3D城市模型，有哪些热点和发展趋势？-感算商城

数字孪生的应用并不局限于制造业，近年来，全球很多国家/地区都在不断推进城市和建筑物的数字孪生化，通过构建城市的数字孪生，建立“3D城市模型”，期望以此加速未来智慧城市的发展，为城市和自然环境提供新的价值。那么，未来高精度城市数字化管理这一应用领域，有哪些热点和发展趋势？是否已有应用范例呢？

要了解这一领域的进展，需要从“GIS（地理信息系统）”——地理空间信息可视化说起。

GIS：地理空间信息的可视化

GIS是“Geographic Information System”的缩写，中文译为“地理信息系统”，是指把用于不同目的的各种信息在地图上进行可视化的系统。此类与空间中的地点或区域的位置信息相关连的信息，即有关事物或现象的信息则被称为“地理空间信息”。

例如，根据不同目的，用不同颜色显示某个区域或地点的人口分布、地价、建筑物的属性信息、水灾时的浸水程度等；或将人与物的移动、气象的变化等流动性信息可视化；亦或叠加显示不同类型的地理空间信息。以此可将多种信息同时可视化。这样一来人们就能够直观地掌握所需的信息，从而实现快速且复杂的分析和判断。

活用GIS，将所需的地理空间信息可视化，以此就能快速理解、分析和判断。

GIS的活用目的多种多样，除了城市规划、灾害时的防灾地图、防灾计划，生活基础设施的监测等以外，还可以用于评价从房地产建筑物到车站等处的交通便利性，以及商业设施开店计划所需的商业区分析等方面。

另外，在贴近我们生活的场景中，汽车导航系统和智能手机的地图应用程序等可以说是GIS的代表性服务。此类应用程序是将建筑物的信息和交通状况等地理空间信息，附加并显示在通过GPS获取到的地图中的地点以及区域上。

GIS发展趋势

过去，GIS大多都是2D显示，随着技术的发展，3D显示也开始被广泛使用，它能根据使用目的，让地理空间信息更易于理解并可视化。现在智能手机的地图应用程序等也能轻松地利用3D显示的服务。

然而，代表性服务中的3D显示，是用几何形状（三角形或多边形）构成地面状态的3D多边形的“几何模型”，所以地形、建筑物、相邻建筑物、街道等都是以不加区分的状态被可视化。因此，很难将位置信息、3D数据和详细的地理空间信息高精度地结合起来。

例如，细致分析和模拟城市规划、防灾计划等以及实现智能城市，城市的数字孪生化则必不可少。在这个高端的用途中存在的课题是，要制作准确且精细的3D数据作为根基，需要花费很多工时和费用。在这个背景下，开放且高精度的3D城市模型的必要性逐渐提高，各国都开始进行数据的整备和活用。

高精度3D城市模型的标准

除了国家和地方自治体，如果企业和个人等各种人士要把3D数据用于多样化目的，必须的条件就是要遵循共同的平台——标准。

为此，采用地理空间信息领域的国际标准化团体OGC（Open Geospatial Consortium，开放地理空间信息联盟）作为国际标准制定的“CityGML”，就可以使3D城市模型的数据在日本国内外得到广泛应用。

另外，在CityGML中，除了以往统一由几何形状构成的“几何模型”外，还采用了“语义模型”，将各建筑物和街道进行区分定义，并分别赋予了高度和属性信息，因此就可以应对需要细致性和高精度的高端用途。

除了国际标准“CityGML”，在日本，人们还提到的3D城市模型“PLATEAU”又是什么呢？

“PLATEAU”是符合CityGML的3D城市模型的开放数据，由日本政府直接管辖的行政机关国土交通省主导。

使用PLATEAU VIEW，按照不同用途，用颜色区分显示涩谷站周边的各个建筑物。（使用日本行政机构“国土交通省（MLIT）”的PLATEAU VIEW https://www.mlit.go.jp/plateau/app/进行显示）

日本为了实现Society5.0（超智能社会），所以公开了“PLATEAU”。PLATEAU虽然起步晚于先行活用CityGML的各个国家，但作为超大规模的开放式3D城市模型（参考日本行政机关国土交通省报道公布资料/2022年8月），覆盖了日本全国56个城市、约1万Km²面积、约1千万栋建筑物，并一直在不断更新和扩大使用案例。

PLATEAU主要由以下3种数据构成。

一种是从飞机上用激光轮廓仪“航空测量”出的高度数据和“航空摄影”到的图像数据，以往主要用于2D数据制作。另一种是地方自治体和市町村制作的2D地图数据“城市规划基本图”。还有一种是根据《城市规划法》，通过“城市规划基础调查”所调查出的丰富数据，包括各建筑物的属性、构造、规格、种类、建筑年数等，以往主要在地区内使用。

因为从零开始构建3D城市模型会花费巨大的成本，所以像以上这样，将过去调查和获取的有效数据挖掘出来，并活用在3D城市模型这一新的格式中，从而使3D城市模型的构建费用得到了大幅度削减。

另外，在PLATEAU中，不仅能下载可应对各种3D图形用软件的开放数据，还公开了在Web浏览器上能够显示任意区域和地点的3D模型及各种信息的“PLATEAU VIEW”（上图）。

3D城市模型开放数据的优点

符合国际标准CityGML的3D城市模型PLATEAU的开放数据支持多种应用程序，也可用于商业用途，因此除了日本政府和地方自治体，所有行业的企业和个人创作者等，任何人都可以将PLATEAU的开放数据用于多样化目的。

另外，开放数据有一个很大的优点是，它可以根据不同目的，使用与坐标高精度联动的3D模型以及建筑物的纹理和其属性信息等。

由于开放数据与坐标高精度联动，因此可以准确地将目标数据分配到目标区域和目标位置的3D模型上。这样就可以活用在各个方面，例如更高端的模拟、城市规划、现实社会与网络空间联动的数字孪生。同时，还可以活用在采用精细3D模型游戏用3D背景和采用高精度VR（虚拟现实）/AR（增强现实）的娱乐和交流等方面。

此外，在CityGML中，可以通过LOD（Level of Detail,多层次细节）这一概念，将3D对象的详细程度进行集中管理。

CityGML的LOD概念图（参考日本行政机关国土交通省PLATEAU网站https://www.mlit.go.jp/plateau/app/ 编辑制作）

现在，CityGML由多达4个阶段构成，包括从使用立方体形状的对象来表现建筑物的LOD1，到除了建筑物外观的细致性以外，还可以连接室内3D数据的LOD4（上图）。

以往的3D对象针对比例尺的变化容易变得复杂化，而现在已经可以集中有效地管理、存储和利用同一对象的不同详细程度的数据。这样一来我们俯视到的城市和近距离看到的建筑物，乃至建筑物内部都能实现无缝3D显示。例如，可以进入网络空间的商业设施实际购物，实现这种商业的数字孪生化。

此外，CityGML还具有一种叫做ADE（Application Domain Extension, 应用领域扩展）的功能，可扩展地物及属性定义。它可以根据不同目的，添加相关信息（下图）。并且，遵循ADE的格式而扩展的信息还可以用于其他目的和用途。

通过CityGML的ADE而扩展的数据（参考日本行政机关国土交通省PLATEAU网站https://www.mlit.go.jp/plateau/编辑制作）

“3D城市模型”应用范例

下面，我们以PLATEAU的使用案例为基础，按照不同目的为大家介绍以CityGML为格式的3D城市模型的四个活用范例。

城市规划：

3D城市模型可以用于城市规划的分析和模拟。

比如，即使是与商业用途和住宅邻接的地区，也可以使用每个建筑物的信息来探讨细致的分区。这样，城市管理方可以使用建筑物的属性信息等丰富数据来分析适宜养育孩子的区域等，可有助于探讨城市政策。

又比如，对于在地理位置上夏天气温容易显著上升的城市，可以将热空气的停滞和流动性可视化，“建设什么样的城市才能使居民的生活变得舒适？”，可以通过模拟将这个问题可视化，并开展探讨。

还可将过去到现在的城市变化可视化并进行分析。“如果改变城市的人行道和车道，人和车辆的动向会如何变化？”，掌握这一点就能提高城市规划的精度。

防灾减灾：

使用包含高度信息的3D城市模型，针对地区的灾害风险进行模拟分析，就可以探讨出更细致、精度更高的避难计划和防灾计划。

通过模拟，将洪水和海啸等灾害可视化，就可以按各个建筑物来预测受灾情况。例如，针对难以迅速避难的老年人的移动问题，以及难以从住所和工作地点前往避难所等情况，可以制定出向较高建筑物等进行有效的“垂直方向避难”的计划。根据适合垂直方向避难的建筑物的高度和属性（钢筋或木造等）的数据，除了公共设施，同时也鼓励民用大楼，探讨多样化的避难方法。