導(dǎo)。日本為了實(shí)現(xiàn)Society5.0（超智能社會(huì)），所以公開(kāi)了“PLATEAU”。PLATEAU雖然起步晚于先行活用CityGML的各個(gè)國(guó)家，但作為超大規(guī)模的開(kāi)放式3D城市模型（參考日本行政機(jī)關(guān)國(guó)土交通省報(bào)道公布資料/2022年8月），覆蓋了日本全國(guó)56個(gè)城市、約1萬(wàn)Km2面積、約1千萬(wàn)棟建筑物，并一直在不斷更新和擴(kuò)大使用案例。

PLATEAU主要由以下3種數(shù)據(jù)構(gòu)成。

一種是從飛機(jī)上用激光輪廓儀“航空測(cè)量”出的高度數(shù)據(jù)和“航空攝影”到的圖像數(shù)據(jù)，以往主要用于2D數(shù)據(jù)制作。另一種是地方自治體和市町村制作的2D地圖數(shù)據(jù)“城市規(guī)劃基本圖”。還有一種是根據(jù)《城市規(guī)劃法》，通過(guò)“城市規(guī)劃基礎(chǔ)調(diào)查”所調(diào)查出的豐富數(shù)據(jù)，包括各建筑物的屬性、構(gòu)造、規(guī)格、種類(lèi)、建筑年數(shù)等，以往主要在地區(qū)內(nèi)使用。

因?yàn)閺牧汩_(kāi)始構(gòu)建3D城市模型會(huì)花費(fèi)巨大的成本，所以像以上這樣，將過(guò)去調(diào)查和獲取的有效數(shù)據(jù)挖掘出來(lái)，并活用在3D城市模型這一新的格式中，從而使3D城市模型的構(gòu)建費(fèi)用得到了大幅度削減。

另外，在PLATEAU中，不僅能下載可應(yīng)對(duì)各種3D圖形用軟件的開(kāi)放數(shù)據(jù)，還公開(kāi)了在Web瀏覽器上能夠顯示任意區(qū)域和地點(diǎn)的3D模型及各種信息的“PLATEAU VIEW”（圖1）。

圖1使用PLATEAU VIEW，按照不同用途，用顏色區(qū)分顯示澀谷站周邊的各個(gè)建筑物。（使用日本行政機(jī)構(gòu)“國(guó)土交通?。∕LIT）”的PLATEAU VIEW https://www.mlit.go.jp/plateau/app/進(jìn)行顯示）

利用3D城市模型的開(kāi)放數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)

符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)CityGML的3D城市模型PLATEAU的開(kāi)放數(shù)據(jù)支持多種應(yīng)用程序，也可用于商業(yè)用途，因此除了日本政府和地方自治體，所有行業(yè)的企業(yè)和個(gè)人創(chuàng)作者等，任何人都可以將PLATEAU的開(kāi)放數(shù)據(jù)用于多樣化目的。

另外，開(kāi)放數(shù)據(jù)有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是，它可以根據(jù)不同目的，使用與坐標(biāo)高精度聯(lián)動(dòng)的3D模型以及建筑物的紋理和其屬性信息等。由于開(kāi)放數(shù)據(jù)與坐標(biāo)高精度聯(lián)動(dòng)，因此可以準(zhǔn)確地將目標(biāo)數(shù)據(jù)分配到目標(biāo)區(qū)域和目標(biāo)位置的3D模型上。這樣就可以活用在各個(gè)方面，例如更高端的模擬、城市規(guī)劃、現(xiàn)實(shí)社會(huì)與網(wǎng)絡(luò)空間聯(lián)動(dòng)的數(shù)字孿生。同時(shí)，還可以活用在采用精細(xì)3D模型游戲用3D背景和采用高精度VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）/AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）的娛樂(lè)和交流等方面。

此外，在CityGML中，可以通過(guò)LOD（Level of Detail,多層次細(xì)節(jié)）這一概念，將3D對(duì)象的詳細(xì)程度進(jìn)行集中管理?，F(xiàn)在，CityGML由多達(dá)4個(gè)階段構(gòu)成，包括從使用立方體形狀的對(duì)象來(lái)表現(xiàn)建筑物的LOD1，到除了建筑物外觀的細(xì)致性以外，還可以連接室內(nèi)3D數(shù)據(jù)的LOD4（圖2）。以往的3D對(duì)象針對(duì)比例尺的變化容易變得復(fù)雜化，而現(xiàn)在已經(jīng)可以集中有效地管理、存儲(chǔ)和利用同一對(duì)象的不同詳細(xì)程度的數(shù)據(jù)。這樣一來(lái)我們俯視到的城市和近距離看到的建筑物，乃至建筑物內(nèi)部都能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫3D顯示。例如，可以進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)空間的商業(yè)設(shè)施實(shí)際購(gòu)物，實(shí)現(xiàn)這種商業(yè)的數(shù)字孿生化。

圖2CityGML的LOD概念圖（參考日本行政機(jī)關(guān)國(guó)土交通省PLATEAU網(wǎng)站https://www.mlit.go.jp/plateau/app/ 編輯制作）

此外，CityGML還具有一種叫做ADE（Application Domain Extension, 應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展）的功能，可擴(kuò)展地物及屬性定義。它可以根據(jù)不同目的，添加相關(guān)信息（圖3）。并且，遵循ADE的格式而擴(kuò)展的信息還可以用于其他目的和用途。

圖3通過(guò)CityGML的ADE而擴(kuò)展的數(shù)據(jù)（參考日本行政機(jī)關(guān)國(guó)土交通省PLATEAU網(wǎng)站https://www.mlit.go.jp/plateau/編輯制作）

3D城市模型的活用范例

下面，以PLATEAU的使用案例為基礎(chǔ)，按照不同目的為大家介紹以CityGML為格式的3D城市模型的活用范例。

以城市規(guī)劃為目的而開(kāi)展的分析和模擬

即使是與商業(yè)用途和住宅鄰接的地區(qū)，也可以使用每個(gè)建筑物的信息來(lái)探討細(xì)致的分區(qū)。例如，可以使用建筑物的屬性信息等豐富數(shù)據(jù)來(lái)分析適宜養(yǎng)育孩子的區(qū)域等，可有助于探討城市政策。

對(duì)于在地理位置上夏天氣溫容易顯著上升的城市，可以將熱空氣的停滯和流動(dòng)性可視化，“建設(shè)什么樣的城市才能使居民的生活變得舒適？”，可以通過(guò)模擬將這個(gè)問(wèn)題可視化，并開(kāi)展探討。

將過(guò)去到現(xiàn)在的城市變化可視化并進(jìn)行分析?！叭绻淖兂鞘械娜诵械篮蛙?chē)道，人和車(chē)輛的動(dòng)向會(huì)如何變化？”，掌握這一點(diǎn)就能提高城市規(guī)劃的精度。

以掌握災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和防災(zāi)計(jì)劃為目的的模擬

使用包含高度信息的3D城市模型，針對(duì)地區(qū)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬分析，就可以探討出更細(xì)致、精度更高的避難計(jì)劃和防災(zāi)計(jì)劃。

通過(guò)模擬，將洪水和海嘯等災(zāi)害可視化，就可以按各個(gè)建筑物來(lái)預(yù)測(cè)受災(zāi)情況。例如，針對(duì)難以迅速避難的老年人的移動(dòng)問(wèn)題，以及難以從住所和工作地點(diǎn)前往避難所等情況，可以制定出向較高建筑物等進(jìn)行有效的“垂直方向避難”的計(jì)劃。根據(jù)適合垂直方向避難的建筑物的高度和屬性（鋼筋或木造等）的數(shù)據(jù)，除了公共設(shè)施，同時(shí)也鼓勵(lì)民用大樓，探討多樣化的避難方法。

以改善城市和設(shè)施為目的的監(jiān)測(cè)

使用從攝像機(jī)和傳感器中獲取的信息，將城市活動(dòng)可視化并進(jìn)行分析?？梢蚤_(kāi)展有效的人流模擬，幫助改善人行道等城市活動(dòng)路線。此外還有一個(gè)舉措的調(diào)查方法是，通過(guò)居民佩戴的智能手表，將傳感器和攝像機(jī)無(wú)法完全掌握的人流移動(dòng)路線數(shù)據(jù)化和可視化，提取城市課題并加以改善。

在高速鐵路干線的主要車(chē)站等人們的活動(dòng)路線趨于復(fù)雜的大規(guī)模設(shè)施中，通過(guò)LOD4連接室內(nèi)數(shù)據(jù)，可以將車(chē)站內(nèi)外的人流可視化，并在3D城市模型上顯示出來(lái)。將人們?nèi)菀酌月坊驌頂D的地點(diǎn)可視化，可有助于改善包括活動(dòng)線路在內(nèi)的空間設(shè)計(jì)。

通過(guò)對(duì)某個(gè)地點(diǎn)周邊建筑物的屬性和人流的監(jiān)測(cè)，還可以針對(duì)宣傳內(nèi)容，活用在適宜且高效的室外廣告登載計(jì)劃方面。

活用于交流和娛樂(lè)

可以在連接室內(nèi)外數(shù)據(jù)的3D虛擬空間中進(jìn)行城市漫步，或在商業(yè)設(shè)施內(nèi)接待顧客及開(kāi)展交流。通過(guò)活用開(kāi)放數(shù)據(jù)，可以在控制成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)數(shù)字孿生進(jìn)行商品銷(xiāo)售和城市宣傳。

身在實(shí)際城市中的AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）用戶(hù)和身在遠(yuǎn)程的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）用戶(hù)，雙方通過(guò)共享坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以在同一地方共享觀光、逛街、購(gòu)物等體驗(yàn)。此外，發(fā)揮各建筑物存在區(qū)分的數(shù)據(jù)特性，還可以提供活用了AR的商店街各店鋪的向?qū)Ш托畔?。另外還有一些舉措是，通過(guò)使用了實(shí)際城市的3D數(shù)據(jù)的游戲，向國(guó)內(nèi)外的人們宣傳城市，以幫助吸引游客和振興地區(qū)。

通過(guò)數(shù)據(jù)主導(dǎo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的高效運(yùn)用

以上重點(diǎn)列舉了對(duì)城市和人們發(fā)揮作用的DX(數(shù)字化轉(zhuǎn)型)的活用范例。另一方面，要監(jiān)測(cè)城市并獲取數(shù)據(jù)，以及開(kāi)展業(yè)務(wù)自動(dòng)化，數(shù)據(jù)通信則必不可少。而要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，必須使用電子設(shè)備。在探討這些設(shè)備的高效運(yùn)用時(shí)，也可以活用通過(guò)3D城市模型進(jìn)行的模擬和數(shù)據(jù)。

例如，在進(jìn)行人流監(jiān)測(cè)時(shí)，不能毫無(wú)限制地設(shè)置傳感器攝像機(jī)。因此，可以使用3D城市數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，探討傳感器和攝像機(jī)的設(shè)置計(jì)劃，可有助于用有限的臺(tái)數(shù)進(jìn)行高效傳感并獲取數(shù)據(jù)。

另外，在無(wú)線通信方面，基站配置計(jì)劃必不可少，在制定計(jì)劃時(shí)也可以活用3D城市模型進(jìn)行分析和模擬。并且，在今后有待擴(kuò)大導(dǎo)入的物流無(wú)人機(jī)的飛行模擬方面，3D城市模型的活用也備受期待。如果能從具備各建筑物高度信息的3D城市模型中，選擇安全的立體飛行路線，就能解決人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的工時(shí)問(wèn)題。

如上所述，CityGML標(biāo)準(zhǔn)的3D城市模型并不局限于政策、計(jì)劃、服務(wù)等方面，硬件和設(shè)備所需的規(guī)格、運(yùn)用方法的探討等，各種活用方法都將受到期待。3D城市模型的活用，是實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字孿生的重大進(jìn)展，隨著使用案例的增加，3D城市模型一定會(huì)成長(zhǎng)為更加豐富充實(shí)的開(kāi)放數(shù)據(jù)，讓所有行業(yè)和所有身份的人都能以新的構(gòu)思廣泛活用。

審核編輯 黃宇