基于數字孿生技術的區域土地利用變化監測系統應用研究

摘" 要：數字孿生技術為加快數字鄉村等產業的轉型升級和鄉村振興的實施帶來新的機遇。對鄉村地區土地利用變化的監測是數字鄉村產業的重要組成部分之一，如何在監測系統的建設中結合數字孿生技術體現其效用，是鄉村產業從業者急需處理的技術難題。該文提出基于數字孿生技術的區域土地利用變化監測系統應用研究，列舉出相關關鍵技術，用以說明數字孿生技術在其中的運用價值，并希望以此來幫助更多的鄉村振興相關產業從業者。

關鍵詞：數字孿生;數字鄉村;土地利用;監測系統;鄉村振興

中圖分類號：F301.24" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）13-0001-04

Abstract： Digital twin technology brings new opportunities for speeding up the transformation and upgrading of digital countryside and other industries and the construction of rural revitalization. The monitoring of land use change in rural areas is one of the important parts of digital rural industry. How to combine digital twin technology in the construction of monitoring system is a technical problem that rural industry practitioners urgently need to deal with. This paper puts forward the application research of regional land use change monitoring system based on digital twin technology， and enumerates the relevant key technologies to illustrate the application value of digital twin technology in it， so as to help more rural practitioners to revitalize related industries.

Keywords： digital twin; digital countryside; land use; monitoring system; rural revitalization

鄉村振興，這是一個在2018年的中央一號文件中出現且現已耳熟能詳的詞語，文件指出，鄉村振興的推進不僅需要智力、技術、管理等相關渠道都暢通無阻，還要大力培育新型職業農民，推動科技人才隊伍建設[1]。而在新時代的背景下，鄉村振興的焦點在于培育新農人，即理念新、技術新的知農愛農興農人，鼓勵科技進入鄉村，加快科技與農業的相互轉化[2]。

在鄉村振興戰略導向中，值得注意的是數字鄉村建設，其是中國農業與農村發展的未來重要戰略部署，也是構建數字中國的重要內容之一[3]。

信息和數字化技術的進步，給數字經濟時代的鄉村振興帶來了空前未有的機遇，本文所介紹的數字孿生技術就是其中之一。數字孿生技術通過對農業生產的數字化建模和仿真，可以幫助農業生產實現智能化、高效化、可持續化[4]。

1" 研究背景及目標

1.1" 數字孿生技術背景

數字孿生，是一種集成多物理量、多尺度、多概率的仿真模型，可以充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據在虛擬空間中完成映射，反映相對應的實體裝備的實時狀態、演變趨勢等全生命周期過程[5]。該技術隨著鉆研熱度的升高，現已成為智慧城市的關鍵技術，使城市治理、能源管理等領域的工作效益和管理水準顯著提升。

2020年，國家發展和改革委員會明確提出要開展數字孿生創新計劃[6]。2021年“十四五”規劃中也提出，要構建智慧城市和數字鄉村，改善城市信息模型平臺和運行管理服務平臺，建設城市數據資源體系，探索數字孿生城市的建設[7]。

一系列利好政策的出臺，昭告著數字孿生技術即將帶來的創新性變革。數字孿生技術的應用也將為城鄉一體化發展、農村現代化建設等領域注入新的發展動力。

1.2" 研究目標

本文所研究項目為“基于數字孿生技術的區域土地利用變化監測系統”（以下簡稱“本系統”），是結合GIS地圖、傾斜攝影和單物品模型，通過3D展示技術實現鄉村全景展示、區域土地利用地理位置、居民樓和農作物布局的3D可視化系統。項目應用數字孿生技術，傳感器與監控等設置配備，實時動態顯現數據信息，對鄉村耕地、林地、水域、居民用地和草地等進行可視化管理。通過大屏幕、移動端口仿真模擬等措施，幫助數字鄉村關聯產業的管理者審視鄉村發展中決策與結果之間的各種可能，從而以最優的方式合理規劃土地、發展鄉村。

2" 需求分析與功能規劃

2.1" 用戶需求分析

本文中所研制系統的面向目標為農業部門或區域土地管理者。

基于此受眾，本項目團隊解析出以下5點主要需求：①需要考慮土地的類別、合宜用途、分布情況，通過實現村莊全景展現的3D可視化，幫助管理者更好進行土地規劃安排。②實時展示數據信息，實現對鄉村運行狀態的動態感知與實時監測。③對城鎮用地直接觀測，并進行實時反饋與宏觀調控，實現數據的仿真化與模擬化;快速、精確地測定地塊位置，識別地塊界限，測算種植面積，幫助使用者進行精準的耕地管理[8]。④通過智慧監測和智能推演模塊，為管理者提供明智的智力支持，幫助他們提高生產效率、降低生產成本。⑤系統收集的數據能夠幫助農業科研機構開展農業科技研究和實驗，以便更好地推廣農業技術和服務農業生產。

2.2" 功能規劃設計

具體的功能規劃包括農業資源統籌、農作物監測和特色農業管理等模塊，如圖1所示。

在鄉村數字孿生概念的這個模型基礎上，本項目擬從功能技術的角度構建出鄉村數字孿生技術的參考架構，如圖2所示。

3" 基于數字孿生的應用特點

結合數字孿生技術，以下將重點敘述該系統應用的內涵及概念模型、精準映射、智能推演、動態可視、智慧監測及精細化管理五大方面的研究。

3.1" 鄉村數字孿生內涵及概念模型

鄉村數字孿生，是以數字孿生技術為基底，創建出城市物理實體所對應的虛擬映射，借由數字化建模，再通過各種傳感器和監測設備對鄉村區域土地各種情況進行實時監測并對數據分析，實現仿真、交互、控制鄉村區域的土地利用情況，并分析其全生命周期過程的技術手段。它可以實現鄉村物理空間中，物理實體對象的關系、活動等在數字空間的多維映射與連接[9];還可以幫助政府和農民更好地管理土地資源、保護環境、提高農業生產效率和產品質量，促進鄉村經濟發展和城鄉一體化。鄉村數字孿生的概念模型如圖3所示，包括物理空間、數字空間2個部分。

3.2" 精準映射

映射是通過數據化建模和虛擬仿真技術建立數字世界與物理世界緊密關系的過程。各類信息要素實時的精準匹配與精準表達是實現物理鄉村向數字鄉村映射的關鍵。基于三維GIS技術、傾斜攝影等技術，通過在鄉村的河道、地面等各層面布設傳感器，即可實現對鄉村的建筑道路等基礎設施的全方位數字化建模，以及對鄉村運行狀態的充分感知和實時監測，形成一個可以在信息維度上對實體鄉村的信息進行精準表達和映射的虛擬鄉村。

3.3" 智能推演

通過在鄉村數字孿生上規劃設計、模擬仿真等，本系統可以對鄉村可能產生的不良影響或是潛在危險進行一定程度上的智能預警，并勾勒出相對合理可行的對策，以未來、智能的視角，對城市的發展軌跡和運行進行干預。同時，系統還可利用人工智能技術對收集的數據和信息進行智能分析與吸收學習，進而習得如何具體優化實體城市的規劃、管理，甚至改善市民服務供給，賦予鄉村生活真正的智慧與“智能”。

3.4" 動態可視

可視化技術是幫助用戶實現物理空間關聯上虛擬空間的重要技術手段之一。常用的VR技術、三維GIS技術可將區域土地利用情況進一步融入到虛擬場景中去，實現“虛實一體”，為生產監測、環境監測、農田規劃提供了一種全新的動態的可交互的互動型可視化。

3.5" 智慧監測及精細化管理

在耕地管理方面，本系統可以進一步利用人工智能、紅外掃描、傳感器等一系列技術手段，根據耕地特性、作物種類、影像時序等，快速、精確地確定地塊位置，識別地塊界限，測算種植面積。

4" 系統關鍵技術

4.1" GIS技術應用

隨著計算機技術的飛速突破，GIS技術的延展勢頭迅猛。面對海量的數據，存儲、處理、表達及共享等方面的技術都取得了顯著的成效。目前，GIS的應用已經可以面向愈加復雜的區域開發、預測預報。

市面上現在常用的GIS軟件，概括歸納起來應該分為2種類型：第一種是直接利用GIS系統處理用戶的數據;第二種則是更加側重于利用其的開發函數庫，以用戶專用的GIS軟件為目的，進行二次開發。目前已成熟的應用領域包括資源管理、自動制圖、城市區域規劃等100多個領域。

近年來，我國GIS應用研究也隨著經濟建設的發展進程而獲得了勃勃生機。在規劃管理、測繪、環保和農業等領域，GIS技術都取得了良好的經濟、社會效益。

在本系統中，GIS技術作為地區地理信息調查的工具來使用，且它并沒有僅限于對空間數據庫的簡單查詢這一個功能，而是以空間圖形及數據等作為主要特征，重新處理分析，再構建出關聯的地理信息空間數據庫，用于在地理空間分布和資源動態管理等地區管理方面發揮作用，提供科學依據和決策支持。

4.2" 無人機測繪應用

與傳統的地形測繪和影像航拍方法相比，無人機測繪有著明顯的優勢。它的測繪運行不受地形限制，還搭載更高精度的GPS和慣性導航系統，向從業者提供高度精確的地形數據和影像數據，節省時間和人力成本。曾經的數據采集工作可能需要以周為單位的漫長過程，現在則可以在數小時內迅速完成，并快速進行建模分析。作為新型智能農機的重要分支，農用無人機在我國雖起步較晚，但發展迅速。目前的無人機制造領域，我國制造商已領先搶占世界市場，處于全球領跑水平。

4.3" 實景三維建模

要想建立出易懂、易操作的鄉村基礎地圖數據庫，就需要對鄉村區域土地進行實景三維傾斜攝影模型的建立，提供航空攝影、三維建模和模型編輯等方面的技術。在隨之構建的航拍地圖庫、鄉村建筑BIM模型庫等多個維度中，建立出完整的鄉村空間數據模型。實景三維建模流程圖如圖4所示。

4.4" 傾斜攝影技術

傾斜攝影技術，是指將多鏡頭相機搭載在同一飛行平臺上，設備在一次飛行過程就可以從垂直、傾斜等多個角度、高分辨率地采集影像，從而獲取更為完整精確的地物信息的技術[10]。它可以獲取2種圖像，一種圖像是垂直視角，包含建筑頂面信息，另一種是傾斜視角，提供地物側面的圖像。

傾斜攝影技術與自動建模軟件相結合，能夠有效地提高模型的生產效率。這種方法可以獲得更加真實、全面的三維信息，實現對農業場景的實時更新和動態監測。

基于傾斜攝影技術的建模軟件可以先在無人機拍攝的傾斜攝影圖像中，利用GPU結合圖像中包含的POS數據，進行三角測量與計算，接著生成點云，并加密成為密集點云，然后智能構成對應的三角網格模型，最后結合圖像信息，生成完整的三維模型。具體的工作步驟圖如圖5所示。

4.5" 可視化及交互技術

可視化技術通過得到的數據和圖像以最直觀的形式呈現給管理者，將看不見的數據通過設備顯示，將看得見的數據整理成更容易理解的數據，讓管理者對系統中總結的數據進行交互式探索，幫助管理者得知其所管理地區的細節情況，提高工作的效率。

場景可視技術可以將得來的數據和圖像（包括建模完畢的圖像），通過預先設計的程序，進行Web頁面設計并發送至Web服務器，管理者只需要通過瀏覽器登錄相應界面即可查看地區的可視化信息。

5" 總結與展望

數字孿生技術發展對鄉村區域土地的管理提出了更高的要求，同時也為鄉村振興的相關產業升級提供了大力支持。本系統不僅能夠映射物理鄉村全景，建立虛擬模型，實現鄉村土地資源的可視化管理，還能利用模擬仿真實現智慧推演，通過動態感知信息的不斷變化，與作為管理者的用戶共享實時消息。本系統在數字鄉村的土地利用相關產業中有廣泛的應用前景，旨在為將來的鄉村振興產業應用數字孿生技術提供理論借鑒與實踐經驗。

參考文獻：

[1] 2018年中央一號文件全面部署實施鄉村振興戰略[J].中國農村科技，2018（2）：8-9.

[2] 張金紅.鄉村振興視域下培育新農人的四維場景建構[J].智慧農業導刊，2024，4（1）：138-141.

[3] 張曉林.鄉村振興戰略下數字賦能農村流通創新發展機理與路徑[J].當代經濟管理，2024，46（4）：47-53.

[4] 王維，趙鵬飛，韓沫，等.數字孿生技術賦能農業智慧發展[J].蔬菜，2023（12）：1-9.

[5] TUEGEL E J， INGRAFFEA A R， EASON T G， et al. Reengineering aircraft structural life prediction using a digital twin[J].International Journal of Aerospace Engineering，2011.

[6] 關于推進“上云用數賦智”行動培育新經濟發展實施方案[J].電子政務，2020（5）：2，125.

[7] 中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要[EB/OL].https：//www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm？eqid=aa9e61c90002bdf100000002646ae2d7.

[8] 姚妮，李寶龍.遙感技術在農業科技服務領域的應用[J].北京農學院學報，2018，33（2）：113-116.

[9] 數字孿生城市白皮書2022年[EB/OL].http：//www.tskp.cn/resources/upload/aeb64aa958ab164/1674972034396/%E6%95%B0%E5%AD%97%E5%AD%AA%E7%94%9F%E5%9F%8E%E5%B8%82%E7%99%BD%E7%9A%AE%E4%B9%A62022%E5%B9%B4.pdf.

[10] 黃書華，莊振祿，譚金石.無人機傾斜攝影技術輔助建筑工程施工管理[J].智能城市，2022，8（9）：43-46.

基金項目：2022年廣州新華學院大學生創新創業訓練計劃項目（S202213902012）

*通信作者：黃敏（1987-），女，碩士，講師。研究方向為數據挖掘與大數據分析。