在未來數字孿生城市中，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，都有其對應的數字孿生體。這些數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。數據成為城市的血液，借助無處不在的傳感器和智能化設備，城市的日常運營被全面數字化，從交通流量到空氣質量，從噪音污染到能源消耗，每一個細節(jié)都得到了精準的調控。這些數據不僅為城市居民提供了更優(yōu)質的生活環(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。
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與數字孿生城市建設”，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、虛幻引擎等技術的交織融合，正推動我們走向一個數字孿生的世界。
數字孿生城市“大爆炸”前期
雖然數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。它是將物理實體鏡像映射到虛擬空間，生成一個“數字雙胞胎”，進而實現數字孿生世界與現實世界的孿生并行、虛實互動。這需要多種技術和知識的交叉融合，包括數字孿生建模、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。
實際上，數字孿生技術在智慧城市建設的應用，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，它的設想是用無線傳感器，掌握停車場、地下管道等設施的狀態(tài)。當時韓國供水系統(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。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控水電計量器;歐盟提出智慧城市建設目標;澳大利亞開啟智慧電網改造，希望能快速定位到電力故障的發(fā)生地點。
但是現在看來，彼時這些數字孿生城市項目所嘗試的領域依然較為單一，運用方式也較為簡單，主要集中在排水管網、電網、燃氣管網、路燈等市政設施的管理。
而在當前階段，“數字孿生”不再僅僅是一種技術，而是成為一種發(fā)展新模式、一個轉型的新路徑、一股推動各行業(yè)深刻變革的新動力。正如北京大學教授、國際歐亞科學院院士鄔倫教授的觀點，數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，北京大學與華為2012實驗室合作，創(chuàng)新時空耦合數字孿生技術，提出城市時空智能體解決方案。以統(tǒng)一的網格為基準，實現政務專題數據上圖，構建數字孿生底板;基于統(tǒng)一網格實現高性能的時空查詢，通過城市孿生對象時空語義的感知和挖掘，構建起跨部門、跨層級、立體化、網格化的管理新模式，提供面向千行百業(yè)的智慧治理解決方案。
數字孿生建模、仿真推演、GIS與新型測繪等技術其實早已不是新鮮詞，但正是因為這些技術的沉積走向成熟、交織融合走向創(chuàng)新，才成為如今數字孿生城市爆發(fā)的堅實基礎。
數字孿生城市的時空數字底座
但若縱觀這些數字孿生城市關鍵技術，GIS基礎軟件平臺是其中門檻較高的一道關卡。數字孿生的核心是對地理信息、物聯網感知以及各類的運行態(tài)勢數據進行融合，對數字世界進行快速精準地建模和表達，實現物理空間與數字空間的虛實交融、智能操控的映射關系，記錄仿真、預測對象全生命周期的運行軌跡，實現系統(tǒng)內信息資源、物質資源的最優(yōu)化配置。GIS基礎軟件平臺管理地理時空數據，支撐各行業(yè)、各領域應用系統(tǒng)開發(fā)和運行，相當于地理信息的操作系統(tǒng)，其地位可想而知。
數字孿生技術已經從理論概念逐步到技術應用的階段，但是目前物理世界向虛擬世界的映射有諸多技術問題需要解決，尚沒有一項技術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之一，核心價值是提供了一個以地理學為依據的數據管理框架，并以此為基礎實現對各類數據資源的統(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力：一方面通過實時動態(tài)的渲染，可以構建豐富精細的場景表現，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實世界的運行規(guī)則，這正是數字孿生的迫切需求。相比虛幻引擎，GIS在數據層面更具有“兼容性”，針對城市發(fā)展的需要，各行業(yè)所需要的數據如遙感影像、矢量數據、物聯網、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，形成城市的數據資產。因此，如果將兩者的優(yōu)勢結合在一起，在數據獲取后，打通數據管理、場景構建和可視化表達的所有技術環(huán)節(jié)，形成一套高效的技術解決方案，必將大大推動數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、中地數碼、Esri等GIS企業(yè)均在探索與虛幻引擎的融合，推出數字孿生產品。今年10月，中地數碼發(fā)布了新一代全空間智能GIS平臺MapGIS 10.6 Pro，其中最令人關注的莫過于數字孿生平臺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數字孿生地球產品可以實現孿生場景的構建與管理，MapGIS Server for Unreal云渲染及虛擬仿真服務器產品負責孿生場景服務發(fā)布和云渲染服務管理，MapGIS 3DClient for Unreal前端開發(fā)產品則可以基于發(fā)布的服務來開發(fā)更多行業(yè)的數字孿生應用。
擺在數字孿生城市前的“壁壘”
雖然國內各大科技企業(yè)在數字孿生城市技術上做了諸多研究，但是從技術創(chuàng)新再到普及應用、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鍵核心技術沒能像GIS基礎軟件技術那樣打磨沉淀，技術不完善往往帶來不盡如人意的結果。
過去，在國產GIS尚未崛起之時，國內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用戶的業(yè)務條件，導致軟件使用諸多不便。然而，GIS基礎軟件具有技術門檻高、開發(fā)投入大、涉及范圍廣、相關技術需要超前布局提前研發(fā)等特點，技術的研發(fā)需要高素質的人才隊伍支撐，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GIS軟件，深耕信創(chuàng)GIS產業(yè)。從成功研制出“中國第一套可實際應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權的地理信息系統(tǒng) MapGIS”，解決了中國GIS軟件市場被國外壟斷的問題。近年來，中地數碼不斷融合云計算、大數據、物聯網、區(qū)塊鏈、人工智能、虛幻引擎等新技術，創(chuàng)新全空間GIS、大數據GIS、智能GIS、信創(chuàng)GIS、全棧開發(fā)等技術體系，推出全空間智能GIS平臺MapGIS 10.6 Pro，賦能CIM與數字孿生城市建設。
日前，在深圳市人民政府主辦的2023數字孿生先鋒城市創(chuàng)新大會上，由深圳市城市公共安全技術研究院和中地數碼集團組成的“城安中地隊”從全球各地總計611個團隊中脫穎而出，聯合作品《基于國產化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與創(chuàng)新應用賽道一等獎。
該作品采用了具有跨平臺GIS內核的國產化MapGIS平臺軟件，設計與構建了覆蓋多端、穩(wěn)定高效、安全可信的CIM地下空間平臺框架?；趪a化MapGIS平臺開發(fā)的深圳市CIM地下空間平臺根據BIM精細化建模的建設路線，實現地下工程BIM數據的質檢、接入，充分融合多尺度地質和管線三維模型，并能對BIM模型做輕量化承載、業(yè)務圖層組織、材質渲染等單體化和美化，形成地下空間數據底板，構建融合統(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字孿生技術不出戶知天下，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)院看病都能成為數字孿生城市中的日常。當然要想實現這個“美夢”，暫且要等數字孿生相關技術新的突破。從中地數碼對GIS基礎軟件的精耕成果中，我們已經看到這一趨勢的加速。
我們足以相信，隨著各廠商對技術的不斷探索以及沉淀，補齊技術短板，最終屬于數字孿生城市的技術基石將愈發(fā)成熟，而我們也將在眾多科技成果的驅動下，早日看到數字孿生城市的美好模樣。
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