作者簡介
修文群,博士/高工,任職于清華大學、中科院等, 專業方向為地理信息系統、大數據與雲計算。作為負責人承擔國家基金及部委院市科技課題15項,參與深圳、海口、廈門等智慧城市建設;作為第1作者,出版專著10部,發表SCI/EI/中文論文40篇;作為第1申請人,授權發明專利45項。
目錄
第1章 CIM關鍵技術與實施策略 1
1 1 CIM關鍵技術開發 3
1 2 借鑒網格化管理經驗,推動CIM集約開發與規模應用 7
1 3 基於區塊鏈技術的CIM開發應用 11
第2章 BIM超級輕量化 16
2 1 BIM模型輕量化編程實現 17
2 2 模型屬性數據輕量化示例 21
第3章 視頻輕量化與三維視頻地圖 53
3 1 基於3DGIS監控視頻集成管理與目標搜索關鍵技術 53
3 2 基於3DGIS監控視頻動態目標空間標定關鍵技術 60
3 3 基於城市天際線的遙感視頻生產與交通信息提取 68
3 4 基於視頻深度學習的密集人群安全監測 78
3 5 城市全景視頻熱點標簽交互技術 85
3 6 三維視頻地圖專利組 90
第4章 互聯網空間定位與三維賽博地圖 99
4 1 基於IP測繪與GIS拓展的互聯網空間定位系統 99
4 2 “虛擬-現實”一體化3D CyberGIS 108
4 3 互聯網新型全球空間定位系統專利組 114
第5章 CIM搜索引擎開發 121
5 1 總體設計 121
5 2 關鍵技術與功能模塊 123
5 3 基礎平臺搭建集成 131
5 4 主體功能開發 138
第6章 CIM數字孿生開發 161
6 1 孿生城市IoT設備 162
6 2 主流孿生方案及其IoT工具 163
6 3 常用物聯網通信協議 166
6 4 Unity與IoT連接方式 170
6 5 孿生樓宇實施案例 180
第7章 基於CIM的AR/MR開發應用 220
7 1 基於SLAM+定位二維碼的室內逃生指引系統 221
7 2 基於BIM+AR的占道開挖輔助施工系統 231
7 3 基於HoloLensMR的三維電子沙盤 242
第8章 城市安全大數據綜合治理綜述 251
8 1 建立大數據聯席會議機制,推進城市安全綜合治理 251
8 2 以大數據CIM一張圖為核心,建立公共安全綜合治理新模式 253
8 3 建立閉環,提升質量,推動城市風險評估治理一體化 256
8 4 升級大數據呼叫中心,推動城市安全群防群治 261
8 5 宏觀災害大數據情景構建與應急優化 264
第9章 城市風險治理CIM-張圖 267
9 1 系統概述 268
9 2 開發路線 270
9 3 程序實現 272
9 4 創新之處 280
9 5 風險治理CIM一張圖版本迭代與功能實現 282
9 6 城市風險隱患舉報微信公眾號 296
第10章 基於CIM的高層樓宇火災應急仿真 302
10 1 事故類型選定與模擬情景設計 303
10 2 模擬系統關鍵技術 305
10 3 樓宇災害情景演化 311
10 4 全景視頻VR逃生模擬 318
10 5 基於Pathfinder的高層樓宇疏散模擬 323
第11章 基於CIM的地鐵人員模擬疏散 329
11 1 系統功能設計 330
11 2 事故情景設定 331
11 3 靜態事故場景構建 331
11 4 VR事故場景構建 336
11 5 人員模擬疏散功能實現 346
精彩書摘
第1章 CIM關鍵技術與實施策略
2020年3月,習近平總書記考察杭州城市大腦運營中心時指出,”運用大數據、雲計算、區塊鏈、人工智能等前沿技術推動城市管理手段、管理模式、管理理念創新,從數字化到智能化再到智慧化,是推動城市治理體系和治理能力現代化的必由之路”。
城市信息模型(city information modeling,CIM):以三維地理信息系統(3D geographicinformation system,3D GIS)、建築信息模型(building information sytem,BIM)、物聯網(Internet of things,IoT)等為基礎,整合城市地上地下、室內室外、歷史現狀未來等多源信息模型和城市感知數據,構建起多維城市信息有機體,進而開展城市規劃、建造、管理、服務的過程。CIM核心技術還包括數字孿生、區塊鏈、人工智能(artifical intelligence,AI)、增強現實/虛擬現實(augmented reality/virtual reality,AR/VR)等。
CIM是”宏觀GIS+微觀BIM+動態IoT”數據應用的結合。GIS與BIM提供不同尺度對象時空管理與可視化分析功能,loT將人車物能等實時信息流反饋其中,實現數字孿生,再通過數據轉換、融合共享與搜索引擎等關鍵技術,實現城市全要素、高精度、海量大數據高效利用。以CIM為核心架構,全方位融合人口、房屋、交通、安防、生命線等業務系統,可實現跨地域感知、跨系統集成、跨部門共享,提升城市信息化綜合治理能力。
當前CIM建設的最大挑戰,莫過於如何行之有效地承載城市海量時空大數據,真正實現”GIS+BIM+IoT”產業化、社會化應用。CIM成為生產力,其前提是數據高效管理、深度共享與便捷利用。CIM從”CAD+GIS”二維抽象描述階段,發展到”BIM+IoT+AR/VR”對等還原乃至人為複雜化階段,造成了”摩爾悖論”:數據產量嚴重超出處理能力,導致數據過載與信息失真,不得不通過週期性數據銷毀來保證存儲空間。CIM在個案設計、施工、運維上取得了良好成果,但在規模化應用上,仍存在難以逾越的巨大障礙,在新數據結構或新芯片革命尚未到來之際,怎樣因地制宜突破”大數據-低效能”困境?
具體而言,構建城市級CIM、數字孿生乃至元宇宙,是走”邏輯化抽象+分布式計算”路線,還是走”真實感渲染+集中式存儲”路線?按照通俗思路,1:1還原現實世界,必將海量吞噬計算資源,造成信息過載與浪費,非最佳解決方案。現階段CIM目標顯然不是”美學”,而是實用性。CIM開發建設,應實行減法策略與變通之道,充分發掘城市現有信息處理能力,滿足社會化應用的剛需。
綜上所述,CIM建設與應用,不能重走”形象工程、超前消費”之路,有必要辯證借鑒IT進化史,參考互聯網成功,實事求是選擇創新點,將關鍵技術開發與管理思想創新有機結合,開展”網格化管理+區塊鏈運營”,建立CIM搜索引擎,實現快速查詢與便捷共享,使CIM大數據真正實現可管可用、產業循環。圍繞上述目的,本書技術體系與邏輯架構,提出的CIM關鍵技術開發內容如下。
(1)CIM數據超輕量化,針對BIM模型,採用”中心坐標+時間戳+關鍵屬性”參數化抽象方案;針對視頻(video)等loT數據中的動態目標,採取”坐標化+矢量化+語義化”抽象方案。在保持對象唯一性與特徵有效性前提下,最大限度壓縮CIM數據量
(2)借鑒互聯網地圖技術,建立城市級CIM
目錄索引與搜索引擎,實現CIM構件快速查詢與精準定位,使CIM大數據具備可管性、實用性,降低技術門檻與經濟成本,擴大用戶對象與使用範圍,為城市級、社會化服務提供有效支撐。
(3)數字孿生領域,在靜態精細化建模(Revit+3dsMax)基礎上,注重動態數據加載與功能開發,以孿生樓宇為案例,以Unity3D為集成平臺,將IoT數據(人、車、水、視頻等)實時接入BIM中,建立全要素鏡像,實現動靜一體化查詢定位與可視分析。
(4)圍繞城市視頻監控大數據,進行視頻標定、視頻分析、目標矢量化,語義化提取,在建立輕量化索引基礎上,進一步開展熱點標注,形成三維視頻地圖,將動態視頻集成於3DGIS管理體系之中。
(5)在AR/VR方面,通過HoloLens,Unity3D等進行二次開發,加載3DGIS、BIM、SLAM、全景視頻等,進行”多媒體+燈光秀”室內逃生AR智能指引、多人協同AR電子沙盤與全景視頻VR應急預案等探索性研究。
(6)在AI方面,採用深度學習卷積模型開展視頻分析,監測預警人群異常行為。
(7)在賽博空間管理方面,開展互聯網資源測繪與標定,擴充IP字段,增加經緯度屬性,建立以”經緯度+IP地址”為三維坐標的新型全球互聯網空間定位系統,實現網絡空間要素與現實空間動態連接與雙向檢索。拓展3DGIS數據結構,增加網絡維度與虛擬屬性,建立網絡對象、資源、行為、關係的P數據庫,將現實空間經緯度、網絡空間維度(IP地址)及其虛擬屬性(如網名、域名、郵件、微信、微博等)集成於統一管理體系,通過三維賽博地圖(cybermap),實現”虛擬現實”一體化定位搜索與動態監控。
前言/序言
本書針對當前CIM建設熱潮中諸多技術挑戰與應用難點,以產業化、社會化為導向,以3DGIS為集成平臺,以BIM/loT超輕量化為必要手段,開發了CIM搜索引擎、視頻地圖、賽博地圖、李生樓宇、AR/VR等一系列關鍵技術與產品,服務於城市大數據綜合治理。
本書內容包括:①通過BIM/I0T”參數+語義”超輕量化處理,融合3DGIS,建立城市級CIM
目錄索引與搜索引擎,實現CIM構件高效查詢與定位導航;②基於深度學習,對海量監控視頻開展空間標定、語義識別與軌跡提取,添加熱點標簽,開發三維視頻地圖,使地圖邏輯從靜態走向動態;③在Unity中導入BIM模型與IoT數據,開發動態場景,進行分析模擬,結合AR/VR探索數字孿生,實現監測診斷與仿真優化;④針對賽博虛擬空間管理,拓展IP,增加經緯度與高程,開展網絡對象與資源空間測繪,建立虛實一體化三維賽博地圖,使互聯網成為新一代全球定位系統。
本書結合CIM主流軟件”GIS:Cesium|BIM:Revit|IoT:Unity”開發了城市風險治理CIM一繼圖頻地圖、三維賽博地圖、CIM搜索引擎、互聯網空間定位、”多媒體+燈光秀”室內指引、二維碼室內導航等專利產品,以此為基礎,進行了孿生樓宇AR火災應急、地鐵人員VR疏散模擬、占道施工AR輔助挖掘等工程實踐,為CIM開發者與應用者提供了務實解決方案與可操作指南。
在CIM實施策略方面,本書提出了:借鑒互聯網地圖成功經驗,開發城市級CIM
目錄索引與搜索引擎;借鑒城市網格化管理成功經驗,推動CIM集約開發與規模應用;借鑒區塊鏈成功經驗,建立CIM”區域自治+安全共享”產業化機制。
參與本書撰寫工作的有修文群、戴明良、李曉明、齊文光、汪馳升、王新雨等,深圳城市公共安全技術研究院、深圳大學建築規劃學院提供了大力支持,本書學習借鑒了國內外同行諸多先進成果(可以掃描下方二維碼獲取參考文獻),在此致以衷心感謝。
參考文獻
本書讀者對象包括智慧城市規劃建設與管理者,城市信息化系統開發人員與工程實施人員,地理信息、規劃設計、建築工程、設施監測、工業控制、城市安全等大專院校師生與科研人員,以及GIS、BIM、IoT、數字孿生等方向技術愛好者。
作者
2025年1月
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