數(shù)字孿生下的超大城市空間三維信息的建設(shè)與更新技術(shù)研究

李志鵬 金雯 王斯健 王倫

摘? 要：當前，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G傳輸?shù)刃录夹g(shù)為核心的數(shù)字浪潮正在席卷全球，數(shù)字世界為了服務物理世界而存在，物理世界因為數(shù)字世界變得高效有序，數(shù)字孿生技術(shù)應運而生，影響著城市空間規(guī)劃布局、建設(shè)與發(fā)展。城市高時間分辨率的三維空間信息是數(shù)字孿生城市建設(shè)的基礎(chǔ)，該文圍繞城市空間三維地理信息建設(shè)與地理信息的現(xiàn)勢性，結(jié)合測繪遙感前沿技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸以及協(xié)同管理機制，全面思考了三維地理信息建設(shè)以及更新的技術(shù)手段，對城市信息化建設(shè)具有一定的參考應用價值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生? 三維地理信息? 更新機制? 測繪遙感

中圖分類號：P231 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）08（a）-0003-07

Research on the Construction and Updating Technology of Three-Dimensional Spatial Information of Megacities under Digital Twin

LI Zhipeng1? JIN Wen1? WANG Sijian1? WANG Lun2

（1.Shanghai Surveying and Mapping Institute， Shanghai， 200061 China;2.China Telecom， Suqian， Jiangsu Province， 223800 China）

Abstract： At present， the digital wave centered on new technologies such as Internet of Things， big data， artificial intelligence， and 5G transmission is sweeping the world. The digital world exists to serve the physical world. The physical world has become efficient and orderly， for the application of digital technology. Born， it affects the city planning， construction and development of urban space. The high-time resolution of urban three-dimensional spatial information is the basis of digital twinning city construction. This paper focuses on the three-dimensional geographic information construction of urban space and the currency of geographic information. Combined with the cutting-edge remote sensing technology， Internet of Things communication transmission and collaborative management mechanism， we research the construction and updated technical means of the three-dimensional geographic information， having certain reference application value for urban information construction.

Key Words： Digital twin; 3D geographic information; Update Mechanism; Surveying and remote sensing

對城市當前狀態(tài)的實時精準模擬和對未來狀態(tài)的準確預測是城市精細化管理的關(guān)鍵科學問題[1]。地理空間數(shù)據(jù)信息的現(xiàn)勢性是GIS的靈魂，它遠遠高于幾何精確性。從我國城市發(fā)展看，超大城市每年地表覆蓋的變化都達到40%以上[2]。要保持地理空間信息的現(xiàn)勢性確實是非常困難。

目前三維地理信息技術(shù)已經(jīng)成為人們最關(guān)注的行業(yè)熱點技術(shù)[3]。在數(shù)字孿生城市技術(shù)背景下，利用新型測繪技術(shù)可快速采集地理信息進行城市建模，是數(shù)字孿生城市建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。

城市信息模型平臺融合城市精準空間信息（如建筑、交通、水系、植被、基礎(chǔ)設(shè)施等城市地理實體的空間位置和屬性特征）和物聯(lián)網(wǎng)動態(tài)傳感器數(shù)據(jù)流（如視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、車輛軌跡數(shù)據(jù)、公交刷卡數(shù)據(jù)、停車場數(shù)據(jù)、道路卡口數(shù)據(jù)、地下官網(wǎng)數(shù)據(jù)、空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、水質(zhì)水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水電氣表數(shù)據(jù)等），對城市進行數(shù)字化孿生的城市三維信息建模，關(guān)聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)[4]。

要實現(xiàn)數(shù)字孿生城市建設(shè)，首先要建立城市信息模型平臺，要求城市空間地理信息以全空間、全要素、三維、實時更新的形式呈現(xiàn)，這對城市測繪與地理信息建設(shè)提出了很高的要求。利用新型測繪技術(shù)可以實現(xiàn)全空間、全要素三維地理信息場景的真實構(gòu)建。結(jié)合衛(wèi)星遙感、點云差分、物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建以及協(xié)同管理機制，可以較為完善地實現(xiàn)有效的城市地理信息變化檢測，進而實現(xiàn)快速更新，提高城市三維場景模型的現(xiàn)勢性。

1? 全息測繪技術(shù)構(gòu)建城市三維空間地理信息

利用全息測繪技術(shù)方案可以實現(xiàn)城市空間基礎(chǔ)設(shè)施三維信息的快速采集，構(gòu)建全空間、全要素的城市信息模型，采用衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)房屋建筑以及大范圍地物變更、點云差分檢測城市交通要素以及基礎(chǔ)設(shè)施部件變更，利用物聯(lián)網(wǎng)機制對城市核心地理要素進行實時地信號監(jiān)測，以及利用協(xié)同管理機制，整合地物變更情報，提高地理信息更新效率。通過有效的更新機制，可以保持城市信息模型的現(xiàn)勢性，進而可以構(gòu)建高性能的城市信息平臺，整合城市多源信息，建設(shè)數(shù)字化的城市基礎(chǔ)設(shè)施三維平臺，最終實現(xiàn)物理空間基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)字空間地理信息之間的數(shù)字孿生，如圖1所示。

航天和航空遙感技術(shù)近年來取得了飛速的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)趨向三多（多傳感器、多平臺、多角度）和三高（高空間分辨率、高光譜分辨率、高時相分辨率），從而可以每天發(fā)回大量的遙感數(shù)據(jù)，利用遙感數(shù)據(jù)，可以實時、自動地回答合適（when）、何地（where）、何目標（what object）、發(fā)生了什么樣地變化（what change）地“4W”問題。高分辨率遙感影像呈現(xiàn)出了更多的細節(jié)信息，利用變化檢測算法可以檢測出城市空間變更區(qū)域[9]（見圖6）。

2.2 點云差分技術(shù)

在獲得城市高精度三維激光點云數(shù)據(jù)成果的基礎(chǔ)上，通過不同時相的三維激光點云，對其進行分類，并按類別進行差分變化檢測，最終獲得城市空間三維地理信息的變化檢測結(jié)果，實現(xiàn)三維地理信息的更新（見圖7）。

2.3 利用物聯(lián)網(wǎng)機制，發(fā)現(xiàn)變更地物

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，簡稱IoT），主要是通過傳感器、通信模塊以及芯片等感知設(shè)備將物體進行聯(lián)網(wǎng)。

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對新型傳感器、芯片的需求逐漸增大，因此對其尺寸和功耗提出了更高的要求。而MCU（Micro Control Unit，微控制單元）和MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統(tǒng)）由于其高性能、低功耗和高集成度的優(yōu)勢，得到了全面發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層主要負責傳遞和處理感知層獲取的信息，分為有線傳輸和無線傳輸兩大類，其中無線傳輸是物聯(lián)網(wǎng)的主要應用。

萬物互聯(lián)的基礎(chǔ)在于數(shù)據(jù)傳輸，對于城市空間關(guān)鍵實體，通過在城市實體上安裝通信信號，將其物聯(lián)網(wǎng)化，利用通信傳輸介質(zhì)將其關(guān)聯(lián)到全空間、全要素的地理信息平臺上，使實體空間要素與數(shù)字地理信息模型實現(xiàn)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)字孿生。若實體空間發(fā)生改變，則物聯(lián)網(wǎng)信號源發(fā)生變化，數(shù)字地理信息平臺可實時監(jiān)測到物理地理空間的變化，從而做出響應，實現(xiàn)實時的更新。

2.4 利用協(xié)同管理機制，發(fā)現(xiàn)變更地物

城市測繪地理信息產(chǎn)品生產(chǎn)與服務端存在3個供需主體。一是測繪地理信息部門，是城市地理空間信息數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者和提供者;二是城市建設(shè)主體部門與行政職能管理部門，掌握地理信息要素變化情報，是地理空間要素實體的建設(shè)者和創(chuàng)造者，也是地理信息數(shù)據(jù)成果的最主要使用者;三是公共事業(yè)管理部門與廣大人民群眾，是地理信息產(chǎn)品應用的主體，是未來地理信息產(chǎn)業(yè)擴展服務的方向，也是最能反映地理信息產(chǎn)業(yè)服務能力的參與者[10]。

因此，在數(shù)據(jù)生產(chǎn)者、要素建設(shè)者和數(shù)據(jù)使用者之間建立良好的溝通渠道，是及時掌握地理信息變化情報和地理信息用戶最新需求的重要途徑。建立共享協(xié)同機制，以基礎(chǔ)地理信息服務平臺為橋梁，實現(xiàn)測繪地理信息部門與工程建設(shè)部門以及廣大群眾間的信息交流共享互通，快速掌握項目建設(shè)最新動態(tài)，及時更新地理信息變化數(shù)據(jù)。結(jié)合測繪地理信息內(nèi)部形成的地理信息成果定期更新平臺和機制，從而形成以建設(shè)信息為主、定期普查信息為輔、大眾互動參與信息為補充的地理信息數(shù)據(jù)更新情報獲取的科學新模式，既及時高效又科學可靠（見圖8）。

3? 研究結(jié)果

該文利用上海市某區(qū)域一個街區(qū)的車載和機載三維激光點云數(shù)據(jù)成果，進行了點云數(shù)據(jù)處理，并進行了道路與街坊內(nèi)部一體化高精度DEM的構(gòu)建（見圖9）。高精度DEM精度情況（見表3）。

該文利用全息測繪技術(shù)對城市空間三維信息進行制作，利用傾斜攝影制作單體化建筑模型，利用三維激光點云進行城市空間三維信息的提取，并匹配模板庫，進行三維場景的構(gòu)建（見圖10）。

基于DSM差分技術(shù)，對2018—2019年上海市嘉定區(qū)部分區(qū)域進行了變化檢測，得到房屋建筑物發(fā)生變化的檢測結(jié)果（見圖11）。

基于深度學習方法對季度更新的高分辨率衛(wèi)星影像進行變化檢測，對2018年到第二季度和第三季度衛(wèi)星影像處理，得到地理要素發(fā)生變化的檢測結(jié)果（見圖12）。

一旦建成物聯(lián)網(wǎng)機制，實現(xiàn)空間實體與數(shù)字化三維地理信息實時相互關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)應用。將為地理信息平臺引入大量的城市實時信息，可以有效實現(xiàn)地理信息動態(tài)更新（見圖13）。

4? 研究結(jié)論

該文圍繞城市空間三維地理信息建設(shè)與地理信息的現(xiàn)勢性，結(jié)合測繪遙感前沿技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸以及協(xié)同管理機制，全面思考了三維地理信息的建設(shè)以及更新的技術(shù)手段，對城市三維地理信息的現(xiàn)勢性提高具有重要的參考意義。

在未來，為實現(xiàn)城市信息的數(shù)字孿生，需要實現(xiàn)城市空間要素的物聯(lián)網(wǎng)化，結(jié)合5G傳輸技術(shù)實現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間的實時互動響應。此外，地理信息社會經(jīng)濟屬性的建設(shè)與更新需要協(xié)同管理機制，讓更多的機構(gòu)以及廣大人民群眾參與到數(shù)字孿生城市的建設(shè)中，實現(xiàn)數(shù)字孿生服務城市、服務于人的最終目的。

參考文獻

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