李德仁院士在第十一屆全球地理信息開發(fā)者大會上表示，數(shù)字孿生城市的構(gòu)建將引發(fā)城市智慧化管理和服務的顛覆性創(chuàng)新。數(shù)字孿生這個起源于工業(yè)領(lǐng)域大型裝備虛擬制造的概念，正從一個技術(shù)概念，演變成一種新轉(zhuǎn)型路徑、新變革動力，成為智慧城市的升級引擎。在不改變城市原有物理空間的前提下，數(shù)字孿生技術(shù)克隆出對應的虛擬數(shù)字世界，使不可見的城市隱形秩序顯性化，從而讓城市治理效率大大提升。2021年“探索建設數(shù)字孿生城市”被寫入《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》，各地數(shù)字孿生城市的建設熱情空前高漲。

作為華南地區(qū)歷史最久、規(guī)模最大、專業(yè)最齊全的規(guī)劃勘測設計高新技術(shù)單位，廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院（以下簡稱：廣州市規(guī)劃院）依托多年來服務智慧城市建設所積累的經(jīng)驗與實力，緊跟市場動向，提前布局數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)，用一支高素質(zhì)高水平專業(yè)團隊攻克一道道技術(shù)難題，實現(xiàn)了物理世界在虛擬空間的精準映射與銜接，不斷優(yōu)化打磨三維虛擬場景的視覺效果，創(chuàng)造身臨其境的“大片”體驗，在自然資源管理、城市規(guī)劃設計、重大工程建設、城市精細治理和公眾品質(zhì)生活等城市發(fā)展全鏈路上實現(xiàn)了多場景的應用探索，形成了一整套服務政府、企業(yè)、公眾的數(shù)字孿生城市建設解決方案。

01創(chuàng)新團隊：標準化、高水平打造數(shù)字孿生工廠

技術(shù)研發(fā)的核心要素是人才，廣州市規(guī)劃院為加快研發(fā)效能、取得技術(shù)突破，成功組建一支由中國測繪學會青年測繪科技創(chuàng)新人才領(lǐng)銜，平均學歷碩士以上的專業(yè)開發(fā)團隊，涵蓋前期數(shù)據(jù)獲取、中期數(shù)據(jù)處理與底層搭建、后期平臺開發(fā)等全流程環(huán)節(jié)，保障生產(chǎn)實力和技術(shù)創(chuàng)新能力走在前列。其中超過500人的專業(yè)外業(yè)測量團隊有效保障實景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)的效率和高品質(zhì)，開發(fā)團隊則覆蓋前端開發(fā)、GIS引擎開發(fā)、UE開發(fā)、地編開發(fā)和模型開發(fā)，專業(yè)人員數(shù)量超200。

團隊圍繞數(shù)字孿生標準化工作流程、精度檢驗、常見問題等內(nèi)容編寫了適用于數(shù)字孿生三維建模工作的《城市數(shù)字孿生建模工作指引》，同時根據(jù)場景面積大小和對模型材質(zhì)、精細度等細節(jié)的需求將模型分為LOD1-LOD5共5個層級，提升了建模與應用的契合度。

圖 1城市數(shù)字孿生工作標準模型分級

以人才為基礎，以標準為指引，廣州市規(guī)劃院成功建立起流程化生產(chǎn)、數(shù)字化管理的“數(shù)字孿生工廠”生產(chǎn)模式，將“數(shù)據(jù)、任務、人員、軟件、算法”連接起來，形成一體化完整生產(chǎn)工藝流程和多人在線協(xié)同生產(chǎn)體系。融合數(shù)字孿生分級標準，按照場景范圍、精細度對數(shù)字孿生進行分層分級建設，采用中仿真場景用參數(shù)化建模的方式生成，高仿真場景以實景三維為基礎全流程實施質(zhì)量控制生產(chǎn)，全仿真場景則部分采用物理渲染的方式生成，為客戶提供精度可選、效果可選的多層級數(shù)字孿生產(chǎn)品。

02虛實映射：“雙引擎”支撐虛實空間精準匹配

真實地理信息數(shù)據(jù)在虛擬空間的精準坐標匹配是數(shù)字孿生城市建設的關(guān)鍵難題，只有實現(xiàn)精準的虛實映射，才能讓已有的地理時空數(shù)據(jù)資源在三維空間被充分利用起來。廣州市規(guī)劃院創(chuàng)造性構(gòu)建“GIS+UE”雙引擎，實現(xiàn)傳統(tǒng)三維GIS分析工具與UE平臺的底層互通，支持將GIS數(shù)據(jù)直接導入虛幻引擎中準確、真實、快速地還原真實世界，并于數(shù)字孿生平臺中對GIS數(shù)據(jù)進行高性能渲染。

游戲引擎的實時渲染是傳統(tǒng)GIS軟件所不具備的能力，雙引擎實現(xiàn)了對大規(guī)模真實地理坐標的三維GIS數(shù)據(jù)的接入與可視化，借助模型優(yōu)化和輕量化手段、LOD層級加載策略以及虛實坐標配準算法等技術(shù)，實現(xiàn)了城市全要素類別地理數(shù)據(jù)的集成與融合，可動態(tài)加載海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)（包括實景三維、激光點云、BIM等）。此外，雙引擎內(nèi)置豐富的空間分析工具集，支持大量三維空間分析功能，包括可視域分析、天際線分析、緩沖區(qū)分析等，具有很好的功能覆蓋廣度和完備度，分析過程實時計算，分析結(jié)果可量化表達，為城市規(guī)劃、智慧城市、數(shù)字孿生城市等各項建設提供決策支持。

圖 2“GIS+UE”雙引擎

同時，雙引擎通過接入第三方傳感器數(shù)據(jù)，建立時序傳感器數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)城市級海量多源傳感器的統(tǒng)一匯聚和空間落位，可以實時監(jiān)測了解設備運轉(zhuǎn)情況并進行控制，達到“孿生+物聯(lián)”感知目標，滿足多尺度場景下高效管理要求（如樓宇智控等），為多種業(yè)務應用賦能。

利用5G高安全、高通量、低時延優(yōu)勢，基于MQTT協(xié)議與高性能時序數(shù)據(jù)庫引擎，提供百萬高效寫入，高壓縮比低成本存儲、預降采樣、插值、多維聚合計算，實現(xiàn)全天候、多層次監(jiān)測數(shù)據(jù)高效、穩(wěn)定傳輸與信息自適應融合，實現(xiàn)真實世界物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生世界的虛實配準，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同尺度場景下氣候環(huán)境、火災、地震等事故等事件的全面監(jiān)測，準確掌握城市運行現(xiàn)狀的健康程度，為管理部門提供決策依據(jù)。

圖 3物聯(lián)感知設備空間精準落位與控制管理

03效果升級：多視角真實呈現(xiàn)全空間孿生場景

為在數(shù)字空間真實還原物理世界，帶來沉浸式視覺體驗，廣州市規(guī)劃院在數(shù)字孿生場景、要素等模型的精細度和視覺效果上狠下功夫，主打的數(shù)字孿生產(chǎn)品既能提供多場景漫游視角體驗，也支持時間與天氣仿真模擬，同時加載了大量三維視覺特效和三維分析工具，大大提升了三維平臺的視覺水平。

三維場景漫游：提供多種場景漫游功能，包括鍵盤控制漫游、自動漫游方式和飛行漫游方式，滿足市民、游客和管理者在pc和移動設備上實現(xiàn)終端流暢漫游展示。

圖 4多視角三維場景漫游效果

時間與天氣仿真模擬：支持提供24小時光影變化模擬、風霜雨雪天氣模擬等視覺特效。

圖 5多類型天氣模擬效果

三維特效與空間分析：特效方面，提供粒子效果、光帶效果、樓宇特效等多種三維視效選擇，同時也支持模型編輯、外部數(shù)據(jù)接入、用戶數(shù)據(jù)加載等系統(tǒng)管理功能?？臻g分析方面，提供涵蓋查詢、量測、統(tǒng)計、方案同屏對比瀏覽、通視分析、模型剖切等三維空間分析功能。

圖 6孿生場景空間分析效果

04全鏈賦能：覆蓋生產(chǎn)、生活、生態(tài)全生命周期的多場景應用實踐

廣州市規(guī)劃院結(jié)合新型智慧城市建設經(jīng)驗和在地化服務優(yōu)勢，實現(xiàn)了從資源管理、規(guī)劃設計、工程建設、城市治理再到品質(zhì)生活的城市發(fā)展全鏈路數(shù)字孿生場景應用研發(fā)和支持，為政務服務和公眾生活的方方面面提供統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)基底和分析基礎，全方位實現(xiàn)城市建設管理升級、應用升級和服務升級。

1. 自然資源管理：濕地公園數(shù)字孿生平臺

廣州市規(guī)劃院充分調(diào)研濕地公園現(xiàn)狀，完成上百種植被類型建模，充分還原了濕地公園自然環(huán)境全貌，并對自然資源進行有效的實物量管理。通過接入濕地片區(qū)的環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)，對濕地生態(tài)保護、低碳運營提供了清晰直觀的管理平臺。

圖 7海珠濕地數(shù)字孿生建模效果

2. 城市規(guī)劃設計：數(shù)字孿生城市更新平臺

城市更新能夠?qū)崿F(xiàn)老舊片區(qū)全要素品質(zhì)提升、保持城市活力、促進資源共享。廣州市規(guī)劃院打造的數(shù)字孿生城市更新平臺基于參數(shù)化建模技術(shù)實現(xiàn)對建筑的動態(tài)建模，通過修改參數(shù)調(diào)整街區(qū)布局，對建筑類型、樣式、外立面風格、道路細節(jié)如鋪裝、欄桿等進行直觀、動態(tài)、快速的調(diào)整優(yōu)化，為規(guī)劃設計人員提供了片區(qū)改造方案的有力調(diào)整工具。平臺還支持三維GIS分析(如可視域分析、通視分析、天際線分析)，滿足規(guī)劃設計人員對整體空間的功能、視線走向、道路交通、景點布置的修改優(yōu)化要求。

（白云湖大道數(shù)字孿生城市更新平臺榮獲中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會數(shù)字孿生技術(shù)應用工作委員會頒發(fā)的2021年數(shù)字孿生城市典型案例獎）

圖 8白云湖大道更新改造方案對比

3. 重點工程建設：工程建設項目數(shù)字化場景式審批系統(tǒng)

面向產(chǎn)業(yè)園區(qū)工程建設項目審批要求，廣州市規(guī)劃院研發(fā)的工程建設項目數(shù)字化場景式審批系統(tǒng)接入片區(qū)范圍內(nèi)所有建筑的高度信息、控規(guī)數(shù)據(jù)、審批記錄等數(shù)據(jù)資源，支持對項目設計方案進行景觀協(xié)調(diào)性分析、規(guī)劃條件符合性判斷、控規(guī)限高分析、通視分析、距離高度面積實時量測等。依托數(shù)字孿生平臺直觀、動態(tài)、可調(diào)的特性，在完成項目設計方案精細建模的同時，還能夠有效加快審批信息流通、打破信息孤島，實現(xiàn)跨部門、跨事項數(shù)據(jù)互通共享，為事項審批提質(zhì)增效提供支撐，進一步提高政務服務效能。

圖 9工程建設項目數(shù)字化場景式審批系統(tǒng)

4. 城市精細治理：智慧樓宇數(shù)字孿生平臺&南沙零碳監(jiān)測系統(tǒng)

聚焦樓宇尺度的精細治理工作要求，廣州市規(guī)劃院自主研發(fā)了智慧樓宇數(shù)字孿生平臺，對商務辦公樓宇進行超高精度建模，并依托物聯(lián)網(wǎng)引擎和視頻融合引擎實現(xiàn)了多項樓宇設備的群控管理。一方面平臺能夠?qū)怯顑?nèi)外建筑細節(jié)進行虛實精準匹配的逼真還原，另一方面平臺還同步接入了樓宇電梯實時運行數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、空調(diào)運行數(shù)據(jù)、煙霧傳感器數(shù)據(jù)等資源，支持樓宇各類設備的在線管控。此外，通過接入基于多傳感器的能耗數(shù)據(jù)和實時人流監(jiān)測，還支持進行樓宇能耗數(shù)據(jù)分析、碳排放分析，對碳排放環(huán)境進行實時監(jiān)控與預警，響應低碳城市發(fā)展要求。

圖 10智慧樓宇數(shù)字孿生平臺

5. 公眾品質(zhì)生活：智慧名城數(shù)字孿生管理平臺

數(shù)字孿生底座能夠為改善人居環(huán)境、提升公眾生活品質(zhì)提供有力條件。廣州市規(guī)劃院秉持“老城市，新活力”發(fā)展理念，面向新時代歷史文化保護傳承要求打造了智慧名城數(shù)字孿生管理平臺，對永慶坊、紀念堂、李小龍故居等重要歷史文保片區(qū)和重點建筑進行三維建檔保存，同時支持接入物聯(lián)監(jiān)控數(shù)據(jù)和AI視頻算法，實現(xiàn)建筑24小時在線監(jiān)控。針對有改造需求的目標片區(qū)，平臺還支持規(guī)劃設計方案一鍵導入、三維模型快速生成、設計方案同屏比對等系列功能，支持片區(qū)改造提升的在線快速優(yōu)化，為傳承文化底蘊、提升人居環(huán)境提供有力支撐。

圖 11智慧名城平臺永慶坊片區(qū)建模效果

在全國上下如火如荼開展數(shù)字孿生落地探索的形勢下，廣州市規(guī)劃院始終秉持“服務政府、服務社會，創(chuàng)造更美好的人居環(huán)境”理念，以生產(chǎn)帶動研發(fā)、以研發(fā)促進生產(chǎn)，在數(shù)字孿生技術(shù)探索和應用實踐的道路上行穩(wěn)致遠、銳意進取，為提升城市治理效能、改善公眾生活體驗不斷貢獻廣州智慧和力量。

技術(shù)交流：廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院， 周泊遠，13296596445。