芬兰三维城市建模概述

3D城市模型可用于规划、可视化和决策等领域中。3D城市模型推动了智慧城市模式的发展，因此，希望城市模型和承载它们的信息系统具有高度的互操作性，同时还希望3D城市模型能支持多种应用程序。这是一项具有挑战性、面临重重阻碍的任务，例如，建模方面的歧义和差异、视角上的差异、指导方针的缺失、数据转换和地理参考方面的挑战，以及数据质量方面的问题等。

1 探索数据集成

数据集成是城市建模的固有组成部分。3D城市模型结合GIS数据与摄影测量或激光扫描数据，如建筑足迹和IDs，通过三维重建和数据集成来构建。目前，使用高度详细的建筑信息模型(BIM)作为按规划数据来源仍然是一个重要的开发主题，另一个发展方向是将时间序列和传感器数据集成到城市模型中。实时数据不是环境的静态表示，而是将城市模型转变成逐渐动态化的人工“作品”，并转向城市“数字孪生”的概念。图1是不同类型的3D城市模型，左图为赫尔辛基能源与气候地图集，中图为埃斯波的BIM可视化，右图为虚拟奥卢。

图1 不同类型的3D城市模型

2 扩展应用领域

3D城市模型的应用空间随着技术的发展而逐步扩大，除了城市规划和分区这些“传统”的应用外，还希望3D城市模型能用于能源分析、详细构架的可视化、交互式和沉浸式应用程序开发以及参与式GIS应用等。这些应用都对3D城市模型平台提出了一些具有挑战性的要求。由于3D城市模型应用使用的平台数量不同，关于3D城市模型的讨论变得更加复杂。除了专业的GIS/CAD工具外，3D城市模型还被用于游戏引擎和各种基于Web的3D浏览器，如虚拟地球。

3 芬兰主要的3D城市建模项目

芬兰六大城市的一些3D城市建模项目及其总结分析如表1所示。

4 平台过剩

1)研究的3D城市模型应用了多种平台。在19个研究项目中，共有13个平台寄宿了模型，包括GIS/CAD软件(如Trimble Locus和Bentley Microstation)、虚拟地球(如Cesium、CityPlanner、Sova3D、MAPGETS)和游戏引擎(如Unity、Unreal Engine)。在一定程度上，应用于芬兰3D城市建模项目的一些软件的解决方案是唯一的，不会在全球更广范围使用。

2)在每个研究城市中，3D城市模型的维护与法定基础测绘过程相关联，而该过程很大程度上依赖于所选择的GIS/CAD软件。在许多情况下，由城市维护的3D模型数据被用作虚拟地球和使用3D游戏引擎项目的输入或参考数据，它通常专注于特定的应用程序，因此受众更广泛。

5 数据质量和可访问性

3D城市建模项目包含了各种不同层次的细节，从简单的块模型到包含详细建模(如立面模型)中的高度逼真模型。据统计，近一半的模型使用了规划数据，如BIM或建筑计划，超过一半的城市模型覆盖了城市的整个区域。除了数据质量外，可访问性在3D城市建模中也起着至关重要的作用，特别是当模型被用作开发新应用程序的基础时。几乎三分之二的研究城市模型可以通过网络查看器自由观看，例如，通过单独的查看器实用程序实现，或者在虚拟地球下通过平台本身实现。研究的城市模型中有超过一半是通过互联网下载的，但是没有一个城市提供原始数据，如激光点云。这妨碍了自由编辑模型或运行其他分析的可能性。

表1 3D城市建模活动分析城 市项 目使用的平台数据访问性数据公开可浏览数据公开可下载全市数据覆盖按规划信息使用埃斯波3D城市模型数据Locus—××—Leppavaara任务CityPlnner×——×奥塔涅米照明模拟Unity×——×塔皮奥拉Unity×——×赫尔辛基赫尔辛基3D+信息模型Cesium×××—赫尔辛基3D+网络模型Cesium×××—3D城市模型数据Microstation—××—奥龙古拉 2030Unity×——×奥卢3D城市模型数据Locus—××—虚拟奥卢Unity、Unreal、Engine××—Hiukkavaara 3D模型Unity×——×智慧奥卢MAPGETS×—××坦佩雷3D城市模型数据Novapoint、Quadri、AutoCAD、Viasys-VDC×××—图尔库3D城市模型数据Locus——×—图尔库校园与科技园区3D模型Sova3D××——万塔3D城市模型数据KivistoMicrostation—××—KivistoUnity×——×MinecraftMinecraft—××—MyyrmakiUnity×——×总计19131310108

6 城市模型的理想模式

制作和维护一个3D城市模型需要多个技术解决方案和多个利益方的参与。技术解决方案和利益方的数量因项目而异，例如，许多研究案例很可能只有有限个用途，或在有限的区域内进行3D建模试点。调查结果显示，这并不是城市建模项目的最初意图，其共同愿景是使3D城市模型能作为一般平台使用，包括再利用收集数据和模型的能力。三维模型通常可提高可视化实现的程度，这被视为增强不同利益方之间互动和信任的关键因素。城市组织内、外部的利益方是一个异构的用户组，他们对3D城市建模有不同的需求、期望和看法。目前主要存在的问题是缺少最新的指导方针和政策，或者是没有遵循现有的指导方针。含糊不清的术语、缺乏协调和领导以及标准的滞后性往往会阻碍沟通和合作。此外，缺乏专业知识则无法认识到3D城市建模的必要性，进而不能明确建模项目的需求。

7 对整体情况的理解

根据对3D城市建模项目和相关文献的特征研究，3D城市建模场景有三部分重叠的运营文化：3D GIS、BIM和计算机图形，每一种运营文化对3D城市建模都有一个独特的视角，通常会以不同的结果呈现(见表2)。在3D GIS类别中，建模项目通常具有较大的区域覆盖范围，但在三维重建中的细节水平有限；大多数应用主要集中在专业用途，如城市规划、测绘和各种地理空间分析。此外，需要强调指出：语义数据与现有城市GIS数据的联系比几何重建更重要。在BIM类别中，项目重点是将单个建筑按规划数据整合到有限区域模型上，可以理解为模型转换和内部包含等方面是明显的；典型应用程序包括城市规划、建筑许可流程和〗建筑可视化。在计算机图形类别中，项目是基于游戏引擎的，通过促进先进的实时渲染，提供最高水平的摄影现实；模型通常局限于局部坐标系，很少利用语义信息；基于3D游戏引擎的模型强调了类似游戏的互动和沉浸感，目的是让用户，即便是行人都能参与合作和探索。

表2 3D城市建模中的运营文化特点3D GISBIM计算机图形侧重于现实世界数据侧重于按计划的数据现实世界数据与按计划数据低等模型复杂度高等模型复杂度中等模型复杂度城市范围数据覆盖局地数据覆盖局地数据覆盖全球坐标系统有限使用坐标系有限使用坐标系数据库方法生命周期方法灵活的应用开发方法自动或半自动化建模人工建模人工建模用户参与视觉写实(实时渲染)

从整体来看，3D城市建模是一个多样化的多学科领域，其愿景是实现高度互操作性和平台样特性。然而，从荷兰的19个3D城市模型研究项目来看，它们又似乎很分散，不能达到所设想的广泛适用性。这在某种程度上可以用复杂性来解释。首先，建模项目由来自不同领域的人执行，使用不同的工具，并针对不同的结果；其次，3D城市模型的未来用途可能很难预测，不仅体现利益方本身的差异上，还体现在其专业知识类型方面的异构性上。因此，很难实现单一的、完全协调的3D城市模型。在这三种运营文化中，改善人员和技术之间的相互作用和沟通是推进互操作性和创建未来灵活的、需求驱动的3D城市模型的关键因素。