朱 慶，張利國,2，丁雨淋，胡 翰，葛旭明，劉銘崴，王 瑋

1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756; 2.川藏鐵路有限公司，四川 成都 610045; 3.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(鐵一院)，陜西 西安 710043; 4.四川視慧智圖空間信息技術(shù)有限公司，四川 成都 610083

測(cè)繪源于人類生活生產(chǎn)需求，有著悠久的歷史，測(cè)繪也因?yàn)槿藗儾粩嘣鲩L(zhǎng)的美好需求和社會(huì)進(jìn)步而快速發(fā)展。測(cè)繪的主要對(duì)象是地球，測(cè)繪的內(nèi)涵是關(guān)于地球時(shí)空信息的表示、獲取、處理、存儲(chǔ)、分析和應(yīng)用。由于地球的幾何結(jié)構(gòu)與外觀具有典型的三維和動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，因此地球時(shí)空信息的動(dòng)態(tài)三維表達(dá)是測(cè)繪的基本任務(wù)[1]。在信息通信技術(shù)快速發(fā)展的助推下，測(cè)繪技術(shù)日新月異，其中，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)三維空間定位、三維空間數(shù)據(jù)快速獲取、高性能三維可視化、復(fù)雜的三維空間分析等技術(shù)和裝備，近年來已成為國際測(cè)繪科技競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)、前沿和高地。特別是我國城鎮(zhèn)化建設(shè)對(duì)三維立體自然資源的一體化管理與精細(xì)化治理，對(duì)城市治理體系和治理能力的現(xiàn)代化提出了重大戰(zhàn)略性發(fā)展需求，地球時(shí)空信息動(dòng)態(tài)三維表達(dá)成為既迫切又必不可少的核心關(guān)鍵技術(shù)支撐，測(cè)繪技術(shù)從二維到三維的轉(zhuǎn)型升級(jí)因此面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇和巨大挑戰(zhàn)[2-3]。自然資源部2019年11月印發(fā)的《自然資源部信息化建設(shè)總體方案》提出，要“全面增強(qiáng)自然資源三維動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與態(tài)勢(shì)感知能力”“推進(jìn)三維實(shí)景數(shù)據(jù)庫建設(shè)”。實(shí)景三維中國被認(rèn)為是數(shù)字中國的空間基底和統(tǒng)一的空間定位框架與分析基礎(chǔ)，在全國范圍內(nèi)作為新型基礎(chǔ)測(cè)繪的標(biāo)志性工作得到大力推進(jìn)。

近年來，我們所處的世界高度互聯(lián)，多種要素之間日益密集而復(fù)雜的因果關(guān)系導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)急劇增加，各種互饋?zhàn)饔煤图?jí)聯(lián)效應(yīng)常產(chǎn)生許多不良的副作用，如交通擁堵、事故災(zāi)難等。傳統(tǒng)分部門分專業(yè)的還原論方法，試圖從復(fù)雜城市各個(gè)部分或各個(gè)方面的特性理解城市，已經(jīng)無法準(zhǔn)確洞察各種復(fù)雜的集體行為，亟須更有效的手段提升對(duì)城市整個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)的可預(yù)測(cè)性和可控性。歐盟委員會(huì)為此提出了多層級(jí)的數(shù)字孿生生態(tài)概念，包括地方數(shù)字孿生(local digital twins，LDTs)、區(qū)域數(shù)字孿生(RDTs)和國家數(shù)字孿生(NDTs)(https:∥digital-strategy.ec.europa.eu/en/events/workshop-local-digital-twins-technology，2021)。LDTs的核心思想是面向城市地方政府和相關(guān)社會(huì)需求，構(gòu)建城市物理資產(chǎn)、過程和系統(tǒng)的虛擬表示，這些表示直接與資產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)相連，支持人工智能算法、數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，可生成隨物理世界變化而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新的數(shù)字仿真模型?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出，要“探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”，旨在通過數(shù)字孿生賦能城市大腦，加速提升城市整體性和系統(tǒng)性治理的智能化水平[4-5]。本文中的實(shí)景三維模型定義為物理世界中自然與人造實(shí)體對(duì)象三維立體結(jié)構(gòu)與外觀的數(shù)字表達(dá)。同理，實(shí)景三維中國定義為中國國土范圍內(nèi)自然與人造實(shí)體對(duì)象三維立體結(jié)構(gòu)與外觀的數(shù)字表達(dá)。數(shù)字孿生模型定義為人機(jī)物三元世界中各實(shí)體對(duì)象及其行為，以及相互作用與機(jī)理的綜合表達(dá)。實(shí)景三維模型是數(shù)字孿生模型的空間基底和統(tǒng)一的空間定位框架與分析基礎(chǔ)。實(shí)景三維模型與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)合用于描述物理世界的實(shí)際狀況也被認(rèn)為是最基礎(chǔ)的數(shù)字孿生模型。比如，數(shù)字孿生城市被認(rèn)為是通過對(duì)現(xiàn)實(shí)城市各實(shí)體和要素的數(shù)字化與實(shí)時(shí)感知，在網(wǎng)絡(luò)空間中重建一個(gè)與之一一對(duì)應(yīng)的虛擬城市[6]。從實(shí)景三維模型到數(shù)字孿生模型，具有典型的“數(shù)字化-信息化-智能化”技術(shù)演進(jìn)和“數(shù)據(jù)服務(wù)-信息服務(wù)-知識(shí)服務(wù)”需求升級(jí)特點(diǎn)[7-8]。數(shù)字孿生模型有助于實(shí)現(xiàn)地上-地表-地下多場(chǎng)耦合作用下的復(fù)雜時(shí)空過程精細(xì)模擬分析，以及更精準(zhǔn)的診斷性和預(yù)測(cè)性空間智能服務(wù)。因此，從實(shí)景三維模型到數(shù)字孿生模型，人們對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的感知與認(rèn)知能力得到極大的提升。

從實(shí)景三維建模到數(shù)字孿生建模已成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)與智慧社會(huì)建設(shè)、發(fā)展的基本需求，全社會(huì)都十分關(guān)注，從國家到地方，從城市到鄉(xiāng)村，廣泛開展了各種探索性實(shí)踐，在建設(shè)內(nèi)容、技術(shù)途徑和應(yīng)用模式等方面均存在較大差異。比如，在全國范圍內(nèi)要進(jìn)行可靠的滑坡災(zāi)害隱患排查，在全省范圍內(nèi)要進(jìn)行可靠的耕地非農(nóng)化監(jiān)測(cè)，在城市范圍內(nèi)要進(jìn)行水災(zāi)內(nèi)澇防范和疫情隔離疏散等，通常需要不同粒度不同模態(tài)的實(shí)景三維模型或數(shù)字孿生模型。為此，本文以數(shù)字鄉(xiāng)村、未來社區(qū)和智能鐵路等典型應(yīng)用場(chǎng)景為例，探討從實(shí)景三維建模到數(shù)字孿生建模的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)涵。

1 實(shí)景三維建模的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)涵

自然資源部2021年9月印發(fā)的《自然資源三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫主數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方案》明確，“實(shí)景三維中國的地形級(jí)、城市級(jí)、部件級(jí)三維數(shù)據(jù)構(gòu)成全國統(tǒng)一的三維空間框架，從而為各類自然資源的直觀表達(dá)提供三維空間基底”。在自然資源部2021年8月印發(fā)的《實(shí)景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱(2021版)》中分別規(guī)定了地形級(jí)、城市級(jí)和部件級(jí)實(shí)景三維建模內(nèi)容：①地形級(jí)實(shí)景三維建模，構(gòu)建地形級(jí)地理場(chǎng)景、基礎(chǔ)地理實(shí)體，獲取其他實(shí)體數(shù)據(jù)，組裝生成地形級(jí)實(shí)景三維產(chǎn)品，服務(wù)宏觀規(guī)劃；②城市級(jí)實(shí)景三維建模，構(gòu)建城市級(jí)地理場(chǎng)景、基礎(chǔ)地理實(shí)體，獲取其他實(shí)體數(shù)據(jù)，組裝生成城市級(jí)實(shí)景三維產(chǎn)品，服務(wù)精細(xì)化管理；③部件級(jí)實(shí)景三維建模，構(gòu)建部件三維模型，獲取其他實(shí)體數(shù)據(jù)，組裝生成部件級(jí)實(shí)景三維產(chǎn)品，服務(wù)個(gè)性化應(yīng)用。實(shí)景三維建模按地形、城市和部件三級(jí)進(jìn)行劃分，除了考慮城市與農(nóng)村的差別、自然地物與人工地物的差別，更主要的是考慮國家和地方多層級(jí)管理對(duì)模型的精度(accuracy)、細(xì)節(jié)程度(detail)和現(xiàn)勢(shì)性(up-to-date)等需求不同。

實(shí)景三維模型從實(shí)際需求和字面理解，實(shí)景反映模型接近真實(shí)的程度及其直觀性與真實(shí)感，三維則反映立體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表達(dá)的精確性與可計(jì)算性。實(shí)際上，并不是所有地理場(chǎng)景都要事無巨細(xì)地實(shí)景三維表達(dá)，不同管理層級(jí)和不同專業(yè)通常需要不同粒度、不同模態(tài)的實(shí)景三維模型，這些模型要能反映事物的本質(zhì)特征，而把那些在分析計(jì)算中并無積極作用的細(xì)節(jié)和機(jī)制隔離出來(圖1)。

圖1 實(shí)景三維模型的典型細(xì)節(jié)層級(jí)

如圖1所示，大到整個(gè)地球非常宏觀的范圍、小到房間非常圍觀的范圍，各種實(shí)體幾何-外觀-語義表達(dá)的細(xì)節(jié)層級(jí)主要有4種[9]。其中，LOD 0以2D地圖表達(dá)為主，實(shí)體圖斑描述了地理要素平面空間中的位置和格局，真實(shí)性則依賴實(shí)景影像，而地下和室內(nèi)的實(shí)體則難以在該細(xì)節(jié)層級(jí)有效表達(dá)。LOD 1以2.5維的數(shù)字高程模型(DEM)為主，疊加數(shù)字正射影像(DOM)，構(gòu)建直觀表達(dá)連續(xù)地形起伏特征的數(shù)字地形景觀模型，或可量測(cè)地面高程的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景(但不能量測(cè)地物高度)[10]。各種2D專題地圖信息(包括地質(zhì)調(diào)查圖信息或者塊體模型)都可疊加在該細(xì)節(jié)層級(jí)場(chǎng)景中，因此廣泛應(yīng)用于復(fù)雜艱險(xiǎn)地區(qū)的地形地質(zhì)虛擬踏勘和自然資源規(guī)劃管理等[11]。LOD 2的主要空間框架是一種2.75 D的數(shù)字表面模型(DSM)，最典型的是傾斜攝影測(cè)量網(wǎng)格模型(Mesh)和帶語義標(biāo)識(shí)的點(diǎn)云模型[8]。在LOD 2細(xì)節(jié)層級(jí)，地理實(shí)體被視為獨(dú)立的對(duì)象，山、水、林、田、地質(zhì)體或建筑物以單體化的網(wǎng)格模型、點(diǎn)云模型或矢量表面模型等多模態(tài)進(jìn)行表示，在具備真實(shí)感外觀的基礎(chǔ)上，地理實(shí)體被賦予了更詳細(xì)的語義信息，廣泛應(yīng)用于數(shù)字鄉(xiāng)村、精細(xì)農(nóng)業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域。LOD 3聚焦實(shí)體的3D立體結(jié)構(gòu)，可以利用建筑信息模型(BIM)、體素模型(Voxel)、或三維邊界表示模型(B-Rep)等進(jìn)行精細(xì)化表達(dá)，不僅包含了實(shí)體的模型表面信息，而且描述了實(shí)體的3D立體組成結(jié)構(gòu)、屬性、部件間的語義關(guān)聯(lián)關(guān)系及其動(dòng)態(tài)變化，該細(xì)節(jié)層級(jí)模型由于語義信息豐富因此具有重要的科學(xué)性、分析性和智能性，廣泛應(yīng)用于城市大腦、數(shù)字孿生和設(shè)施智能管理等領(lǐng)域。

各種粒度不同的實(shí)體對(duì)于不同細(xì)節(jié)層級(jí)和不同模態(tài)的實(shí)景三維建模，往往需要明顯不同的技術(shù)手段。其中廣域范圍連續(xù)分布的地形表面和大量離散分布人工地物的實(shí)景三維建模，最具挑戰(zhàn)性。關(guān)于大范圍高精度數(shù)字高程模型的快速獲取已有許多成熟的技術(shù)，比如基于立體衛(wèi)星影像、航空攝影測(cè)量或傾斜攝影測(cè)量、機(jī)載激光掃描等。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《實(shí)景三維地理信息數(shù)據(jù)激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)規(guī)程(CH/T 3020—2018)》定義，實(shí)景三維地理信息數(shù)據(jù)指的是“基于影像匹配或激光掃描技術(shù)獲取的反映地物三維信息的數(shù)據(jù)”[12]。實(shí)際上，對(duì)于四川、西藏、云南等多云多雨山區(qū)，星載和機(jī)載SAR數(shù)據(jù)也是重要的三維數(shù)據(jù)源。當(dāng)前的關(guān)鍵技術(shù)難題在于不同復(fù)雜地形與數(shù)據(jù)條件下各種噪聲和地物的自動(dòng)化濾波處理[12]。對(duì)于城市地區(qū)，為了滿足精準(zhǔn)化的暴雨洪澇防控等需求，精細(xì)化的高精度DEM獲取與動(dòng)態(tài)更新仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。常規(guī)依靠航空攝影測(cè)量或機(jī)載激光掃描的手段難以有效獲得全域范圍可靠的DEM，尤其是影響地表徑流、滲透和排水的關(guān)鍵細(xì)節(jié)信息。因此融合城市建設(shè)和不透水面等信息是城市高精度DEM建模的重要途徑。

關(guān)于各種人工地物的實(shí)景三維建模一直是測(cè)繪和計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域研究的前沿問題[1-2,13]。當(dāng)前主要的技術(shù)途徑有兩類，基于傾斜影像和基于激光掃描點(diǎn)云。由于立體城市空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，多類型、多平臺(tái)和多時(shí)相的點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合處理是實(shí)景三維建模的基本途徑，其基本思想是將具有不同視角、密度、精度、尺度、細(xì)節(jié)、時(shí)間歷元等特征的多點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性融合表達(dá)與集成處理，建立可直接面向計(jì)算分析的智能化表達(dá)的多點(diǎn)云模型[14]。城市級(jí)自動(dòng)化建模技術(shù)已經(jīng)愈發(fā)成熟，能夠通過全自動(dòng)的方式高效獲取大范圍準(zhǔn)確的三角網(wǎng)模型；但是復(fù)雜實(shí)體精細(xì)化建模特別是部件級(jí)建模的自動(dòng)化程度和模型修復(fù)準(zhǔn)確度仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)，例如如何實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)多傳感器點(diǎn)云之間的有效融合，如何消除實(shí)景三維模型的精確化建模對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和完備性的依賴，如何建立具有正確空間拓?fù)潢P(guān)系的精細(xì)化三維實(shí)景模型，如何進(jìn)行城市級(jí)實(shí)景三維模型的快速更新等?？傊?，實(shí)景三維中國建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)有兩大方面：①低成本高效數(shù)據(jù)采集，依賴于高效高精度的新型測(cè)繪傳感器，以降低海量數(shù)據(jù)獲取成本；②自動(dòng)化建模與更新，依賴于智能化的實(shí)景三維空間信息處理技術(shù)，以降低人工干預(yù)，提升自動(dòng)化建模與更新的可靠性。

(1)多模態(tài)數(shù)據(jù)高效獲取。新型測(cè)繪傳感器在不斷提高數(shù)據(jù)獲取精度的同時(shí)，還可顯著加快數(shù)據(jù)獲取速率，降低成本。面向全球尺度高精度均質(zhì)的三維地形構(gòu)建，TanDEM-X開創(chuàng)了單發(fā)雙收雙星伴飛的InSAR應(yīng)用模式，通過多基線干涉、升降軌融合等手段[15-16]，完成了全球高程精度優(yōu)于4 m(LE90)的DSM模型構(gòu)建，我國的天繪二號(hào)衛(wèi)星[17]是國際上繼德國TanDEM-X系統(tǒng)后的第2個(gè)微波干涉測(cè)繪衛(wèi)星系統(tǒng)。為快速采集更精細(xì)的地形數(shù)據(jù)，相比于傳統(tǒng)線掃式機(jī)載激光雷達(dá)，單光子激光雷達(dá)掃描儀在相同點(diǎn)云密度、高程精度的前提下，可實(shí)現(xiàn)更大的相對(duì)航高與航速，數(shù)據(jù)采集效率可提升10倍以上[18-19]，其能力已在歐洲和北美的廣泛應(yīng)用中得到了驗(yàn)證[20]。在多云多雨等氣象條件復(fù)雜的我國西南地區(qū)，常規(guī)光學(xué)測(cè)繪手段對(duì)35%以上的四川省高精度DEM空白區(qū)無能為力，機(jī)載毫米波InSAR由于其較小的基線構(gòu)型，可搭載于輕小型飛行平臺(tái)，且測(cè)繪幅寬大、測(cè)繪精度高，具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。在三維城市建模方面，航空傾斜攝影測(cè)量受限于空域申請(qǐng)和成本問題難以大范圍推廣，隨著衛(wèi)星影像分辨率和定位精度的不斷提升，如0.3 m分辨率的WorldView-3、Pleiades Neo，“衛(wèi)星傾斜攝影測(cè)量”成為一種切實(shí)可行的城市大規(guī)模實(shí)景三維建模手段。SpaceNet構(gòu)建了多視角衛(wèi)星傾斜影像數(shù)據(jù)集[21-22]，用于開展衛(wèi)星傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維建模研究[23-24]。

(2)自動(dòng)化實(shí)景三維建模。以深度學(xué)習(xí)為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)智能處理方法已經(jīng)廣泛用于實(shí)景三維建模過程中，解決對(duì)應(yīng)性關(guān)系[25-26]、空間位置關(guān)系[27]、物理形態(tài)[27]、語義屬性[28]和時(shí)序變化關(guān)系[29]等基本問題，顯著提升了實(shí)景三維建模的自動(dòng)化程度和可靠性。利用光學(xué)立體測(cè)繪衛(wèi)星的高精度地形建模，在我國已形成了一年一版的更新能力并推廣至全球[30]。在典型城市環(huán)境中，從影像到具有簡(jiǎn)單屋頂結(jié)構(gòu)的建筑物實(shí)景三維建模，已形成了一些高效的初步解決方案[31-32]。當(dāng)前城市三維建模的主要困難在于建筑林立的復(fù)雜城區(qū)，建筑之間相互遮擋問題嚴(yán)重，具有精細(xì)立面結(jié)構(gòu)和清晰紋理信息的結(jié)構(gòu)化建筑物建模，仍嚴(yán)重依賴人工交互。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域的逆向過程化建模方法[33]，通過實(shí)景三維數(shù)據(jù)，逆向恢復(fù)規(guī)則化建筑物語法及其參數(shù)化表達(dá)，過程化地構(gòu)建精細(xì)建筑物模型及其紋理具有一定的實(shí)用價(jià)值[34]。在復(fù)雜城市環(huán)境，準(zhǔn)確還原建筑物頂部、立面、底部等結(jié)構(gòu)和構(gòu)建街道場(chǎng)景的精細(xì)模型，天空地多源數(shù)據(jù)的融合建模也是一大難點(diǎn)。此外，作為實(shí)景三維建模主要數(shù)據(jù)源的傾斜影像與激光雷達(dá)點(diǎn)云，二者的深度學(xué)習(xí)模型相互獨(dú)立，其融合當(dāng)前僅停留在模型結(jié)果的投票，以及光譜、幾何屬性等淺層次特征的簡(jiǎn)單疊加[35]，如何構(gòu)建通用的空間智能系統(tǒng)，統(tǒng)一解決幾何位置、語義屬性、時(shí)序關(guān)系等基本問題，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合的智能建模也是亟待解決的關(guān)鍵。

2 數(shù)字孿生建模的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)

相比實(shí)景三維建模有攝影測(cè)量和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等領(lǐng)域長(zhǎng)期的技術(shù)發(fā)展與豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，數(shù)字孿生建模是近年來才興起的新鮮事物。數(shù)字孿生概念源于工業(yè)系統(tǒng)，至今廣泛應(yīng)用于制造、建筑、航空航天、鐵路、水利水電和城市等越來越多的領(lǐng)域[35-36]。數(shù)字孿生模型與已有各種數(shù)字表示如CAD、BIM、GIS等相比，最大特點(diǎn)是數(shù)字生態(tài)與物理生態(tài)虛實(shí)共生、互饋演繹，融合人機(jī)物三元世界全生命周期實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)持續(xù)不斷的迭代優(yōu)化，具備更全面的綜合感知能力和更適宜人機(jī)協(xié)同的系統(tǒng)表達(dá)能力，通過以虛控實(shí)有助于實(shí)現(xiàn)整個(gè)物理系統(tǒng)的最優(yōu)化目標(biāo)，比如更準(zhǔn)確地診斷、更好地短期預(yù)測(cè)、改善系統(tǒng)內(nèi)各要素之間的互動(dòng)。華為技術(shù)有限公司2021年出版的《數(shù)字孿生城市白皮書》從物理空間與數(shù)字空間的數(shù)據(jù)關(guān)系、物理狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)度、數(shù)字使能控制物理實(shí)體3個(gè)維度定義了數(shù)字孿生城市應(yīng)用能力分級(jí)評(píng)估模型，從L0至L4共5級(jí)，包括數(shù)字框架、單向數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、雙向數(shù)據(jù)單域智能、雙向區(qū)域智能和全域智能。Gartner發(fā)布的2019年十大戰(zhàn)略性技術(shù)趨勢(shì)中第4就是數(shù)字孿生，并預(yù)計(jì)有75%實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)的組織已經(jīng)使用或計(jì)劃在一年內(nèi)使用數(shù)字孿生(https:∥www.gartner.com/)。中國信息通信研究院出版的《數(shù)字孿生城市白皮書(2020年)》認(rèn)為，數(shù)字孿生理念啟發(fā)千行百業(yè)縮短數(shù)字化路徑，開創(chuàng)了行業(yè)應(yīng)用新路徑和新模式，數(shù)字孿生城市建設(shè)模式在交通、能源、水利、工廠和醫(yī)療等行業(yè)領(lǐng)域得以迅速推廣和復(fù)制。數(shù)字孿生模型首先用于封閉空間標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)系統(tǒng)，在小范圍開放空間如園區(qū)、港口、社區(qū)等資源與人口密集型區(qū)域的應(yīng)用也取得了率先突破，顯著改善了精細(xì)化治理服務(wù)的智能化水平。隨著將數(shù)字孿生建模從局部探索提升為國家和地方的發(fā)展戰(zhàn)略，上千千米的鐵路、公路、流域、全市(縣)、全省或全國等廣域范圍的數(shù)字孿生被視為變革性技術(shù)手段正在國內(nèi)外積極推進(jìn)。

如圖2所示，致用的數(shù)字孿生建模是一個(gè)可持續(xù)不斷迭代優(yōu)化的過程。數(shù)字孿生建模將利用人機(jī)物三元空間持續(xù)更新的勘察-設(shè)計(jì)-施工-運(yùn)營(yíng)-維護(hù)全生命周期信息，因此全域統(tǒng)一的高精度精細(xì)化時(shí)空基準(zhǔn)框架是關(guān)鍵基礎(chǔ)，即從宏觀到微觀、從室外到室內(nèi)、從地上到地下通過多細(xì)節(jié)層級(jí)的實(shí)景三維模型實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生精準(zhǔn)映射。對(duì)于自然地形地物的實(shí)景三維建模主要采用天-空-地測(cè)繪方式，如果因?yàn)槿祟惢顒?dòng)影響發(fā)生變化比如填挖方工程，也可采用正向設(shè)計(jì)建模的方式進(jìn)行及時(shí)有效的動(dòng)態(tài)更新。對(duì)于人造地物的三維建模，尤其是要精細(xì)表達(dá)室內(nèi)結(jié)構(gòu)和地下構(gòu)筑物時(shí)，常規(guī)測(cè)繪方式往往難以獲得完整準(zhǔn)確的結(jié)果，因此一般都要充分利用正向設(shè)計(jì)建模成果，對(duì)于新建設(shè)施則需要集成應(yīng)用設(shè)計(jì)成果和施工過程中利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建模的成果。比如鐵路、公路等長(zhǎng)大基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計(jì)階段多采用BIM正向建模方式，進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)模型和深化設(shè)計(jì)模型構(gòu)建；施工建造階段，綜合利用智能機(jī)械施工數(shù)據(jù)、高精度點(diǎn)云、模型基元等，通過過程化逆向重建，對(duì)孿生體的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行更新建模；運(yùn)營(yíng)階段，竣工驗(yàn)收模型通過幾何、語義的轉(zhuǎn)換與傳遞，形成運(yùn)維管理模型。數(shù)字孿生模型因?yàn)樯婕叭芷谶^程，不同復(fù)雜度的物理實(shí)體不論是外觀還是內(nèi)部結(jié)構(gòu)都可能發(fā)生不確定性變化，綜合利用多源異質(zhì)的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新將是常態(tài)。

圖2 可持續(xù)迭代的數(shù)字孿生建模

數(shù)字孿生模型除了精準(zhǔn)映射通過測(cè)繪獲得的表征數(shù)據(jù)所反映的物理實(shí)體特征外，還要精準(zhǔn)映射其行為規(guī)律和相互之間互饋?zhàn)饔玫臋C(jī)理，尤其是由于測(cè)繪手段局限導(dǎo)致獲得的表征數(shù)據(jù)不夠完備、不夠精細(xì)、不夠準(zhǔn)確、不夠及時(shí)的時(shí)候，須同時(shí)依靠模型知識(shí)進(jìn)行推斷。因此，數(shù)字孿生建模最大的挑戰(zhàn)之一是全時(shí)全域全要素的實(shí)景三維數(shù)據(jù)與機(jī)理模型和專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的有機(jī)集成融合。也正是由于有豐富的模型和知識(shí)，才能從不斷匯聚的時(shí)空大數(shù)據(jù)中挖掘更有價(jià)值的整體性系統(tǒng)性信息。比如對(duì)于常見的自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理，由于影響因素多、關(guān)系復(fù)雜、動(dòng)態(tài)變化、鏈?zhǔn)接绊懖淮_定性大，如果按不同階段、不同災(zāi)種和不同專業(yè)等分別考慮，很難綜合感知孕災(zāi)環(huán)境-致災(zāi)因子-承災(zāi)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系與相互作用，很難進(jìn)行廣域范圍開放空間地上-地表-地下多場(chǎng)耦合作用的精細(xì)分析，很難實(shí)現(xiàn)設(shè)施-結(jié)構(gòu)與地理地質(zhì)生態(tài)水文氣象等環(huán)境要素之間互饋?zhàn)饔玫亩喑叨染珳?zhǔn)模擬，跨部門和跨專業(yè)的協(xié)同能力也弱，無法真正實(shí)現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)-施工建設(shè)-運(yùn)維管理全方位全周期的系統(tǒng)性智能管控。因此，從實(shí)景三維建模向數(shù)字孿生建模的縱深發(fā)展，測(cè)繪技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)是如何顯示表達(dá)地理空間中各物理實(shí)體之間的相互作用關(guān)系。GIS技術(shù)最有代表性的能力之一就是空間拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)與空間分析?？臻g拓?fù)潢P(guān)系可根據(jù)實(shí)體對(duì)象的空間坐標(biāo)自動(dòng)計(jì)算得到。數(shù)字孿生所需表達(dá)的相互作用關(guān)系更復(fù)雜，除了空間關(guān)系，還有時(shí)序關(guān)系、因果關(guān)系等，最具代表性的方法是構(gòu)建知識(shí)圖譜，直觀、自然、直接、高效表達(dá)物理世界實(shí)體要素之間的相互作用機(jī)理[37]。比如，滑坡隱患知識(shí)圖譜精細(xì)刻畫“孕災(zāi)環(huán)境-致災(zāi)因子-承災(zāi)體”三元素的內(nèi)涵特征、概念屬性及其關(guān)聯(lián)關(guān)系；表征滑坡隱患內(nèi)在機(jī)理的知識(shí)圖譜與表征“形態(tài)-形變-形勢(shì)”數(shù)據(jù)特征的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合可望實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與模型驅(qū)動(dòng)協(xié)同的更加可靠的隱患早期識(shí)別、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)預(yù)警和智能預(yù)測(cè)防控等。知識(shí)圖譜的構(gòu)建需要更加緊密地貼近需求，更準(zhǔn)確地掌握領(lǐng)域知識(shí)，更充分地利用各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、專家經(jīng)驗(yàn)，以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)信息等。

3 典型應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 數(shù)字鄉(xiāng)村

數(shù)字鄉(xiāng)村是鄉(xiāng)村振興的戰(zhàn)略方向，也是建設(shè)數(shù)字中國的重要內(nèi)容。數(shù)字鄉(xiāng)村的重點(diǎn)任務(wù)就是搭建數(shù)字“農(nóng)業(yè)-農(nóng)村-農(nóng)民”協(xié)同應(yīng)用平臺(tái)，推進(jìn)“生產(chǎn)-生活-生態(tài)”整體智治。承載鄉(xiāng)村規(guī)劃、經(jīng)營(yíng)、環(huán)境、服務(wù)、監(jiān)管等“三農(nóng)”“三生”相關(guān)業(yè)務(wù)信息的核心基礎(chǔ)是高精度的實(shí)景三維模型。大部分鄉(xiāng)村采用傾斜攝影測(cè)量手段，可以建立2～5 cm分辨率的高清網(wǎng)格模型(圖3)，重點(diǎn)工作是對(duì)人工構(gòu)筑物進(jìn)行邏輯實(shí)體化處理，并保證與數(shù)字高程模型無縫集成。對(duì)于一家一棟的房屋，只標(biāo)記整棟建筑的網(wǎng)格單元，稱為邏輯實(shí)體化，而更精細(xì)的樓層-房間等內(nèi)部結(jié)構(gòu)可按BIM或CAD等文件方式關(guān)聯(lián)管理。這種邏輯實(shí)體化模型簡(jiǎn)單實(shí)用，能關(guān)聯(lián)管理各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。其他建筑(樓-層-戶)、道路、樹木、路燈等實(shí)體根據(jù)復(fù)雜性進(jìn)行多細(xì)節(jié)層級(jí)的實(shí)景三維建模。高清的鄉(xiāng)村實(shí)景三維模型與地名、文化、企業(yè)、經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療、養(yǎng)老、人口、交通、購物等運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)實(shí)時(shí)感知的各種事件、行為、狀態(tài)信息進(jìn)行集成關(guān)聯(lián)，形成數(shù)字孿生鄉(xiāng)村，達(dá)到了“一圖承載海量信息，一應(yīng)知曉實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)”的目的，為數(shù)字鄉(xiāng)村智治奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，支撐了產(chǎn)業(yè)發(fā)展和鄉(xiāng)村治理可視化、數(shù)字化、智能化，讓農(nóng)村居民在數(shù)字鄉(xiāng)村中找到獲得感。

圖3 邏輯實(shí)體化模型

3.2 未來社區(qū)

未來社區(qū)以滿足人民對(duì)美好生活的向往為根本目的，圍繞社區(qū)全生活鏈服務(wù)需求，以“人本化-生態(tài)化-數(shù)字化”為價(jià)值導(dǎo)向。未來社區(qū)已成為以人為核心的城市現(xiàn)代化建設(shè)基本目標(biāo)，是數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的新型智慧城市發(fā)展：從政務(wù)服務(wù)延伸到生活服務(wù)、從城市運(yùn)營(yíng)下沉到社區(qū)運(yùn)營(yíng)。社區(qū)數(shù)字孿生也是城市數(shù)字孿生的基本單元。數(shù)字孿生支撐未來社區(qū)跨行業(yè)無界生態(tài)，是真正實(shí)現(xiàn)美好生活零距離的操作系統(tǒng)。由于社區(qū)資源密集、人員密集、人機(jī)物三元空間互聯(lián)互動(dòng)密切，地上下室內(nèi)外場(chǎng)景精細(xì)化的實(shí)景三維建模任務(wù)格外艱巨，全域范圍可持續(xù)的數(shù)字孿生動(dòng)態(tài)演繹更加復(fù)雜。CAD-BIM-GIS-IOT集成應(yīng)用、云邊端協(xié)同的數(shù)據(jù)-模型-知識(shí)關(guān)聯(lián)管理與智能服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。圖4所示為未來社區(qū)的智能導(dǎo)航場(chǎng)景，要實(shí)現(xiàn)地上地下室內(nèi)室外的人行與車行精準(zhǔn)協(xié)同，首先需要亞米級(jí)精度的實(shí)景三維模型(包含豐富的地名地址地標(biāo)和場(chǎng)所功能等語義信息)，其次需要持續(xù)不斷的亞米級(jí)精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位與導(dǎo)航。

圖4 未來社區(qū)地上地下智能導(dǎo)航場(chǎng)景

3.3 智能鐵路

2017年，新時(shí)期鐵路信息化總體規(guī)劃發(fā)布，首次提出“智能鐵路”戰(zhàn)略目標(biāo)，期望通過廣泛運(yùn)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能、北斗系統(tǒng)、BIM+GIS等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能建造，采用智能裝備開展智能運(yùn)營(yíng)、維護(hù)，進(jìn)而打造更加安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、方便快捷、溫馨舒適、節(jié)能環(huán)保的現(xiàn)代化鐵路。鐵路現(xiàn)代化是交通強(qiáng)國建設(shè)的核心任務(wù)，隨著“一帶一路”建設(shè)、“走出去”和新西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，更多的鐵路建設(shè)面臨跨山、跨江、跨海和跨境的挑戰(zhàn)，迫切需要突破高原高寒高海拔、跨江越海等地區(qū)地理地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、工程艱巨、施工安全風(fēng)險(xiǎn)高、安全運(yùn)維難等難題。常規(guī)以現(xiàn)場(chǎng)人員密集型作業(yè)為主的建設(shè)和運(yùn)維模式難以滿足高水平高質(zhì)量建設(shè)管理要求，亟須“信息化減人更高效、智能化少人更高質(zhì)、自動(dòng)化無人更安全”的變革性技術(shù)手段。數(shù)字孿生通過物理世界與虛擬世界的精準(zhǔn)映射和虛實(shí)互動(dòng)，成為智能鐵路建設(shè)的新途徑[38]。由于幾百甚至上千千米的鐵路跨越廣大的區(qū)域，建設(shè)周期長(zhǎng)、地形高差大、地質(zhì)災(zāi)害隱患多、生態(tài)保護(hù)任務(wù)重，鐵路線路-結(jié)構(gòu)-環(huán)境耦合作用下的綜合優(yōu)化選線設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)-環(huán)保-安全等多目標(biāo)智能搜索、鐵路全線-隧道橋梁等控制性工程-施工工點(diǎn)多層次的施工安全質(zhì)量進(jìn)度智能管控、鐵路健康安全運(yùn)維精準(zhǔn)管理等急需鐵路工程及其沿線環(huán)境全時(shí)全域全要素高精度數(shù)字孿生模型支撐。如圖5所示，全時(shí)指時(shí)間域，既包括設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)維生命周期，也包括如隧道施工的爆破、開挖、支護(hù)等作業(yè)周期；全域指多粒度的空間語，地理上包含地上、地下、地表，管理上包含全線、標(biāo)段、工區(qū)，構(gòu)造上包含系統(tǒng)、單元、構(gòu)件；全要素指全生命周期所有業(yè)務(wù)涉及的要素。例如，在最關(guān)鍵的施工建造期間，數(shù)字孿生模型在空間域一般劃分為3個(gè)典型尺度進(jìn)行不同要素不同時(shí)間分辨率的實(shí)景三維建模與數(shù)據(jù)組織：①區(qū)域尺度，全線指揮調(diào)度需要綜合考慮沿線全域范圍的工程設(shè)施、地理、地質(zhì)、生態(tài)、人員、機(jī)械、災(zāi)害等要素；②工程尺度，諸如隧道、橋梁等工程既要更精細(xì)地考慮工程結(jié)構(gòu)本身及其與周圍環(huán)境之間的多場(chǎng)耦合作用過程，還要綜合考慮影響工程安全質(zhì)量進(jìn)度的人機(jī)料法環(huán)等要素的時(shí)空變化；③施工面尺度，在施工過程中要在線處理大量來自機(jī)械裝備、監(jiān)測(cè)傳感器和超前預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)進(jìn)行安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、工序工藝工期跟蹤-診斷-預(yù)測(cè)、進(jìn)度推演與計(jì)劃優(yōu)化調(diào)整等工作[39]。從規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工建設(shè)和運(yùn)維的全生命周期不同階段，數(shù)字孿生模型存在不確定性變化，需要持續(xù)不斷的迭代更新。在數(shù)年甚至十多年長(zhǎng)周期的施工建設(shè)過程中，鐵路工程及其周圍環(huán)境可謂日新月異，海量多源異構(gòu)的天空地測(cè)繪和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與持續(xù)不斷的施工過程數(shù)據(jù)智能化融合處理成為巨大挑戰(zhàn)。

圖5 可追溯管理的多階段跨域數(shù)字孿生模型迭代更新

4 從實(shí)景三維建模到數(shù)字孿生建模的基本途徑討論

面向新型智慧城市和數(shù)字經(jīng)濟(jì)等國家戰(zhàn)略對(duì)可持續(xù)的數(shù)字孿生建模的重大需求，測(cè)繪技術(shù)不僅要通過高質(zhì)量的創(chuàng)新發(fā)展不斷提升適應(yīng)全球范圍內(nèi)各種復(fù)雜環(huán)境精細(xì)化、實(shí)時(shí)化、智能化、自動(dòng)化、低成本的實(shí)景三維建模能力，還要通過多學(xué)科交叉融合不斷增強(qiáng)測(cè)繪地理信息技術(shù)在多源異質(zhì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合、關(guān)聯(lián)分析與智能挖掘等方面的支撐作用和引擎作用，提供數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)-模型驅(qū)動(dòng)-知識(shí)驅(qū)動(dòng)協(xié)同的更強(qiáng)大的綜合感知、精準(zhǔn)診斷、可靠預(yù)測(cè)通用地理空間智能。如表1所示，從實(shí)景三維建模到數(shù)字孿生建模，測(cè)繪技術(shù)的內(nèi)涵和外延需要不斷豐富和拓展，包括從三維輪廓建模到三維實(shí)體建模、從動(dòng)態(tài)更新到實(shí)時(shí)映射、從幾何建模到行為過程建模與機(jī)理建模等。

表1 從實(shí)景三維建模到數(shù)字孿生建模的基本途徑

盡管3D GIS已經(jīng)可以集成表達(dá)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)和部分時(shí)空過程[40]，但這些能力均限于特定的應(yīng)用和有限的實(shí)體特征，并且各實(shí)體之間深層次的關(guān)聯(lián)關(guān)系與互饋?zhàn)饔脵C(jī)制還缺乏顯式描述，大大限制了測(cè)繪地理信息的價(jià)值。因此，從實(shí)景三維建模到數(shù)字孿生建模，測(cè)繪技術(shù)急需通過與信息、地理、地質(zhì)、設(shè)計(jì)、建造和工程等技術(shù)的交叉融合，在以下3方面取得突破：①突破長(zhǎng)周期的天空地獨(dú)立獲取宏觀或微觀實(shí)景三維數(shù)據(jù)的局限，實(shí)現(xiàn)天空地有機(jī)協(xié)同持續(xù)性實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取多細(xì)節(jié)層級(jí)實(shí)景三維數(shù)據(jù)，滿足數(shù)字孿生模型全要素全生命周期實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新需求。②突破處理完備的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)構(gòu)建實(shí)體對(duì)象外部邊界表示模型為主的局限，發(fā)展智能化處理多專業(yè)多尺度多模態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)，尤其是不完備數(shù)據(jù)條件下知識(shí)引導(dǎo)的三維實(shí)體精細(xì)化建模技術(shù)，“數(shù)據(jù)不全模型和知識(shí)補(bǔ)，模型不準(zhǔn)數(shù)據(jù)和知識(shí)補(bǔ)”，實(shí)現(xiàn)地上-地表-地下自然與人造環(huán)境的實(shí)景三維“立體化-結(jié)構(gòu)化-語義化”建模。③突破以數(shù)據(jù)為中心只具備較淺顯的描述性分析局限，發(fā)展數(shù)據(jù)-模型-知識(shí)關(guān)聯(lián)管理和融合處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與模型驅(qū)動(dòng)和知識(shí)驅(qū)動(dòng)協(xié)同的高層次診斷性、預(yù)測(cè)性和決策性分析。