什么是將地理空間信息可視化的“GIS（地理信息系統(tǒng)）”？

GIS是“Geographic Information System”的縮寫，中文譯為“地理信息系統(tǒng)”，是指把用于不同目的的各種信息在地圖上進行可視化的系統(tǒng)。此類與空間中的地點或區(qū)域的位置信息相關連的信息，即有關事物或現(xiàn)象的信息則被稱為“地理空間信息”。例如，根據(jù)不同目的，用不同顏色顯示某個區(qū)域或地點的人口分布、地價、建筑物的屬性信息、水災時的浸水程度等；或?qū)⑷伺c物的移動、氣象的變化等流動性信息可視化；亦或疊加顯示不同類型的地理空間信息。以此可將多種信息同時可視化。這樣一來人們就能夠直觀地掌握所需的信息，從而實現(xiàn)快速且復雜的分析和判斷。

GIS的活用目的多種多樣，除了城市規(guī)劃、災害時的防災地圖、防災計劃，生活基礎設施的監(jiān)測等以外，還可以用于評價從房地產(chǎn)建筑物到車站等處的交通便利性，以及商業(yè)設施開店計劃所需的商業(yè)區(qū)分析等方面。

另外，在貼近我們生活的場景中，汽車導航系統(tǒng)和智能手機的地圖應用程序等可以說是GIS的代表性服務。此類應用程序是將建筑物的信息和交通狀況等地理空間信息，附加并顯示在通過GPS獲取到的地圖中的地點以及區(qū)域上。

活用GIS，將所需的地理空間信息可視化，以此就能快速理解、分析和判斷。

以往的GIS的課題和高端的“3D城市模型”的必要性

過去，GIS大多都是2D顯示，隨著技術(shù)的發(fā)展，3D顯示也開始被廣泛使用，它能根據(jù)使用目的，讓地理空間信息更易于理解并可視化。現(xiàn)在智能手機的地圖應用程序等也能輕松地利用3D顯示的服務。

然而，代表性服務中的3D顯示，是用幾何形狀（三角形或多邊形）構(gòu)成地面狀態(tài)的3D多邊形的“幾何模型”，所以地形、建筑物、相鄰建筑物、街道等都是以不加區(qū)分的狀態(tài)被可視化。因此，很難將位置信息、3D數(shù)據(jù)和詳細的地理空間信息高精度地結(jié)合起來。

例如，細致分析和模擬城市規(guī)劃、防災計劃等以及實現(xiàn)智能城市，城市的數(shù)字孿生化則必不可少。在這個高端的用途中存在的課題是，要制作準確且精細的3D數(shù)據(jù)作為根基，需要花費很多工時和費用。在這個背景下，開放且高精度的3D城市模型的必要性逐漸提高，各國都開始進行數(shù)據(jù)的整備和活用。

什么是國際標準“CityGML”和日本的3D城市模型“PLATEAU”？

除了國家和地方自治體，如果企業(yè)和個人等各種人士要把3D數(shù)據(jù)用于多樣化目的，必須的條件就是要遵循共同的平臺。為此，采用地理空間信息領域的國際標準化團體OGC（Open Geospatial Consortium，開放地理空間信息聯(lián)盟）作為國際標準制定的“CityGML”，就可以使3D城市模型的數(shù)據(jù)在日本國內(nèi)外得到廣泛應用。

另外，在CityGML中，除了以往統(tǒng)一由幾何形狀構(gòu)成的“幾何模型”外，還采用了“語義模型”，將各建筑物和街道進行區(qū)分定義，并分別賦予了高度和屬性信息，因此就可以應對需要細致性和高精度的高端用途。

“PLATEAU”是符合CityGML的3D城市模型的開放數(shù)據(jù)，由日本政府直接管轄的行政機關國土交通省主導。日本為了實現(xiàn)Society5.0（超智能社會），所以公開了“PLATEAU”。PLATEAU雖然起步晚于先行活用CityGML的各個國家，但作為超大規(guī)模的開放式3D城市模型（參考日本行政機關國土交通省報道公布資料/2022年8月），覆蓋了日本全國56個城市、約1萬Km2面積、約1千萬棟建筑物，并一直在不斷更新和擴大使用案例。

PLATEAU主要由以下3種數(shù)據(jù)構(gòu)成。

一種是從飛機上用激光輪廓儀“航空測量”出的高度數(shù)據(jù)和“航空攝影”到的圖像數(shù)據(jù)，以往主要用于2D數(shù)據(jù)制作。另一種是地方自治體和市町村制作的2D地圖數(shù)據(jù)“城市規(guī)劃基本圖”。還有一種是根據(jù)《城市規(guī)劃法》，通過“城市規(guī)劃基礎調(diào)查”所調(diào)查出的豐富數(shù)據(jù)，包括各建筑物的屬性、構(gòu)造、規(guī)格、種類、建筑年數(shù)等，以往主要在地區(qū)內(nèi)使用。

因為從零開始構(gòu)建3D城市模型會花費巨大的成本，所以像以上這樣，將過去調(diào)查和獲取的有效數(shù)據(jù)挖掘出來，并活用在3D城市模型這一新的格式中，從而使3D城市模型的構(gòu)建費用得到了大幅度削減。

另外，在PLATEAU中，不僅能下載可應對各種3D圖形用軟件的開放數(shù)據(jù)，還公開了在Web瀏覽器上能夠顯示任意區(qū)域和地點的3D模型及各種信息的“PLATEAU VIEW”（圖1）。

圖1使用PLATEAU VIEW，按照不同用途，用顏色區(qū)分顯示澀谷站周邊的各個建筑物。（使用日本行政機構(gòu)“國土交通省（MLIT）”的PLATEAU VIEW https://www.mlit.go.jp/plateau/app/進行顯示）

利用3D城市模型的開放數(shù)據(jù)的優(yōu)點

符合國際標準CityGML的3D城市模型PLATEAU的開放數(shù)據(jù)支持多種應用程序，也可用于商業(yè)用途，因此除了日本政府和地方自治體，所有行業(yè)的企業(yè)和個人創(chuàng)作者等，任何人都可以將PLATEAU的開放數(shù)據(jù)用于多樣化目的。

另外，開放數(shù)據(jù)有一個很大的優(yōu)點是，它可以根據(jù)不同目的，使用與坐標高精度聯(lián)動的3D模型以及建筑物的紋理和其屬性信息等。由于開放數(shù)據(jù)與坐標高精度聯(lián)動，因此可以準確地將目標數(shù)據(jù)分配到目標區(qū)域和目標位置的3D模型上。這樣就可以活用在各個方面，例如更高端的模擬、城市規(guī)劃、現(xiàn)實社會與網(wǎng)絡空間聯(lián)動的數(shù)字孿生。同時，還可以活用在采用精細3D模型游戲用3D背景和采用高精度VR（虛擬現(xiàn)實）/AR（增強現(xiàn)實）的娛樂和交流等方面。

此外，在CityGML中，可以通過LOD（Level of Detail,多層次細節(jié)）這一概念，將3D對象的詳細程度進行集中管理。現(xiàn)在，CityGML由多達4個階段構(gòu)成，包括從使用立方體形狀的對象來表現(xiàn)建筑物的LOD1，到除了建筑物外觀的細致性以外，還可以連接室內(nèi)3D數(shù)據(jù)的LOD4（圖2）。以往的3D對象針對比例尺的變化容易變得復雜化，而現(xiàn)在已經(jīng)可以集中有效地管理、存儲和利用同一對象的不同詳細程度的數(shù)據(jù)。這樣一來我們俯視到的城市和近距離看到的建筑物，乃至建筑物內(nèi)部都能實現(xiàn)無縫3D顯示。例如，可以進入網(wǎng)絡空間的商業(yè)設施實際購物，實現(xiàn)這種商業(yè)的數(shù)字孿生化。

圖2CityGML的LOD概念圖（參考日本行政機關國土交通省PLATEAU網(wǎng)站https://www.mlit.go.jp/plateau/app/ 編輯制作）

此外，CityGML還具有一種叫做ADE（Application Domain Extension, 應用領域擴展）的功能，可擴展地物及屬性定義。它可以根據(jù)不同目的，添加相關信息（圖3）。并且，遵循ADE的格式而擴展的信息還可以用于其他目的和用途。

圖3通過CityGML的ADE而擴展的數(shù)據(jù)（參考日本行政機關國土交通省PLATEAU網(wǎng)站https://www.mlit.go.jp/plateau/編輯制作）

3D城市模型的活用范例

下面，以PLATEAU的使用案例為基礎，按照不同目的為大家介紹以CityGML為格式的3D城市模型的活用范例。

以城市規(guī)劃為目的而開展的分析和模擬

即使是與商業(yè)用途和住宅鄰接的地區(qū)，也可以使用每個建筑物的信息來探討細致的分區(qū)。例如，可以使用建筑物的屬性信息等豐富數(shù)據(jù)來分析適宜養(yǎng)育孩子的區(qū)域等，可有助于探討城市政策。

對于在地理位置上夏天氣溫容易顯著上升的城市，可以將熱空氣的停滯和流動性可視化，“建設什么樣的城市才能使居民的生活變得舒適？”，可以通過模擬將這個問題可視化，并開展探討。

將過去到現(xiàn)在的城市變化可視化并進行分析。“如果改變城市的人行道和車道，人和車輛的動向會如何變化？”，掌握這一點就能提高城市規(guī)劃的精度。

以掌握災害風險和防災計劃為目的的模擬

使用包含高度信息的3D城市模型，針對地區(qū)的災害風險進行模擬分析，就可以探討出更細致、精度更高的避難計劃和防災計劃。

通過模擬，將洪水和海嘯等災害可視化，就可以按各個建筑物來預測受災情況。例如，針對難以迅速避難的老年人的移動問題，以及難以從住所和工作地點前往避難所等情況，可以制定出向較高建筑物等進行有效的“垂直方向避難”的計劃。根據(jù)適合垂直方向避難的建筑物的高度和屬性（鋼筋或木造等）的數(shù)據(jù)，除了公共設施，同時也鼓勵民用大樓，探討多樣化的避難方法。

以改善城市和設施為目的的監(jiān)測

使用從攝像機和傳感器中獲取的信息，將城市活動可視化并進行分析。可以開展有效的人流模擬，幫助改善人行道等城市活動路線。此外還有一個舉措的調(diào)查方法是，通過居民佩戴的智能手表，將傳感器和攝像機無法完全掌握的人流移動路線數(shù)據(jù)化和可視化，提取城市課題并加以改善。

在高速鐵路干線的主要車站等人們的活動路線趨于復雜的大規(guī)模設施中，通過LOD4連接室內(nèi)數(shù)據(jù)，可以將車站內(nèi)外的人流可視化，并在3D城市模型上顯示出來。將人們?nèi)菀酌月坊驌頂D的地點可視化，可有助于改善包括活動線路在內(nèi)的空間設計。

通過對某個地點周邊建筑物的屬性和人流的監(jiān)測，還可以針對宣傳內(nèi)容，活用在適宜且高效的室外廣告登載計劃方面。

活用于交流和娛樂

可以在連接室內(nèi)外數(shù)據(jù)的3D虛擬空間中進行城市漫步，或在商業(yè)設施內(nèi)接待顧客及開展交流。通過活用開放數(shù)據(jù)，可以在控制成本的同時，實現(xiàn)通過數(shù)字孿生進行商品銷售和城市宣傳。

身在實際城市中的AR（增強現(xiàn)實）用戶和身在遠程的VR（虛擬現(xiàn)實）用戶，雙方通過共享坐標數(shù)據(jù)，可以在同一地方共享觀光、逛街、購物等體驗。此外，發(fā)揮各建筑物存在區(qū)分的數(shù)據(jù)特性，還可以提供活用了AR的商店街各店鋪的向?qū)Ш托畔ⅰＡ硗膺€有一些舉措是，通過使用了實際城市的3D數(shù)據(jù)的游戲，向國內(nèi)外的人們宣傳城市，以幫助吸引游客和振興地區(qū)。

通過數(shù)據(jù)主導，同時實現(xiàn)電子設備的高效運用

以上重點列舉了對城市和人們發(fā)揮作用的DX(數(shù)字化轉(zhuǎn)型)的活用范例。另一方面，要監(jiān)測城市并獲取數(shù)據(jù)，以及開展業(yè)務自動化，數(shù)據(jù)通信則必不可少。而要進行數(shù)據(jù)通信，必須使用電子設備。在探討這些設備的高效運用時，也可以活用通過3D城市模型進行的模擬和數(shù)據(jù)。

例如，在進行人流監(jiān)測時，不能毫無限制地設置傳感器攝像機。因此，可以使用3D城市數(shù)據(jù)進行模擬，探討傳感器和攝像機的設置計劃，可有助于用有限的臺數(shù)進行高效傳感并獲取數(shù)據(jù)。

另外，在無線通信方面，基站配置計劃必不可少，在制定計劃時也可以活用3D城市模型進行分析和模擬。并且，在今后有待擴大導入的物流無人機的飛行模擬方面，3D城市模型的活用也備受期待。如果能從具備各建筑物高度信息的3D城市模型中，選擇安全的立體飛行路線，就能解決人工進行現(xiàn)場調(diào)查的工時問題。

如上所述，CityGML標準的3D城市模型并不局限于政策、計劃、服務等方面，硬件和設備所需的規(guī)格、運用方法的探討等，各種活用方法都將受到期待。3D城市模型的活用，是實現(xiàn)真正的數(shù)字孿生的重大進展，隨著使用案例的增加，3D城市模型一定會成長為更加豐富充實的開放數(shù)據(jù)，讓所有行業(yè)和所有身份的人都能以新的構(gòu)思廣泛活用。

審核編輯 黃宇