在未來數(shù)字孿生城市中，每一座建筑、每一條道路、每一盞路燈、每一輛車，甚至每一個人，都有其對應(yīng)的數(shù)字孿生體。這些數(shù)字孿生體在虛擬世界中形成了城市的細致模型，如同鏡子一樣，反映出城市的實時狀態(tài)，同時也演示著未來的可能變化。數(shù)據(jù)成為城市的血液，借助無處不在的傳感器和智能化設(shè)備，城市的日常運營被全面數(shù)字化，從交通流量到空氣質(zhì)量，從噪音污染到能源消耗，每一個細節(jié)都得到了精準的調(diào)控。這些數(shù)據(jù)不僅為城市居民提供了更優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境，同時也為城市規(guī)劃者和決策者提供了重要的參考依據(jù)。
通過11月舉辦的首屆中國測繪地理信息大會分論壇“全空間智能GIS賦能CIM與數(shù)字孿生城市建設(shè)”，我們看到了人類對科技和創(chuàng)新的無限追求，人工智能、全空間三維GIS、虛幻引擎等技術(shù)的交織融合，正推動我們走向一個數(shù)字孿生的世界。
數(shù)字孿生城市“大爆炸”前期
雖然數(shù)字孿生城市看似是一個遙不可及的虛擬世界，但這個世界如同我們真實存在的世界一樣，不會憑空出現(xiàn)。它是將物理實體鏡像映射到虛擬空間，生成一個“數(shù)字雙胞胎”，進而實現(xiàn)數(shù)字孿生世界與現(xiàn)實世界的孿生并行、虛實互動。這需要多種技術(shù)和知識的交叉融合，包括數(shù)字孿生建模、可視化渲染、仿真推演、感知標識、GIS與新型測繪、交互控制等多種技術(shù)。
實際上，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市建設(shè)的應(yīng)用，各發(fā)達國家早已展開了全力競速。
韓國在2004年就提出了u-Korea發(fā)展戰(zhàn)略，它的設(shè)想是用無線傳感器，掌握停車場、地下管道等設(shè)施的狀態(tài)。當(dāng)時韓國供水系統(tǒng)的漏水率高達14.1%，通過傳感器實時追蹤滲漏情況后，漏水率大為降低，僅在供水系統(tǒng)上，這項革新平均每年為一座城市節(jié)約564萬美元。而u-環(huán)境系統(tǒng)，可以檢測空氣質(zhì)量，并自動開啟道路灑水系統(tǒng)。
2007～2009年期間，一波智慧城市的嘗試接連涌現(xiàn)。美國IBM和迪比克市宣布共建美國首座智慧城市，它很快為全市更換了數(shù)控水電計量器;歐盟提出智慧城市建設(shè)目標;澳大利亞開啟智慧電網(wǎng)改造，希望能快速定位到電力故障的發(fā)生地點。
但是現(xiàn)在看來，彼時這些數(shù)字孿生城市項目所嘗試的領(lǐng)域依然較為單一，運用方式也較為簡單，主要集中在排水管網(wǎng)、電網(wǎng)、燃氣管網(wǎng)、路燈等市政設(shè)施的管理。
而在當(dāng)前階段，“數(shù)字孿生”不再僅僅是一種技術(shù)，而是成為一種發(fā)展新模式、一個轉(zhuǎn)型的新路徑、一股推動各行業(yè)深刻變革的新動力。正如北京大學(xué)教授、國際歐亞科學(xué)院院士鄔倫教授的觀點，數(shù)字孿生將使我們能更深刻及時地刻畫和理解城市狀態(tài)及規(guī)律，走出只有局部沒有綜合、缺乏時空耦合與預(yù)見性造成的“頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳”“事后諸葛亮”等決策困境。
例如，北京大學(xué)與華為2012實驗室合作，創(chuàng)新時空耦合數(shù)字孿生技術(shù)，提出城市時空智能體解決方案。以統(tǒng)一的網(wǎng)格為基準，實現(xiàn)政務(wù)專題數(shù)據(jù)上圖，構(gòu)建數(shù)字孿生底板;基于統(tǒng)一網(wǎng)格實現(xiàn)高性能的時空查詢，通過城市孿生對象時空語義的感知和挖掘，構(gòu)建起跨部門、跨層級、立體化、網(wǎng)格化的管理新模式，提供面向千行百業(yè)的智慧治理解決方案。
數(shù)字孿生建模、仿真推演、GIS與新型測繪等技術(shù)其實早已不是新鮮詞，但正是因為這些技術(shù)的沉積走向成熟、交織融合走向創(chuàng)新，才成為如今數(shù)字孿生城市爆發(fā)的堅實基礎(chǔ)。
數(shù)字孿生城市的時空數(shù)字底座
但若縱觀這些數(shù)字孿生城市關(guān)鍵技術(shù)，GIS基礎(chǔ)軟件平臺是其中門檻較高的一道關(guān)卡。數(shù)字孿生的核心是對地理信息、物聯(lián)網(wǎng)感知以及各類的運行態(tài)勢數(shù)據(jù)進行融合，對數(shù)字世界進行快速精準地建模和表達，實現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間的虛實交融、智能操控的映射關(guān)系，記錄仿真、預(yù)測對象全生命周期的運行軌跡，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)信息資源、物質(zhì)資源的最優(yōu)化配置。GIS基礎(chǔ)軟件平臺管理地理時空數(shù)據(jù)，支撐各行業(yè)、各領(lǐng)域應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和運行，相當(dāng)于地理信息的操作系統(tǒng)，其地位可想而知。
數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)從理論概念逐步到技術(shù)應(yīng)用的階段，但是目前物理世界向虛擬世界的映射有諸多技術(shù)問題需要解決，尚沒有一項技術(shù)能完美解決這些問題。首屆中國測繪地理信息大會上發(fā)布的《中國地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告(2023)》對此作出了分析。
GIS作為最早用于城市管理的技術(shù)之一，核心價值是提供了一個以地理學(xué)為依據(jù)的數(shù)據(jù)管理框架，并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一管理和整合。虛幻引擎的核心優(yōu)勢主要在于強大的場景表現(xiàn)力：一方面通過實時動態(tài)的渲染，可以構(gòu)建豐富精細的場景表現(xiàn)，以便更好地還原世界;另一方面強大的物理引擎可真實模擬現(xiàn)實世界的運行規(guī)則，這正是數(shù)字孿生的迫切需求。相比虛幻引擎，GIS在數(shù)據(jù)層面更具有“兼容性”，針對城市發(fā)展的需要，各行業(yè)所需要的數(shù)據(jù)如遙感影像、矢量數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、傾斜攝影、建筑信息模型等，都可以整合到統(tǒng)一時空框架內(nèi)，形成城市的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。因此，如果將兩者的優(yōu)勢結(jié)合在一起，在數(shù)據(jù)獲取后，打通數(shù)據(jù)管理、場景構(gòu)建和可視化表達的所有技術(shù)環(huán)節(jié)，形成一套高效的技術(shù)解決方案，必將大大推動數(shù)字孿生的跨界融合發(fā)展。
基于虛幻引擎的水庫泄洪虛擬仿真
目前，超圖、中地數(shù)碼、Esri等GIS企業(yè)均在探索與虛幻引擎的融合，推出數(shù)字孿生產(chǎn)品。今年10月，中地數(shù)碼發(fā)布了新一代全空間智能GIS平臺MapGIS 10.6 Pro，其中最令人關(guān)注的莫過于數(shù)字孿生平臺MapGIS TwinWorld了。它由 MapGIS Earth for Unreal、MapGIS Server for Unreal、 MapGIS 3DClient for Unreal三部分組成。其中MapGIS Earth for Unreal數(shù)字孿生地球產(chǎn)品可以實現(xiàn)孿生場景的構(gòu)建與管理，MapGIS Server for Unreal云渲染及虛擬仿真服務(wù)器產(chǎn)品負責(zé)孿生場景服務(wù)發(fā)布和云渲染服務(wù)管理，MapGIS 3DClient for Unreal前端開發(fā)產(chǎn)品則可以基于發(fā)布的服務(wù)來開發(fā)更多行業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用。
擺在數(shù)字孿生城市前的“壁壘”
雖然國內(nèi)各大科技企業(yè)在數(shù)字孿生城市技術(shù)上做了諸多研究，但是從技術(shù)創(chuàng)新再到普及應(yīng)用、發(fā)揮價值的階段，仍需時日。若深究原因，很大一部分原因是有些關(guān)鍵核心技術(shù)沒能像GIS基礎(chǔ)軟件技術(shù)那樣打磨沉淀，技術(shù)不完善往往帶來不盡如人意的結(jié)果。
過去，在國產(chǎn)GIS尚未崛起之時，國內(nèi)眾多政企單位只能從國外購買價格昂貴的GIS軟件來管理寶貴的地理信息資源，一方面信息安全無法保證，另一方面國外GIS軟件不完全匹配國內(nèi)用戶的業(yè)務(wù)條件，導(dǎo)致軟件使用諸多不便。然而，GIS基礎(chǔ)軟件具有技術(shù)門檻高、開發(fā)投入大、涉及范圍廣、相關(guān)技術(shù)需要超前布局提前研發(fā)等特點，技術(shù)的研發(fā)需要高素質(zhì)的人才隊伍支撐，同時要耗費大量的時間和資金，這在很多企業(yè)看來是一項“得不償失”的投入。
但是敢想敢干的中地人始終致力于發(fā)展自主可控且具有國際競爭力的國產(chǎn)GIS軟件，深耕信創(chuàng)GIS產(chǎn)業(yè)。從成功研制出“中國第一套可實際應(yīng)用的彩色地圖編輯出版系統(tǒng) MapCAD”，到率先研制出“中國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的地理信息系統(tǒng) MapGIS”，解決了中國GIS軟件市場被國外壟斷的問題。近年來，中地數(shù)碼不斷融合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能、虛幻引擎等新技術(shù)，創(chuàng)新全空間GIS、大數(shù)據(jù)GIS、智能GIS、信創(chuàng)GIS、全棧開發(fā)等技術(shù)體系，推出全空間智能GIS平臺MapGIS 10.6 Pro，賦能CIM與數(shù)字孿生城市建設(shè)。
日前，在深圳市人民政府主辦的2023數(shù)字孿生先鋒城市創(chuàng)新大會上，由深圳市城市公共安全技術(shù)研究院和中地數(shù)碼集團組成的“城安中地隊”從全球各地總計611個團隊中脫穎而出，聯(lián)合作品《基于國產(chǎn)化GIS的深圳市CIM地下空間平臺研究及探索》榮獲地下空間專題技術(shù)與創(chuàng)新應(yīng)用賽道一等獎。
該作品采用了具有跨平臺GIS內(nèi)核的國產(chǎn)化MapGIS平臺軟件，設(shè)計與構(gòu)建了覆蓋多端、穩(wěn)定高效、安全可信的CIM地下空間平臺框架。基于國產(chǎn)化MapGIS平臺開發(fā)的深圳市CIM地下空間平臺根據(jù)BIM精細化建模的建設(shè)路線，實現(xiàn)地下工程BIM數(shù)據(jù)的質(zhì)檢、接入，充分融合多尺度地質(zhì)和管線三維模型，并能對BIM模型做輕量化承載、業(yè)務(wù)圖層組織、材質(zhì)渲染等單體化和美化，形成地下空間數(shù)據(jù)底板，構(gòu)建融合統(tǒng)一的精細化地下空間三維場景。
或許未來的某一天，我們普通人也可以靠著數(shù)字孿生技術(shù)不出戶知天下，通過智能終端游覽城市的每一個角落，借助傳感器采集信息實時傳輸，商場購物、公園散步、醫(yī)院看病都能成為數(shù)字孿生城市中的日常。當(dāng)然要想實現(xiàn)這個“美夢”，暫且要等數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)新的突破。從中地數(shù)碼對GIS基礎(chǔ)軟件的精耕成果中，我們已經(jīng)看到這一趨勢的加速。
我們足以相信，隨著各廠商對技術(shù)的不斷探索以及沉淀，補齊技術(shù)短板，最終屬于數(shù)字孿生城市的技術(shù)基石將愈發(fā)成熟，而我們也將在眾多科技成果的驅(qū)動下，早日看到數(shù)字孿生城市的美好模樣。
（免責(zé)聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容主要來自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網(wǎng)站出現(xiàn)的信息，均僅供參考。本網(wǎng)站將盡力確保所提供信息的準確性及可靠性，但不保證有關(guān)資料的準確性及可靠性，讀者在使用前請進一步核實，并對任何自主決定的行為負責(zé)。本網(wǎng)站對有關(guān)資料所引致的錯誤、不確或遺漏，概不負任何法律責(zé)任。
任何單位或個人認為本網(wǎng)站中的網(wǎng)頁或鏈接內(nèi)容可能涉嫌侵犯其知識產(chǎn)權(quán)或存在不實內(nèi)容時，應(yīng)及時向本網(wǎng)站提出書面權(quán)利通知或不實情況說明，并提供身份證明、權(quán)屬證明及詳細侵權(quán)或不實情況證明。本網(wǎng)站在收到上述法律文件后，將會依法盡快聯(lián)系相關(guān)文章源頭核實，溝通刪除相關(guān)內(nèi)容或斷開相關(guān)鏈接。 ）
