数字孪生在新型基础测绘中的应用

作者：刘俊伟 孙东风等

十九届四中全会中提到要“更加重视运用人工智能、互联网、大数据等现代信息技术手段提升治理能力和治理现代化水平”，总书记也曾在多个场合强调利用现代化信息技术赋能国家治理现代化的重要意义。作为国家经济社会发展和国防建设的重要基础，传统测绘已无法满足日益增长的信息化和智能化需求，因此自然资源部提出了“加快基础测绘转型升级，增强测绘地理信息公共服务能力”的要求，和构建“实景三维中国”的任务。那么，如何实现基础测绘升级转型的目标，提升测绘地理信息的基础性、支撑性能力，为政府、社会各界 提供更具有针对性、更富有知识性的产品和服务，是当前基础测绘面临的重要问题。

数字孪生作为数字浪潮下最具发展潜力的技术，是实现数字化转型、解决物理实体与虚拟实体之间的交互共融，真正实现物理实体全生命周期智慧管理的关键技术。它也是指导新型基础测绘升级转型的一种有效思路和技术路径。本篇通过介绍数字孪生的发展历史和技术特点，探讨数字孪生技术与新型基础测绘的共通性和特征，探索基于数字孪生技术的新型基础测绘体系构建新思路和路径，以期为新型基础测绘体系建设和测绘地理信息行业发展提供参考。

数字孪生与新型基础测绘的融合分析

1.数字孪生与新型基础测绘的融合基础

基础测绘是建立和维护全国统一的测绘基准和测绘系统，进行航天航空影像获取，建立和更新维护基础地理信息数据库，提供测绘地理信息应用服务等。从本质上看，基础测绘也是将现实物理世界用数字化方式进行表达，并为各行业应用提供信息服务，与数字孪生理念极为相似。不同之处在于，数字孪生关注物理实体数字化至智能化管理的全生命周期过程，而新型基础测绘侧重于物理世界数字化和支撑智能化应用的能力。因此，利用数字孪生指导新型基础测绘体系建设，可以更好地满足新时代数字化转型和智慧应用的需求。

从需求角度看，数字孪生城市是数字孪生技术在智慧城市方向的延伸应用，中国信息通信研究院认为“数字孪生城市是技术演进与需求升级驱动下新型智慧城市建设发展的一种新理念、新途径、新思路”^[11]。满足智慧城市建设、社会精细化治理的新需求，是数字孪生城市的建设目标，也是新型基础测绘的工作任务之一。新型基础测绘升级转型需要结合数字孪生技术，满足数字孪生城市建设及其他数字孪生应用的需求。

2.结合数字孪生的新型基础测绘特征分析

新型基础测绘，是以基础地理信息获取立体化、实时化，处理自动化、智能化，服务网络化、社会化为特征的信息化测绘体系^[12]。结合以上分析，笔者认为新型基础测绘具备以下六大能力。

①多手段测绘采集

从建设内容上看，新型基础测绘要求构建陆海空一体的现代化测绘基准体系，完善覆盖更全面、内容更丰富、分类更具体的基础地理信息数据库等。一方面，需要充分利用更先进的机载、车载、船载、背包式等新型高端测绘设备，通过光学多光谱遥感、高光谱遥感、倾斜摄影、激光雷达、合成孔径雷达干涉测量(InSAR)等多种测绘技术，获取有效覆盖陆地、海洋、空间和地上地下全空间、全要素的多类型测绘数据，为城市规划、环境监测、森林调查、海底探测等领域提供支撑。另一方面，需要积极开展泛在测绘，即通过众包的思想，鼓励广大网民对地理信息发布的产品实行网上更新、标绘以及遮蔽地区模型补建等^[13]，弥补地理信息产品因遮挡问题而产生的不足。当前测绘地理信息的众包有：百度、高德等导航公司使用用户的实时大数据进行导航地图的众包生产；泰瑞数创公司的“平行世界(PARALLEL WORLD)”服务平台为行业链接需求与服务，现已覆盖238座城市，具有1000多家合作伙伴。

②语义化实体三维

新型基础测绘必须要充分融合人工智能、大数据、物联网等高新技术，形成新型基础测绘的“ABIS”生产技术体系^[14]。从建设手段上看，要按照智能化处理要求，大幅提高数据生产自动化水平，全面提升基础测绘生产作业效率；从建设成果上看，“实景三维中国”要求单体化、结构化、语义化“三化”的实体三维数据成果，实现数据分析、挖掘和决策支持，提高基础地理信息产品内在价值，提升地理信息产品应用的广度和深度。

单体化。当前主流的倾斜摄影三维模型，因生产工艺特点，成果数据是基于不规则三角网的表面模型，形成“一张皮粘连”，无法针对单体对象进行操作，更无法为单体对象赋予相应的属性，从而限制了三维模型的应用能力。因此，实体三维数据的首要特征即为单体化，具有单体对象操作和分析的能力，也为局部数据增量更新提供条件。

结构化。结构化是大数据分析的前提条件，因此为了实现时空大数据和实时大数据的融合和挖掘分析，为城市规划、城市管理等行业提供服务，这就要求实体三维数据必须是结构化的。

语义化。语义化可以将物理世界中多源异构和多模态的空间大数据组织形成复杂庞大的数据语义网络，使得计算机可以灵活识别语义模型，快速学习数据的深层含义，深度理解真实世界，并从中总结规律，提炼知识，发现价值，构建空间知识图谱，更好地服务各行各业。

③多源场景融合

大数据时代下，基于泛在测绘产生的位置大数据，已成为当前用以感知人类社群活动规律、分析地理国情和构建智慧城市的重要战略资源^[15]。为满足绿色、智能、泛在为特征的发展需求，应对大数据时代的变革，新型测绘地理信息数据需要具有与轨迹数据、空间媒体数据、社会经济数据在统一时空框架下的融合能力，提升测绘地理信息的价值。其中，轨迹数据是指通过北斗定位系统、GPS定位系统等得到的人员流动数据、车辆运行轨迹数据等；空间媒体数据是指包含位置信息的文本、图像、声音、视频等媒体数据，主要来源于互联网应用和城市监 控系统；社会经济数据主要是指包含有地理位置信息的社会和经济统计数据，如人口空间分布、教育资源空间分布、收入统计空间分布等。

④模拟仿真计算

在新时代背景下，城市规划、城市更新、应急管理等领域都需要在数字世界实现方案评估、分析和优化方案，来指导现实物理世界的决策。这就要求作为各类经济社会、实时大数据等信息载体的地理信息产品，具有支撑模拟仿真计算的能力，可基于语义模型进行分析和模拟，实现仿真计算、动态推演和态势预测。从分析方法上看，测绘地理信息产品需要实现从现有的空间分析、时间分析向智能分析的升级。

⑤智能资源调度

基础测绘具有基础性、公益性、权威性等特征，在组织管理体系上必须坚持国家统一规划和分级管理，杜绝重复测绘现象，达到“同一地理实体只测一次”的目标。分级构建地理实体管理服务平台，实现各级单位共建共享。基于地理实体唯一编码体系，实现以实体对象为单位的局部快速更新。

从服务方式上看，新型基础测绘要求坚持需求驱动，具备“一库多能、按需组装”特点。面向不同区域、不同层级、不同行业用户，支持自定义实体范围、实体精度、实体涵盖语义类型等多维筛选条件，快速提取相应的实体数据和信息；同时，支持将提取出的实体数据和信息自定义组装为一个或多个场景进行共享发布，以满足不同的应用需求。

⑥智慧应用支撑

新型基础测绘将面临种类更多、质量更高、应用更广的现实需求，其在经济社会发展中的基础性作用要求不断强化。从行业应用上看，不仅要继续满足继承基础测绘的传统国土规划、城市建设等方面的需求；还需要满足新时代背景下，自然资源“两统一”管理、生态环境修复等方面的新需求。从可视化渲染需求上看，针对不同层级、不同行业的管理者，不仅需要传统GIS专业级可视化渲，还需要支撑城市运营管理中心的城市级大屏可视化需求，以及满足跨平台、跨浏览器的可视化渲染需求。

基于数字孪生的新型基础测绘解决方案

1.语义化地理实体自动建模

在语义化三维模型方面，德国SDI 3D率先提出并设计了三维空间语义数据交换与存储的格式CityGML，并在新加坡、法国巴黎等少数地区有所应用。国内学者也做了很多基于CityGML的改进研究。在应用方面，泰瑞数创是首家提供从语义化三维建模到语义模型管理，再到智能应用全流程技术方案的企业，并已在上海公安、天津滨海城市大脑、上海临港城市大脑等智慧城市建设中有所应用。

泰瑞数创自主研发的语义化地理实体自动生产工艺，利用倾斜摄影、激光扫描等新型测绘手段，并融合多源异构的现有数据，如4D产品、3ds max模型、建筑信息模型（BIM）等，实现自动化构建全要素、全空间、语义化的地理实体数据。语义化地理实体数据充分地考虑了模型的几何、拓扑、语义、外观等属性，还包括了主题分类之间的层次、聚合，对象之间的关系、空间属性等。这些专题信息不仅仅是一种图形交换格式，而且允许将城市三维模型部署到各种不同应用中的复杂分析任务，例如仿真分析、城市数据挖掘等。在生产效率方面，可以达到每小时自动提取至少3000栋单体语义模型；并且自动提取屋脊高度、屋顶方向等几十种空间结构信息。同时，也可通过深度学习技术根据计算机辅助设计（CAD）或非数字化图纸自动化生成室内三维语义模型。

2.地理实体数据管理服务平台

地理实体区别于基础地理信息的关键点在于，它可被视为管理对象，能够方便地实现地理信息与社会、经济、自然资源等专题信息的挂接，是各类信息的聚合载体^[16]。相较于传统基础地理信息数据的按比例尺分级管理模式，地理实体则需要按照实体进行结构化管理，并且要求每个实体具有唯一编码标识。基于实体的组织方式不仅能够对社会、经济等属性信息实现挂接，而且能够实现数据的动态更新和实时维护^[17]。

SmartEarth地理实体服务平台是泰瑞数创自主研发的，空间地理实体建设整体解决方案中的重要组成方案，产品内容涵盖模型结构关系、多尺度细粒度数据存储、语义处理技术、空间语义关联知识图谱，支持挂接外部业务数据，赋予实体时空编码，可进行图谱化管理，能够实现实体可视化查询，按需组装、按需发布等功能，解决多源异构的空间数据难以集成应用、地理实体间缺乏关联关系以及智慧城市建设多样化需求等问题，提供统一生产、统一存储、统一管理、统一发布的地理实体数据全链条服务。

语义关联知识图谱：建立实体数据结构关系，实现实体数据关联查询和推理分析其他实体数据，如图1所示。