数字孪生在新型基础测绘中的应用
作者：
泰瑞数创科技(北京)有限公司
刘俊伟 孙东风 王金兰 唐莉萍 杨文雪
十九届四中全会中提到要“更加重视运用人工智能、互联网、大数据等现代信息技术手段提升治理能力和治理现代化水平”，总书记也曾在多个场合强调利用现代化信息技术赋能国家治理现代化的重要意义。作为国家经济社会发展和国防建设的重要基础，传统测绘已无法满足日益增长的信息化和智能化需求，因此自然资源部提出了“加快基础测绘转型升级，增强测绘地理信息公共服务能力”的要求，和构建“实景三维中国”的任务。那么，如何实现基础测绘升级转型的目标，提升测绘地理信息的基础性、支撑性能力，为政府、社会各界 提供更具有针对性、更富有知识性的产品和服务，是当前基础测绘面临的重要问题。
数字孪生作为数字浪潮下最具发展潜力的技术，是实现数字化转型、解决物理实体与虚拟实体之间的交互共融，真正实现物理实体全生命周期智慧管理的关键技术。它也是指导新型基础测绘升级转型的一种有效思路和技术路径。本篇通过介绍数字孪生的发展历史和技术特点，探讨数字孪生技术与新型基础测绘的共通性和特征，探索基于数字孪生技术的新型基础测绘体系构建新思路和路径，以期为新型基础测绘体系建设和测绘地理信息行业发展提供参考。
一、数字孪生技术
(一)数字孪生发展历史
数字孪生(digital twin)的设想最早由密歇根大学教授Michael Grieves在2002年提出，但当时被称作“镜像空间模型”[1]。“数字孪生”一词，于2010年在美国国家航空航天局(NASA)的技术报告中首次提出，并被定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的运载工具或系统的仿真，使用物理特性模型、传感器实数据和飞行历史数据，形成挛生对象的全生命周期的镜像”[2]。2012年，美国国家航空航天局与美国空军联合发表了关于数字孪生的论文，指出数字孪生是驱动未来飞行器发展的关键技术之一[3]。在接下来的几年中，越来越多的研究将数字孪生应用于航空航天领域，包括机身设计与维修、飞行器能力评估、飞行器故障预测等。
由于德国西门子、美国通用电气（GE）、美国参数技术公司（PTC）、法国达索公司等企业的推广，数字孪生技术得以在工业制造业迅速发展，随后在其他领域的研究也逐渐增多，开启了数字孪生技术研究热潮。北京航空航天大学的陶飞等人，自2017年起针对数字孪生技术进行了深入研究，提出了数字孪生的五维结构模型：物理实体、虚拟模型、服务、挛生数据以及它们之间的连接交互，并以数字孪生车间为例，从车间要素实体建模、生产过程动态建模、生产系统仿真建模三个方面对数字孪生车间模型构建理论与技术开展了研究和实践[4-8]。2018年，《河北雄安新区规划纲要》批复解读中，首次提出“数字孪生城市”概念，通过“数字城市与现实城市同步规划、同步建设”，以“打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市”[9]。余斌、朱伟佳通过搭建数字孪生系统，解决石油石化流程行业生产过程中存在的工况连续性、复杂多变性问题[10]。
（二）数字孪生技术特点
学术界定义数字孪生为：以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段[6]。总结来看，数字孪生具有以下技术特点。
（1）全要素精细化数字表达：数字虚拟实体模型1：1还原物理实体模型，在几何结构上高度仿真、精准映射。
（2）运行状态实时全感知：物理实体的运行情况，实时地在虚拟实体中反映出来。
（3）虚实融合互操作：物理实体与虚拟实体是双向映射关系，两者之间可以互操作和双向互动。
（4）模拟仿真和推演预测：通过在虚拟的数字空间进行数据建模、事态拟合，实现特定事件的评估、计算、推演和预测，为方案决策提供依据。
（5）自学习自优化：对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数，实现自学习自由化的闭环。
二、数字孪生与新型基础测绘的融合分析
（一）数字孪生与新型基础测绘的融合基础
基础测绘是建立和维护全国统一的测绘基准和测绘系统，进行航天航空影像获取，建立和更新维护基础地理信息数据库，提供测绘地理信息应用服务等。从本质上看，基础测绘也是将现实物理世界用数字化方式进行表达，并为各行业应用提供信息服务，与数字孪生理念极为相似。不同之处在于，数字孪生关注物理实体数字化至智能化管理的全生命周期过程，而新型基础测绘侧重于物理世界数字化和支撑智能化应用的能力。因此，利用数字孪生指导新型基础测绘体系建设，可以更好地满足新时代数字化转型和智慧应用的需求。
从需求角度看，数字孪生城市是数字孪生技术在智慧城市方向的延伸应用，中国信息通信研究院认为“数字孪生城市是技术演进与需求升级驱动下新型智慧城市建设发展的一种新理念、新途径、新思路”[11]。满足智慧城市建设、社会精细化治理的新需求，是数字孪生城市的建设目标，也是新型基础测绘的工作任务之一。新型基础测绘升级转型需要结合数字孪生技术，满足数字孪生城市建设及其他数字孪生应用的需求。
(二)结合数字孪生的新型基础测绘特征分析
新型基础测绘，是以基础地理信息获取立体化、实时化，处理自动化、智能化，服务网络化、社会化为特征的信息化测绘体系[12]。结合以上分析，笔者认为新型基础测绘具备以下六大能力。
1.多手段测绘采集
从建设内容上看，新型基础测绘要求构建陆海空一体的现代化测绘基准体系，完善覆盖更全面、内容更丰富、分类更具体的基础地理信息数据库等。一方面，需要充分利用更先进的机载、车载、船载、背包式等新型高端测绘设备，通过光学多光谱遥感、高光谱遥感、倾斜摄影、激光雷达、合成孔径雷达干涉测量(InSAR)等多种测绘技术，获取有效覆盖陆地、海洋、空间和地上地下全空间、全要素的多类型测绘数据，为城市规划、环境监测、森林调查、海底探测等领域提供支撑。另一方面，需要积极开展泛在测绘，即通过众包的思想，鼓励广大网民对地理信息发布的产品实行网上更新、标绘以及遮蔽地区模型补建等[13]，弥补地理信息产品因遮挡问题而产生的不足。当前测绘地理信息的众包有：百度、高德等导航公司使用用户的实时大数据进行导航地图的众包生产；泰瑞数创公司的“平行世界(PARALLEL WORLD)”服务平台为行业链接需求与服务，现已覆盖238座城市，具有1000多家合作伙伴。
2.语义化实体三维
新型基础测绘必须要充分融合人工智能、大数据、物联网等高新技术，形成新型基础测绘的“ABIS”生产技术体系[14]。从建设手段上看，要按照智能化处理要求，大幅提高数据生产自动化水平，全面提升基础测绘生产作业效率；从建设成果上看，“实景三维中国”要求单体化、结构化、语义化“三化”的实体三维数据成果，实现数据分析、挖掘和决策支持，提高基础地理信息产品内在价值，提升地理信息产品应用的广度和深度。
单体化。当前主流的倾斜摄影三维模型，因生产工艺特点，成果数据是基于不规则三角网的表面模型，形成“一张皮粘连”，无法针对单体对象进行操作，更无法为单体对象赋予相应的属性，从而限制了三维模型的应用能力。因此，实体三维数据的首要特征即为单体化，具有单体对象操作和分析的能力，也为局部数据增量更新提供条件。
结构化。结构化是大数据分析的前提条件，因此为了实现时空大数据和实时大数据的融合和挖掘分析，为城市规划、城市管理等行业提供服务，这就要求实体三维数据必须是结构化的。
语义化。语义化可以将物理世界中多源异构和多模态的空间大数据组织形成复杂庞大的数据语义网络，使得计算机可以灵活识别语义模型，快速学习数据的深层含义，深度理解真实世界，并从中总结规律，提炼知识，发现价值，构建空间知识图谱，更好地服务各行各业。
3.多源场景融合
大数据时代下，基于泛在测绘产生的位置大数据，已成为当前用以感知人类社群活动规律、分析地理国情和构建智慧城市的重要战略资源[15]。为满足绿色、智能、泛在为特征的发展需求，应对大数据时代的变革，新型测绘地理信息数据需要具有与轨迹数据、空间媒体数据、社会经济数据在统一时空框架下的融合能力，提升测绘地理信息的价值。其中，轨迹数据是指通过北斗定位系统、GPS定位系统等得到的人员流动数据、车辆运行轨迹数据等；空间媒体数据是指包含位置信息的文本、图像、声音、视频等媒体数据，主要来源于互联网应用和城市监 控系统；社会经济数据主要是指包含有地理位置信息的社会和经济统计数据，如人口空间分布、教育资源空间分布、收入统计空间分布等。
4.模拟仿真计算
在新时代背景下，城市规划、城市更新、应急管理等领域都需要在数字世界实现方案评估、分析和优化方案，来指导现实物理世界的决策。这就要求作为各类经济社会、实时大数据等信息载体的地理信息产品，具有支撑模拟仿真计算的能力，可基于语义模型进行分析和模拟，实现仿真计算、动态推演和态势预测。从分析方法上看，测绘地理信息产品需要实现从现有的空间分析、时间分析向智能分析的升级。
5.智能资源调度
基础测绘具有基础性、公益性、权威性等特征，在组织管理体系上必须坚持国家统一规划和分级管理，杜绝重复测绘现象，达到“同一地理实体只测一次”的目标。分级构建地理实体管理服务平台，实现各级单位共建共享。基于地理实体唯一编码体系，实现以实体对象为单位的局部快速更新。
从服务方式上看，新型基础测绘要求坚持需求驱动，具备“一库多能、按需组装”特点。面向不同区域、不同层级、不同行业用户，支持自定义实体范围、实体精度、实体涵盖语义类型等多维筛选条件，快速提取相应的实体数据和信息；同时，支持将提取出的实体数据和信息自定义组装为一个或多个场景进行共享发布，以满足不同的应用需求。
6.智慧应用支撑
新型基础测绘将面临种类更多、质量更高、应用更广的现实需求，其在经济社会发展中的基础性作用要求不断强化。从行业应用上看，不仅要继续满足继承基础测绘的传统国土规划、城市建设等方面的需求；还需要满足新时代背景下，自然资源“两统一”管理、生态环境修复等方面的新需求。从可视化渲染需求上看，针对不同层级、不同行业的管理者，不仅需要传统GIS专业级可视化渲，还需要支撑城市运营管理中心的城市级大屏可视化需求，以及满足跨平台、跨浏览器的可视化渲染需求。
三、基于数字孪生的新型基础测绘解决方案
（一）语义化地理实体自动建模
在语义化三维模型方面，德国SDI 3D率先提出并设计了三维空间语义数据交换与存储的格式CityGML，并在新加坡、法国巴黎等少数地区有所应用。国内学者也做了很多基于CityGML的改进研究。在应用方面，泰瑞数创是首家提供从语义化三维建模到语义模型管理，再到智能应用全流程技术方案的企业，并已在上海公安、天津滨海城市大脑、上海临港城市大脑等智慧城市建设中有所应用。
泰瑞数创自主研发的语义化地理实体自动生产工艺，利用倾斜摄影、激光扫描等新型测绘手段，并融合多源异构的现有数据，如4D产品、3ds max模型、建筑信息模型（BIM）等，实现自动化构建全要素、全空间、语义化的地理实体数据。语义化地理实体数据充分地考虑了模型的几何、拓扑、语义、外观等属性，还包括了主题分类之间的层次、聚合，对象之间的关系、空间属性等。这些专题信息不仅仅是一种图形交换格式，而且允许将城市三维模型部署到各种不同应用中的复杂分析任务，例如仿真分析、城市数据挖掘等。在生产效率方面，可以达到每小时自动提取至少3000栋单体语义模型；并且自动提取屋脊高度、屋顶方向等几十种空间结构信息。同时，也可通过深度学习技术根据计算机辅助设计（CAD）或非数字化图纸自动化生成室内三维语义模型。
（二）地理实体数据管理服务平台
地理实体区别于基础地理信息的关键点在于，它可被视为管理对象，能够方便地实现地理信息与社会、经济、自然资源等专题信息的挂接，是各类信息的聚合载体[16]。相较于传统基础地理信息数据的按比例尺分级管理模式，地理实体则需要按照实体进行结构化管理，并且要求每个实体具有唯一编码标识。基于实体的组织方式不仅能够对社会、经济等属性信息实现挂接，而且能够实现数据的动态更新和实时维护[17]。
SmartEarth地理实体服务平台是泰瑞数创自主研发的，空间地理实体建设整体解决方案中的重要组成方案，产品内容涵盖模型结构关系、多尺度细粒度数据存储、语义处理技术、空间语义关联知识图谱，支持挂接外部业务数据，赋予实体时空编码，可进行图谱化管理，能够实现实体可视化查询，按需组装、按需发布等功能，解决多源异构的空间数据难以集成应用、地理实体间缺乏关联关系以及智慧城市建设多样化需求等问题，提供统一生产、统一存储、统一管理、统一发布的地理实体数据全链条服务。
语义关联知识图谱：建立实体数据结构关系，实现实体数据关联查询和推理分析其他实体数据，如图1所示。
查询结果统计分析:查询结果支持按图表、按图谱、按三维场景多种展示方式。统计分析可显示实体分类，以及每种类型下的实体个数；支持根据实体属性提取不同类型实体对应某种属性的分析结果，如图2所示。
图2 查询结果统计分析（左图：实体查询；右图：实体统计）
一库多能、按需组装：支持新建小组作为需求空间，通过在场景中选择实体加入分组，完成需求组装，分组数据可预览和导出，如图3所示。
图3 一库多能、按需组装（左图：组合实体集；中图：聚合实体集；右图：专题实体集）
一码多态、快速挂接外部数据：基于地理实体唯一编码标识，可挂接整合外部数据，如BIM、物联网(IoT)、视频等多源异构的非结构化数据，满足智慧城市各行业智能化分析需求，如图4所示。
图4 挂接外部传感器数据
(三)面向应用的数字孪生底座
为更好地面向行业用户提供定制化服务，构建面向应用的数字孪生底座，建设统一的测绘地理信息数据和服务体系，健全共享应用机制，打造灵活性服务和安全可靠的一体化管理服务平台，形成一个具有较好协同能力和调控能力的有机整体，实现测绘地理信息公共服务能力的全面提升，数字孪生底座总体架构如图5所示。
图5 数字孪生底座总体架构
数据中台汇聚了二、三维的基础地理时空数据，CAD、管线、BIM等部件要素数据，传感器实时感知数据以及面向管理应用的各类业务数据，建立实体、属性及其语义关系和空间关系的抽象模型和表达方法，开展自动化数据融合、知识抽取、知识融合和知识推理，形成领域内的知识图谱，构建地理实体数据库。
技术中台面向业务应用和数字孪生构建，融合人工智能、大数据、区块链等新技术基础服务能力，以及场景服务、数据服务、仿真服务等能力，提供了可视化渲染引擎、地理实体服务引擎、模拟仿真计算引擎和IoT管理引擎。其中，可视化渲染引擎提供双渲染引擎融合的可视化渲染的技术，实现了“全貌大场景构建一细节层次渲染一实时流媒体”的多层次渲染。地理实体服务引擎通过二、三维地理信息平台发布地理实体服务、地理场景服务和知识图谱服务，提供数字挛生体全要素数字化和语义化查询、全状态可视化和图谱分析，实现实体关联分析和关系推理。模拟仿真计算引擎通过对接挛生仿真和模拟算法，将地理实体模 型的几何结构、语义信息引入仿真计算，通过一体化、并行化的高效的时空数据挖掘模型，获取隐藏在时空大数据下的知识。IoT管理引擎支持自定义扩展和动态信息挂接，可根据实际需求扩展业务信息、IoT等信息的接入和管理，提高面向超大城市数字孪生应用的服务能力。
业务中台提供应用服务资源池，为现实世界建立空间索引，通过地理实体服务发布，提供基础时空信息服务能力，实现对业务数据结构化融合再分析，实现数据的一次生产、按需组装发布和共享。建立面向应用的数据与功能服务，为大屏端、桌面端、网页端、移动端、虚拟现实/增强现实（VR/AR）设备端多终端一体化展示应用提供二次开发接口和应用程序接口。
四、应用实践
（一）新型基础测绘数据的生产
地理实体数据是新型基础测绘体系下的一种新型地理信息产品，通过唯一标识、对象化处理和实体关联融合，以期解决地理对象所表达的空间语义与现实社会中的表达方法差异较大，且缺乏全局唯一标识，难以满足快速更新、生命周期管理、多源数据关联和多样的社会化服务等需求的问题[18]。
西宁市测绘院在泰瑞数创数字孪生技术体系支持下，设计了西宁市地理实体数据产品制作和服务体系，建立了一套完善的地理实体数据制作、更新和维护机制，以满足西宁市对“一库多能、按需组装”的新型基础测绘服务方式升级的需求。并以西宁市主城区120平方千米为实验区域，从现有的数据源（基本比例尺数字地形图数据、倾斜摄影测量数据等）中提取，编辑生产新型地理实体数据（图6），在统一空间框架下实现地理实体标识码赋码，并进行质量检查和入库。
图6 西宁地理实体数据成果
(左上：语义白膜效果；右上：建筑语义模型效果；左下：建筑语义模型效果（细节）；右下：道路及桥洞语义模型效果)
（二）国土空间规划业务
国务院机构改革后，测绘工作迎来了全面融入自然资源管理大平台的新机遇，承担了服务自然资源“两统一”职责的新任务。陆昊部长曾指出，测绘工作是自然资源管理的重要技术手段。基于数字孪生的新型基础测绘，更为国土空间规划业务提供了新思路。
嘉善县自然资源和规划局，利用数字孪生城市底座平台，建设了嘉善规划管控一张图系统。通过整合所有基础空间数据（城市现状三维实景、地形地貌、地质等）、现状数据（人口、土地、房屋、交通、产业等）、规划成果（总规、控规、专项、城市设计、限建要素等）、地下空间数据（地下空间、管廊等）等城乡规划相关信息资源，形成内容完善、结构合理、规范高效的现状和规划数据统一服务体系，在数字季生空间实现合并叠加，解决潜在冲突差异，统一空间边界控制，形成规划管控的“一张蓝图”。并以此为基础进行规划评估、多方协同、动态优化与实施监督，实现执行快速的“假设”分析和虚拟规划，推动城乡规划有的放矢和提前布局。同时采用泰瑞数创的室内外语义三维实体建模软件自动化构建了嘉善县60平方千米的室内外语义实体三维数据，为智能化应用提供数据支撑。
（三）城市计算和模拟仿真
新型基础测绘数据成果涵盖了城市地上地下、室内室外三维语义数据，是数字季生城市运行的主要载体，是支撑城市计算和模拟仿真的重要基础。结合模拟仿真模型，进行自然现象、物理力学规律、人群活动、自然灾害的仿真等，为城市规划、管理、应急救援等制定科学决策，促进城市资源公平和快速调配，支撑建立更加高效智能的城市现代化治理体系。
在上海临港智能网联汽车综合测试区的建设过程中，利用数字孪生技术体系，通过低空航空摄影测量、实景三维建模、智能识别与分类语义化等技术，实现了快速准确制作、低成本、可被机器理解的高精度地图处理，为自动驾驶方案商或车厂提供了可靠和稳定更新的高精度地图数据支持。
五、总结
数字孪生不仅是一种理念，更与大数据、云计算、物联网、仿真、人工智能等高新技术深度融合，是当前最具有发展和颠覆性潜力的技术。基础测绘为经济建设、国防建设和社会发展提供测绘地理信息基础，是一个国家战略性资源，是实施发展规划、进行宏观管理、维护国家安全、建设生态文明的重要依据。从数字化角度看，基础测绘本身也是数字孪生技术的应用，同时高端测绘设备和新型测绘手段也为构建数字孪生城市提供了技术基础，因此利用数字孪生理念和技术指导新型基础测绘体系建设就显得理所当然。本篇结合泰瑞数创十余年的技术积累和发展经验，探讨了融合数字孪生技术的新型基础测绘体系建设路径和应用场景，为新型基础测绘体系建设和测绘地理信息行业发展提供参考。
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注：本文收录于《中国地理信息产业发展报告（2021）》（测绘出版社）
目 录
第一篇 2020中国地理信息产业发展状况报告（点击查看全文）
第二篇 国际地理信息产业发展报告(2021)（点击查看原文）
第三篇 我国测绘地理信息领域科技与产业的自主创新发展
第四篇 高分辨率遥感卫星发展研究报告
第五篇 立足第二代卫星导航产业 促进北斗产业化发展分析
第七篇 数字孪生技术在战场地理环境保障中的应用探索（点击查看原文）
第八篇 数字孪生在新型基础测绘中的应用
第九篇 智慧交通地理信息发展报告
第十篇 全国水利一张图技术及其应用进展
第十一篇 高精地图技术及应用发展现状
第十二篇 三维GIS软件技术发展及应用
第十四篇 2020中国室内定位行业发展
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来源：中国地理信息产业协会（欢迎转载，请注明来源）
编辑：顾 慧初审：余 青审核：王 增 宁>>近期要闻
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