智慧城市規劃和運維（基於CityGML的日本智慧城市方案）
2023-07-11 17:39:31
PLATEAU是由日本國土交通省，基礎設施運輸和旅遊部推動，利用開放的數據開發3D城市模型的一個前沿項目。開發3D城市模型作為城市活動的平臺數據，並根據實例形成指導手冊，公開數據，讓任何人都可以自由提取和利用城市信息。
PLATEAU項目旨在日本全國範圍內推廣，擴展3D城市模型的用途。如東京都23區在內的大約50個城市中試點3D城市模型，並進行各種場景的案例開發。通過積累項目中的知識和方法，將結果轉換為開放數據，推廣至全國範圍。
城鎮發展的數位化轉型
過去，有關國土的地形信息以及與之相關的土地價格等信息，主要由國土交通省和日本地理空間信息局掌握。每個地方政府都掌管著一切有關城市活動的數據，例如地方基礎設施的使用情況和該區域發生的所有事情。
儘管最近由於「開放數據」的趨勢，這些信息變得更加透明，但「分布式」和「優化為平面圖」限制了數據的使用範圍。這也正是國土交通省要推行「城鎮發展的數位化轉型」的關鍵。
在此計劃中，土地及其上方的城市建築將被整合為3D城市模型。基於地方政府為城市規劃創建的二維地圖，再結合航空測量獲得的高度數據創建出三維城市模型。三維地形數據本身可以用於視頻製作，但是通過將其與各種數據相乘，可以對人流、氣候、交通等進行複雜的模擬。結果，由地圖創建的數據將進一步增加。模擬建築物的詳細程度取決於使用需求。因此，引入了「LOD（細節水平）」的概念，最簡單的「LOD 0」僅複製2D圖形，「LOD 1」將建築物複製為簡單的「盒子」。到目前為止，人工成本還比較小。此外，通過再現建築物外形的「LOD 2」和「LOD 3」階段，最終，將建築物每個樓層的狀況再現到「LOD 4」。
由各部委和地方政府以通用格式收集到的有關各個城市的屬性數據，可以構建一個迄今為止尚未添加到地圖的「語義」三維城市。這些都是開放數據，可以免費搜索和下載。將來，數據分發將通過各種平臺的應用程式編程接口（API）進一步擴展。根據目前的計劃，截至2020年底，全國約50個城市中進行了基礎設施建設的數據開發和合作。
要改變工作和社會的運轉方式，前提是要留存數字數據，並在保持數位化的同時，增加只能以數字方式完成的處理和分析。如果我們要對所謂的「數字轉換」進行定義，那就是3D城市模型。
使用CityGML擴展仿真可能性
創建景觀和建築物的3D模型並在各種場景中使用它們，這種情況已經在世界各地同時發生著。但關於如何創建和提供數據，仍然存在各種各樣的想法。其中，主流的想法是強調數據的含義。這不是簡單地累積有關建築物的形狀數據，而是將其轉換為信息，用作更新和利用數據的基礎。也是基於相同的概念進行開發。因此，選擇國際標準「CityGML」作為數據格式，並使其成為一項重要的基本技術。
CityGML是如何產生的？在政府和城市規劃中有什麼潛力？
CityGML的一個特點是：它是帶有「語義」的數據。作為地理空間信息的唯一標準數據格式，可以描述城市規模、分析和模擬所需的語義。CityGML將城市中存在的諸如建築物、街道和橋梁之類的對象定義為要素，並將與對象的空間、時間和主題有關的所有信息，如形狀、名稱、類型和建造年份，用作要素的屬性。無論誰創建3D城市模型或3D城市模型在哪裡，這種高度的嚴格性都可以確保一致的數據結構。
此外，CityGML還具有LOD（詳細程度）的概念，該概念可以對具有相同對象的不同詳細程度的各種信息進行集成管理。過去，甚至有關同一對象的信息（例如為每個比例尺準備的地圖數據）也已單獨準備和累積。這導致數據和重複數據之間的不一致，從而阻礙了橫截面數據的使用和有效的數據更新。LOD使集中管理、存儲和使用有關同一對象的所有信息成為可能。
另外，CityGML具有稱為ADE（應用程式域擴展）的功能，該功能擴展了特徵和屬性的定義，並且可以將每種目的所需的信息添加為特徵和屬性。通過ADE規則進行擴展，添加的功能和屬性具有高度可重複性，並可以擴展其他用途。除了CityGML之外，PLATEAU項目中開發的3D城市模型是專門用於城市規劃的擴展ADE。具體來說，添加諸如建築物的當前狀態、土地使用的情況之類的城市規劃信息作為建築物的屬性等，又或者添加諸如行政邊界、區域和統計網格之類的概念特徵。
由於世界各國數位化的穩步推進，CityGML已成為一種從現實世界獲得信息的格式，而不是簡單地對二維地圖進行3D建模。
通過開發符合標準數據格式CityGML的3D城市模型，各種參與者將能夠在各個領域使用3D城市模型。此外，通過擴展必要的信息並將其集成到3D城市模型中，可以進一步擴展使用範圍。標準化可以提高基本信息的可持續性。
可視化的城市結構
每個城市的地方政府都會根據《城市規劃和區劃法》定期進行城市規劃基礎調查，以便掌握城市的現狀和未來前景，並根據客觀和定量的數據來進行城市規劃。我們試圖利用定期調查和積累的城市規劃基本信息，在PLATEAU VIEW上可視化過去的城市結構轉變。使用3D城市模型，可以看到過去20年中城市結構的變化。通過分析城市的變化，得出每個區域的特徵，並為將來提供檢驗的材料。
例如愛知縣名古屋市，根據名古屋市從1991年（平成3年）到2017年（平成29年）進行的基本城市規劃調查結果，「當前建築物用途」和「當前土地用途」的信息將轉換為CityGML格式。轉換數據時，通過為二維建築物輪廓指定統一的高度，並定義建築物樓層高度（3 m）x建築物樓層數作為建築物高度，來啟動等效於LOD 1的建築物模型。嘗試了一種利用城市規劃基礎調查信息，輕鬆有效地創建建築模型的方法。另外，通過當前建築物/土地用途的屬性信息，為建築物/土地塗上不同的顏色來形象化建築物/土地在用途上的變化。然後，通過切換當前建築物使用狀態和過去土地使用狀態中的6個時間點，每個時間點的3D城市模型，可視化了從過去到現在的城市結構變化。
在演示實驗中，利用CityGML的「以建築物為單位的圖形數據」語義特徵，將基本的城市規劃調查數據連結到各個建築物，創建可視化的城市結構。從傳統上來說，將建築物的當前使用狀態和土地使用的當前狀態，兩者的數據疊加在三維地圖上，用作城市規劃的當前狀態圖，再將數據相乘來進行高級分析和可視化。另一方面，即使在由同一地方公共機構進行的基本城市規劃調查中，屬性信息的編碼也隨調查時間而不同。當以對比方式可視化多個時間點的數據時，有必要在每個時間點的編碼和公共代碼列表之間準備一個表格，方便對比。
通過可視化建築物及土地使用的變化，研究和分析城鎮的發展。例如每個地區的區域特徵和城市功能的集中狀態，通過研究土地使用的變化，掌握必要的信息。在名古屋市，根據《名古屋市城市規劃總體規劃2030》規定，在以車站為中心的人們可以步行居住的區域（車站附近的居住區），應適當安排和連結各種城市功能。期望通過簡易的方式掌握城市功能區位的狀態，將過去的城市規劃基本調查信息可視化的結果，作為將來的城市功能區位和合作政策的參考信息。此外，像演示實驗中那樣，建立有效的利用城市規劃基礎調查信息的示例，也可以促進在其他城市中進行城市規劃基礎調查的開放性，並根據特定數據來操作城市規劃。
構建日本模式的智慧城市
長期以來，日本的城市規划過程一直是高度專業化的領域，通常以政府和地方政府為中心。當然，也有公民參與（自下而上）類型。此外，在查看1700多個地方政府在考慮利用數字轉換來促進社區發展時，可能會感到「可以創建智慧城市的區域有限」。因此，除非有一個大城市，包括必要的數據、傳感器位置和系統結構，否則這將是困難的。另一方面，在智慧城市中，不僅要重新考慮從模擬到數字的轉變，而且還要重新考慮城鎮發展本身的思維方式和方法，因此在這一點上，系統和基礎設施必須是完整的。
不僅城市規劃，而且各種程序，例如更新地方政府的房地產信息、建築許可等，不僅可以面對面地申請，而且具有在線轉換的功能，這都將變得不可或缺。考慮到未來，如何在人口減少的情況下簡化和管理社區的整體運作？這對於較小城市的地方政府來說，仍是緊迫的問題。構建智慧城市不一定是在大城市中進行，但從目前來看，在小城市中的應用仍然較少。因此，我們迫不及待地要引進技術和維護基於數字孿生的智慧城市。為此，必須適當地累積易於檢索的數據，而不是紙質圖紙，方便後續的使用。數字轉換是一項非常重要的事情，它將影響日本城市發展的未來。為此，開發可作為數字孿生使用的、在各種場景下的3D城市模型非常重要。
在此階段，可能沒有必要以「你要做什麼」為目的，而是讓我們開發並開始使用具有潛力的3D城市模型。維護CityGML也不是「目的」、它僅僅是在創建一個易於居住和使用的城鎮，數據和格式可以在幕後或使用輔助字符。因此，只需要很好地使用數據進行可視化和分析，並且通過積累反饋，數據將得到發展和增長。
本文刊載 / 《BIM視界》雜誌 2021年 第3期 總第18期
作者 / TOSHIKAZU SETO（日本）
資料來源 / 日本PLATEAU項目官網
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