基于城市信息模型CIM 的建筑信息提取与应用

詹 勇，葛余超，谭 涵

（1. 重庆市勘测院，重庆 400020）

城市信息模型是以建筑信息模型(BIM)、地理信息系统（GIS）、物联网（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空间数据和物联感知数据，构建起三维数字空间的城市信息有机综合体[1-6]。目前已在多个城市，行业开展项目试点[7-8]。城市信息模型CIM 汇聚并整合了多源时空数据，实现了城市多尺度表达，从不同视角对建筑、道路、设施进行描述，可为建筑信息提供丰富的数据源，其次CIM 构建了多种分析与计算能力，能够支撑多源CIM 数据提取建筑信息。

本项目特点是以CIM分级数据为数据源，充分发挥多源融合的CIM数据优势，开展建筑信息提取与应用探索，通过采用定量化技术开展建筑底面、建筑高度、建筑体量、建筑色彩等建筑信息等提取工作，并阐述其与常规提取方式的不同，最后给出了提取的建筑信息模型在城市规划设计、城市体检、城市管理、城市应急分析等方面的应用探索。

1 CIM数据

在重庆市城市信息CIM 平台建设实践中[8]，构建了CIM1～CIM7层级模型。如表1所示，每个层级的建筑CIM模型表达精细程度不同，高层级的CIM数据包含更多的建筑信息。例如CIM1～CIM2为建筑白模、低精度纹理模型，通常用来表达建筑的空间分布，CIM3～CIM4能够表达建筑的屋顶、立面等建筑细节造型，并有精细纹理贴图，而CIM5～CIM7能够表达建筑的内部、功能、构件等。因此，在建筑信息提取中，一般选择CIM3 以上的高层级模型，能够提取更多更精细的建筑信息。

表1 CIM数据建筑分级表

此外，在开展CIM平台建设过程中，全部层级的数据建设有时难以一次完成，通常容易获得一种或几种分级数据，然后以此类数据为基础，通过数据简化得到低层级模型，或通过补充资料获得高层级模型。重庆市为服务城市规划工作，一直运维了三维精细模型（CIM4 层级）数据，该模型以1∶500 地形图为基础，通过人工外业拍照方式补充立面纹理，并经人工编辑制作完成，这种模型是倾斜摄影实景三维建模技术推广之前采用的主要城市三维建模；同时基于新型基础测绘工作，重庆市获取了多源多尺度倾斜摄影实景三维模型，作为CIM3层级模型。

由于这两类模型数据实现了统一集成建库管理，并形成了更新机制，比基础地形图制图数据更方便使用。因此基于这两类数据，可以采用数据降维、重投影、纹理提取等方式开展单体建筑信息提取，利用天际线分析、统计分析等开展建筑群信息提取。本文主要介绍单体建筑特征，即建筑底面、建筑高度、建筑体量、建筑色彩的提取方法，并指出其与一般方法的差异。

2 建筑信息提取

2.1 建筑底面

建筑底面可用来表示建筑位置、计算建筑占地面积，通常利用竖直投影下的矢量化建筑轮廓来表达。如采用人工外业采集或激光点云等方式获取[9]，也可以用纹理图像来表示，如真正射影像。建筑底面可以直接采用1∶500 地形图获得，也可以利用CIM4 层级模型，这种建筑底面不及前者准确，也能满足大部分场景使用（图1）。

图1 建筑底面提取技术路线图

对于矢量底面，采用数据降维方法[10]提取建筑底面，技术路线如图1 所示。首先，针对任一建筑，获得建筑底部三角形（如高程建筑下半部，且法线竖直的三角形），并将其投影到水平面上，然后对投影后的三角形求并集，得到初步合并结果，最后进行拓扑检查、去掉共线点等操作，得到最终的建筑底面，如图2 所示，图左是原始模型三角面，图右是获得建筑矢量轮廓，该降维算法的核心在于两两三角形求并集的效率和正确性[10]。

利用这种方式获的建筑底面可以得到建筑的底高，因而利用获得带高程信息的建筑底面，并结合模型高度，可以生产轻量化CIM1～CIM2的模型数据，满足一些轻量化城市信息模型CIM平台的建设和应用[11]。

对于纹理底面，可以通过设置三维引擎中相机为正交相机，相机俯仰角度为竖直俯视，通过批量截图并拼接，获得如图2 右底图的真正射图像，这是利用地形图或者一般影像难以获得的。同理，也可以利用CIM3倾斜模型可获得实景三维的真正射影像。

图2 CIM4建筑底面提取

在一些弱三维的应用中，有时需要得到2.5 维地图，如图3 所示。采用CIM4 模型可以快速得到2.5 维建筑轮廓，无需人工勾画。具体做法是，图1 步骤的第三步，变为获得45°、60°倾斜投影下的三维角面，然后再对三角形求并集可得到2.5 维的矢量轮廓线。同理，纹理底面也可在投影时，设置相机俯仰角度为45°、60°等，得到图3左所示的2.5地图，可以作为智慧社区、一标三实等社会管理工作底图。

图3 2.5维建筑底图与建筑底面套合

利用CIM3和CIM4层级模型还可以获得更加准确的建筑顶部矢量，具体做法是获得建筑顶部三角形（高程处于建筑上半部，且法线竖直的三角面），通过图1 方式求得建筑矢量顶面，结合建筑底面矢量，可以获得比底面直接拉伸更加准确的建筑白模。

2.2 建筑高度

建筑高度是指屋面面层到室外地坪的高度。屋顶上的水箱间、电梯机房、排烟机房和楼梯出口小间等不计入建筑高度[12]。建筑底高为室外地坪高度，建筑顶高为屋面面层。

获取建筑高度的方法准确高度需要准确的顶部高程和底面高程，关于顶高和底高的获取可分别采用CIM3 与CIM4 建筑模型作为数据源，比单一数据源获取准确度高，这是由于在CIM4 专题模型中，除重要建筑外，大量建筑高度是由建筑层数来确定的，不及CIM3 倾斜模型准确度高；而建筑的底高可采用CIM4专题模型获得，这是由于倾斜模型由于遮挡等原因导致建筑的室外地坪不准确，如图4所示。

图4 利用CIM3和CIM4获取建筑高度

具体步骤如图5 所示。关于建筑底高的获得，通常是建筑模型的最低点，取几个边界轮廓点求平均值。但是在山地城市，部分依地形而建的建筑，存在建筑两边地坪高度不一致的情况，此时需要结合模型及周边路网情况进行再识别，便于在不同的应用场景中采用，如上图4左A和B两点所示。

图5 建筑高度提取技术路线

由于水箱间、电梯机房、排烟机房和楼梯出口小间不计入建筑高度，所以顶高不一定是建筑的最高点，而是建筑面层高度。具体可通过获得求交法求得屋顶的离散点集，如上图4 左部分所示，然后利用聚类或统计算法，经过综合筛选得到屋顶平台位置，获得建筑顶高，利用建筑底高和顶高可计算建筑高度。

2.3 建筑色彩

建筑色彩是建筑风貌的重要特征之一，当前将计算机辅助手段应用于建筑色彩设计与分析是正在探索的新领域，有助于实现建筑色彩的自动识别和评估[13]。建筑立面通常采用外业拍照获取，但单独采集成本较高，CIM3 和CIM4 模型具有丰富的建筑色彩信息，其中CIM3 模型为倾斜影像得到的实景模型，纹理真实性强，而CIM4 是外业拍照，并通过图像处理，得到的建筑纹理更加规整。

建筑色彩提取可在模型统一匀光匀色的基础上，通过计算建筑模型所有三角面的纹理像素值，统计其像素均值、直方图等信息，综合得到建筑采用的主要颜色值，进而得到该建筑的建筑色彩，技术路线如图6 所示。如果需要获得建筑的主要色彩，进行纹理分类，可以采用CIM4 模型，图7 所示的是CIM4 模型采用的纹理。如果开展精细化建筑色彩研究应采用CIM3 纹理，相比大量重复贴图的CIM4 模型纹理，CIM3纹理更真实，细节更丰富。

图6 利用CIM3、CIM4获取建筑色彩

图7 建筑纹理提取

2.4 建筑体量

城市体量庞大多变，如何利用测绘地理信息技术实现整个城市的建筑体量快速计算是城市精细化管理的重要内容[14]。根据建筑底面和建筑高度，可以快速估算，得到该建筑的体量。

简单情况下，建筑体量的计算利用建筑底面和建筑高度的乘积得到，如图8左所示。

要计算更加精确的建筑体量，可以使用细节表达更丰富的CIM3、CIM4 专题模型，采用分段高度累计方法，如图8 右所示。也可分别采用CIM3 和CIM4 模型计算建筑上部体量和建筑下部体量，通过设置不同的高度平面，将建筑高度划分成不同的高度段，利用建筑底面获取方法，得到不同高度下的建筑底面，然后累计计算得到建筑体量，技术路线如图9所示。

图8 建筑体块计算

图9 利用CIM3和CIM4开展建筑体量计算

3 示范应用

重庆是典型的山地城市，山城壮美，江城灵秀，中心城区长江与嘉陵江交汇，缙云山、铜锣山、中梁山、明月山横跨南北，形成山环水绕、江峡相拥的山水之城，美丽之地。重庆地形起伏明显，独特的地形地貌造就了城市风貌的丰富多姿，大量的高楼林立于山水间，为城市的规划管理带来了挑战。

在获得城市CIM多源数据的基础上，开展了重庆市渝中区建筑信息提取，采用的数据源包括CIM3 级别实景三维模型，原始影像分辨率0.05 m，CIM4级别的三维仿真模型，利用上文的建筑信息提取方法，获得了重庆渝中区所有的建筑信息的定量化数据，包括建筑底面、建筑高度、建筑体量和建筑立面颜色，通过建筑信息提取结果充分体现了渝中区典型山地城镇特征，地形起伏大、建筑密度高、建筑朝向依山和路网等特点。

在获得这些建筑信息以后，可进一步在城市规划、城市管理等方面开展应用。例如在城市规划中，基于建筑底面和建筑高度数据，可以构建可计算的CIM2框架模型，辅助开展城市新区高强度高密度分区规划工作，借助定量的建筑信息数据，结合GIS+BIM融合计算能力，可以实现在CIM平台，进行强度高度密度参数化推演，并利用CIM平台的空间分析和评估方法，实现城市界面、开发体量、空间尺度、天际线、视线通廊、通透性分析评估，最后利用CIM平台的可视化能力，实现成果的可视化展示。

在智慧社区建设中，可利用建筑底面提取方法，提取如图3 所示的建筑2.5 维底面纹理和矢量，作为社区工作底图，作为三维底图的补充，因其轻量化特点在移动端工作平台得到应用。在2.5 维底图上，可以整合人口、房屋、公共设施、驻地单位等资源，开展智慧管理、智慧民生、智慧业务和智慧治理等工作。

建筑信息数据同样可有效服务城市应急管理。例如面向2020年8月19日—8月20日洪峰过境重庆中心城区建筑受灾分析，具体方法如下：首先计算实时洪水面，依据水位站点的实时水位信息和保障水位数据，构建出随时间变化的水位高度分布三维面，并与三维地形进行求交计算，得到洪水三维边界；其次，利用提取的建筑底面与洪水三维边进行空间求交，得到平面上淹没在洪水区域内的建筑；最后，利用建筑底面高程、地下出入口高程与洪水面做高程分析，得到洪水位下受灾建（构）筑物，经与现场航拍照片比对，推演结果基本符合洪水过境的实际情况。

4 结 语

城市信息模型CIM通过多源数据融合，打造随时随地可访问的立体时空底座，面向城市规划、自然资源、民生服务、社会治理等提供汇聚、连接、计算和模拟能力。本文利用CIM整合的分级数据、以及数据处理能力，开展了建筑底面、建筑高度、建筑色彩和建筑体量等建筑信息的提取和应用探索，一是探索多源CIM数据的应用领域，二是为探索建筑信息模型提取提供新思路，后期将进一步丰富建筑信息提取的内容，扩展建筑信息的应用服务领域，为智慧城市提供更好的时空信息基础设施服务。