數字孿生技術在自然資源領域應用探索

2021-03-17 05:37:20郭大海劉俊偉仇巍巍王娟韓霄

河北遙感 2021年1期

郭大海、劉俊偉、仇巍巍、王娟、韓霄

（泰瑞數創(chuàng)科技（北京）有限公司北京 100192）

1、前言

黨的十九大以來，圍繞自然資源體系改革國家推行了一系列方針政策。2018年3月，中共中央印發(fā)《深化黨和國家機構改革方案》，組建自然資源部，其重要職責是“對自然資源開發(fā)利用和保護進行監(jiān)管，建立空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實施”。2019年11月，自然資源部印發(fā)了《自然資源部信息化建設總體方案》，方案中指出需要形成全覆蓋的三維自然資源數據底板。要以全覆蓋、全要素、立體調查監(jiān)測為基礎，整合已有國土資源、海洋、測繪地理數據，構建“地上地下、陸海相連”并相互關聯的自然資源數據底板，形成統(tǒng)一協調的支撐自然資源和國土空間開發(fā)利用與保護的數據基礎。統(tǒng)籌整合土地、地質、礦產、海洋、測繪地理信息的信息化資源，運用移動互聯網、云計算、大數據、物聯網、人工智能等新一代信息技術，通過完善、優(yōu)化和創(chuàng)新，建設自然資源“一張網”、“一張圖”、“一個平臺”，并以此為基礎構建自然資源調查監(jiān)測評價、自然資源監(jiān)管決策、“互聯網+自然資源政務服務”三大應用體系。

當前，以云計算、大數據、人工智能等新技術為代表的數字浪潮席卷全球，數字孿生技術橫空出世，以集成了多種新技術的融合體的形式出現在大眾面前。萬物皆可孿生，物理世界和與之對應的數字世界同步規(guī)劃、同步發(fā)展。數字世界為物理世界提供規(guī)劃實施前的模擬仿真推演，物理世界因為數字世界提供的支撐變得高效有序，同時和數字世界實時反饋、互相作用。從人體到建筑，從工廠到城市，越是復雜的系統(tǒng)，越需要構建數字孿生體。建設在數字世界仿真，在物理世界執(zhí)行，虛實融合、智能迭代的數字孿生世界，機遇前所未有，挑戰(zhàn)也前所未有。

狹義看，數字孿生技術大家的關注點都在城市范疇，將數字孿生的理念和技術在城市范圍內進行應用，但從廣義看，數字孿生技術是以虛擬服務現實、數據驅動治理為特征的未來世界智能化運行的先進模式。將數字孿生技術運用到自然資源領域成為必然，為自然資源信息化提供了新的思路和嘗試。

2、在國土空間規(guī)劃方面的應用

（1）三維地理實景應用

通過三維地質建模對現實場地條件進行模擬還原，在可視化的環(huán)境下，使地形、地質、環(huán)境條件等要素的分析更加符合現實、更加直觀，這對工程的分析、判斷和決策影響極大。例如基于三維模擬的洪水淹沒分析、填挖方分析、地質條件等，在三維環(huán)境模擬下的分析更加直觀，從而讓國土空間規(guī)劃“雙評價”也更加科學。

（2）微觀要素評價

在三維虛擬環(huán)境中，通過對如地形、用地功能、水環(huán)境等傳統(tǒng)要素進行分析，還能根據相關的物理模型對污染物擴散、噪聲、風熱、光傳播等微觀要素進行模擬與評價，彌補“雙評價”體系對微觀設計指導不足的缺陷，使國土空間規(guī)劃的“雙評價”系統(tǒng)更加廣泛、多樣，評價方法更加精細、準確。

（3）規(guī)劃成果輔助審查

針對國土空間規(guī)劃和相關專項規(guī)劃的規(guī)劃成果，按照審查辦法及傳導要求，提供圖文一致性、圖數一致性、指標符合性、空間布局符合性等審查功能，輔助審查結果并形成審查報告。

可以提供大量以數字孿生空間為基礎的輔助審查分析工具，包括空間疊置分析、緩沖區(qū)分析、網絡分析、空間統(tǒng)計分析、三維空間分析。其中三維空間分析主要包括數字高程模型分析、三維網絡分析以及二維要素三維化、坡度坡向分析、陰影分析等。

3、在礦山方面的應用

（1）礦山生產管理

通過對礦區(qū)環(huán)境和礦權的立體真實還原，集成礦區(qū)的生產概況信息，可以在虛擬環(huán)境中查詢實時生產概況，可以了解礦井中各個巷道的功能和它的生產情況及工作面的基礎信息等，如主斜井，通過系統(tǒng)可以查到它的坐標、高程、長度、徑斷面、支護方式和用途，并且加載了真實場景的照片和資料；可實時了解巷道內的設備設施情況，如部署位置和屬性信息，支持二三維無縫交互操作。

（2）安全監(jiān)控

在虛擬礦山環(huán)境中可以對任意礦井的監(jiān)控設備進行遠程調閱和實時監(jiān)控查詢，如瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)等。當用戶選擇所要關注的礦井時，系統(tǒng)會自動將此礦井所有的瓦斯監(jiān)控點進行展示，包含：監(jiān)控點的位置信息、實時監(jiān)測數據信息、歷史監(jiān)測圖等；任意點擊列表中的每個探頭，可以自動定位到三維場景中的位置，并可直接從三維場景中調閱查詢此探頭的數據曲線圖，動態(tài)展示實時監(jiān)測數據走勢，更加直觀的反映瓦斯數據的變化情況；同時可以對監(jiān)測報警范圍設定上下限，當瓦斯達到一定濃度時，將自動進行報警提示，為礦區(qū)的安全生產、實時監(jiān)控和應急預警、人員疏散提供了可視化、可量化、可預警的服務平臺。

（3）露天礦儲量動態(tài)監(jiān)測

礦產儲量管理是礦產資源管理的基礎工作和核心內容。通過對礦山的三維建模和動態(tài)監(jiān)測，同時結合礦山的日常生產管理，可以對礦產資源儲量進行三維可視化和智能化監(jiān)管，對礦山資源儲量進行統(tǒng)計和及時更新。目前利用傾斜攝影技術和數字孿生技術進行礦山儲量的動態(tài)監(jiān)測主要應用于露天礦，對露天礦進行定時數據采集和建模，并對儲量進行快速的估算，從而實現露天礦儲量的動態(tài)監(jiān)測。

（4）地質建模

在地質勘查中，很多情況下原始采樣點都是不規(guī)則的，處理的復雜度高，缺乏科學有效的特征描述與對象建模基礎，影響其有效可視化、組織、分析。依靠傳統(tǒng)模型展示手段，只能夠達到小范圍、有限數據量、低精度的展示效果，而將數字孿生技術應用于地質體建模取得了不錯的效果。

a)鉆孔數據可視化

基于鉆孔數據相同地質層屬性間的依賴關系特征，建立鉆孔數據模型。

b)地質層可視化表達

由于鉆孔數據是分布在三維空間中，所以有必要將三維鉆孔數據映射到一個平面上。建立不規(guī)則三角網（TIN）模型，可以完美表達連續(xù)空間內相同屬性地質層模型。

c)實時剖切

基于地質層TIN模型中任意三角點實現拓撲連接，并在TIN之間完成填充，建立四面體化的不規(guī)則網格，最終實現地質體模型的建立，并可以實時剖切獲得剖面的地質層情況。

4、在不動產方面的應用

經過多年的信息化建設，不動產登記信息化工作已經初步完成，同時也在進一步探索基于三維立體空間的不動產方面的應用，推動三維不動產登記應用以及登記數據和三維數據的深度融合，為房屋數據修補測提供基礎數據，為不動產登記過程中提供三維戶型圖和實時計算，并為后續(xù)不動產大數據分析提供重要的支撐。

5、結語

自然資源涵蓋了山水林田湖草多個領域，自然資源體系的整合對于自然資源的國土空間規(guī)劃、用途管制、耕地保護和審批監(jiān)管注入了核心力量，同時對于實體空間的表達也提出了非常多樣的要求，包括數據精度要求、實體可視化要求、參與分析的要求，都對應用技術提出了非常大的挑戰(zhàn)。而數字孿生技術正是對整個自然資源空間對象的實體化表達和多維度分析的結合，可以實現虛擬空間和現實空間的精準映射和互操作。通過對自然資源應用的分析思考并和數字孿生技術的結合探討，可以看到未來數字孿生技術在自然資源領域必定大有可為。