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遇见数字孪生城市美好模样 国产GIS加速创新竞逐“新赛道”

时间：2024-01-15 22:13:46   作者: 智能灯杆解决方案

  在未来数字孪生城市中,每一座建筑、每一条道路、每一盏路灯、每一辆车,甚至每一个人,都有其对应的数字孪生体。这些数字孪生体在虚拟世界中形成了城市的细致模型,如同镜子一样,反映出城市的实时状态,同时也演示着未来的可能变化。数据成为城市的血液,借助无处不在的传感器和智能化设备,城市的日常运营被全面数字化,从交通流量到空气质量,从噪音污染到能源消耗,每一个细节都得到了精准的调控。这一些数据不仅为城市居民提供了更优质的生活环境,同时也为城市规划者和决策者提供了重要的参考依据。

  通过11月举办的首届中国测绘地理信息大会分论坛“全空间智能GIS赋能CIM与数字孪生城市建设”,我们正真看到了人类对科技和创新的无限追求,人工智能、全空间三维GIS、虚幻引擎等技术的交织融合,正推动我们走向一个数字孪生的世界。

  虽然数字孪生城市看似是一个遥不可及的虚拟世界,但这样一个世界如同我们真实存在的世界一样,不会凭空出现。它是将物理实体镜像映射到虚拟空间,生成一个“数字双胞胎”,进而实现数字孪生世界与现实世界的孪生并行、虚实互动。这需要多种技术和知识的交叉融合,包括数字孪生建模、可视化渲染、仿真推演、感知标识、GIS与新型测绘、交互控制等多种技术。

  实际上,数字孪生技术在智慧城市建设的应用,各发达国家早已展开了全力竞速。

  韩国在2004年就提出了u-Korea发展的策略,它的设想是用无线传感器,掌握停车场、地下管道等设施的状态。当时韩国供水系统的漏水率高达14.1%,通过传感器实时追踪渗漏情况后,漏水率大为降低,仅在供水系统上,这项革新平均每年为一座城市节约564万美元。而u-环境系统,可以检测空气质量,并自动开启道路洒水系统。

  2007~2009年期间,一波智慧城市的尝试接连涌现。美国IBM和迪比克市宣布共建美国首座智慧城市,它很快为全市更换了数控水电计量器;欧盟提出智慧城市建设目标;澳大利亚开启智慧电网改造,希望能快速定位到电力故障的发生地点。

  但是现在看来,彼时这些数字孪生城市项目所尝试的领域依然较为单一,运用方式也较为简单,大多分布在在排水管网、电网、燃气管网、路灯等市政设施的管理。

  而在当前阶段,“数字孪生”不再仅仅是一种技术,而是成为一种发展新模式、一个转型的新路径、一股推动各行业深刻变革的新动力。正如北京大学教授、国际欧亚科学院院士邬伦教授的观点,数字孪生将使我们能更深刻及时地刻画和理解城市状态及规律,走出只有局部没有综合、缺乏时空耦合与预见性造成的“头疼医头、脚疼医脚”“事后诸葛亮”等决策困境。

  例如,北京大学与华为2012实验室合作,创新时空耦合数字孪生技术,提出城市时空智能体解决方案。以统一的网格为基准,实现政务专题数据上图,构建数字孪生底板;基于统一网格实现高性能的时空查询,通过城市孪生对象时空语义的感知和挖掘,构建起跨部门、跨层级、立体化、网格化的管理新模式,提供面向千行百业的智慧治理解决方案。

  数字孪生建模、仿真推演、GIS与新型测绘等技术其实早已不是新鲜词,但正是因为这些技术的沉积走向成熟、交织融合走向创新,才成为如今数字孪生城市爆发的坚实基础。

  但若纵观这些数字孪生城市关键技术,GIS基础软件平台是其中门槛较高的一道关卡。数字孪生的核心是对地理信息、物联网感知以及各类的运行状态趋势数据来进行融合,对数字世界进行快速精准地建模和表达,实现物理空间与数字空间的虚实交融、智能操控的映射关系,记录仿真、预测对象全生命周期的运行轨迹,实现系统内信息资源、物质资源的最优化配置。GIS基础软件平台管理地理时空数据,支撑各行业、各领域应用系统开发和运行,相当于地理信息的操作系统,其地位可想而知。

  数字孪生技术已从理论概念逐步到技术应用的阶段,但是目前物理世界向虚拟世界的映射有诸多技术问题是需要解决,尚没有一项技术能完美解决这样一些问题。首届中国测绘地理信息大会上发布的《中国地理信息产业高质量发展报告(2023)》对此作出了分析。

  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。虚幻引擎的核心优势主要在于强大的场景表现力:一方面通过实时动态的渲染,可以构建丰富精细的场景表现,以便更好地还原世界;另一方面强大的物理引擎可真实模拟现实世界的运行规则,这正是数字孪生的迫切需求。相比虚幻引擎,GIS在数据层面更具有“兼容性”,针对城市发展的需要,各行业所需要的数据如遥感影像、矢量数据、物联网、倾斜摄影、建筑信息模型等,都可以整合到统一时空框架内,形成城市的数据资产。因此,如果将两者的优势结合在一起,在数据获取后,打通数据管理、场景构建和可视化表达的所有技术环节,形成一套高效的技术解决方案,必将大大推动数字孪生的跨界融合发展。

  虽然国内各大科技公司在数字孪生城市技术上做了诸多研究,但是从技术创新再到普及应用、发挥价值的阶段,仍需时日。若深究原因,很大一部分原因是有些关键核心技术没能像GIS基础软件技术那样打磨沉淀,技术不完善往往带来不尽如人意的结果。

  过去,在国产GIS尚未崛起之时,国内众多政企单位只能从国外购买价格昂贵的GIS软件来管理宝贵的地理信息资源,一方面信息安全没办法保证,另一方面国外GIS软件不完全匹配国内用户的业务条件,导致软件使用诸多不便。然而,GIS基础软件具有技术门槛高、开发投入大、涉及范围广、有关技术需要超前布局提前研发等特点,技术的研发需要高素质的人才队伍支撑,同时要耗费大量的时间和资金,这在很多企业看来是一项“得不偿失”的投入。

  但是敢想敢干的中地人始终致力于发展自主可控且具有国际竞争力的国产GIS软件,深耕信创GIS产业。从成功研制出“中国第一套可实际应用的彩色地图编辑出版系统 MapCAD”,到率先研制出“中国具有完全自主知识产权的地理信息系统 MapGIS”,解决了中国GIS软件市场被国外垄断的问题。近年来,中地数码不断融合云计算、大数据、物联网、区块链、人工智能、虚幻引擎等新技术,创新全空间GIS、大数据GIS、智能GIS、信创GIS、全栈开发等技术体系,推出全空间智能GIS平台MapGIS 10.6 Pro,赋能CIM与数字孪生城市建设。

  日前,在深圳市人民政府主办的2023数字孪生先锋城市创新大会上,由深圳市城市公共安全技术研究院和中地数码集团组成的“城安中地队”从全球各地总计611个团队中脱颖而出,联合作品《基于国产化GIS的深圳市CIM地下空间平台研究及探索》荣获地下空间专题技术与创新应用赛道一等奖。

  该作品采用了具有跨平台GIS内核的国产化MapGIS平台软件,设计与构建了覆盖多端、稳定高效、安全可信的CIM地下空间平台框架。基于国产化MapGIS平台开发的深圳市CIM地下空间平台根据BIM精细化建模的建设路线,实现地下工程BIM数据的质检、接入,充分融合多尺度地质和管线三维模型,并能对BIM模型做轻量化承载、业务图层组织、材质渲染等单体化和美化,形成地下空间数据底板,构建融合统一的精细化地下空间三维场景。

  或许未来的某一天,我们普通人也可以靠着数字孪生技术不出户知天下,通过智能终端游览城市的每一个角落,借助传感器采集信息实时传输,商场购物、公园散步、医院看病都能成为数字孪生城市中的日常。当然要想实现这个“美梦”,暂且要等数字孪生有关技术新的突破。从中地数码对GIS基础软件的精耕成果中,我们已看到这一趋势的加速。

  我们足以相信,随着各厂商对技术的不断探索以及沉淀,补齐技术短板,最终属于数字孪生城市的技术基石将愈发成熟,而我们也将在众多科技成果的驱动下,早日看到数字孪生城市的美好模样。