太湖灣科創(chuàng)帶數(shù)字孿生管理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

李 佩，呂志慧，于建強(qiáng)，程圓娥

（江蘇省測繪研究所，江蘇 南京 210013）

0 引言

隨著5G、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，智慧城市建設(shè)也邁向了升級轉(zhuǎn)型新道路［1］。數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)為智慧城市的建設(shè)發(fā)展提供了新思路。2017年，雄安新區(qū)首次提出了數(shù)字孿生城市的概念，將數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用于城市建設(shè)與管理，打造了雄安BIM管理平臺，為數(shù)字時代城市發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗［2-4］。而數(shù)字孿生技術(shù)依賴的海量數(shù)據(jù)資源是基礎(chǔ)，也是新型智慧城市建設(shè)的數(shù)字基底［5］。GIS數(shù)據(jù)具有正確的地理空間位置信息，非常適合作為構(gòu)建數(shù)字孿生城市的數(shù)據(jù)基底。常用的Cesium、ThreeJS等三維GIS可視化引擎注重于二三維GIS數(shù)據(jù)的集成和管理，由于網(wǎng)絡(luò)端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸以及瀏覽器使用資源的限制，其在孿生城市建設(shè)中三維場景高保真可視化表現(xiàn)不佳。現(xiàn)階段，通常采用對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化壓縮來提高數(shù)據(jù)的渲染效率，但難免會出現(xiàn)因數(shù)據(jù)壓縮導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失精度、可視化效果不好的情況［6］，并不能滿足數(shù)字孿生城市建設(shè)的需求。而虛幻引擎（Unreal Engine，UE）作為當(dāng)今主流游戲引擎之一，具有開源免費(fèi)、場景精細(xì)、實時渲染等優(yōu)點，在游戲開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，常用來制作3A級游戲大作［7-9］。UE擁有先進(jìn)的云渲染技術(shù)，將三維場景放在服務(wù)器上進(jìn)行渲染，通過視頻流的方式實時傳輸?shù)娇蛻舳耍梢愿玫剡€原真實世界［10］。但通過虛幻引擎完全利用手工建模的方式構(gòu)建城市級的數(shù)字孿生場景顯然也不現(xiàn)實。

2020年10月，無錫市政府印發(fā)了《無錫太湖灣科技創(chuàng)新帶發(fā)展規(guī)劃（2020—2025）》（以下簡稱“規(guī)劃”）的通知，表明無錫立足新時代方位開始建設(shè)太湖灣科創(chuàng)帶，打造鏈接融入長三角區(qū)域的核心戰(zhàn)略平臺，從而推動經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型和實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展［11］。因此，本文嘗試將GIS與虛幻引擎兩者的優(yōu)勢相結(jié)合，充分利用GIS數(shù)據(jù)真實的空間位置信息和虛幻引擎先進(jìn)的三維渲染技術(shù)，選取無錫太湖灣科創(chuàng)帶的核心區(qū)80 km2為試驗區(qū)域，將GIS與虛幻引擎結(jié)合，基于WDP平臺打造了太湖灣科創(chuàng)帶數(shù)字孿生管理平臺，以期為未來無錫太湖灣科創(chuàng)帶數(shù)字孿生城市建設(shè)和管理提供借鑒與參考。

1 平臺設(shè)計

1.1 架構(gòu)設(shè)計

平臺采用B/S架構(gòu)，自下而上分為支撐層、數(shù)據(jù)層、表現(xiàn)層，如圖1所示。其中，支撐層為平臺開發(fā)使用的硬件和軟件設(shè)備。數(shù)據(jù)層包括數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型、傾斜攝影三維模型、大比例尺地形圖、國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)等二三維GIS數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源，用來構(gòu)建數(shù)字孿生場景以及支持相關(guān)功能實現(xiàn)。表現(xiàn)層根據(jù)規(guī)劃發(fā)展目標(biāo)，分為領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙、智慧規(guī)劃、科創(chuàng)產(chǎn)業(yè)、生態(tài)治理、特色文旅5個方面。

圖1 平臺架構(gòu)設(shè)計

1.2 功能設(shè)計

平臺在功能上依據(jù)規(guī)劃目標(biāo)設(shè)計領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙、智慧規(guī)劃、科創(chuàng)產(chǎn)業(yè)、生態(tài)治理、特色文旅5個模塊在WEB端進(jìn)行前端可視化展示，每個模塊包含面板信息和功能展示。每個模塊具體對應(yīng)的平臺功能如圖2所示。

圖2 平臺功能設(shè)計

其中，領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙模塊中面板信息主要包含太湖灣科創(chuàng)帶人口、面積等基本情況。功能主要包含基本量測、24小時光照模擬以及雪景天氣模擬等。

智慧規(guī)劃模塊中面板信息主要包含太湖灣科創(chuàng)帶建設(shè)用地、生態(tài)用地等規(guī)劃情況。功能主要通過疊加不同年份的城市建設(shè)用地數(shù)據(jù)體現(xiàn)城市生長情況；對五級三類國土空間規(guī)劃成果矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行分層設(shè)色疊加表達(dá)用地布局規(guī)劃情況；采用三維控高盒子體現(xiàn)建筑控高指標(biāo)，幫助決策者進(jìn)行規(guī)劃指標(biāo)審查；連接重點項目施工現(xiàn)場實時監(jiān)控視頻，實現(xiàn)工程建設(shè)進(jìn)度實時監(jiān)督；以輪播圖的方式展示各級國土空間規(guī)劃成果圖；采用三維戰(zhàn)略圖體現(xiàn)無錫太湖灣科創(chuàng)帶引領(lǐng)帶動周圍經(jīng)濟(jì)發(fā)展，體現(xiàn)太湖灣科創(chuàng)帶未來發(fā)展形成的新經(jīng)濟(jì)生態(tài)圈。

科創(chuàng)產(chǎn)業(yè)模塊中面板信息主要展示科創(chuàng)帶的科創(chuàng)產(chǎn)業(yè)、高新技術(shù)企業(yè)等基本信息。功能主要通過疊加科創(chuàng)產(chǎn)業(yè)POI點，以熱力圖的形式體現(xiàn)企業(yè)分布情況；提供查詢功能查詢企業(yè)詳細(xì)信息；疊加道路數(shù)據(jù)體現(xiàn)招商位置的區(qū)位優(yōu)勢。

生態(tài)治理模塊中面板信息主要展示太湖灣科創(chuàng)帶的空間質(zhì)量情況、藍(lán)藻監(jiān)測指標(biāo)和其他污染源統(tǒng)計信息。功能主要通過數(shù)字正射影像圖，可以直觀看出藍(lán)藻分布區(qū)域；通過疊加水域面數(shù)據(jù)查看水域治理的空間位置和屬性信息；采用三維粒子特效體現(xiàn)污染物時空動態(tài)變化的效果。

特色文旅模塊面板信息主要展示太湖灣科創(chuàng)帶的特色景點介紹、重要路口監(jiān)控信息等。功能主要通過POI標(biāo)簽展示重要景點分布信息，點擊景點圖標(biāo)可查看景點圖片和文字介紹；以熱力圖形式展示景點人口分布情況；連接實時交通數(shù)據(jù)以道路熱力圖方式體現(xiàn)道路擁堵情況；采用消防車沿道路行駛模擬突發(fā)事故進(jìn)行應(yīng)急救援調(diào)動。

2 平臺實現(xiàn)

2.1 實現(xiàn)方式

WDP平臺是51WORLD打造的數(shù)字孿生開發(fā)者平臺，提供了WEB頁面面板制作組件、API功能接口以及藍(lán)圖可視化編輯器，通過該平臺可以快速實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)、發(fā)布與管理。太湖灣科創(chuàng)帶數(shù)字孿生管理平臺基于WDP平臺進(jìn)行開發(fā)，通過面板制作板塊完成WEB界面的制作，運(yùn)用JS語言調(diào)用相關(guān)的API實現(xiàn)WEB界面和云渲染場景交互，使用藍(lán)圖可視化編輯器實現(xiàn)功能界面跳轉(zhuǎn)、組件顯隱等邏輯轉(zhuǎn)換。

2.2 數(shù)字孿生場景構(gòu)建

基于無錫太湖灣科創(chuàng)帶的數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型、大比例尺地形圖、傾斜攝影三維模型和規(guī)劃設(shè)計圖進(jìn)行加工處理，構(gòu)建了數(shù)字孿生場景。數(shù)字孿生場景總共分為3個層級。第1個層級，基于無錫太湖灣科創(chuàng)帶的核心區(qū)80 km2數(shù)字正射影像圖和數(shù)字高程模型構(gòu)建真實的三維地形場景，將大比例尺地形圖中建筑數(shù)據(jù)按高程屬性拉伸，自動批量形成三維模型體。第2個層級，針對重點區(qū)域雪浪小鎮(zhèn)使用無人機(jī)采集航片數(shù)據(jù)，利用Context Capture軟件構(gòu)建傾斜攝影三維模型，小范圍內(nèi)展現(xiàn)真實的三維場景。第3個層級，基于3DMAX軟件，按照規(guī)劃設(shè)計圖構(gòu)建雪浪小鎮(zhèn)未來城市中心精細(xì)人工模型。最終將上述數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入UE軟件中，設(shè)置材質(zhì)、燈光、環(huán)境等配置信息后，將場景打包輸出便完成數(shù)字孿生場景構(gòu)建。

2.3 面板制作

在面板制作功能下，基于平臺提供的面板模板以及各種圖標(biāo)組件，直接拖動到頁面下使用，對于平臺未提供的組件，通過本地上傳到平臺，然后拖到頁面使用。通過這種類似制作PPT的方式零代碼快速完成了5個前端頁面的制作，降低了技術(shù)門檻，節(jié)約了開發(fā)成本和時間。面板制作界面如圖3所示。

圖3 面板制作界面

2.4 功能實現(xiàn)

通過拖動需要操作節(jié)點和場景節(jié)點到藍(lán)圖可視化編輯器界面，通過調(diào)用API接口修改場景節(jié)點的代碼內(nèi)容，然后將操作節(jié)點與特定場景節(jié)點連接就實現(xiàn)了業(yè)務(wù)功能。基于操作節(jié)點可以實現(xiàn)頁面跳轉(zhuǎn)、組件顯隱等人機(jī)交互事件。藍(lán)圖可視化編輯器界面如圖4所示，平臺用地布局功能如圖5所示。

圖4 藍(lán)圖可視化編輯器界面

圖5 用地布局功能

2.5 建設(shè)成果

在WDP中完成面板制作和實現(xiàn)所有業(yè)務(wù)功能后，將整體文件下載到本地，用谷歌瀏覽器打開下載文件中的panel.html文件，就可以實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實時瀏覽交互太湖灣科創(chuàng)帶數(shù)字孿生管理平臺。若需要在斷網(wǎng)情況下瀏覽交互平臺，需要安裝Microsoft KM-TEST環(huán)回適配器。平臺首頁如圖6所示。

圖6 平臺首頁

3 結(jié)語

本文初次嘗試將“GIS+虛幻引擎”進(jìn)行結(jié)合，基于WDP平臺快速實現(xiàn)了領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙、智慧規(guī)劃、科創(chuàng)產(chǎn)業(yè)、生態(tài)治理、特色文旅5個模塊的功能，搭建了太湖灣科創(chuàng)帶數(shù)字孿生管理平臺。建設(shè)成果表明，利用GIS數(shù)據(jù)與虛幻引擎結(jié)合實現(xiàn)數(shù)字孿生城市建設(shè)管理是一條有效途徑，可以為太湖灣科創(chuàng)帶數(shù)字孿生城市建設(shè)提供參考。但由于虛幻引擎的場景云渲染技術(shù)完全依賴于服務(wù)器資源，所以目前該種方式比較適合小的業(yè)務(wù)場景進(jìn)行大屏可視化應(yīng)用。