數(shù)字孿生校園的架構(gòu)、建模與應用

摘要：本文分析了數(shù)字孿生校園的研究現(xiàn)狀，探討了其在智慧校園建設(shè)中的重要性和技術(shù)集成特性，詳細介紹了數(shù)字孿生校園的整體架構(gòu)和模型建立，并重點討論了數(shù)字孿生校園的應用場景等。通過這些應用場景，數(shù)字孿生校園不僅提升了校園管理和服務(wù)的智能化水平，還為教學、科研、安全管理等多個方面提供了有力支持。目前，數(shù)字孿生技術(shù)雖然在教育領(lǐng)域的應用還處于起步階段，但卻顯示出了巨大的潛力，為未來的智慧校園建設(shè)提供了新方向。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；虛擬空間；三維建模；智能分析

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2025）08-0074-06

隨著人工智能（以下簡稱“AI”）的迅猛發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸成為推動智慧校園建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。2024年世界數(shù)字教育大會（WDEC 2024）在上海成功舉辦，大會以“數(shù)字教育：應用、共享、創(chuàng)新”為主題，展示了我國數(shù)字教育領(lǐng)域的最新成果，搭建了一個國際交流合作平臺，共同探討數(shù)字教育的實踐與創(chuàng)新。大會特別關(guān)注數(shù)字孿生技術(shù)在教育領(lǐng)域的應用，可以看出，數(shù)字孿生技術(shù)將在未來的智慧校園建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

數(shù)字孿生校園的研究現(xiàn)狀

數(shù)字孿生校園的概念在不同研究者的理解中有所差異，但總體上都強調(diào)了其在智慧校園建設(shè)中的重要性和技術(shù)集成特性。數(shù)字孿生技術(shù)自2003年由Michael Grieves教授首次提出以來，已逐漸成為多個領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的驅(qū)動力。李俐等認為數(shù)字孿生校園是學校物理空間與網(wǎng)絡(luò)虛擬空間相互映射、協(xié)同交互的復雜系統(tǒng)，它具備虛實交互、數(shù)據(jù)驅(qū)動、動態(tài)可視、開放參與、以人為本等典型特征。陳益均認為數(shù)字孿生校園通過“數(shù)據(jù)可視化”和“位置智能化”服務(wù)來加強部門間的協(xié)作配合，有效提升快速反應和指揮調(diào)度能力，實現(xiàn)信息展示動態(tài)化、系統(tǒng)應用集成化、現(xiàn)場監(jiān)控實時化、遠程指揮可視化、數(shù)據(jù)采集自動化、決策支持網(wǎng)格化，提升師生應用體驗，形成基礎(chǔ)設(shè)施共建和信息資源共享的新格局。施雯認為數(shù)字孿生技術(shù)通過實時數(shù)據(jù)采集、分析和可視化展示，實現(xiàn)對校園內(nèi)的人、車、物、設(shè)備、設(shè)施和各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的互聯(lián)，承擔著學校數(shù)字化運行、智慧化管理、集中化指揮的三層重要功能。王士賢等認為，數(shù)字孿生校園通過將“一張圖”作為數(shù)字孿生底座，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動下的校園數(shù)據(jù)全景可視化展示和動態(tài)智能化管理，有效提升了校園的治理能力和服務(wù)水平。

當前，數(shù)字孿生技術(shù)的應用主要集中在智慧校園建設(shè)、校園治理、教學科研等領(lǐng)域。例如，通過形成孿生數(shù)字化建模構(gòu)建虛擬校園空間，實現(xiàn)對校園建設(shè)進展的可視化展示，以及校園運營的智能化管理。郭曉東指出，數(shù)字孿生技術(shù)在校園建設(shè)階段，依托園區(qū)信息模型平臺（CIM）基礎(chǔ)設(shè)施，把物理工程與智能化工程同步規(guī)劃設(shè)計、同步建設(shè)實施，打造智慧基建能力，從而達到“規(guī)劃設(shè)計一張圖、建設(shè)監(jiān)管一張網(wǎng)、學校治理一盤棋”的新格局。吳馳也提到，數(shù)字孿生技術(shù)在校園建設(shè)、運營管理、教學科研等方面具有顯著的應用價值。例如，通過數(shù)據(jù)大屏監(jiān)測和預警斷網(wǎng)或教室設(shè)備問題，生成各項按日、按周、按月的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從而有效地輔助決策。

綜上所述，不同研究者對數(shù)字孿生校園的理解雖各有側(cè)重，但均強調(diào)了它的幾個核心特征：①虛實結(jié)合，即數(shù)字孿生校園不僅是物理校園的虛擬鏡像，更是與之實時互動、協(xié)同進化的智能生態(tài)系統(tǒng)；②技術(shù)集成，它融合了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等多領(lǐng)域的尖端技術(shù)；③應用場景廣泛，不僅限于校園建設(shè)與運營管理，更在教學科研、安全管理、生活服務(wù)等多個維度展現(xiàn)出巨大價值；④智能化管理，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動與智能分析，實現(xiàn)對校園各類場景的精確模擬與智能管理，從而提升了校園治理的科學性與精準度。這些共識為數(shù)字孿生校園的建設(shè)與實踐奠定了堅實的理論與實踐基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生校園的應用價值

筆者所在學校數(shù)字孿生校園的建設(shè)是基于對學校自身業(yè)務(wù)需求的深度分析，充分利用GIS信息、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、業(yè)務(wù)子系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬數(shù)字空間中完成映射，從而反映相對應的校園實體全生命周期過程。將整個校園情況通過三維建模1：1映射到虛擬空間，提供實體校園的全場景、沉浸式、交互式展現(xiàn)，實現(xiàn)實體校園在虛擬世界的數(shù)字化表達，使得校園管理者可通過系統(tǒng)直觀快速地掌握校園總體運營情況。

1.構(gòu)建校園三維地圖，提升校園管理的直觀性和交互性

傳統(tǒng)的二維地圖僅能展示平面位置信息，三維地圖可真實還原學校空間關(guān)系和地形特征，可承載更多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息。通過三維地圖可運用旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等交互方式瀏覽校園室內(nèi)外場景，提升系統(tǒng)的交互性和用戶體驗，讓校園管理變得更加直觀和便捷。

2.打通跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)，助力校園多業(yè)務(wù)場景的一體化管理

基于校園三維實景數(shù)據(jù)，并融合錄播、監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)等多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以身臨其境的方式對數(shù)據(jù)進行調(diào)閱和業(yè)務(wù)應用，實現(xiàn)一體化業(yè)務(wù)管理，推動校園服務(wù)由被動響應向主動服務(wù)轉(zhuǎn)變，校園決策由經(jīng)驗驅(qū)動向數(shù)據(jù)驅(qū)動轉(zhuǎn)變。

3.融合AI智能分析，實現(xiàn)校園異常事件的閉環(huán)處置應用

當校園發(fā)生不安全行為或者存在物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素等異常情況時能實時監(jiān)測并預警，基于校園三維實景地圖對校園全局資源進行整合調(diào)度，快速處理突發(fā)事件。數(shù)字孿生校園平臺的建設(shè)幫助校園安全類事件處理效率提升35%，視頻智能巡檢效率提升30%，全方位提升校園安全管理水平。

數(shù)字孿生校園的整體架構(gòu)

數(shù)字孿生校園的架構(gòu)設(shè)計通常包括多個層次，確保從數(shù)據(jù)采集到應用服務(wù)的全過程覆蓋。常見的架構(gòu)設(shè)計包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、平臺能力層、服務(wù)應用層、實時交互層等。

筆者所在學校數(shù)字孿生校園的整體架構(gòu)（如上頁圖1），分為基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)資源、支撐引擎和應用場景四個主要部分。基礎(chǔ)設(shè)施部分主要包括攝像頭、AR/VR/MR、5G融合網(wǎng)絡(luò)等硬件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，為整個系統(tǒng)提供底層技術(shù)支持。數(shù)據(jù)資源模塊分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、場景模型數(shù)據(jù)和場景動態(tài)數(shù)據(jù)六類，涵蓋校園內(nèi)的各種靜態(tài)和動態(tài)信息，為上層應用提供數(shù)據(jù)支持。支撐引擎主要包括多模態(tài)地圖引擎和視頻管理服務(wù)，負責數(shù)據(jù)的處理、存儲和傳輸，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。應用場景主要分為三維模型管理、教學空間管理和安防綜合管理三個模塊，其中，三維模型管理負責模型資源管理和激光點云全景地圖模型構(gòu)建，教學空間管理關(guān)注教室空間信息和錄播巡課應用等，安防綜合管理則涉及人臉識別與軌跡刻畫、欺凌事件預警處置應用和異常事件預警、人員周界防范等方面。

此外，數(shù)字孿生校園還設(shè)有統(tǒng)一用戶門戶、統(tǒng)一身份認證、統(tǒng)一視角作業(yè)圖等平臺功能，以及多視角切換、多效果切換、地圖工具集等多種基礎(chǔ)工具，為用戶提供便捷的操作界面和豐富的功能選項。

數(shù)字孿生校園的模型建立

許爾惟等通過結(jié)合傾斜攝影、三維激光掃描和人工建模技術(shù)，實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的融合建模。具體方法包括利用無人機傾斜攝影獲取高精度影像，通過三維激光掃描補充建筑底部和內(nèi)部數(shù)據(jù)，以及通過人工建模精細還原建筑細節(jié)。最終，通過數(shù)據(jù)融合和可視化技術(shù)，構(gòu)建真實、立體、實時的三維校園模型，為數(shù)字孿生智慧校園的建設(shè)提供有力支持。筆者所在學校亦采用此法完成校園三維建模。

1.校園傾斜攝影三維模型構(gòu)建

傾斜攝影建模技術(shù)是一種高效的三維建模方法，它通過無人機搭載多臺傳感器，從一個垂直和四個傾斜的不同角度同步采集影像，從而獲取豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。通過傾斜攝影技術(shù)，真實地反映校園的地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，為校園業(yè)務(wù)應用提供場景支撐。相比傳統(tǒng)的三維建模方法，無人機傾斜攝影技術(shù)可以快速、高效地采集大量影像數(shù)據(jù)，縮短數(shù)據(jù)處理和建模的時間，從而降低校園三維建模的成本。

首先，針對校園區(qū)域規(guī)劃航拍路線，確保高效覆蓋整個目標區(qū)域。接著，使用搭載傾斜攝影系統(tǒng)的無人機進行多角度、多方向、多視角的拍攝，獲取大量高清晰度、高精度的影像數(shù)據(jù)。然后，利用無人機進行航飛獲取POS數(shù)據(jù)和原始影像數(shù)據(jù)，并對獲取的影像數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查，確保符合規(guī)范要求。最后，將圖像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、相機參數(shù)、像控點坐標等導入自動化建模軟件（如ContextCapture、PIX4D mapper、重建大師、瞰景），進行實景三維模型重建。還可以將實景三維模型導入修模軟件（DP-modeler、魔方），對形成的三維實景模型進行修飾，如區(qū)域漏空、變形等，同時利用點位測量信息對模型進行質(zhì)量檢查。無人機傾斜攝影三維建模的技術(shù)流程如上頁圖2所示，效果如圖3所示。

2.校園教室激光點云全景建模

激光點云全景相機建模技術(shù)，通過使用激光掃描儀LiDAR和全景相機同步獲取校園教室區(qū)域的點云數(shù)據(jù)和全景圖像，以生成高精度的教室空間三維模型。通過對教室空間進行實景建模復刻，為教室的空間規(guī)劃、設(shè)施布局設(shè)計、教室設(shè)施設(shè)備管理以及后續(xù)的教學活動提供有價值的參考。激光點云全景建模技術(shù)流程如上頁圖4所示，效果如圖5所示。

數(shù)字孿生校園的應用場景

數(shù)字孿生校園通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)了物理校園與虛擬校園的深度融合，提供了全面、智能化的校園管理與服務(wù)。其實際應用主要包括實時維護與監(jiān)測、智能化資源分配與調(diào)度、教學與科研支持、校園安全管理、能效管理等。筆者所在學校近兩年著重對數(shù)字孿生校園的以下應用場景進行了實踐研究。

1.三維建模，時空數(shù)據(jù)底座搭建

構(gòu)建校園數(shù)字孿生虛擬空間，建立含室內(nèi)室外、二三維一體化的全息、高清的數(shù)字空間底板，為校園精細化、可視化管理提供場景支撐。

2.校園總覽，校園綜情數(shù)據(jù)展示

數(shù)字孿生校園可以通過第一人稱或第三人稱視角進行身臨其境的瀏覽參觀，結(jié)合三維場景以可視化圖表的方式介紹學校的整體情況，并對學校簡介、教學力量、校園文化、學生情況、所獲榮譽等進行數(shù)據(jù)展示。

3.安防監(jiān)控，視頻監(jiān)控實景調(diào)閱

數(shù)字孿生校園融合接入全校所有的視頻監(jiān)控，并點對點映射到設(shè)備的實際位置，點擊任一區(qū)域的視頻標簽，就可以對這個區(qū)域的監(jiān)控進行實時調(diào)閱。通過視頻地圖投影技術(shù)，將特定角度的監(jiān)控視頻畫面無縫融合到三維模型對應場景中，實現(xiàn)虛實結(jié)合場景的深度融合，極大地提升了監(jiān)控視頻調(diào)閱的效率和體驗。

4.教學管理，課堂空間全景巡課

數(shù)字孿生校園融合室內(nèi)外地圖，對接教室內(nèi)已有的錄播攝像頭多機位畫面，支持以第一人稱視角實現(xiàn)全校或班級的自動漫游巡課。支持調(diào)閱學生畫面視頻、教師畫面視頻、電子板書視頻及收聽教室聲音，實時查看教學情況和課堂實況。

5.視覺分析，異常事件預警處置

當校園內(nèi)發(fā)生異常事件時，將實時產(chǎn)生告警提醒，可第一時間在校園三維模型中定位到事發(fā)位置了解現(xiàn)場情況，圍繞狀態(tài)、位置、事件、資源等四大要素，實現(xiàn)對異常事件的全流程閉環(huán)處置。同時，提供告警歷史詳情查看及告警歷史查詢功能應用。

6.聽覺分析，欺凌預警杜絕盲區(qū)

針對衛(wèi)生間等監(jiān)控無法覆蓋的盲區(qū)，數(shù)字孿生校園融合聲音監(jiān)測防欺凌終端，設(shè)備24小時不間斷開展聲音巡邏，一旦識別到打斗、威脅、謾罵等異常情況將發(fā)出強光閃爍和警告聲，第一時間以電話和短信等方式通知安保負責人，支持雙向?qū)χv通話，從而及時發(fā)現(xiàn)和主動干預校園欺凌事件。在事件處置后，會自動生成責任臺賬和安全事件報告，幫助學校管理者全面了解校園安全整體態(tài)勢。

7.出入管理，人員出入統(tǒng)計分析

數(shù)字孿生校園通過對接校園出入口閘機系統(tǒng)可基于設(shè)備所在實景位置，遠程查看和控制閘機的設(shè)備狀態(tài)，實時記錄學校的人員及車輛通行數(shù)據(jù)，并以可視化圖表的方式進行呈現(xiàn)。

8.人員軌跡，活動軌跡刻畫回溯

數(shù)字孿生校園通過對視頻監(jiān)控的位置與建筑空間、走廊、道路、場地的空間拓撲關(guān)系以及抓拍時間等數(shù)據(jù)進行分析，可在三維地圖上生成自定義時間段內(nèi)的人員基于三維空間的歷史移動軌跡，實現(xiàn)人員軌跡在三維地圖場景中的全息刻畫，實現(xiàn)關(guān)注人員的精細化、可視化管理。

結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)在教育領(lǐng)域的應用正處于起步和局部嘗試階段，但其巨大的潛力已經(jīng)顯現(xiàn)。數(shù)字孿生校園不僅代表了智慧校園建設(shè)的一個新方向，而且為提高校園管理服務(wù)水平、促進教育教學改革提供了新的可能。雖然現(xiàn)在還面臨標準體系未統(tǒng)一、數(shù)據(jù)能力需完善等挑戰(zhàn)，但筆者相信，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟和完善，以及各領(lǐng)域的應用與反饋，數(shù)字孿生校園將在教育領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

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作者簡介：周嬌蓉（1987—），女，浙江金華人，副高職稱，研究方向為教育信息化建設(shè)、信息科技學科教學等。