數(shù)字孿生城市建設(shè)對建模技術(shù)和城市表達(dá)模型的表達(dá)提出了新要求。傳統(tǒng)的城市建設(shè)在空間規(guī)劃上大體都停留在二維平面，遠(yuǎn)達(dá)不到智慧化要求，三維空間的有效感知與實(shí)景可視化日益成為城市建設(shè)管理的重要抓手，也是數(shù)字孿生城市的關(guān)鍵內(nèi)容。傳統(tǒng)三維空間數(shù)據(jù)模型大都面向特定的專業(yè)領(lǐng)域，如地質(zhì)模型、礦山模型、地表景觀模型等，這些模型大部分針對單一數(shù)據(jù)類型，不能表示多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)和軟件的耦合程度很高，重用價值不高，針對地上下和室內(nèi)外多粒度對象統(tǒng)一表達(dá)等難題，需要建立更高水平的城市級三維空間模型。
隨著“實(shí)景三維中國”的提出和BIM（Building InformationSystem）如火如荼的開展，城市模型表達(dá)進(jìn)入了第二個階段：BIM+GIS階段。城市宏觀尺度上的對象如建筑、道路等對象，都可以通過實(shí)景三維模型來表達(dá)，城市微觀尺度的對象如門窗、室內(nèi)對象等通過BIM模型來表達(dá)，實(shí)現(xiàn)初級的數(shù)字孿生。特別是自然資源部提出的全國“十四五”基礎(chǔ)測繪規(guī)劃編制工作，其中“實(shí)景三維中國”的提出和建設(shè)，被業(yè)內(nèi)描述為“一個有著萬億元前景的大市場”。我國各地市實(shí)景三維建設(shè)將大面積展開。不少行業(yè)和地區(qū)已先行試水，全國已有北京、上海、廣州、深圳、重慶、武漢、南京、嘉興、成都等地嘗試了三維模型或?qū)嵕叭S并獲好評。
隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的興起，從城市計算和智能分析的角度來看，現(xiàn)有的三維模型都是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)：即人眼可見，人腦可識別，但是電腦不可識別?，F(xiàn)有的城市信息表達(dá)模型只能成為“數(shù)據(jù)大”，不能稱為“大數(shù)據(jù)”。因此經(jīng)過語義化技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)提取和屬性自動掛接得到的新型城市模型表達(dá)CIM成為了數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)核心。一方面CIM除了三維視覺表現(xiàn)，還承載了城市要素的屬性信息；另一方面，CIM的幾何結(jié)構(gòu)和屬性信息均可以被計算機(jī)所理解，將城市三維模型從可視化階段真正引入城市計算領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)挖掘、統(tǒng)計、分析、決策，物理城市的數(shù)字表達(dá)經(jīng)歷了從最初的二維平面、到三維立體、到全要素結(jié)構(gòu)化的發(fā)展歷程。
一、核心技術(shù)
物理實(shí)體的數(shù)字孿生體，歸根結(jié)底就是一個個的模型和模型集合，所以建設(shè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的關(guān)鍵也在于模型表達(dá)。模型的建立方式隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)而迅速發(fā)展，不同來源、不同類型的空間三維數(shù)據(jù)愈來愈多，目前應(yīng)用于建筑物、構(gòu)筑物、道路、地下管線、地質(zhì)、水體和地表高程屬性數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的采集方法，主要有傳統(tǒng)三維建模軟件、三維激光掃描、航空攝影測量、移動測繪系統(tǒng)等。
隨著幾何生成技術(shù)、語義化技術(shù)、多模態(tài)多尺度空間數(shù)據(jù)智能提取術(shù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)、多分辨率空間索引和調(diào)度技術(shù)、高性能三維渲染等技術(shù)的不斷發(fā)展，促進(jìn)點(diǎn)云逆向建模、傾斜攝影實(shí)景三維重建、結(jié)構(gòu)化語義建模等城市模型表達(dá)方式不斷成熟，數(shù)字孿生城市的三維信息模型進(jìn)入了高精度、高效率、高真實(shí)感和低成本的全自動全要素結(jié)構(gòu)化表達(dá)的階段。
——多模態(tài)多尺度空間數(shù)據(jù)智能提取技術(shù)。
利用性能互補(bǔ)的多模態(tài)多尺度遙感數(shù)據(jù)獲取裝置，重點(diǎn)突破空地多模態(tài)多尺度光學(xué)影像自動空三和聯(lián)合精確定位、密集點(diǎn)云自動匹配、精細(xì)三維模型自動紋理采集和映射、激光LiDAR/全景相機(jī)和IMU等傳感器融合的同步定位和精細(xì)地圖構(gòu)建技術(shù)、激光點(diǎn)云的語義自動分析及提取、地物與人工建筑及其組件的語義特征識別與語義信息提取等核心關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于無人機(jī)/航空傾斜攝影、航空LiDAR的大場景真三維精細(xì)城市模型自動化構(gòu)建。
——語義化技術(shù)。
語義化即對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化加工處理，使其所包含的信息可以被計算機(jī)理解。大數(shù)據(jù)環(huán)境下，只有將數(shù)據(jù)進(jìn)行語義化處理之后，才能更快速、準(zhǔn)確地提取到所需要的信息，保證數(shù)據(jù)的無歧義理解和良好結(jié)構(gòu)化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)可量化索引。利用語義化技術(shù)，可以形成一個量化并可索引的城市描述信息，同時利用CIM的可擴(kuò)展性，可以接入人口、房屋、公司法人、安防設(shè)施、公安警務(wù)數(shù)據(jù)、住戶水電燃?xì)庑畔?、交通信息、公共醫(yī)療等諸多城市公共系統(tǒng)的信息資源，實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)應(yīng)用集成、跨部門信息共享，避免重復(fù)建設(shè)和信息化孤島。
——深度學(xué)習(xí)技術(shù)。
利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)，自動對實(shí)景三維檢測、分割、跟蹤矢量、掛接屬性入庫，將物理世界中多源異構(gòu)和多模態(tài)的空間大數(shù)據(jù)組織形成復(fù)雜龐大的數(shù)據(jù)語義網(wǎng)絡(luò)，解決跨領(lǐng)域的數(shù)據(jù)在幾何位置、屬性語義、邏輯等方面的相似性、不一致性問題；并結(jié)合天-空-地一體化化多源三維數(shù)據(jù)融合和可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)三維可視化向智能動態(tài)可視化轉(zhuǎn)變；CIM還可建立從描述性可視分析到解釋性可視分析和探索性可視分析的多層次可視分析體系，快速有效地從多模態(tài)實(shí)景三維大數(shù)據(jù)中發(fā)掘價值，支撐數(shù)字孿生各應(yīng)用領(lǐng)域的決策分析。
——三維渲染技術(shù)。
硬件方面主要是GPU實(shí)時渲染技術(shù)，軟件方面主要有RTC流計算、多視頻3D融合、基于深度學(xué)習(xí)的超分辨，以及實(shí)時光線追蹤技術(shù)。主流技術(shù)GPU采用Nivida體系,上層驅(qū)動directX或OpenGL，各家公司自研引擎,應(yīng)用于智慧城市以及游戲、醫(yī)療等各領(lǐng)域。利用WebGLVRARMR全息投影技術(shù)等，可提高對城市地理環(huán)境的真實(shí)化表達(dá)，給人們提供沉浸式體驗(yàn)。WebGL通過提供硬件三維加速渲染能力，實(shí)現(xiàn)利用顯卡在瀏覽器里展示3D場景和模型，支持空間地理數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)，可輕松應(yīng)對復(fù)雜3D數(shù)據(jù)的渲染。
VR技術(shù)使用戶沉浸其中，模擬環(huán)境的真實(shí)性與現(xiàn)實(shí)世界難辨真假，具有較強(qiáng)的人機(jī)交互能力。AR技術(shù)將虛擬信息與真實(shí)世界相互疊加補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)對真實(shí)世界的“增強(qiáng)”。MR技術(shù)通過全息圖，將現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境相互混合，即在新的可視化環(huán)境里物理和數(shù)字對象共存，并實(shí)時互動。全息投影技術(shù)利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬影像躍然于眼前，栩栩如生，令人難辨虛實(shí)，視覺效果強(qiáng)烈。
硬件方面主要是GPU實(shí)時渲染技術(shù)，軟件方面主要有RTC流計算、多視頻3D融合、基于深度學(xué)習(xí)的超分辨，以及實(shí)時光線追蹤技術(shù)。主流技術(shù)GPU采用Nivida體系,上層驅(qū)動directX或OpenGL，各家公司自研引擎,應(yīng)用于智慧城市以及游戲、醫(yī)療等各領(lǐng)域。利用WebGLVRARMR全息投影技術(shù)等，可提高對城市地理環(huán)境的真實(shí)化表達(dá)，給人們提供沉浸式體驗(yàn)。
WebGL通過提供硬件三維加速渲染能力，實(shí)現(xiàn)利用顯卡在瀏覽器里展示3D場景和模型，支持空間地理數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)，可輕松應(yīng)對復(fù)雜3D數(shù)據(jù)的渲染。VR技術(shù)使用戶沉浸其中，模擬環(huán)境的真實(shí)性與現(xiàn)實(shí)世界難辨真假，具有較強(qiáng)的人機(jī)交互能力。AR技術(shù)將虛擬信息與真實(shí)世界相互疊加補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)對真實(shí)世界的“增強(qiáng)”。MR技術(shù)通過全息圖，將現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境相互混合，即在新的可視化環(huán)境里物理和數(shù)字對象共存，并實(shí)時互動。全息投影技術(shù)利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬影像躍然于眼前，栩栩如生，令人難辨虛實(shí)，視覺效果強(qiáng)烈。
二.相關(guān)產(chǎn)業(yè)
隨著數(shù)字孿生城市興起，目前在城市全要素建模領(lǐng)域也涌現(xiàn)出一批創(chuàng)新能力強(qiáng)、業(yè)務(wù)產(chǎn)品突出的企業(yè)，從自動參數(shù)化建模，到實(shí)景三維建模，再到語義化建模都有不俗表現(xiàn)的代表性產(chǎn)品。自動參數(shù)化建模表達(dá)。51VR公司基于自動化建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生城市還原，通過靜態(tài)時空數(shù)據(jù)和動態(tài)天氣、光照等物理仿真，約6小時即可實(shí)時渲染構(gòu)建數(shù)千平方公里的L2級別數(shù)字孿生城市，實(shí)例如下：
1、實(shí)景三維模型表達(dá)。
由超圖公司牽頭起草，自然資源部信息中心、國家基礎(chǔ)地理信息中心等12家單位參與起草的《空間三維模型數(shù)據(jù)格式》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)日前正式發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種開放式可擴(kuò)展的三維地理空間數(shù)據(jù)格式——Spatial 3D Model（S3M），對傾斜攝影模型、人工建模數(shù)據(jù)、BIM、點(diǎn)云、三維管線、二維/三維點(diǎn)線面等各類數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，適用于海量、多源異構(gòu)三維地理空間數(shù)據(jù)和Web環(huán)境下的傳輸與解析，也為不同終端、不同應(yīng)用系統(tǒng)間的三維數(shù)據(jù)共享和互操作提供開放、標(biāo)準(zhǔn)、通用的數(shù)據(jù)格式基礎(chǔ)，兼容多種軟硬件環(huán)境，鼎立支撐實(shí)景三維中國和數(shù)字孿生城市建設(shè)。
2、語義化建模表達(dá)。
泰瑞數(shù)創(chuàng)目前已經(jīng)具有從三維語義建模到語義模型管理到語義模型應(yīng)用的全流程的技術(shù)方案，并已參與到上海公安、天津?yàn)I海城市大腦、上海臨港城市大腦等智慧城市建設(shè)中。語義模型組織采用OGC標(biāo)準(zhǔn)的CityGML數(shù)據(jù)組織方式和模型格式，它定義了城市中的大部分地理對象的分類及其之間的關(guān)系，而且充分地考慮了區(qū)域模型的幾何、拓?fù)洹⒄Z義、外觀屬性等。其中包括了主題分類之間的層次、聚合、對象之間的關(guān)系、空間屬性等。這些專題信息不僅僅是一種圖形交換格式，而且允許將城市三維模型部署到各種不同應(yīng)用中的復(fù)雜分析任務(wù)，例如仿真分析、城市數(shù)據(jù)挖掘等。CIM生產(chǎn)效率可以達(dá)到每小時自動提取至少3000棟單體語義模型；并且自動提取屋脊高度、屋頂方向等幾十種空間結(jié)構(gòu)信息。同時，也可通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)根據(jù)CAD或非數(shù)字化圖紙自動化生成室內(nèi)三維語義模型。
3、城市語義化建模表達(dá)
在可視化渲染上，從底層的GPU芯片,到上層圖形驅(qū)動，渲染引擎和開發(fā)工具等,基本都掌握在歐美國家手中。國內(nèi)目前做的應(yīng)用，都是在應(yīng)用層來做，并且大多引擎也是西方的開源引擎。高水平學(xué)者很多，但在軟件系統(tǒng)應(yīng)用，產(chǎn)品化上有明顯不足，還有很長的路要走。不過，近年來我們可以看到：一方面以SmartEarth VizDeck為代表的國內(nèi)二三維地理信息引擎通過GPU shader渲染和Streaming機(jī)制，實(shí)現(xiàn)城市海量空間數(shù)據(jù)的快速渲染及可視化調(diào)度，提升可視化渲染效率；另一方面以51VR為代表的國內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)引擎科技公司已通過自研云渲染PaaS架構(gòu)、實(shí)時渲染與物理仿真技術(shù)，提升可視化渲染效果；同時還有以阿里DataV為代表的大數(shù)據(jù)可視化渲染引擎，基于WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市大數(shù)據(jù)渲染，提供低成本可復(fù)用的數(shù)據(jù)可視化方案。這些都在逐漸縮短國內(nèi)與國外的差距。
三、應(yīng)用情況
來自政府部門的城市管理需求仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，包括在規(guī)劃、交通、公安、應(yīng)急、消防、水務(wù)、能源等領(lǐng)域?qū)?shí)景三維數(shù)據(jù)的應(yīng)用。與此同時，三維建模應(yīng)用也向著建筑工程、生態(tài)環(huán)保、文化遺產(chǎn)、景區(qū)服務(wù)、園區(qū)和社區(qū)信息化管理等新市場方向廣泛滲透，市場需求強(qiáng)烈。
1、城市規(guī)劃領(lǐng)域：
精確反映整個城市的建筑物分布情況以及城市地形，促進(jìn)有關(guān)部門和人員作出科學(xué)的城市規(guī)劃決策，以及城市重點(diǎn)區(qū)域動態(tài)監(jiān)測、違建取證與執(zhí)法等，推動城市健康發(fā)展。
2、建筑工程領(lǐng)域：
在設(shè)計階段，幫助設(shè)計師分析待建區(qū)域周邊建筑以及地形信息，將設(shè)計好的建筑模型置入場景中，進(jìn)行日照分析、風(fēng)能分析等；在建筑施工階段，可準(zhǔn)確反應(yīng)施工進(jìn)程，為施工管理做出決策；在建筑運(yùn)營與管理階段，輔助決策建筑物維護(hù)與裝修。
3、旅游領(lǐng)域：
三維實(shí)景模型可1:1還原景區(qū)模型，有助于景區(qū)展示、景區(qū)數(shù)字化宣傳，結(jié)合VR技術(shù)更可制作在線景區(qū)游覽程序，讓旅客足不出戶即可觀賞景區(qū)風(fēng)景。
