CIM时代,GIS的机遇与挑战

1、引言

2018年11月住建部发函,将北京城市副中心、广州、南京、厦门和雄安新区一同列为CIM平台建设的试点。从这一刻起,CIM开始真正走入大众视野。两年多过去,几个试点已经相继完成CIM平台建设。2021年两会,在全国范围内建设CIM平台更是被写进“十四五”规划中。时至今日,全国各地都在如火如荼地开展CIM平台建设,俨然已经成为风口。
图片[1]-CIM时代,GIS的机遇与挑战 - 地理信息云-地理信息云
那到底什么是CIM?广州市住建局在BIM审图标准里给出CIM和CIM平台的官方定义:
城市信息模型 city information modeling(CIM):建筑信息模型(BIM)、数字孪生(Digital Twin)、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、历史现状未来多维信息模型数据和城市感知数据,构建起三维数字空间的城市信息有机综合体,并依此规划、建造、管理城市的过程和结果的总称。 
城市信息模型基础平台 basic platform of city information modeling:以工程建设项目业务协同平台(“多规合一”业务协同平台)等为基础,融合二三维空间信息、建筑信息模型(BIM)、物联网感知信息,提供三维可视化表达和服务引擎、工程建设项目各阶段信息模型汇聚管理、审查与分析等核心功能,提供从建筑单体、社区到城市级别的模拟仿真能力,支撑智慧城市应用的信息平台。
根据上述定义不难看出,CIM的核心是GIS、BIM和IOT。雷军说过:“站在风口上,猪都能飞起来”,而离CIM风口最近的行业无疑是GIS。早在CIM概念出现之前,GIS行业已经开发众多诸如智慧城市、智慧园区、智慧社区之类的三维GIS平台,其中同样能够承载GIS、BIM和IOT等等数据,满足各种规划、决策和管理的应用。
站在风口,除了欣喜与激动之外,也不能缺少反思。一方面,GIS从业者必然是CIM建设的主力军,可CIM平台和以往建设的三维GIS平台有什么异同?另一方面,其他行业也想借CIM东风扶摇而上,他们的涌入必然会对GIS人形成一定的冲击。在机遇与挑战并存的CIM时代,什么是GIS的核心价值?什么又是GIS人的核心竞争力?本文将从这些问题出发尝试进行探讨,不敢保证给出正确的答案,但求引发更多同行加入思考,权当抛砖引玉。

2、CIM与三维GIS平台异同

三维GIS平台和CIM平台都能承载GIS、BIM和IOT数据,也都能满足相关行业的应用需求。单从这一点刊,似乎两者没有区别。毕竟,三维GIS平台先于CIM平台出现,是CIM平台的前辈,而CIM平台是三维GIS平台发展到特定阶段的迭代产物。两者的共性很多,但抛却共性来看,CIM有着自己的特点:
尺度CIM是城市信息模型的缩写,正如其名字所定义的,其尺度必然是城市级。因此,以往那些园区、社区级的三维GIS平台,在尺度上就不符合CIM的定义。
粒度 BIM是CIM的核心数据之一,相比较于三维GIS数据,其粒度更小,达到构件级。一堵墙,一把椅子,甚至一个门把手都可以是对象。粒度小必然会导致对象多,从而增加数据存储、管理和应用的难度。
广度 CIM平台需要同时承载GIS、BIM和IOT三种数据,而这三种数据又可以进一步细分:GIS数据就包括:影像、矢量、模型(倾斜、体数据);BIM数据包括:模型数据和属性数据;IOT数据包括环境检测数据和视频数据。从空间上分,可以分为室内与室外、地上与地下。可见,CIM需要承载的数据范围非常广
维度 在空间维度上,GIS和BIM属于三维数据;在时间维度上,传感器总是按照特定采样频率不停地采集各种数据。CIM平台综合GIS、BIM和IOT,故而CIM平台具有四个维度,即空间+时间。
密度 BIM数据与三维GIS数据的最大区别之一就是密度差异。三维GIS数据虽然数据量也很大,但是数据量与面积是正相关的,单位面积下的模型密度差异很小。相比之下,BIM数据是纵向分布的,往往会在很小的一块地面上集中大量的模型。
CIM平台本质是一个“数据”平台,只有能够承载种类众多的数据,才可能在此之上开发相关应用。上述五个“度”都是围绕数据分析,我也一直认为CIM平台建设最核心的问题是如何承载城市级数据量的空间数据。然而,从目前看到的案例而言,没有任何一个“CIM”平台真正达到城市的标准。

3、GIS面对的机遇

前面分析过GIS的核心价值,现在我们来谈机遇。国家从政策层面支持CIM平台建设,对GIS行业无疑是重大的机遇。简单而言,我觉得建设CIM对GIS行业而言有三个影响:
出圈的机会 无论承认与否,GIS专业、行业都还比较小众。对大多数人而言,GIS可能只是中学课本里的3S之一,再没有更多的认知了。现在国家开始建设CIM平台,即使是外行人看到新闻,哪怕只是简单的介绍,也在不停地增加GIS知名度。令我很诧异的是,前一阵子接受一位高中生家长的咨询,他说GIS专业很有前途,决定让孩子大学报考GIS专业。这位家长并非圈内人士,相信他身边也没有圈内人士,否则也不会在网络上找陌生人咨询。我愿意相信他是从媒体上了解到国家建设CIM平台的新闻,进而才发现GIS专业,并决定让孩子将来投身这个专业。
促进行业发展 GIS专业比较悲哀的一点在于,开发能力强的学生很多都转行去互联网了。毕竟,上班就是为了挣钱,而GIS行业薪资待遇竞争力一直不强。现在国家要全面建设CIM平台,企业能有更多的项目创收,员工的收入自然也会跟着水涨船高。高收入吸引高级人才,高级人才促进行业发展。行业向上发展,企业才能够承担员工的高薪,从而形成良性的循环。
带动科研进步 GIS属于工具学科,与行业发展联系还是比较紧密的。行业向前发展必然会遇到问题;科研人员替行业解决问题可以拿到更多的经费。细看国内几大GIS企业,哪一家的背后没有高校背景?事实上,这些年三维GIS的发展是比较缓慢的,倾斜摄影问世这么多年,仍然残留很多技术问题,至今也没有得到真正的突破。充足经费的加持,有望能够吸引更多研究者投入CIM研究中,解决长久积攒的难题,促进理论和应用的进步。

4、GIS的核心价值

“机会只留给有准备的人”,要想抓住机遇,就得明白自身的核心价值。
前一阵子聆听一次行业会议,最大的感受就是大家都在夸自己的系统渲染效果多么好,雨雪烟雾各种特效亦真亦幻。比较有意思的是,一场会议下来,大家展示的系统看着都是一个味道,可见底层都是同一家的引擎。GIS行业追求渲染质量的原因大概有两个:
市场竞争的结果 大多数用户不懂技术,只能从表层进行好与坏的判断,结果自然是越漂亮的系统受到的评价越高。企业为了满足用户的需求,不断地提高渲染质量,进而带动行业走向如今的局面。
避重就轻的选择 三维GIS现在最大的问题不是好不好看,而是承载力不足的问题。连城市级的数据都渲染不好,更何况省级,甚至国家级,全球级?克隆地球终归只是一厢情愿而已。或许是知道这些问题不好解决,转而寻找其他的卖点,开始吹嘘三维场景的渲染质量。
我一直认为GIS行业用游戏引擎开发三维平台的方向是错误的。GIS的空间思维能够将数据与空间关联,从空间的角度管理、分析数据,从而挖掘出对用户有用的信息。从二维发展到三维,GIS的可视化能力无疑得到极大地增强。我们能够把现实世界克隆到计算机中,所以提出“数字孪生”的概念。但GIS绝不是给那些“数字孪生”平台提供一个数据底座,充当背景墙的角色。当一个三维GIS平台失去分析能力,那所剩下的只是一个粗制滥造的“3D 游戏”而已。
可悲的是,GIS现在连三维数据的承载也没做好。本来倾斜摄影数据就已经让三维GIS引擎摇摇欲坠,现在加上BIM数据,更是雪上加霜。不说别的,随便一栋高一点的建筑物,现在哪个GIS平台能把它的BIM数据完整加上来?
GIS的核心价值是什么?这是一个复杂的问题。作为一个多学科交叉产生的新学科,其自身并没有深刻的理论基础,一直以来作为工具促进其他专业的发展。这一点从GIS专业发表的论文就可以看出来,但凡有人在顶级的期刊上发表论文,其内容很少是关于GIS本身的理论与方法,而是利用GIS在别的领域做出什么成果。从内部来看,GIS人也不团结。作为交叉学科,GIS有太多研究方向,不同方向之间就如同两个专业一样陌生。当GIS开始做三维、做视频,就有圈内人士批判这不是GIS的本职工作。可GIS要是永远守着那一亩三分地,每年这么多毕业生靠什么就业呢?
我觉得GIS的核心价值是数据和分析。数据是GIS的根本,可以说整个GIS专业的理论和方法都是围绕数据建立起来的;分析则是GIS的饭碗,从空间维度对数据进行分析,发掘有价值的信息,从而促进其他行业发展,这正是GIS的价值体现。数据与分析缺一不可,没有分析的数据是死数据;没有数据的分析是空中楼阁。只有当两者相互结合,才能焕发出光芒,体现出价值。
当然,这里说的分析不仅仅是传统的空间分析算法,而是应该在其基础之上,全面发展出三维GIS空间分析算法体系,以各种三维数据为基础,必然可以使得很多在二维空间不可能完成的分析变成现实。然后,这些分析算法将扩展GIS的应用领域,不断地增加GIS的实用价值。

5、GIS遇到的挑战

CIM对GIS行业是机遇,对其他行业也可能是机遇。蛋糕摆在桌上,自然每个人都想分一块。随着国家政策的推出,很多圈外公司已经开始进入这个行业。或通过和GIS公司合作,进行优势互补;或自行研发,踌躇满志,向市场推出自己的产品。这其中站在最前列的当属游戏公司和游戏引擎公司。
EPIC通过和ESRI、超图、Cesium三家行业头部公司合作,推出UE4插件使得GIS数据能够利用UE4的强大渲染能力提高三维场景的渲染质量。前两天,万众期待的UE5终于推出体验版。与UE4不同,UE5设计之初就考虑支持GIS数据。UE5推出一种全新的数据管理和流送系统——世界分区(World Partition)。使用世界分区功能后,世界场景会以单个持久关卡的形式存在,并且场景会被划分成数个网格,数据会根据你的需求进行局部加载。以单个关卡加载完整的世界场景,这不就是三维GIS引擎吗?世界分区中的网格不就是地图格网吗?相信在UE5正式问世之后,EPIC将以更加独立的姿态重新进入GIS行业。
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虽然“三维GIS”的名字里带有“GIS”,但是GIS在这个专业里的存在感很弱。以倾斜摄影为例,可大致分为:数据采集、建模、优化和渲染。其中,采集属于摄影测量的领域;建模的理论和方法源于计算机视觉和计算机图形学;模型优化和渲染属于计算机图形学的范畴。因此,除非研究方向本来就是三维GIS的学生,其他GIS的学生无法进入这个行业,也无法解决这个行业面对的问题。即使是专门研究三维GIS的学生,进入行业之后,大多也在做着非常表层的工作。我经常有种感觉,在三维GIS行业,GIS专业的学生除了懂地图投影、空间坐标系之外,似乎没有别的优势。
但GIS人也不该气馁,更不应该转行。你眼中别人的长处并没有你想象的那么光鲜亮丽,其背后可能也是一堆窟窿。游戏渲染的速度快、画面美,但是场景小;电影动画渲染的场景大、画面美,但是速度慢;GIS渲染的场景大、速度快,但是画面不够美。游戏引擎确实渲染效果好,可那也是有代价的,代价就是无法承受大数据量。因此,游戏引擎决不是三维GIS的救世主。
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同时,发现自身的核心价值,去解决那些只有GIS人才能够解决的问题,而不是拿自己的短处去和别人的长处比。在CIM时代,我觉得GIS人应该从底层开始发力。
建立CIM数据模型 能够同时存储GIS、BIM,甚至IOT数据。GIS领域现在有CityGML,BIM领域有IFC,但两者都无法同时满足CIM的需要。国内在三维GIS方向的应用已经站在世界前列,如果能够推出一个面向CIM的数据模型,势必能够从理论和应用上都能超越西方。
研究三维GIS空间分析算法 GIS的空间分析能力一直是其最核心的价值之一,GIS从二维发展到三维,并不是单纯地把二维的空间分析算法照搬到三维,而应该去思考在三维空间中有哪些全新的空间分析算法,以进一步拓展GIS的应用领域。
研究CIM数据索引 要想利用好种类繁多、体量巨大的空间数据,离不开空间索引的支持。GIS领域已经有很多空间索引,例如四叉树、八叉树、R树、KD树等等。每种索引都有各自适用的情况,也有自己的不足。那能否有一种空间索引能够完美支持所有的空间数据,且能够同时满足空间查询与实时渲染的需求呢?
研究三维模型的表达方式 地图是对现实世界的抽象,点、线、面的符号使得在有限的幅面能够承载丰富的信息。从二维到三维,似乎在一夜之间把所有的抽象都丢了,一切都是三角面片。相比较于二维时代,三维GIS能够承载的数据范围急剧减少。三角面片绝不是实景三维最终的表达方式,而应该出现一种类似空间矢量的东西,或许几个线框就能够替代原来的成千上万的三角形。通过这种更紧凑的方式来表达三维场景,极大地降低三维模型的数据量,从而使得“克隆地球”不再只是一个理想。
当然,以上只是我结合自身工作提出的一些想法,或许不够成熟,但我相信在CIM时代存在很多需要GIS、只有GIS人能够解决的问题。解决这些问题,我们GIS人才能体现自身的价值,才能在CIM建设中不被淘汰。

6、总结

如果从本科入学开始算,不知不觉间已在GIS圈十多年。从本科时期迫切地想要转行,到研究生期间慢慢产生兴趣,乃至现在投身到GIS行业。这期间的心路历程或许是很多GIS人的缩影。本科班里不到三十人,如今还留在GIS行业的已然寥寥。回想当初选择留在GIS行业,无非是想学有所用,不愿丢下多年的积累罢了。
对于GIS而言,CIM是一个机遇。希望借着这个风口,能让更多人了解GIS、学习GIS、发展GIS;希望借着这个风口,能让更多GIS应届生选择留在GIS行业、建设GIS行业;希望借着这个风口,能让更多GIS企业推出更多真正具有自主产权的三维GIS产品。
最后,希望五年之后,这股风能够继续吹,而且吹的越来越大!

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