数字孪生城市的建设-智慧可视新理念的探究

数字孪生的理念最初是由美国密歇根大学的MichaelGrives教授于2003年明确提出。但其在国内引发广泛性关注，是由于雄安新区的基本建设中明确提出，数字雄安基本建设最主要的创新，是建立与新区共同成长的数字孪生城市，而完成的主要方式，便是在基本建设物理城市的同时，运用物联网感知，聚集各方数据构建城市智能化模型。2018年住建部起草的《“多规合一”相关业务协同平台技术标准（征求意见稿）》，激励有条件的城市，可在BIM应用的施工工艺上建立城市信息模型。中国工程院吴志强院士则明确提出了城市智能化模型，对CIM进行了更深入的阐释。可以说，伴随着CIM定义的明确提出和不断深化，数字孪生城市建设将更加的深入。总之，这些理念的明确提出给予了智慧城市有力的支撑。
一、数字孪生城市建设：能够满足智慧可视的本质需求
为满足城市创新运营和应用需求，数字孪生城市建设需要解决时空信息可视化问题。而可视化的本质是要解决客户具体的相关业务问题，首先要解决城市管理者和数字孪生城市系统应用能“看得懂”的问题。三维场景更易于让观看者有代入感，能提高事件处理效率，减少问题响应时间。对于城市管理者来说 ，完成城市基础设施可视化管理、城管部件可视化定位、城市用地信息可视化监测、城市应急指挥可视化决策等方面，能更好的满足管理与决策上的高端应用。对于群众来说 ，可视化的三维实景城市是客观世界的真实写照，不需要群众具备专业知识来判断理解，能依据实时场景进行问题查询和处理。
基于三维实景建模与城市智能化模型的数字孪生城市建设，可运用高精密的三维实景模型为智慧城市时空大数据平台提供全流程的可视化支撑，运用城市智能化模型通过生动准确描述实体单元并结合城市地理实体的动态性信息来支撑智慧城市各类应用，进而真正意义上完成智慧城市基本建设的智慧可视。
二、数字孪生城市建设路径与方法
（1）城市三维地图是数字孪生城市可视化的重要基础
传统式的智慧城市基本建设在空间规划上已经完成系统化管理，但大体都停留在二维平面的阶段，远达不到智慧城市智慧化基本建设要求。三维空间的有效感知与实景可视化日渐变成城市建设管理的主要问题，也是数字孪生城市信息化的关键内容，从二维平面提高到三维立体已经变成数字孪生城市建设的迫切需求。
首先，从三维实景建模的数据来源来看，无人机航测、激光雷达、倾斜摄影等全新一代测绘信息技术方法的发展，可以迅速搜集制作精细化的城市三维模型和大比例尺地形图，搭建三维城市地理信息基础服务架构，为数字孪生城市建设提供高精密可视化的三维空间信息和位置服务。
其次，从三维实景模型的创建流程和优点来看，通过有效的描绘空间几何模型、拓扑图和语义等特性，来完成精细化的三维几何表达，真正完成基础设施特性的语义叙述，与物联网进行扩展关联，进而完成复杂地形地理环境的层面叙述。三维实景模型的一大特性就在于高低细节层面的有效转化流程中，城市实景信息更为精细和丰富。“影像+模型”的方式完成了对目标的实景可视化查询，对数字孪生城市进行智能化规划和管理。
最后，从三维实景建模的应用场景来看，数字孪生城市需要完成城市管理精细化、基础设施智能化、生活服务便利化的目标，在智慧政务、智慧城管、智慧医疗、智慧教育、智慧旅游等各方面达到“以更少投入获取更优质、更高效产出”的城市系统。总而言之，城市三维实景建模从数据来源特性、模型优势、应用场景等各方面为数字孪生城市可视化提供了重要基础保障。

(2)以时空大数据推动数字孪生城市建设的科学性与高效性
时空大数据主要包含时序化的基础时空数据信息、公共专题数据信息、物联网实时感知数据信息、互联网在线抓取数据信息和依据本地特色扩展数据信息，组成数字孪生城市建设所需的地上地下，室内室外，虚实一体化的、开放的、鲜活的时空数据资源。数字孪生城市建设需要借助城市大数据技术手段，在深层应用上，基于真实有效、高精密和对象化的城市三维实景环境，对城市大数据进行精确定位、深层挖掘，提升 数据信息表现力和价值，满足城市不断发展变化的要求。在广度应用上，数字孪生城市建设关注大数据融合分析和应用，基于多源、海量数据分析，全面、准确地掌握事物特性和发展态势、关键影响因素、发展规律，提升 政府科学决策水平，提供个性化、差异化服务，提升解决复杂问题的综合能力。

（3）地理学模型、物联网及三维模型的融合推动数字孪生城市精细化仿真模拟
地理学是探究地球表层自然和人文要素相互作用关系及其时空规律的学科，发展至今产生了覆盖气象，环保、应急、交通、水文等众多领域的大批量地理学模型。伴随着物联网等技术的发展，无数智能终端设备每分每秒都在产生并传递海量的数据信息，这给传统的地理学模型提供了更多的高精度、实时、丰富的数据来源，与此同时也对原来的模型明确提出了新的需求和挑战。地理学模型、物联网及三维模型的融合，能完成城市的精细化仿真模拟，为数字孪生城市建设管理等提供科学的决策依据。以内涝现象为例，一方面，内涝不能再做为单一的自然现象来探究，内涝的产生会引起后续的众多城市管理问题，如交通阻塞、群众经济损失等，所以城市内涝的探究需要将视野放到整体城市的协调发展上。另一方面，内涝现象的持续时间不会很长，在这样短时性的要求下，仍需为后续的城市管理提供学科的决策信息。因而，计算高效、注重内涝时空过程、实时准确地可视化呈现与提供智慧服务是数字孪生城市发展和管理对城市内涝模型新的需求。

（4）城市智能化模型是搭建数字孪生城市的关键技术
城市中的各实体的运行情况及其生产、生活活动是一个繁杂的综合体，怎样完成对其运转情况的及时感知，风险及问题的较早预测和高效处理应对，需要创建一个具有大批量决策支撑信息的多维数据模型和系统来支撑上述高复杂性的分析，简化管理机制并仿真模拟决策。在智慧城市发展应用中，通过CIM建模以完成对城市信息的评估和高效组织是发展的必然趋势。CIM做为完成数字孪生城市的关键技术，虽然其应用从数量、范围和深度上都有迅猛发展，但现阶段依然存有空间建模较为单一、实体描述尺度粗泛、实体表述比较简单及其难以达到真三维的高仿真模拟分析、处理和表述更多维度信息等问题。因此，探究并集成创新CIM技术，以完成对城市地理实体信息进行有效的组织，产生城市的数字化镜像，并依托于这一镜像有力支撑具体应用，从而完成针对城市各专业领域的规划、建设和运转管理等应用层面的有效协同、精确分析、实时预警预测及其动态的高仿真可视化管理。

三、基于数字孪生城市建设的智慧应用与实践
（1）视频和三维模型的结合展开数字孪生城市多场景运用
伴随着智慧城市网络通信层、物联感知层、支撑平台层、智慧应用层的深层次建设，如何把高效海量的城市动态视频信息进行启用、查看及其视频场景分析，并与三维实时模型融合，成为当前智慧城市创新建设的关键内容。
城市三维地理信息视频结合技术从城市地理信息运用的角度出发，依托于城市三维实景模型，匹配动态性监控视频，直观精确打造动态性数字孪生城市可视化沙盘，结合人工智能大数据分析、物联网感知信息，及其业务应用系统，打破各系统信息孤岛，提高数据信息运用价值，更好的服务于客户，现阶段能运用于交通、应急、安防、警用、城市内涝等各种场景。
视频与三维模型有机结合首先能够运用于路径规划调度，能在交通、应急处理发挥有效的作用。在数字孪生城市建设中根据城市道路走向、关键地区布署、特殊情景设计等要求，规划和设置路径浏览，实现若干事故预案储存和调度，高效用于预置路径全程动态性管控和实时态势掌握，实现城市部门可视化精确指挥。其次，能够展开全景细节追视，在安防、警用调查提供重要信息。警务部门在实现宏观全景浏览的同时，关联高速球机来捕获目标特写视频画面，解决细节不清晰、视野有偏差等问题，为运动目标的连续、精确管控提供有效的手段，在安保、警方快速获取视频信息并及时性做出判断和响应层面提供有力技术支持。此外，还可以实现二维三维联动，能对城市内涝、火灾等自然灾害进行及时性管控。通过二维场景和三维场景模型统一联动操作，将二维场景作为整体观测画面，三维实景模型场景用于具体地区的视野全程监测，做到整体宏观和具体细节的协调统一态势感知，对自然灾害的发生与突变做到及时性有效控制。

（2）数字孪生城市建设智慧应用的实践
在基于三维实景建模和CIM的数字孪生城市建设上，进行了基本规划和探索，试图根据全新一代信息技术与城市现代化要求融合，为创新型智慧城市建设提供新思维和新途径，并在诸多领域进行了深层次实践。
在空间规划领域，为化解CIM的应用潜能和优势未充分运用的现况，在用地尺度建立多维态元胞模型，基于空间规划对用地的推动，充分运用大数据分析在人群活动及空间行为决策发掘方面的优势，进行空间规划协助决策系统探究。
在智能化管理领域，基于智慧城市对设施进行生命周期管理的需要，CIM利用BIM在开发建设全流程中的仿真模拟和展现优势，充分融合大数据技术在规划设计、施工管理、运维管理等不同环节的数据信息关联和信息发掘能力，建立耦合大数据分析的BIM模型，进行城市开发建设智能辅助决策系统探究。
在可视化应用领域，集成3DGIS、BIM、VR等高维空间可视化技术和方式的优势，进行高仿真、动态化、可交互的可视化系统探究。

四、结语
智慧可视是智慧城市建设的前提条件。从现阶段我国大多数城市信息化发展尚处于智能化前期环节的现实出发，基于三维实景建模与城市智能化模型进行数字孪生城市建设与智慧应用，将为创新型智慧城市建设提供新思维与新途径，更好的支撑创新型智慧城市“无处不在的惠民服务、透明高效的在线政府、融合创新的信息经济、精准精细的城市治理、安全可靠的运作体系”建设目标的实现。