智慧城市规划和运维（基于CityGML的日本智慧城市方案）

PLATEAU是由日本国土交通省，基础设施运输和旅游部推动，利用开放的数据开发3D城市模型的一个前沿项目。开发3D城市模型作为城市活动的平台数据，并根据实例形成指导手册，公开数据，让任何人都可以自由提取和利用城市信息。

PLATEAU项目旨在日本全国范围内推广，扩展3D城市模型的用途。如东京都23区在内的大约50个城市中试点3D城市模型，并进行各种场景的案例开发。通过积累项目中的知识和方法，将结果转换为开放数据，推广至全国范围。

城镇发展的数字化转型

过去，有关国土的地形信息以及与之相关的土地价格等信息，主要由国土交通省和日本地理空间信息局掌握。每个地方政府都掌管着一切有关城市活动的数据，例如地方基础设施的使用情况和该区域发生的所有事情。

尽管最近由于“开放数据”的趋势，这些信息变得更加透明，但“分布式”和“优化为平面图”限制了数据的使用范围。这也正是国土交通省要推行“城镇发展的数字化转型”的关键。

在此计划中，土地及其上方的城市建筑将被整合为3D城市模型。基于地方政府为城市规划创建的二维地图，再结合航空测量获得的高度数据创建出三维城市模型。三维地形数据本身可以用于视频制作，但是通过将其与各种数据相乘，可以对人流、气候、交通等进行复杂的模拟。结果，由地图创建的数据将进一步增加。模拟建筑物的详细程度取决于使用需求。因此，引入了“LOD（细节水平）”的概念，最简单的“LOD 0”仅复制2D图形，“LOD 1”将建筑物复制为简单的“盒子”。到目前为止，人工成本还比较小。此外，通过再现建筑物外形的“LOD 2”和“LOD 3”阶段，最终，将建筑物每个楼层的状况再现到“LOD 4”。

由各部委和地方政府以通用格式收集到的有关各个城市的属性数据，可以构建一个迄今为止尚未添加到地图的“语义”三维城市。这些都是开放数据，可以免费搜索和下载。将来，数据分发将通过各种平台的应用程序编程接口（API）进一步扩展。根据目前的计划，截至2020年底，全国约50个城市中进行了基础设施建设的数据开发和合作。

要改变工作和社会的运转方式，前提是要留存数字数据，并在保持数字化的同时，增加只能以数字方式完成的处理和分析。如果我们要对所谓的“数字转换”进行定义，那就是3D城市模型。

使用CityGML扩展仿真可能性

创建景观和建筑物的3D模型并在各种场景中使用它们，这种情况已经在世界各地同时发生着。但关于如何创建和提供数据，仍然存在各种各样的想法。其中，主流的想法是强调数据的含义。这不是简单地累积有关建筑物的形状数据，而是将其转换为信息，用作更新和利用数据的基础。也是基于相同的概念进行开发。因此，选择国际标准“CityGML”作为数据格式，并使其成为一项重要的基本技术。

CityGML是如何产生的？在政府和城市规划中有什么潜力？

CityGML的一个特点是：它是带有“语义”的数据。作为地理空间信息的唯一标准数据格式，可以描述城市规模、分析和模拟所需的语义。CityGML将城市中存在的诸如建筑物、街道和桥梁之类的对象定义为要素，并将与对象的空间、时间和主题有关的所有信息，如形状、名称、类型和建造年份，用作要素的属性。无论谁创建3D城市模型或3D城市模型在哪里，这种高度的严格性都可以确保一致的数据结构。

此外，CityGML还具有LOD（详细程度）的概念，该概念可以对具有相同对象的不同详细程度的各种信息进行集成管理。过去，甚至有关同一对象的信息（例如为每个比例尺准备的地图数据）也已单独准备和累积。这导致数据和重复数据之间的不一致，从而阻碍了横截面数据的使用和有效的数据更新。LOD使集中管理、存储和使用有关同一对象的所有信息成为可能。

另外，CityGML具有称为ADE（应用程序域扩展）的功能，该功能扩展了特征和属性的定义，并且可以将每种目的所需的信息添加为特征和属性。通过ADE规则进行扩展，添加的功能和属性具有高度可重复性，并可以扩展其他用途。除了CityGML之外，PLATEAU项目中开发的3D城市模型是专门用于城市规划的扩展ADE。具体来说，添加诸如建筑物的当前状态、土地使用的情况之类的城市规划信息作为建筑物的属性等，又或者添加诸如行政边界、区域和统计网格之类的概念特征。

由于世界各国数字化的稳步推进，CityGML已成为一种从现实世界获得信息的格式，而不是简单地对二维地图进行3D建模。

通过开发符合标准数据格式CityGML的3D城市模型，各种参与者将能够在各个领域使用3D城市模型。此外，通过扩展必要的信息并将其集成到3D城市模型中，可以进一步扩展使用范围。标准化可以提高基本信息的可持续性。

可视化的城市结构

每个城市的地方政府都会根据《城市规划和区划法》定期进行城市规划基础调查，以便掌握城市的现状和未来前景，并根据客观和定量的数据来进行城市规划。我们试图利用定期调查和积累的城市规划基本信息，在PLATEAU VIEW上可视化过去的城市结构转变。使用3D城市模型，可以看到过去20年中城市结构的变化。通过分析城市的变化，得出每个区域的特征，并为将来提供检验的材料。

例如爱知县名古屋市，根据名古屋市从1991年（平成3年）到2017年（平成29年）进行的基本城市规划调查结果，“当前建筑物用途”和“当前土地用途”的信息将转换为CityGML格式。转换数据时，通过为二维建筑物轮廓指定统一的高度，并定义建筑物楼层高度（3 m）x建筑物楼层数作为建筑物高度，来启动等效于LOD 1的建筑物模型。尝试了一种利用城市规划基础调查信息，轻松有效地创建建筑模型的方法。另外，通过当前建筑物/土地用途的属性信息，为建筑物/土地涂上不同的颜色来形象化建筑物/土地在用途上的变化。然后，通过切换当前建筑物使用状态和过去土地使用状态中的6个时间点，每个时间点的3D城市模型，可视化了从过去到现在的城市结构变化。

在演示实验中，利用CityGML的“以建筑物为单位的图形数据”语义特征，将基本的城市规划调查数据链接到各个建筑物，创建可视化的城市结构。从传统上来说，将建筑物的当前使用状态和土地使用的当前状态，两者的数据叠加在三维地图上，用作城市规划的当前状态图，再将数据相乘来进行高级分析和可视化。另一方面，即使在由同一地方公共机构进行的基本城市规划调查中，属性信息的编码也随调查时间而不同。当以对比方式可视化多个时间点的数据时，有必要在每个时间点的编码和公共代码列表之间准备一个表格，方便对比。

通过可视化建筑物及土地使用的变化，研究和分析城镇的发展。例如每个地区的区域特征和城市功能的集中状态，通过研究土地使用的变化，掌握必要的信息。在名古屋市，根据《名古屋市城市规划总体规划2030》规定，在以车站为中心的人们可以步行居住的区域（车站附近的居住区），应适当安排和链接各种城市功能。期望通过简易的方式掌握城市功能区位的状态，将过去的城市规划基本调查信息可视化的结果，作为将来的城市功能区位和合作政策的参考信息。此外，像演示实验中那样，建立有效的利用城市规划基础调查信息的示例，也可以促进在其他城市中进行城市规划基础调查的开放性，并根据特定数据来操作城市规划。

构建日本模式的智慧城市

长期以来，日本的城市规划过程一直是高度专业化的领域，通常以政府和地方政府为中心。当然，也有公民参与（自下而上）类型。此外，在查看1700多个地方政府在考虑利用数字转换来促进社区发展时，可能会感到“可以创建智慧城市的区域有限”。因此，除非有一个大城市，包括必要的数据、传感器位置和系统结构，否则这将是困难的。另一方面，在智慧城市中，不仅要重新考虑从模拟到数字的转变，而且还要重新考虑城镇发展本身的思维方式和方法，因此在这一点上，系统和基础设施必须是完整的。

不仅城市规划，而且各种程序，例如更新地方政府的房地产信息、建筑许可等，不仅可以面对面地申请，而且具有在线转换的功能，这都将变得不可或缺。考虑到未来，如何在人口减少的情况下简化和管理社区的整体运作？这对于较小城市的地方政府来说，仍是紧迫的问题。构建智慧城市不一定是在大城市中进行，但从目前来看，在小城市中的应用仍然较少。因此，我们迫不及待地要引进技术和维护基于数字孪生的智慧城市。为此，必须适当地累积易于检索的数据，而不是纸质图纸，方便后续的使用。数字转换是一项非常重要的事情，它将影响日本城市发展的未来。为此，开发可作为数字孪生使用的、在各种场景下的3D城市模型非常重要。

在此阶段，可能没有必要以“你要做什么”为目的，而是让我们开发并开始使用具有潜力的3D城市模型。维护CityGML也不是“目的”、它仅仅是在创建一个易于居住和使用的城镇，数据和格式可以在幕后或使用辅助字符。因此，只需要很好地使用数据进行可视化和分析，并且通过积累反馈，数据将得到发展和增长。

本文刊载 / 《BIM视界》杂志 2021年 第3期 总第18期

作者 / TOSHIKAZU SETO（日本）

资料来源 / 日本PLATEAU项目官网