面向数字孪生城市的智能化全息测绘研究

葛晓岩

广州南方智能技术有限公司 广东广州 510000

摘要：伴随着智慧城市的演进，顺应新一轮科技革命和产业革命的发展，数字孪生成为城市治理的新思路、新发展、新手段。数字孪生城市实现物理维度上的实体城市和信息维度上的虚拟城市同生共存、虚实交融的城市发展格局，将城市规建管运提升至“细胞级”精细化治理水平。为更好地服务于新型智慧城市的发展新阶段，需要进行数字孪生技术的探索，基于智能化全息测绘技术实现数字孪生城市的构建，进行一系列的应用做验证。本文着重论述智能化全息测绘技术在数字孪生城市建设中的相关应用。

关键词：智慧城市；数字孪生城市；智能化全息测绘；

引言：数字孪生城市是面向新型智慧城市的一套复杂技术和应用体系，孪生模型的构建、多源异构数据的融合、可视化渲染展示、技术的集成和多平台功能的打通是数字孪生城市建设中的关键要素。数字孪生城市作为智慧城市的新阶段，其总体架构布局由新型基础设施、智能运行中枢、智慧应用体系三大横向层，以及城市安全防线和标准规范两大纵向层构成。

一、数字孪生城市概念综述

2002年，美国密歇根大学教授迈克尔·格里夫斯首次提出“数字孪生”的设想，但是数字孪生的理念最初主要应用在工业制造领域。在这期间技术人员可以借助数字化建模技术对工业制品的设计、生产以及后期的维护流程进行实时监测和仿真动态化。

2017年，中国信息通信研究院在长期从事智慧城市顶层设计实践基础上，提出了“以数字孪生城市推进新型智慧城市建设”的创新理念［2］，引起了社会的普遍关注。数字孪生城市指通过数字孪生技术在虚拟数字空间再造一个与现实物理城市相对应的数字城市，基于构建物理城市与数字城市一一映射、协同交互、智能操控的复杂系统，使其与物理城市同步平行运转，通过虚拟服务现实、数据驱动治理、智能定义一切等运行机制，实现城市全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、城市运行管理协同化和智能化，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展新模式，是具有深度学习、自我优化能力的城市。

2022年，全国信标委智慧城市工作组发布《城市数字孪生标准化白皮书（2022版）》，构建了城市数字孪生标准化路线图，即“以数字化方式创建城市物理空间、社会空间以及数字空间在时间维度和空间维度更加精准的映射、更加紧密的联接和更加多维的联动”。

数字孪生城市概念与传统智慧城市相比更加细致化和智能化，主要包括：新型的测绘技术、采集地理信息、语义建模、在虚拟和现实之间进行转变等技术类别，随着物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术的发展，将数字孪生理念与智慧城市建设进行深度融合，多角度的提升城市治理的服务质量，并在城市规划、建设、管理、运营以及智治方面发挥着重要的作用，数字孪生城市被纳入到我国“十四五”规划和2035年的远景建设目标纲要之中。

二、智能化全息测绘关键技术分析

智能化全息测绘技术的实施概念要凸显出四大要点：全息化、精细化、智能化和统一化。通过在智能信息采集、地理实体结构、非尺度地理实体全信息数据库构建、数据分发、产品服务等方面的开创性，[4]将其应用在数字孪生城市的建设中，不断满足城市精细化管理的需求。

(1)全息化强调了智能化全息测绘的采集内容，以“全息要素、应采尽采”为原则，包括地上、地表、地下、室内、室外、动态、静态所有实体，以及实体的自然属性、社会属性。

(2)精细化要求智能化全息测绘的采集精度为“按需测绘、不同要素不同精度”，构建可按需综合的地理实体库，满足智慧城市规建管运全生命周期中不同精度要求的应用需求。

(3)智能化利用5G传输、边缘/云计算、区块链等技术，提高数字孪生城市空间所涵盖的数据云存储与计算能力，借助深度学习、强化学习、迁移学习等人工智能手段，提升全息地物要素智能化提取水平。[5]

(4)统一化是指对基于地理实体的全息地理时空数据处理、建库、管理进行了统一，明确地理实体分类、编码规则，规定基础地理实体及点、线、面图元的制作、加工和处理要求。

针对智能化全息测绘技术面临的城市全空间信息获取难、多源异构数据精准融合难、地理实体要素智能化提取难、按需结构化模型重建难等技术瓶颈，需要进一步探索发展空-天-地-地下立体化城市空间全息数据采集体、多源异构城市空间信息高精度融合、城市全息要素结构与语义信息智能提取、城市场景结构化语义模型按需重建等多项核心技术。

三、数字孪生城市中智能化全息测绘技术的应用研究

（1）服务城市精细化治理

城市精细化治理的内容大到公共服务设施、城市交通设施和城市开放空间改造等，小到绿化景观、城市部件等具体对象。智能化全息测绘成果表达了丰富的地理信息资源，不仅为城市综合治理持续深化提供保障，也为城市安全管理、城市智慧交通建设、城市居住环境等提供信息支撑。在全息测绘实景模型中，所有的路灯、垃圾箱、摄像头等城市部件的位置、大小和朝向均与实地一模一样，因此智能化全系测绘成果也被称为

“城市家具的数字孪生”，更有利于实现“像绣花般”一样的城市精细化管理要求[3]。道路、建筑等可量测实景提供多角度观察的地理环境，真实地记录城市的面貌，基于其可视、可量、可链接、可挖掘等特点，结合计算机和网络技术，可以为市政、交通、城管、公安、应急等多个领域提供场景定制实景化和三维可分析化功能。

（2）服务智慧园区综合管理应用

面向数字孪生的智慧园区是以数据为核心生产要素，以数字运营为核心生产关系系统变革的新型园区。首先基于智能化全息测绘技术获取园区的倾斜数据、激光点云数据、CAD图纸数据等，再者采用三维实景建模、智能化点云分类建模、BIM建模等数字孪生技术，构建园区地上下、室内外一体化的先进性引领产业三维数字底座，之后融合园区多样的前端感知、视频等物联数据，结合大数据、云计算、AI等新一代信息化技术，实现园区内人、物、空间的全面联动，促使园区综合管控由静态向动态的转化，最终实现智慧园区数字化产业运营的可视化分析、园区业务的闭环联动、园区决策仿真模拟、园区资产管理运维、园区招商引资、园区安全应急等，智能化、数字化、科学化、高效化服务于园区的全生命周期。

（3）服务智慧交通无人驾驶应用

通过智能化全息测绘移动测量装备的多源传感技术获取道路、停车场( 库) 等高精度、全要素的空间信息，形成语义化的全要素实景模型和高精地图，可以满足自动驾驶车对更高精度的地图和更加精准的定位导 航服务的要求。同时语义化的全要素实景模型数据不仅搭建了真实世界的数字孪生场景，还能还原物理世界的交通运行规律，结合智能驾驶场景下人工智能算法的训练、优化、升级，大幅提升无人驾驶的训练效率和安全性，从而解放人们双手和减轻体力劳动，助力自动驾驶过程中的决策和控制，为城市交通安全保驾护航。

（4）服务自然资源三维立体管理应用

划定生态保护红线、永久基本农田、城镇开发边界等控制线，建立国土空间规划实施监测、评估和预警体系，构建节约资源和保护环境的生产、生活、生态空间局，[6]是当前自然资源管理与保护的重要内容。使用智能化全息测绘技术可以加强自然资源空间测绘的精细度，多角度思量测绘山川、河流、地势以及不动产，基于丰富的产品内涵和产 品形式的智能化全息测绘成果，可广泛应用于自然资源统一管理。例如在不动产登记管理应用方向，可以通过激光扫描、倾斜摄影测量、BIM构建等技术手段，再融合地楼房权人等权属业务数据，形成涵盖建筑物实体、地块院落实体的结构和属性信息的全要素三维立体模型，实现三维不动产智治。因此，应用智能化全息测绘技术构建一个完整的服务于自然资源管理的三维空间底图，可以有效地辅助开展自然资源空间规划、监测实施等应用。

结论：在数字孪生城市内研究智能化全息测绘技术，可以进一步提升数字孪生城市构建的精细化程度，并基于新型测绘使能来深度挖掘全域时空数据的潜在价值，提高虚拟算法世界与现实物理世界之间的区域更新速度。总而言之，智能化全息测绘技术可以为我国的数字孪生城市的构建注入新的技术支撑。

参考文献：

[1] 顾建祥, 杨必胜, 董震,等. 面向数字孪生城市的智能化全息测绘[J]. 测绘通报, 2020(6):7.

[2] 陈彬. 面向数字孪生城市的软件定义物联网架构[J]. 数字技术与应用, 2022, 40(2):4.

[3] 张丽. 智能化全息测绘成果质量检查方法研究[J]. 测绘通报, 2021(S02):5.

[4]顾建祥, 智能化城市全息测绘关键技术与应用. 上海市,上海市测绘院,2020-04-11.

[5]苏艳平.智慧城市发展中测绘档案服务智能化趋势探讨[J].城建档案,2019(08):16-17.

[6]王龙秀.智慧城市下测绘GIS智能化的研究[J].民营科技,2015(07):7.