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(gè)人,都有其對(duì)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(xì)致模型,如同鏡子一樣,反映出城市的實(shí)時(shí)狀態(tài),同時(shí)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(yùn)營(yíng)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(gè)細(xì)節(jié)都得到了精準(zhǔn)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(shí)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(guó)測(cè)繪地理信息大會(huì)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(duì)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(dòng)我們走向一個(gè)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(gè)遙不可及的虛擬世界,但這個(gè)世界如同我們真實(shí)存在的世界一樣,不會(huì)憑空出現(xiàn)。它是將物理實(shí)體鏡像映射到虛擬空間,生成一個(gè)“數(shù)字雙胞胎”,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生世界與現(xiàn)實(shí)世界的孿生并行、虛實(shí)互動(dòng)。這需要多種技術(shù)和知識(shí)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(biāo)識(shí)、GIS與新型測(cè)繪、交互控制等多種技術(shù)。
實(shí)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(dá)國(guó)家早已展開了全力競(jìng)速。
韓國(guó)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(chǎng)、地下管道等設(shè)施的狀態(tài)。當(dāng)時(shí)韓國(guó)供水系統(tǒng)的漏水率高達(dá)14.1%,通過傳感器實(shí)時(shí)追蹤滲漏情況后,漏水率大為降低,僅在供水系統(tǒng)上,這項(xiàng)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(cè)空氣質(zhì)量,并自動(dòng)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(guó)IBM和迪比克市宣布共建美國(guó)首座智慧城市,它很快為全市更換了數(shù)控水電計(jì)量器;歐盟提出智慧城市建設(shè)目標(biāo);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(diǎn)。
但是現(xiàn)在看來,彼時(shí)這些數(shù)字孿生城市項(xiàng)目所嘗試的領(lǐng)域依然較為單一,運(yùn)用方式也較為簡(jiǎn)單,主要集中在排水管網(wǎng)、電網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(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(gè)轉(zhuǎn)型的新路徑、一股推動(dòng)各行業(yè)深刻變革的新動(dòng)力。正如北京大學(xué)教授、國(guó)際歐亞科學(xué)院院士鄔倫教授的觀點(diǎn),數(shù)字孿生將使我們能更深刻及時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)室合作,創(chuàng)新時(shí)空耦合數(shù)字孿生技術(shù),提出城市時(shí)空智能體解決方案。以統(tǒng)一的網(wǎng)格為基準(zhǔn),實(shí)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(shí)現(xiàn)高性能的時(shí)空查詢,通過城市孿生對(duì)象時(shí)空語(yǔ)義的感知和挖掘,構(gòu)建起跨部門、跨層級(jí)、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(cè)繪等技術(shù)其實(shí)早已不是新鮮詞,但正是因?yàn)檫@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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
數(shù)字孿生城市的時(shí)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(tái)是其中門檻較高的一道關(guān)卡。數(shù)字孿生的核心是對(duì)地理信息、物聯(lián)網(wǎng)感知以及各類的運(yùn)行態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,對(duì)數(shù)字世界進(jìn)行快速精準(zhǔn)地建模和表達(dá),實(shí)現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間的虛實(shí)交融、智能操控的映射關(guān)系,記錄仿真、預(yù)測(cè)對(duì)象全生命周期的運(yùn)行軌跡,實(shí)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(tái)管理地理時(shí)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(yùn)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(xiàng)技術(shù)能完美解決這些問題。首屆中國(guó)測(cè)繪地理信息大會(huì)上發(fā)布的《中國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2023)》對(duì)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(jià)值是提供了一個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shì)主要在于強(qiáng)大的場(chǎng)景表現(xiàn)力:一方面通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的渲染,可以構(gòu)建豐富精細(xì)的場(chǎng)景表現(xiàn),以便更好地還原世界;另一方面強(qiáng)大的物理引擎可真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)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(duì)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(shí)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(shì)結(jié)合在一起,在數(shù)據(jù)獲取后,打通數(shù)據(jù)管理、場(chǎng)景構(gòu)建和可視化表達(dá)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(dòng)數(shù)字孿生的跨界融合發(fā)展。
基于虛幻引擎的水庫(kù)泄洪虛擬仿真
目前,超圖、中地?cái)?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?cái)?shù)碼發(fā)布了新一代全空間智能GIS平臺(tái)MapGIS 10.6 Pro,其中最令人關(guān)注的莫過于數(shù)字孿生平臺(tái)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(shí)現(xiàn)孿生場(chǎng)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(fù)責(zé)孿生場(chǎng)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(guó)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(jià)值的階段,仍需時(shí)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(guó)產(chǎn)GIS尚未崛起之時(shí),國(guó)內(nèi)眾多政企單位只能從國(guó)外購(gòu)買價(jià)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(guó)外GIS軟件不完全匹配國(guó)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(diǎn),技術(shù)的研發(fā)需要高素質(zhì)的人才隊(duì)伍支撐,同時(shí)要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資金,這在很多企業(yè)看來是一項(xiàng)“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(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的國(guó)產(chǎn)GIS軟件,深耕信創(chuàng)GIS產(chǎn)業(yè)。從成功研制出“中國(guó)第一套可實(shí)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(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地理信息系統(tǒng) MapGIS”,解決了中國(guó)GIS軟件市場(chǎng)被國(guó)外壟斷的問題。近年來,中地?cái)?shù)碼不斷融合云計(jì)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(tái)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(huì)上,由深圳市城市公共安全技術(shù)研究院和中地?cái)?shù)碼集團(tuán)組成的“城安中地隊(duì)”從全球各地總計(jì)611個(gè)團(tuán)隊(duì)中脫穎而出,聯(lián)合作品《基于國(guó)產(chǎn)化GIS的深圳市CIM地下空間平臺(tái)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(jiǎng)。
該作品采用了具有跨平臺(tái)GIS內(nèi)核的國(guó)產(chǎn)化MapGIS平臺(tái)軟件,設(shè)計(jì)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(tái)框架?;趪?guó)產(chǎn)化MapGIS平臺(tái)開發(fā)的深圳市CIM地下空間平臺(tái)根據(jù)BIM精細(xì)化建模的建設(shè)路線,實(shí)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(duì)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(xì)化地下空間三維場(chǎng)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(gè)角落,借助傳感器采集信息實(shí)時(shí)傳輸,商場(chǎng)購(gòu)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(shí)現(xiàn)這個(gè)“美夢(mèng)”,暫且要等數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)新的突破。從中地?cái)?shù)碼對(duì)GIS基礎(chǔ)軟件的精耕成果中,我們已經(jīng)看到這一趨勢(shì)的加速。
我們足以相信,隨著各廠商對(duì)技術(shù)的不斷探索以及沉淀,補(bǔ)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(dòng)下,早日看到數(shù)字孿生城市的美好模樣。
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