數字孿生下的超大城市空間三維信息的建設與更新技術研究

李志鵬 金雯 王斯健 王倫

摘? 要：當前，以物聯網、大數據、人工智能、5G傳輸等新技術為核心的數字浪潮正在席卷全球，數字世界為了服務物理世界而存在，物理世界因為數字世界變得高效有序，數字孿生技術應運而生，影響著城市空間規劃布局、建設與發展。城市高時間分辨率的三維空間信息是數字孿生城市建設的基礎，該文圍繞城市空間三維地理信息建設與地理信息的現勢性，結合測繪遙感前沿技術、物聯網通信傳輸以及協同管理機制，全面思考了三維地理信息建設以及更新的技術手段，對城市信息化建設具有一定的參考應用價值。

關鍵詞：數字孿生? 三維地理信息? 更新機制? 測繪遙感

中圖分類號：P231 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）08（a）-0003-07

Research on the Construction and Updating Technology of Three-Dimensional Spatial Information of Megacities under Digital Twin

LI Zhipeng1? JIN Wen1? WANG Sijian1? WANG Lun2

（1.Shanghai Surveying and Mapping Institute， Shanghai， 200061 China;2.China Telecom， Suqian， Jiangsu Province， 223800 China）

Abstract： At present， the digital wave centered on new technologies such as Internet of Things， big data， artificial intelligence， and 5G transmission is sweeping the world. The digital world exists to serve the physical world. The physical world has become efficient and orderly， for the application of digital technology. Born， it affects the city planning， construction and development of urban space. The high-time resolution of urban three-dimensional spatial information is the basis of digital twinning city construction. This paper focuses on the three-dimensional geographic information construction of urban space and the currency of geographic information. Combined with the cutting-edge remote sensing technology， Internet of Things communication transmission and collaborative management mechanism， we research the construction and updated technical means of the three-dimensional geographic information， having certain reference application value for urban information construction.

Key Words： Digital twin; 3D geographic information; Update Mechanism; Surveying and remote sensing

對城市當前狀態的實時精準模擬和對未來狀態的準確預測是城市精細化管理的關鍵科學問題[1]。地理空間數據信息的現勢性是GIS的靈魂，它遠遠高于幾何精確性。從我國城市發展看，超大城市每年地表覆蓋的變化都達到40%以上[2]。要保持地理空間信息的現勢性確實是非常困難。

目前三維地理信息技術已經成為人們最關注的行業熱點技術[3]。在數字孿生城市技術背景下，利用新型測繪技術可快速采集地理信息進行城市建模，是數字孿生城市建設的重要環節。

城市信息模型平臺融合城市精準空間信息（如建筑、交通、水系、植被、基礎設施等城市地理實體的空間位置和屬性特征）和物聯網動態傳感器數據流（如視頻監控數據、車輛軌跡數據、公交刷卡數據、停車場數據、道路卡口數據、地下官網數據、空氣質量數據、水質水文數據、氣象數據、水電氣表數據等），對城市進行數字化孿生的城市三維信息建模，關聯物聯網實時數據[4]。

要實現數字孿生城市建設，首先要建立城市信息模型平臺，要求城市空間地理信息以全空間、全要素、三維、實時更新的形式呈現，這對城市測繪與地理信息建設提出了很高的要求。利用新型測繪技術可以實現全空間、全要素三維地理信息場景的真實構建。結合衛星遙感、點云差分、物聯網構建以及協同管理機制，可以較為完善地實現有效的城市地理信息變化檢測，進而實現快速更新，提高城市三維場景模型的現勢性。

1? 全息測繪技術構建城市三維空間地理信息

利用全息測繪技術方案可以實現城市空間基礎設施三維信息的快速采集，構建全空間、全要素的城市信息模型，采用衛星發現房屋建筑以及大范圍地物變更、點云差分檢測城市交通要素以及基礎設施部件變更，利用物聯網機制對城市核心地理要素進行實時地信號監測，以及利用協同管理機制，整合地物變更情報，提高地理信息更新效率。通過有效的更新機制，可以保持城市信息模型的現勢性，進而可以構建高性能的城市信息平臺，整合城市多源信息，建設數字化的城市基礎設施三維平臺，最終實現物理空間基礎設施與數字空間地理信息之間的數字孿生，如圖1所示。

航天和航空遙感技術近年來取得了飛速的發展，遙感數據獲取技術趨向三多（多傳感器、多平臺、多角度）和三高（高空間分辨率、高光譜分辨率、高時相分辨率），從而可以每天發回大量的遙感數據，利用遙感數據，可以實時、自動地回答合適（when）、何地（where）、何目標（what object）、發生了什么樣地變化（what change）地“4W”問題。高分辨率遙感影像呈現出了更多的細節信息，利用變化檢測算法可以檢測出城市空間變更區域[9]（見圖6）。

2.2 點云差分技術

在獲得城市高精度三維激光點云數據成果的基礎上，通過不同時相的三維激光點云，對其進行分類，并按類別進行差分變化檢測，最終獲得城市空間三維地理信息的變化檢測結果，實現三維地理信息的更新（見圖7）。

2.3 利用物聯網機制，發現變更地物

物聯網（Internet of Things，簡稱IoT），主要是通過傳感器、通信模塊以及芯片等感知設備將物體進行聯網。

伴隨著物聯網產業的快速發展，對新型傳感器、芯片的需求逐漸增大，因此對其尺寸和功耗提出了更高的要求。而MCU（Micro Control Unit，微控制單元）和MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統）由于其高性能、低功耗和高集成度的優勢，得到了全面發展。

物聯網的傳輸層主要負責傳遞和處理感知層獲取的信息，分為有線傳輸和無線傳輸兩大類，其中無線傳輸是物聯網的主要應用。

萬物互聯的基礎在于數據傳輸，對于城市空間關鍵實體，通過在城市實體上安裝通信信號，將其物聯網化，利用通信傳輸介質將其關聯到全空間、全要素的地理信息平臺上，使實體空間要素與數字地理信息模型實現關聯，實現數字孿生。若實體空間發生改變，則物聯網信號源發生變化，數字地理信息平臺可實時監測到物理地理空間的變化，從而做出響應，實現實時的更新。

2.4 利用協同管理機制，發現變更地物

城市測繪地理信息產品生產與服務端存在3個供需主體。一是測繪地理信息部門，是城市地理空間信息數據的生產者和提供者;二是城市建設主體部門與行政職能管理部門，掌握地理信息要素變化情報，是地理空間要素實體的建設者和創造者，也是地理信息數據成果的最主要使用者;三是公共事業管理部門與廣大人民群眾，是地理信息產品應用的主體，是未來地理信息產業擴展服務的方向，也是最能反映地理信息產業服務能力的參與者[10]。

因此，在數據生產者、要素建設者和數據使用者之間建立良好的溝通渠道，是及時掌握地理信息變化情報和地理信息用戶最新需求的重要途徑。建立共享協同機制，以基礎地理信息服務平臺為橋梁，實現測繪地理信息部門與工程建設部門以及廣大群眾間的信息交流共享互通，快速掌握項目建設最新動態，及時更新地理信息變化數據。結合測繪地理信息內部形成的地理信息成果定期更新平臺和機制，從而形成以建設信息為主、定期普查信息為輔、大眾互動參與信息為補充的地理信息數據更新情報獲取的科學新模式，既及時高效又科學可靠（見圖8）。

3? 研究結果

該文利用上海市某區域一個街區的車載和機載三維激光點云數據成果，進行了點云數據處理，并進行了道路與街坊內部一體化高精度DEM的構建（見圖9）。高精度DEM精度情況（見表3）。

該文利用全息測繪技術對城市空間三維信息進行制作，利用傾斜攝影制作單體化建筑模型，利用三維激光點云進行城市空間三維信息的提取，并匹配模板庫，進行三維場景的構建（見圖10）。

基于DSM差分技術，對2018—2019年上海市嘉定區部分區域進行了變化檢測，得到房屋建筑物發生變化的檢測結果（見圖11）。

基于深度學習方法對季度更新的高分辨率衛星影像進行變化檢測，對2018年到第二季度和第三季度衛星影像處理，得到地理要素發生變化的檢測結果（見圖12）。

一旦建成物聯網機制，實現空間實體與數字化三維地理信息實時相互關聯，實現數字孿生技術應用。將為地理信息平臺引入大量的城市實時信息，可以有效實現地理信息動態更新（見圖13）。

4? 研究結論

該文圍繞城市空間三維地理信息建設與地理信息的現勢性，結合測繪遙感前沿技術、物聯網通信傳輸以及協同管理機制，全面思考了三維地理信息的建設以及更新的技術手段，對城市三維地理信息的現勢性提高具有重要的參考意義。

在未來，為實現城市信息的數字孿生，需要實現城市空間要素的物聯網化，結合5G傳輸技術實現物理空間與數字空間的實時互動響應。此外，地理信息社會經濟屬性的建設與更新需要協同管理機制，讓更多的機構以及廣大人民群眾參與到數字孿生城市的建設中，實現數字孿生服務城市、服務于人的最終目的。

參考文獻

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[10] 汪艷霞.數字城市地理信息公共平臺智慧化升級的探討[J].地理信息世界，2015，22（4）：66-71.