数字孪生之下，GIS需要一点融合的勇气～
丸子碎碎念：
这是一篇来自彭金金童鞋的投稿，写了他参加完51WORLD展会之后的一些体会，这是来自GIS一线的声音，不吹不黑，更多的是对于当下的思考，发展的过程需要打开眼界，见贤思齐。原文如下：
2020年11月18日，国内数字孪生厂商51WORLD召开了为期两天的“地球克隆计划4”大会，约800家企业、2000多人参与了本次大会。会议期间，51WORLD发布了AES全要素场景、WDP开发者平台以及展出了过去一年来在智慧城市、智慧园区、智慧水务、智慧港口、智慧生产等十大行业的优秀案例。同时，51WORLD还宣布从一家数字孪生技术产品供应商逐步转变为平台供应商，通过数字孪生技术赋能全行业应用。
展会期间详细体验了51WORLD制作的城市级三维可视化场景，这些场景画面超级精细、操作丝滑流畅、光影效果逼真，对于整个城市的三维还原令人叹为观止。对比GIS行业以三维球为基础的三维可视化，简直形成了全方位地“降维打击”。这些场景背后的“黑科技”是“游戏引擎 + GIS”的跨界融合，即利用游戏引擎强大的三维实时渲染能力，完成对三维地理空间场景的还原。以下是一些三维场景的展示效果：
图 1 安徽铜陵智慧超脑，城市级尺度还原，重点关注三维场景在缩放、移动、视角切换时的流畅度以及数据的无延迟加载。
图 2 重庆武隆天生三桥，重点关注复杂地形的三维还原
图 4 智慧交通，重点关注街道级模拟仿真以及光影效果
图 5 智慧工厂行业应用，重点关注对于管线设备的还原
图 6 智慧水务行业应用，重点关注水坝的模拟仿真
1.目前的三维GIS的问题
回顾三维GIS的技术的发展，从桌面三维到插件式三维、再到无插件三维，虽然技术在不断进步，但是在三维渲染技术方面鲜有建树。之所以如此，是因为三维GIS把关注点放在了三维数据的集成管理，对于三维数据的渲染不甚用心。当前的三维GIS只是实现了三维数据的显示，至于效果只能说是差强人意。
随着“数字孪生”概念深入人心，在智慧城市、智慧园区、智慧工厂等行业应用中，对高保真三维场景的需求越来越强烈。此时，三维GIS的渲染效果，从画面精细度、交互流畅度以及场景还原度等方面，已经达不到客户的期望了。
三维GIS的渲染效果不行，一方面受限于平台，从本地环境转换到网页环境，可调度的计算能力受限；另一方面三维能力不足，从整个三维行业来看，三维GIS是一个小众市场，最先进的三维技术存在于需求最强烈的地方，即游戏娱乐行业，所以GIS行业不掌握最先进的三维渲染技术。
2.如何解决目前三维GIS的问题
3.次世代三维GIS有什么用
如果次世代三维GIS技术实现了对全空间场景的拟真还原，会创造什么价值呢？次世代三维GIS技术相对于当前的三维GIS技术，最直观的感受是三维效果更好、场景的还原度更高，但是对当前的三维GIS应用场景能产生本质的变化吗？
这里我要提一个“量变-质变理论”，即量变到一定程度会产生质变。拿移动通信技术来说，从1G、2G、3G、4G、5G一代代发展，本质上是提升通信传输速度，这是一个“量变”过程。但是，3G催生了移动互联网，4G催生了视频直播行业。5G将要催生出什么新的事物，目前尚未可知，但和前几代一样，一定会产生出能够引起社会巨大变革的创新事物。移动通信的例子，就是一个典型的由“量变”产生“质变”的过程。
回到三维GIS技术，对于现实世界的拟真还原达到一个“引爆点”，也将发生量变到质变的过程。试想未来三维GIS能够实现在数字空间对现实世界精确还原，大到整个地球，小到一草一木，并且能够追踪他们的时空动态变化，其应用场景将比现在扩大1000倍。这种对现实世界的精确还原，我称之为“拟真现实（Emulated Reality, ER）”。在“拟真现实”中，我们可以VR游遍世界各地的名胜古迹，可以随意找一个取景地拍摄电影，可以和朋友们在“拟真世界”中聚会社交，新的应用场景层出不穷、无法预测。
次世代三维GIS技术，是朝着“拟真现实”方向前进的必经之路。基于“GIS + 游戏引擎”融合的数字孪生系统，会赋能于1000个行业的数字化战略。
4.次世代三维GIS从哪里着手
着眼于当下，具体应该如何从哪些方面着手次世代三维GIS技术呢？这里面涉及三方面的问题：一是解决游戏引擎选型问题；二是解决大规模三维数据资产生产管理问题；三是解决三维场景互联网分发问题。
4.1 游戏引擎选型
对于游戏引擎选型问题，市面上游戏引擎很多，要选择一个能力足够、技术可控的引擎作为基础。这里我推荐虚幻引擎（Unreal Engine, UE），虚幻引擎是Epic Games旗下的一款高端游戏引擎，用来开发出了《堡垒之夜》、《绝地求生》等一大堆3A大作。我推荐虚幻引擎有以下几点原因：
（1）开源：虚幻引擎源代码是开放的，这在游戏引擎中不多见。另外，授权相对灵活，收入少于100万美元无需付费。
（2）质量可靠：虚幻引擎经过20年的发展，广泛地应用于上百款大型游戏中，经过数百万游戏玩家的检验，质量相当可靠。
（3）行业成功案例：国内的51WORLD基于虚幻引擎搭建的数字孪生系统，“光辉城市”基于虚幻引擎打造了建筑VR产品，服务于建筑设计行业。
图 7 Nanite对于宏大复杂场景的渲染
图 8 Lumen对于复杂光源的模拟
4.2 大规模三维数据资产生产管理
对于大规模三维数据资产生产管理问题，俗话说“巧妇难为无米之炊”，游戏引擎虽然具备高质量场景还原能力，但是缺少高精细度三维模型数据只能束手无策。对于城市级数字孪生系统，仅靠手工建模方式是不现实的，还需对其他方式获取的城市底板数据进行处理，自动或者半自动地完成大规模三维数据建模。
GIS作为最早用于城市管理的技术之一，核心价值是提供了一个以地理学为依据的数据管理框架，并以此为基础实现对各类数据资源的统一管理和整合。相比游戏引擎，GIS在数据层面更具有“兼容性”，针对城市发展的需要， 对各行业所需要的数据（遥感影像、矢量数据、IOT、倾斜摄影、BIM）等，都可以放入到“时空框架”内，形成城市的“数据资产”。
对于大规模三维数据资产的生产和管理，是次世代三维GIS技术体系中，GIS侧应当承担起的责任，也是我们应该重点突破的方向。如何将GIS所掌握的二三维时空数据资产转换为游戏引擎所需的高质量三维数据资产，这里面即是技术的挑战，也需要对数据生产加工体系进行规划和调整。
例如，目前比较火热的三维倾斜摄影技术能够快速地对大范围区域进行三维建模，但是建模的质量还达不到数字孪生的要求。主要存在以下几个方面的问题：
（1）模型的精细度不够：当前对于建筑的建模精细度还勉强过得去，但是对于植被、管线这些细节很多的实体，“糊成一坨”简直不忍直视。
（2）没有实体化：类比于遥感影像是二维的背景图像，三维倾斜摄影生成的数据是三维的背景图像。遥感影像要做深化应用，需要通过图像解译的方式从中提取图斑来挂接属性信息。同样，三维倾斜摄影数据要用到数字孪生系统中，也需要从中把各类实体提取出来，便于挂接信息。
（3）数据冗余：三维倾斜摄影生成的数据量很大，会影响数据传输的加载时间。产生数据量很大的一个重要原因是冗余无效信息多，例如对于一个规则的建筑面，三维倾斜摄影可能会生成几千几万个三角面，而在三维建模师眼里只需要几十个面就能描述。要解决这个问题，需要研发高质量的三维倾斜摄影数据压缩算法。
大规模三维数据资产的生产管理，目前处在一个“算法不够、人力来凑”的阶段。未来哪家公司能够研发出高质量算法提高自动化程度，并且优化三维数据生产加工流水线，减少人力投入和时间成本，那么它将在数字孪生市场中拥有竞争优势。这也是有志于进入数字孪生市场的GIS公司，应当主力攻克的点。
4.3 三维场景互联网分发
使用游戏引擎开发的数字孪生系统，的确可以实现对全空间场景的高度还原，但是还要解决应用快速分发的问题。在当前的互联网大潮中，很多传统应用软件都从桌面环境过渡到网页环境、从有客户端过渡到无客户端，Web无疑是最流行的应用分发方式。
鉴于游戏对于交互操作的即时反馈要求非常高、延迟容忍度低，Web技术在游戏领域就不那么灵光了。当前游戏主流的分发方式是安装庞大的专用客户端，将几十GB的三维美术资产预置到客户端设备上。并且，对于客户端设备的计算性能有着较高的要求，尤其吃显卡。
使用游戏引擎开发的数字孪生系统，也面临着和游戏一样的应用分发问题。数字孪生系统不是一个孤立的系统，它需要与交通、环境、教育、安防等上百个业务系统进行交互，而且这些业务系统大多是通过Web分发的。如果使用客户端模式，意味着这上百个业务系统很难与数字孪生系统互相调用。所以，问题不是出在客户端分发这种方式上，而是出在这种分发方式带来的互操作问题。
目前似乎来到了一个“死胡同”，游戏引擎的高画质与Web三维的易分发不可兼得。云渲染技术可以帮助我们走出这个“死胡同”。Web应用的基本架构是数据计算在服务端，界面渲染在客户端。云渲染技术则是将数据计算和界面渲染都放到服务端，通过视频流的形式串流到客户端，客户端的交互操作通过指令流传回到服务端。通过云渲染技术，客户端只需要具备视频播放能力就可以体验到高画质效果，为在网页、移动设备、电视这类低计算力环境中体验3A游戏大作提供了可能。
目前云渲染技术在云游戏中应用得最为广泛，Google发布了Stadia, Amazon发布了Luna，国内也有网易云游戏和腾迅云游戏。除此之外，还有各种云电脑、云桌面、云应用。云渲染技术的出现，解决了传统桌面端程序无法互联网分发的问题。
当前云渲染技术并不是十全十美，还存在两个关键问题亟待解决：延迟和成本。
（1）延迟问题：操作云端软件相比于操作本地软件，交互的即时性还是有差距的。当前技术条件下，云端软件的延迟在100ms ～ 200ms左右，而本地软件的延迟可控制在 2ms ～ 20ms之间。云渲染对于高FPS的游戏稍显吃力外，对于一般的策略类游戏或者办公应用则可以完全满足要求。数字孪生应用对于延迟的容忍度居于游戏和办公应用之间，云渲染目前的延迟水平也可以达到要求。延迟的大小取决于网络条件以及与服务器的距离，网络传输越快、离服务器越近，那么延迟越小。随着5G即将到来，网络传输速度相比于4G提高100倍。通过CDN技术，可以减小与服务器的距离。所以云渲染的延迟问题，近期将会得到极大地改善。
（2）成本问题：Web应用一台服务器就可以支撑几万个用户并发访问，而云渲染应用当前只能做到一台服务器服务一个用户，成本比较高。我相信随着GPU虚拟化技术的发展以及云计算带来的规模效应，云渲染的成本会逐步降低。例如，NVIDIA最新发布的高端显卡已经能够支持虚拟出16个vGPU。另外，一台服务器服务一个用户还是太粗放了，软件架构还需要针对云渲染需求做进一步地改进，例如是否可以一个进程服务一个用户。
5.结语
参考资料：
1、《从 GIS 到 UE：条条大路通罗马》：https://www.unrealengine.com/zh-CN/spotlights/from-gis-to-ue-all-roads-lead-to-rome
2、《虚幻引擎与 GIS 的 “破圈” 之路》：https://xw.qq.com/cmsid/20200912A0JG7X00
4、《Announcing Our Collaboration with Epic Games to Create Cesium for Unreal Engine》：https://cesium.com/blog/2020/06/04/cesium-for-unreal-engine/