实景三维的概念与内涵

一、 实景三维的概念

　　在2021 年自然资源部发布的《新型基础测绘与实景三维中国建设技术文件-1名词解释》中，首次对实最三维作为专用名词术语进行了科学定义，即“实景三维是对一定范围内人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化反映和表达的数字空间。是新型基础测绘的标准化产品，是国家重要的新型基础设施，为经济社会发展和各部门信息化供统一的空间基底。”实景三维属于新型基础测绘标准化产品的主要形式，是新型基础测绘的数据成果之一，新型基础测绘是实景三维数据生产的能力基础。

　　自自然资源部发布《实景三维中国建设技术大纲(2021 版)》以来，实景三维中国建设已经成为全社会关注的焦点之一。先期启动试点建设的上海、武汉、青岛等城市经取得了初步成果，为实景三维中国建设提供了实践案例。

    二、与实景三维相关的概念

　　实景三维来源于三维地理信息系统 (three-demension geographic information Systcm13DGIS)。早在 20 世纪 80 年代，国内外学者(如李清泉、李德仁等)围绕三维自动化建模、海量数据管理、可视化、共享和互操作等开展了大量的研究工作。自 1998 年的美国副总统艾伯特·戈尔提出数字地球概念以来，3DGIS 的发展迅速走向了快车道特别是2005 年 Google Earth 的发布，全球范围更是掀起了一股前所未有的三维虚拟地球热潮，三维虚拟地球软件在测绘、规划、气象、水利、电力、军事、城市管理、灾害应急等领域得到了广泛应用。

　　1.三维地理信息系统 (3DGIS)

　　早期三维模型主要是人工建模生成，巨大的建设成本限制了其应用。近年来，随着倾斜摄影测量、激光扫描测量以及自动化建模等新型测绘技术的进步，快速获取和构建大规模三维模型成为可能。三维数据获取门槛和建模成本显著降低，更新频率和现势性得到显著提高。与此同时，随着物联网 (internet of things，IoT)、信息与通信技术(information and communication technology，ICT)和人工能等新兴技术的勃发展，这些新兴技术与测绘技术深度融合，基于数字技术对现实世界进行真实、实时描述和数字化管理成为可能，实景三维的理论与应用也逐渐引起大家的重视，3DGIS 向着实景三维方向进一步发展。

　　2.建筑信息模型

　　BIM 技术是一种应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，使工程技术人员、设计团队以及包括建筑、运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。以三维实体形式表达的建筑模型是 BIM 的基础、核心和工作对象。从本质上来看，作为实体的建筑信息模型是存储了项目集成化信息的数据库，并以数据库为核心实现多种不同程度的应用。BIM将设计和建设的信息融入单体建筑或市政的三维部件之中，且这些信息与施工和运营中的财务、进度、专业协同、维修等密切相关，成为智能建筑或智能设施的基石。

　　实景三维通过接入 BIM 等数据，实现室内微观细节的表达。BIM 已经广泛应用于建筑物生命周期内的设计、采购、制造和管理活动，高精度的 BIM 数据，推动了三维GIS 从宏观走向微观，从室外走向室内，BIM 也是部件级实景三维建设的主要数据来源之一。

　　3.物联网

　　物联网是指通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。今后，物联网将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网一起构成未来互联网。

　　物联感知数据的接入与融合能力建设是实景三维中国建设的重要内容之一，物联感知数据主要包括传感器数据、空间位置服务数据、互联网数据、社会经济数据等类型物联感知数据接入与融合能力建设构成了实景三维对现实世界的在线感知的现实基础基于感知设备本身的空间位置或者地名地址的匹配方法将物联感知数据进行空间化，并进行坐标和时间一致性处理，实现其与基础地理实体数据的时空关联处理。

　　4. 城市信息模型

　　当前对城市信息模型 (city information model，CIM)的主流定义为:以城市信息数据为基数，以BIM、地理信息系统 (geographic information system，GIS)、IOT 等技术为基础，整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维多尺度信息模型数据和城市感知数据，构建起三维数字空间的城市信息有机综合体。吴志强院士 2011 年提出了对城市信息模型的另一种解释，即城市智能模型 (city intelligent model)。他认为 CIM 中间的“I”是“智能”(intelligent),“不仅包括对城市数据的收集、储存和处理，更应强调基于多维模型主动地解决城市发展过程中的问题”。对比城市信息模型，实景三维更强调为数字化映射提供通用的、标准化的三维数据产品，是时空信息底座，城市信息模型更强调对建筑或城市的全生命周期管理，通过融合多源数据实现多维空间信息整合、空间数据分析与应用、数据融合共享、综合集成管理等。由此可见，实景三维可以作为 CIM 的重要数据源。

　　5.数字孪生

数字孪生(digital twins) 是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。数字孪生城市通过物理城市与数字孪生城市的精准映射、虚实融合、软件定义、智能反馈，促进城市生产更加高效安全、生活服务更加便捷、生态环境更加低碳可持续。如今，我国城市治理现代化迈入了智能社会治理阶段，核心是使用人工智能技术，构建以数字孪生城市为全息底座的社会有机体。实景三维是数字孪生城市的基础核心，基于实景三维数据底座，可以连接人口、房屋、住户水电燃气信息、安防警务数据、交通信息、旅游资源信息、公共医疗等众多城市公共系统的信息资源，实现跨系统应用集成、跨部门信息共享，支撑数字孪生城市的决策分析。数字孪生城市是数字城市的高级阶段，也是智慧城市的新高度，数字孪生城市是融合统一数据标准、城市信息模型、城市运行数据、共性支撑平台、数字孪生应用等多个单元的复杂系统。实景三维将物理城市的实体模型构建为数字孪生体，实景三维建设是构建数字孪生城市最重要的环节之一。

　 三、实景三维的主要特征

与传统的测绘地理信息产品比较，实景三维的主要特征包括以下 6 个方面的转变

(1)从“抽象”到“真实”:实景三维是对现实世界的真实描述，将原有受测绘技术手段约束只能对现实世界进行抽象描述，转变为采用新技术对现实世界真实直观刻画。

(2)从“平面”到“立体”:由现有以“点、线、面”要素为核心的 4D 产品对现实世界的二维平面抽象表达，扩展至以“体”要素为核心的新产品对现实世界的三维形象表达。

　　(3)从“静态”到“时序”:实景三维是对现实世界的时序化描述，不仅能够反映现实世界的某一时点当前的状态，还可反映多个连续时点的状态，时序、动态展示现实世界的发展与变化。

　　(4)从“按要素、分尺度”到“按实体、分精度”:实景三维突破现有基础地理信息要素对现实世界分尺度表达的概念，达到“一个实体只需要高精度施测一次”，切实提高对现实世界的描述准确性。

　　(5)从“人理解”到“人机兼容理解”:与以前对现实世界的“一张皮”表达相比实景三维不仅包含几何结构和纹理信息，还蕴含丰富的空间关系、社会经济等信息，通过结构化语义化处理，支持机器自动解译与识别，真正实现了“机器难懂”到“机器易懂”的转变。

　　(6)从“陆地表层”到“全空间”，现有地理信息产品更侧重陆地表层空间的描述实景三维实现“地上下、室内外、水上下”全空间的一体化描述。