数字孪生在新基础测绘中的应用

泰瑞数码科技(北京)有限公司

刘俊伟、孙东风、王金兰、唐丽萍、杨文学

十九届四中全会提到“要更加注重运用人工智能、互联网、大数据等现代信息技术提升治理能力和治理现代化水平”。 总书记还强调了利用现代信息技术赋能国家治理现代化的重要性。 传统测绘作为国民经济社会发展和国防建设的重要基础,已不能满足日益增长的信息化、智能化需求。 为此,自然资源部提出“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。 ,以及建设“现实立体中国”的任务。 那么,如何实现基础测绘升级改造的目标,提高测绘地理信息基础支撑能力,为政府和社会各界提供更有针对性、更有知识的产品和服务,是面临的重要问题基础测绘。 问题。

作为数字化浪潮下最具发展潜力的技术,数字孪生是实现数字化转型、解决物理实体与虚拟实体交互与融合、真正实现物理实体全生命周期智能管理的关键技术。 也是指导新型基础测绘升级转型的有效理念和技术路径。 本文介绍了数字孪生的发展历史和技术特点,探讨了数字孪生技术与新型基础测绘的共性和特点,探讨了基于数字孪生技术构建新型基础测绘体系的新思路和路径。 ,为新型基础测绘系统建设提供依据。 为测绘地理信息产业发展提供参考。

1. 数字孪生技术

(一)数字孪生的发展历史

数字孪生(digital twin)的想法最早由密歇根大学教授 Michael Grieves 于 2002 年提出,但当时被称为“镜像空间模型”[1]。 “数字孪生”一词最早出现在美国国家航空航天局(NASA)2010年的一份技术报告中,被定义为“集成多物理场、多尺度、多维度的运载工具或系统的仿真”。 -概率,利用物理属性模型、传感器真实数据和飞行历史数据形成物体整个生命周期的镜像”[2]。2012年,NASA和美国空军联合发表了一篇关于数字孪生的论文,指出数字孪生是驱动未来飞机发展的关键技术之一[3],未来几年,越来越多的研究将数字孪生应用于航空航天领域,包括机身设计与维护、飞机能力评估、飞机故障预测等

由于德国西门子、美国通用电气(GE)、美国参数技术公司(PTC)、法国达索公司等公司的推动,数字孪生技术在工业制造领域得到快速发展,随后其他领域的研究也逐渐增多。 数字孪生技术的研究热潮已经开始。 北京航空航天大学陶飞等人自2017年以来对数字孪生技术进行了深入研究,提出了数字孪生五维结构模型:物理实体、虚拟模型、服务、孪生数据及其之间的联系。以孪生车间为例,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开展了数字孪生车间模型构建理论与技术的研究与实践[4-8]。 2018年,《河北雄安新区规划纲要》解读中首次提出“数字孪生城市”概念。 城”[9]。 于斌和朱维佳通过构建数字孪生系统解决了石油石化流程工业生产过程中工况的连续性和复杂性问题[10]。

(2)数字孪生技术的特点

学术界将数字孪生定义为:以数字方式创建物理实体的虚拟实体,利用历史数据、实时数据、算法模型等对物理实体的整个生命周期进行模拟、验证、预测和控制的技术手段[6]。 综上所述,数字孪生具有以下技术特点。

(1)全要素精细化数字化表达:数字化虚拟实体模型以1:1的比例还原物理实体模型,仿真程度高,几何结构映射精准。

(2)运行状态实时全感知:物理实体的运行状态实时反映在虚拟实体中。

(3)虚实融合互操作:物理实体和虚拟实体具有双向映射关系,两者可以双向互操作、交互。

(4)模拟与推演预测:通过虚拟数字空间中的数据建模和事件拟合,实现对具体事件的评价、计算、推演和预测,为方案决策提供依据。

(5)自学习、自优化:监测物理实体的状态数据,分析推理,优化工艺参数和运行参数,实现自学习和自由化的闭环。

2. 数字孪生与新基础测绘融合分析

(一)数字孪生与新基础测绘融合的基础

基础测绘是建立和维护国家统一测绘基准和系统,获取航天影像,建立更新和维护基础地理信息数据库,提供测绘地理信息应用服务。 本质上,基础测绘也是以数字化的方式表达真实的物理世界,为各行业的应用提供信息服务,这与数字孪生的概念非常相似。 不同的是,数字孪生关注的是从物理实体数字化到智能化管理的全生命周期过程,而新基础测绘则关注的是物理世界的数字化和支撑智能应用的能力。 因此,利用数字孪生指导新型基础测绘体系建设,能够更好满足新时代数字化转型和智能化应用的需求。

从需求角度来看,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和需求升级驱动的新型智慧城市建设发展的新理念、新理念”。 方法、新想法”[11]。 满足智慧城市建设和精细化社会治理的新需求,是数字孪生城市建设的目标,也是新型基础测绘的任务之一。 新型基础测绘的升级改造需要与数字孪生技术相结合,满足数字孪生城市建设等数字孪生应用的需求。

(2)结合数字孪生的测绘基础新特征分析

新型基础测绘是以基础地理信息三维实时获取、自动化智能化处理、网络化服务、社会化为特征的信息化测绘系统[12]。 基于以上分析,笔者认为新型基础测绘具有以下六大能力。

1、多方法测绘采集

从建设内容看,新基础测绘要求建设陆、海、空一体化的现代测绘基准体系,完善覆盖更全面、内容更丰富、针对性更强的基础地理信息数据库。分类。 一方面,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装备,通过光学多光谱遥感、高光谱遥感、倾斜摄影等方式、激光雷达、合成孔径雷达干涉测量(InSAR)等。利用多种测绘技术,获取有效覆盖陆地、海洋、太空以及地上地下所有空间和要素的多类型测绘数据,为城市规划、环境监测、森林调查、海底勘探等领域提供支持。 另一方面,要积极开展泛在测绘,即通过众包的思路,鼓励广大网友对遮挡区域进行在线更新、测绘、补充模型针对地理信息发布的产品[13],从而弥补地理信息产品的遮挡。 问题造成的缺点。 目前测绘地理信息众包包括:百度、高德等导航公司利用用户实时大数据众包制作导航地图; 泰拉数字创新“平行世界”服务平台链接行业需求,服务现已覆盖238个城市,拥有1000多家合作伙伴。

2. 语义实体3D

新基础测绘必须充分融合人工智能、大数据、物联网等高新技术,形成新基础测绘“ABIS”生产技术体系[14]。 从建设方式看,要按照智能化处理要求,大幅提高数据生产自动化水平,全面提高基础测绘生产作业效率; 从建设成果看,“真实3D中国”需要单一化、结构化、语义化的“三化”实体三维数据成果,可实现数据分析、挖掘和决策支持,提高基础地理信息的内在价值产品,提升地理信息产品应用的广度和深度。

整体化。 目前主流的倾斜摄影3D模型,由于制作工艺的特点,结果数据是基于不规则三角网络的表面模型,形成了“粘皮”,无法对单个物体进行操作,更不用说为单个对象分配相应的值。 属性,从而限制了3D模型的应用能力。 因此,实体三维数据的首要特点就是单一,具有对单一对象进行操作和分析的能力,也为本地数据的增量更新提供了条件。

结构化的。 结构是大数据分析的前提。 因此,要实现时空大数据和实时大数据的整合和挖掘分析,为城市规划、城市管理等行业提供服务,这就要求必须对实体三维数据进行结构化。

语义的。 语义化可以将物理世界中的多源异构、多模态的空间大数据组织起来,形成复杂庞大的数据语义网络,让计算机能够灵活识别语义模型,快速学习数据的深层含义,深入理解现实世界,并从中学习。 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

在大数据时代,基于无处不在的测绘产生的位置大数据已成为当前用于感知人类社区活动模式、分析地理条件和建设智慧城市的重要战略资源[15]。 为适应绿色、智能、泛在的发展需求,应对大数据时代的变化,新型测绘地理信息数据需要具备与轨迹数据、空间媒体数据、统一时空框架下的社会经济数据,以加强测绘。 地理信息的价值。 其中,轨迹数据是指通过北斗定位系统、GPS定位系统等获取的人流数据、车辆轨迹数据等; 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,主要来自互联网应用和城市监控系统; 社会经济数据主要是指包含地理位置信息的社会经济统计数据,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. 模拟计算

新时代背景下,城市规划、城市更新、应急管理等领域需要在数字世界中实施方案评估、分析和优化方案,以指导现实物理世界中的决策。 这就要求地理信息产品作为各类经济社会、实时大数据等信息的载体,具有支持仿真计算的能力,基于语义模型进行分析和模拟,实现仿真计算、动态分析和仿真计算。推论和情况预测。 从分析方法来看,测绘地理信息产品需要从现有的空间分析、时间分析向智能分析升级。

5、智能资源调度

基础测绘具有基础性、公益性、权威性。 在组织管理制度上,要坚持国家统一规划、分级管理,杜绝重复测绘,实现“同一地理实体只测一次”的目标。 建设分级地理实体管理服务平台,实现各级单位共建共享。 基于地理实体特有的编码体系,实现基于实体对象的快速本地更新。

从服务方式看,新的基础测绘需求必须以需求为驱动,具有“一库多用、按需组装”的特点。 针对不同地区、不同层级、不同行业的用户,支持自定义实体范围、实体精度、实体覆盖语义类型等多维度过滤条件,快速提取对应的实体数据和信息; 同时支持自动提取提取的实体数据和信息。 将一个程序集定义为一个或多个场景进行共享和发布,以满足不同的应用需求。

6.智能应用支持

新型基础测绘面临种类更多、质量更高、应用更广的现实要求,其对经济社会发展的基础性作用需要不断强化。 从行业应用来看,不仅需要继续满足继承基础测绘的传统土地规划和城市建设的需求; 还要适应新时代背景下自然资源“两统一”管理和生态环境修复的新需求。 从视觉渲染需求来看,不同层级、不同行业的管理人员不仅需要传统GIS专业级的视觉渲染,还需要支持城市运营管理中心的城市级大屏可视化需求,满足跨平台、跨浏览器的要求。 视觉渲染要求。

3、基于数字孪生的新型基础测绘解决方案

(1)语义地理实体自动建模

在语义3D模型方面,德国SDI 3D率先提出并设计了用于3D空间语义数据交换和存储的CityGML格式,该格式已在新加坡、法国巴黎等少数地区得到应用。 国内学者也基于CityGML做了大量的改进研究。 在应用方面,泰瑞数据创新是第一家提供从语义3D建模到语义模型管理再到智能应用的全流程技术解决方案的公司。 已在上海公安局、天津滨海城市大脑、上海临港(600848)等城市大脑等智慧城市建设中得到应用。

Terra Digital自主研发的语义地理实体自动化生产流程,采用倾斜摄影、激光扫描等新型测绘方法,整合现有4D产品、3ds max模型、建筑信息模型等多种来源的异构数据(建筑信息模型)。 )等,实现全要素、全空间、语义地理实体数据的自动化构建。 语义地理实体数据充分考虑了模型的几何、拓扑、语义、外观等属性,还包括学科类别之间的层次和聚合、物体之间的关系、空间属性等。这些专题信息不仅仅是图形交换格式,还允许将城市3D模型部署到各种不同应用中的复杂分析任务,例如模拟分析、城市数据挖掘等。在生产效率方面,它可以自动提取至少3000个单体建筑每小时语义模型; 它还可以自动提取屋脊高度、屋顶方向等数十种空间结构信息。 同时,深度学习技术还可用于基于计算机辅助设计(CAD)或非数字图纸自动生成室内三维语义模型。

(2)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,它可以作为管理对象,能够方便地将地理信息与社会、经济、自然资源等特殊信息联系起来,是各类信息的聚合载体。 16]。 与传统地理信息基础数据基于尺度的分级管理模式相比,地理实体需要按实体进行结构化和管理,每个实体都需要有唯一的编码标识符。 基于实体的组织方法不仅可以连接社会、经济等属性信息,而且可以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字自主研发的,是空间地理实体建设整体解决方案的重要组成部分。 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等。 ,支持挂接外部业务数据,赋予实体时空编码,可进行图管理,可实现实体可视化查询、按需组装、按需发布等功能,解决集成应用难的问题多源异构空间数据以及地理实体之间的数据。 针对智慧城市建设缺乏关联性、需求多样化等问题,提供地理实体数据统一生产、统一存储、统一管理、统一发布的全链条服务。

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以及对其他实体数据的推理分析,如图1所示。

查询结果统计分析:查询结果支持图表、地图、三维场景等多种展示方式。 统计分析可以显示实体分类以及每种类型下的实体数量; 支持根据实体属性提取不同类型实体的某些属性对应的分析结果,如图2所示。

图2 查询结果统计分析(左:实体查询;右:实体统计)

一库多能,按需组装:支持创建新组作为需求空间。 通过选择场景中的实体加入群组,即可完成需求组装。 可以预览并导出分组数据,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,快速对接外部数据:基于地理实体唯一编码标识,可连接整合外部数据,如BIM、物联网、视频、等,满足智慧城市的需求。 行业智能分析需求如图4所示。

图 4 连接外部传感器数据

(3)面向应用的数字孪生基地

为更好地为行业用户提供定制化服务,建设面向应用的数字孪生基地,构建统一的测绘地理信息数据和服务体系,完善共享应用机制,打造灵活的服务和安全可靠的一体化管理服务平台,形成具有良好协调控制能力的有机整体,实现测绘地理信息公共服务能力全面提升。 数字孪生基地整体架构如图5所示。

图5 数字孪生基地整体架构

数据中心汇聚二维、三维基础地理时空数据、CAD、管道、BIM等构成要素数据、传感器实时传感数据以及管理应用所需的各类业务数据,建立实体、属性及其属性。语义和空间关系。 利用抽象模型和表达方法,进行自动化的数据融合、知识抽取、知识融合和知识推理,形成领域知识图谱,构建地理实体数据库。

技术中台面向业务应用和数字孪生建设,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,提供视觉渲染引擎和地理实体服务引擎。 、模拟计算引擎和物联网管理引擎。 其中,视觉渲染引擎提供融合双渲染引擎的视觉渲染技术,实现“全视角大场景构建-细节层次渲染-实时流式传输”的多层次渲染。 地理实体服务引擎通过二维、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,提供数字实体全要素的数字化和语义查询,全状态可视化和图分析,实现实体化关联分析和关系推理。 。 仿真计算引擎通过连接自然仿真和仿真算法,将地理实体模型的几何结构和语义信息引入仿真计算,通过集成、并行、高效的时空数据挖掘模型获取隐藏在时空大数据中的知识。 。 物联网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、物联网等信息的接入和管理,提升特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,实现业务数据的结构化融合和再分析,实现一准时生产、按需组装和发布数据。 共享。 建立面向应用的数据和功能服务,为大屏、桌面、网页、移动终端、虚拟现实/增强现实(VR/AR)设备上的多终端集成显示应用提供二次开发接口和应用编程接口。 。

4. 应用实践

(一)新的基础测绘数据生产

地理实体数据是新基础测绘体系下的新型地理信息产品。 通过唯一标识、对象处理和实体关联集成,有望解决地理对象所表达的空间语义与现实社会中的表达方式存在显着差异,且缺乏全局唯一标识符而难以满足的问题。快速更新、生命周期管理、多源数据关联和多样化社会服务的需求[18]。

西宁测绘院在泰瑞数字数字孪生技术体系支持下,设计了西宁地理实体数据产品生产和服务体系,建立了一整套地理实体数据生产、更新和维护机制,满足西宁的需求升级“一库多能、按需组装”的基础测绘服务新模式。 以西宁市主城区120平方公里为试验区,从现有数据源(基本比例尺数字地形图数据、倾斜摄影测量数据等)中提取,编辑制作新的地理实体数据(图6)、并在统一的空间框架下,分配地理实体识别代码,并进行质量检验和入库。

(二)国土空间规划业务

国务院机构改革后,测绘工作迎来全面纳入自然资源管理平台的新机遇,承担起服务自然资源“两统一”的新任务。 陆浩部长曾指出,测绘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基础平台,构建了嘉善规划管控一图系统。 通过整合所有基础空间数据(城市现状三维场景、地形、地质等)、现状数据(人口、土地、住房、交通、产业等)、规划成果(总体规划、控制性规划、专项规划) 、城市设计、建设限制等要素等)、地下空间数据(地下空间、管廊等)等城乡规划相关信息资源,形成现行与规划数据统一服务体系内容完整、结构合理、规范高效,实现数字季节空间中的合并叠加,解决潜在的冲突和差异,统一空间边界管控,形成规划管控的“一张蓝图”。 以此为基础,进行规划评估、多方协作、动态优化和实施监督,实现“假设”分析和虚拟规划的快速执行,推动城乡规划有针对性、及早布局。 同时,利用泰瑞数码的室内外语义实体三维建模软件,自动构建了嘉善县60平方公里的室内外语义实体三维数据,为智能化应用提供数据支撑。

(3)城市计算与模拟

新的基础测绘数据成果涵盖城市地表、地下、室内外三维语义数据。 它是数字季节城市运行的主要载体,是支撑城市计算与模拟的重要基础。 结合仿真模型,可以模拟自然现象、物理力学规律、人群活动、自然灾害等,为城市规划、管理、应急救援等做出科学决策,促进城市资源公平、快速配置,支持建设更加高效、智慧的城市。 现代治理体系。

During the construction of the Shanghai Lingang Intelligent Connected Vehicle Comprehensive Test Zone, the digital twin technology system was used to achieve fast, accurate production, and low cost through technologies such as low-altitude aerial photogrammetry, real-scene 3D modeling, intelligent identification and classification semantics. , High-precision map processing that can be understood by machines, providing reliable and stable updated high-precision map data support for autonomous driving solution providers or car manufacturers.

5. 总结

Digital twin is not only a concept, but also deeply integrated with high technologies such as big data, cloud computing, Internet of Things, simulation, and artificial intelligence. It is currently the technology with the most development and disruptive potential. Basic surveying and mapping provides the basis of surveying and mapping geographical information for economic construction, national defense construction and social development. It is a national strategic resource and an important basis for implementing development plans, conducting macro-management, safeguarding national security, and building ecological civilization. From a digital perspective, basic surveying and mapping itself is also an application of digital twin technology. At the same time, high-end surveying and mapping equipment and new surveying and mapping methods also provide a technical foundation for building a digital twin city. Therefore, it is natural to use digital twin concepts and technologies to guide the construction of a new basic surveying and mapping system. 。 This article combines Terry Digital’s more than ten years of technology accumulation and development experience to discuss the construction path and application scenarios of a new basic surveying and mapping system integrating digital twin technology, providing a reference for the construction of a new basic surveying and mapping system and the development of the surveying and mapping geographic information industry.