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城市信息模型（City information modeling，CIM）是近年来才被业界提出的术语。对于CIM的理解，业内人士的普遍共识是：城市信息模型（CIM）是建筑信息模型（Building information modeling，BIM）概念在城市范围内的扩展；是以城市地理信息（Geographic information system，GIS）为基础，融合建筑物和基础设施的BIM模型信息，表达和管理城市历史、现状、未来的综合模型。
从空间范围上讲，CIM是“大场景GIS数据+小场景BIM数据+物联网IoT数据”的有机结合。BIM是组成CIM的“细胞”，通过解析单体建筑和城市构筑物，它可以提供丰富细致的建筑物信息，将城市管理的精细程度由建筑物级别提升到建筑物的构件级别。GIS可以对城市大场景的地表、地形、地貌进行数字化表达和还原，负责展现物体的空间位置信息，对城市建筑物及设施进行精准定位以及空间分析。将BIM和GIS数据相融合，可以形成包含宏观微观、室内室外、地上地下的多层次、多尺度的城市信息模型数据。物联网IoT数据提供了城市动态运行状况的实时、动态感知信息，它与BIM、GIS等静态、准静态空间数据相结合，构建起动静态相结合、时空一体化的城市综合信息模型。
2021年5月，住房和城乡建设部发布了《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》（修订版），将城市信息模型（CIM）定义为：城市信息模型（CIM）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。
《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》（修订版）除了从上述数据层面给出城市信息模型定义外，还从平台和应用层面，对CIM基础平台进行了定义：城市信息模型基础平台（CIM基础平台）是管理和表达城市立体空间、建筑物和基础设施等三维数字模型，支撑城市规划、建设、管理、运行工作的基础性操作平台，是智慧城市的基础性和关键性信息基础设施。
综上所述，CIM作为建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、物联网（IoT）三者的融合体，将数字化技术的应用从单体工程尺度延展到更大范围的城市尺度，从静态、准静态的空间模型数字化表达拓展到动静态相结合、实时在线化的城市数字化表达，对物理城市实施1∶1实时仿真、全要素映射到数字空间，这使得在虚拟空间中构建物理城市的数字孪生体成为可能。
本书对CIM的定义和内涵为：CIM是指以建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、物联网（IoT）等数字化技术为基础，融合城市地上地下、室内室外、历史现状未来等多源异构数据，形成城市信息模型，实现城市全要素、全参与方、全过程（简称“三全”）的数字化、在线化、智能化（简称“三化”），构建城市的数字孪生体，推动城市新治理、民生新服务、产业新发展、智慧新生态（简称“四新”）的城市数字化转型，实现城市的高质量发展，让城市更美好。CIM概念框架图如图1.1所示。
图1.1 CIM概念框架图
“三全”：全要素（包括产、城、人、环等城市核心要素）、全参与方（包括政府、企业和公众）、全过程（包括城市的规划、建设、管理、运营服务，城市的历史、现在和未来）
“三化”：数字化是基础，是围绕城市本体实现全过程、全要素、全参与方的数字化解构过程；在线化是关键，即通过泛在连接、实时在线、数据驱动，实现虚实有效融合的数字孪生的链接与交互；智能化是核心，即通过全面感知、深度认知、智能交互、自我进化，基于数据和算法逻辑无限扩展，实现城市以虚控实、虚实结合进行决策与执行的智能化革命。
“四新”：新治理面向城市治理领域，通过构建“一网统管”等智慧应用，实现“细胞级”城市精细化治理；新服务面向民生服务领域，通过“一网通办”等智慧应用，为公众提供高效的政务服务、社区服务等；新产业面向产业发展领域，通过智慧园区、智慧经济等应用，促进产业高质量发展；新生态面向生态治理领域，通过水生态、大气生态等智慧应用，实现城市生态环境“双碳”目标。
CIM以二三维一体化的城市GIS信息为基础，叠加城市建筑、地上地下设施的BIM信息以及城市物联网（IoT）信息，构建起三维数字空间的城市信息模型，是构建数字孪生城市的基础和关键信息。CIM的本质是构建城市数字孪生体，具体有如下3个特征。
（1）技术融合
CIM是多种技术的深度融合。城市综合治理是一项复杂的系统工程，单个技术不足以解决城市综合管理的问题。通过CIM平台，可以融合BIM、三维GIS、大数据、云计算、物联网（IoT）、模拟仿真等先进数字技术，同步形成与实体城市“孪生”的数字城市。其中，BIM技术构建小场景精细化建筑信息模型；GIS技术提供大场景时空数据；大数据提供数据融合及分析能力；云计算提供计算环境支撑；物联网实时感知城市运行状态；模拟仿真提供基于融合数据的时空推演能力。CIM平台通过融合多种数字化技术，打造城市数字孪生体的时空载体，包含了地上、地面、地下，过去、现在、未来全时空信息，为政府治理、社会民生和产业发展等提供数据决策依据，支撑城市规划、建设、管理、运营服务等垂直应用，全方位构筑城市治理综合体，服务智慧城市创新发展，使城市生命体更加智能。
（2）数据融合
CIM是多源异构数据的融合。智慧城市应用需要有效管理和融合城市空间模型数据和非空间模型数据（如智能感知数据、业务数据库等数据），支持不同来源、不同类型的城市数据信息的统一数据接入、数据访问服务。CIM从多源异构的城市空间与非空间模型数据的融合与表示出发，研究空间模型数据、智能感知数据、业务应用数据、文件及视频等多源异构数据的统一表示、统一接入和数据处理、异构数据的统一管理、统一计算分析等技术。
（3）业务融合
CIM是技术与城市治理业务的融合。CIM是以城市信息数据为基础，建立三维城市空间模型和城市信息的有机综合体。CIM是“大场景GIS数据+小场景BIM数据+物联网数据”的有机结合，属于智慧城市建设的基础数据。城市管理是个系统工程，CIM技术也在不断发展，CIM技术的发展和城市发展需要相互促进、相生共融、彼此依赖、共同发展。CIM平台赋能包含城市规划、建设、管理、运营服务在内的城市发展全领域，在实施路径上需跨界联合各相关领域，发挥各领域优势赋能业务融合作用，搭建城市智能中枢，实现“部门通”“系统通”“数据通”，优化城市管理原有的生产关系，最终形成城市发展的反馈、决策、治理的新型智慧城市建设完整闭环，为公众创造更美好的生活，促进城市的和谐可持续发展。
1）建筑信息模型
建筑信息模型（BIM）是创建并利用数字化模型对建筑工程项目进行设计、建造和运营全过程进行管理、优化的方法和工具。BIM模型以建筑工程项目的各项相关信息为基础，集成建筑物所有的几何形状、功能和结构信息，通过数字信息模型模拟建筑物所具有的真实信息，是针对建筑物实体及其功能特性的数字化表达。BIM模型包含建筑工程项目从策划设计、建造施工到运行维护全生命周期的所有信息，并将这些信息存储在同一个模型中。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性等特点。
BIM的应用可以使建筑项目的设计、建造、运营单位等所有参与方在建筑策划设计、建造施工到运行维护的整个生命周期，都能够在三维可视化模型中反馈信息和在信息中操作模型，进行协同工作，从根本上改变依靠文字、符号等形式表达的蓝图进行项目建设和运营管理的工作方式，实现在建筑项目全生命周期内提高工作效率和质量、降低资源消耗、节约成本、减少错误和降低风险的目标。
CIM与BIM分别面向城市对象和建筑对象。如果把城市看作一个复杂的“有机体”，那么建筑就是单个“细胞”。BIM赋予CIM更具象的信息、更微观的应用，聚焦工程项目建设，以信息化、数字化的手段驱动建设过程管理全面升级以及向资产运维的数据沉淀；CIM面向城市管理与城市运行，实现基于数字孪生的智慧城市应用。BIM为基于CIM的城市管理场景提供了更加具象的解决方案，如基于BIM的规划报建智能审批、施工图智能审查、工程项目建设管理、施工仿真模拟等应用。通过审查审批的BIM模型可用于更新CIM数据，源源不断地提供精细化建筑信息模型，积累城市数字资产，推动CIM+智慧应用。总的来说，CIM与BIM是宏观与微观、整体与局部的关系。
2）地理信息系统
地理信息系统（GIS）是一种特定的十分重要的空间信息系统。地理信息是指与所研究对象的空间地理分布有关的信息，它表示地表物体及环境固有的数量、质量、分布特征、联系和规律。GIS是在计算机硬、软件系统支持下，对地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS可以对空间信息进行分析和处理，将地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（如查询和统计分析等）集成在一起。
CIM与GIS是相辅相成、相互呼应的关系。在城市范畴中，GIS具有如下4点功能：
①提供二维和三维的基础底图和统一的坐标体系。
②连接每一个单体BIM模型（如市政地下管线、轨道交通、单体建筑等）。
③实现空间分析和管理。
④对规模性建筑群BIM数据进行管理。
前三个是GIS的传统功能，发展相对比较成熟，最后一个是CIM对GIS提出的新要求和新挑战。在CIM范畴内，GIS要集成BIM数据，并与BIM无缝融合，实现城市范围内海量大规模BIM模型数据的管理、加载和三维渲染呈现。从一定意义上讲，CIM技术是集大成者，汇聚了BIM与GIS的优势，将宏观大场景的GIS数据的存储、管理和分析与微观小场景的BIM数据可视化、数据存储和数据调度相结合，实现二者优势互补。
3）实景三维
实景三维（3D Real Scene）是近年来自然资源行业领域出现的一个新概念。根据自然资源部2021年发布的《实景三维中国技术大纲（2021版）》，实景三维的定义为：实景三维是对人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化反映和表达的数字虚拟空间，是新型基础测绘标准化产品，是国家新型基础设施建设的重要组成部分，为经济社会发展和各部门信息化提供统一的空间基底。实景三维通过在三维地理场景上承载结构化、语义化和物联实时感知的地理实体进行构建，按照表达内容通常分为地形级、城市级和部件级。
CIM与实景三维有相似之处，即二者都包含了宏观大场景的GIS数据、微观小场景的实体、部件三维模型以及IoT数据。二者的不同之处体现在以下3个方面。
（1）应用领域
在应用领域方面，实景三维源自国土空间规划、自然资源调查监测、自然资源政务服务等自然资源行业领域的管理需要；CIM的出现则源于对城市这个复杂庞大的系统智慧管理的需要，要满足城市规划、建设、管理和运营服务全过程的智慧管理需求。
（2）数据内容
在数据内容方面，实景三维是借助虚拟空间对客观世界的三维真实表达，其核心点就是“三维”与“真实”，重点是新型测绘成果的应用，不包含BIM数据。而CIM是综合BIM和GIS构成的虚拟城市，其核心点是“完整”与“关联”，是一个城市的整体，且每个三维实体间是有关联的，可分可合，系统也更为复杂。
（3）应用场景
在应用场景方面，实景三维的应用重点围绕自然资源领域山水林田湖草及城市、乡村的各类资源、基础设施的资产数字化和数据查询管理，空间范围较广，应用条线相对清晰。而CIM的应用涉及城市规划、建设、管理和运营服务全过程，涵盖的城市数字资产和业务对象种类繁多，其应用场景也是开放式的、不断演进和发展的，并且应用的复杂度和深度要远远超过实景三维。
4）数字孪生城市
根据美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的定义，数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，将现实世界的物理体、系统以及流程等复制到数字空间，构建虚拟世界的“数字克隆体”，在虚实之间形成一种双向映射、动态交换和有机联系的“数字孪生体”。
2017年底，中国信息通信研究院在国内首先提出了“数字孪生城市”的概念，将“数字孪生”的理念引入智慧城市领域，将数字孪生城市作为技术演进与需求升级驱动下新型智慧城市建设发展的一种新理念、新途径、新思路，并在2018年发布的《数字孪生城市研究报告（2018年）》中正式提出“数字孪生城市”的概念：数字孪生城市是支撑新型智慧城市建设的复杂综合技术体系，是城市智能运行持续创新的前沿先进模式，是物理维度上的实体城市和信息维度上的虚拟城市同生共存、虚实交融的城市未来发展形态。
数字孪生城市通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行，实现城市的全息模拟、动态监控、实时诊断、精准预测和控制，解决城市规划、设计、建设、管理、服务闭环过程中的复杂性和不确定性问题，全面提高城市物质资源、智力资源、信息资源的配置效率并改善其运转状态，推动城市全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、城市运行管理协同化和智能化，实现物理城市与数字城市协同交互、平行运转。
数字孪生城市的概念较为宏大、理念先进，但其本质并没有脱离智慧城市的范畴和总体架构，二者的区别在于内涵的延展、功能的增强和应用场景的扩充。可以认为，数字孪生城市是新型智慧城市建设发展的必由之路。
CIM的出现，为数字孪生城市的构建和落地应用提供了技术手段和可行性。CIM作为城市在虚拟空间的高精度、全要素数字化表达，是刻画城市细节，呈现城市运行状态，推演未来发展趋势的基础性、综合性信息模型，是实现数字孪生城市的核心和基础。而数字孪生城市的理念构想，也对CIM的发展提出了更高的要求，拓展了CIM的应用领域，对CIM的发展具有良好的牵引作用。
5）新型城市基础设施建设
新型城市基础设施建设（简称“新城建”）源自新型基础设施建设（简称“新基建”）。2018年12月，中央经济工作会议首次提出“新型基础设施建设”的概念。新型基础设施建设（“新基建”）主要包括5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网7大领域。2020年8月，住房和城乡建设部会同中央网信办等部门印发《关于加快推进新型城市基础设施建设的指导意见》，提出加快推进基于信息化、数字化、智能化的新型城市基础设施建设（“新城建”），以“新城建”对接“新基建”，引领城市转型升级，推进城市现代化。
“新城建”主要包括如下7大重点任务。
①全面推进城市信息模型（CIM）基础平台建设。
②实施智能化市政基础设施建设和改造。
③协同发展智慧城市与智能网联汽车。
④建设智能化城市安全管理平台。
⑤加快推进智慧社区建设。
⑥推动智能建造与建筑工业化协同发展。
⑦推进城市运行管理服务建设。
CIM是“新城建”的重要组成部分和重点建设内容之一。一方面，CIM作为整个城市发展的基础信息底座，可以构成城市三维空间的数字底板，为“新城建”提供多维、立体、动态的基础模型和基础操作平台；另一方面，CIM的建设可以为“新城建”领域的智能化市政基础设施监测管理、智慧城市与智能网联汽车的“车城网”平台、城市安全管理，智慧社区综合治理、智慧工地以及城市运行管理服务等应用场景的创新、深化应用和示范提供基础数据和平台支撑，对“新城建”的建设起到有力的促进作用。
CIM的整体框架涵盖设施层、数据层、平台层、应用层、用户层五个层次和政策法规与标准规范、运维管理与安全防护构建的两大体系，CIM业务功能架构图如图1.2所示。
图1.2∶CIM业务功能架构图
①设施层。该层涵盖云网端基础设施和时空信息云平台、电子政务系统等，是CIM应用的数据来源和数据采集层。
②数据层。该层涵盖时空基础数据、资源调查数据、规划管控数据、工程建设项目数据、公共专题数据、物联感知数据和由以上数据生成的CIM成果数据。数据层集成多源异构的CIM数据，为CIM+应用提供数据支撑。
③平台层。该层即为CIM基础平台，提供包含数据汇聚与管理、多源异构数据融合、数据查询与可视化、数据共享与交换、模型轻量化、空间分析与模拟、三维渲染引擎、空间数据管理与发布、IoT数据接入、系统运行与服务、开发接口等功能服务，为上层CIM+应用提供平台能力支撑。
④应用层。该层为基于CIM基础平台并实现涵盖整个城市的规划、建设、管理与运营服务全过程的CIM+业务应用，助力实现城市“规建管运”全过程的智慧化提升、精细化管理。
⑤用户层。该层面向政府部门、企事业单位、社会公众等不同用户类型，可基于Web端、移动端、大屏端、VR/AR等不同终端实现业务功能，便于不同类型的应用和用户场景的组合定制，服务于城市的各阶层用户。