数字孪生下的超大城市空间三维信息的建设与更新技术研究

李志鹏 金雯 王斯健 王伦

摘  要：当前，以物联网、大数据、人工智能、5G传输等新技术为核心的数字浪潮正在席卷全球，数字世界为了服务物理世界而存在，物理世界因为数字世界变得高效有序，数字孪生技术应运而生，影响着城市空间规划布局、建设与发展。城市高时间分辨率的三维空间信息是数字孪生城市建设的基础，该文围绕城市空间三维地理信息建设与地理信息的现势性，结合测绘遥感前沿技术、物联网通信传输以及协同管理机制，全面思考了三维地理信息建设以及更新的技术手段，对城市信息化建设具有一定的参考应用价值。

关键词：数字孪生  三维地理信息  更新机制  测绘遥感

中图分类号：P231           文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）08（a）-0003-07

Research on the Construction and Updating Technology of Three-Dimensional Spatial Information of Megacities under Digital Twin

LI Zhipeng1  JIN Wen1  WANG Sijian1  WANG Lun2

（1.Shanghai Surveying and Mapping Institute， Shanghai， 200061 China;2.China Telecom， Suqian， Jiangsu Province， 223800 China）

Abstract： At present， the digital wave centered on new technologies such as Internet of Things， big data， artificial intelligence， and 5G transmission is sweeping the world. The digital world exists to serve the physical world. The physical world has become efficient and orderly， for the application of digital technology. Born， it affects the city planning， construction and development of urban space. The high-time resolution of urban three-dimensional spatial information is the basis of digital twinning city construction. This paper focuses on the three-dimensional geographic information construction of urban space and the currency of geographic information. Combined with the cutting-edge remote sensing technology， Internet of Things communication transmission and collaborative management mechanism， we research the construction and updated technical means of the three-dimensional geographic information， having certain reference application value for urban information construction.

Key Words： Digital twin; 3D geographic information; Update Mechanism; Surveying and remote sensing

對城市当前状态的实时精准模拟和对未来状态的准确预测是城市精细化管理的关键科学问题[1]。地理空间数据信息的现势性是GIS的灵魂，它远远高于几何精确性。从我国城市发展看，超大城市每年地表覆盖的变化都达到40%以上[2]。要保持地理空间信息的现势性确实是非常困难。

目前三维地理信息技术已经成为人们最关注的行业热点技术[3]。在数字孪生城市技术背景下，利用新型测绘技术可快速采集地理信息进行城市建模，是数字孪生城市建设的重要环节。

城市信息模型平台融合城市精准空间信息（如建筑、交通、水系、植被、基础设施等城市地理实体的空间位置和属性特征）和物联网动态传感器数据流（如视频监控数据、车辆轨迹数据、公交刷卡数据、停车场数据、道路卡口数据、地下官网数据、空气质量数据、水质水文数据、气象数据、水电气表数据等），对城市进行数字化孪生的城市三维信息建模，关联物联网实时数据[4]。

要实现数字孪生城市建设，首先要建立城市信息模型平台，要求城市空间地理信息以全空间、全要素、三维、实时更新的形式呈现，这对城市测绘与地理信息建设提出了很高的要求。利用新型测绘技术可以实现全空间、全要素三维地理信息场景的真实构建。结合卫星遥感、点云差分、物联网构建以及协同管理机制，可以较为完善地实现有效的城市地理信息变化检测，进而实现快速更新，提高城市三维场景模型的现势性。

1  全息测绘技术构建城市三维空间地理信息

利用全息测绘技术方案可以实现城市空间基础设施三维信息的快速采集，构建全空间、全要素的城市信息模型，采用卫星发现房屋建筑以及大范围地物变更、点云差分检测城市交通要素以及基础设施部件变更，利用物联网机制对城市核心地理要素进行实时地信号监测，以及利用协同管理机制，整合地物变更情报，提高地理信息更新效率。通过有效的更新机制，可以保持城市信息模型的现势性，进而可以构建高性能的城市信息平台，整合城市多源信息，建设数字化的城市基础设施三维平台，最终实现物理空间基础设施与数字空间地理信息之间的数字孪生，如图1所示。

航天和航空遥感技术近年来取得了飞速的发展，遥感数据获取技术趋向三多（多传感器、多平台、多角度）和三高（高空间分辨率、高光谱分辨率、高时相分辨率），从而可以每天发回大量的遥感数据，利用遥感数据，可以实时、自动地回答合适（when）、何地（where）、何目标（what object）、发生了什么样地变化（what change）地“4W”问题。高分辨率遥感影像呈现出了更多的细节信息，利用变化检测算法可以检测出城市空间变更区域[9]（见图6）。

2.2 点云差分技术

在获得城市高精度三维激光点云数据成果的基础上，通过不同时相的三维激光点云，对其进行分类，并按类别进行差分变化检测，最终获得城市空间三维地理信息的变化检测结果，实现三维地理信息的更新（见图7）。

2.3 利用物联网机制，发现变更地物

物联网（Internet of Things，简称IoT），主要是通过传感器、通信模块以及芯片等感知设备将物体进行联网。

伴随着物联网产业的快速发展，对新型传感器、芯片的需求逐渐增大，因此对其尺寸和功耗提出了更高的要求。而MCU（Micro Control Unit，微控制单元）和MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）由于其高性能、低功耗和高集成度的优势，得到了全面发展。

物联网的传输层主要负责传递和处理感知层获取的信息，分为有线传输和无线传输两大类，其中无线传输是物联网的主要应用。

万物互联的基础在于数据传输，对于城市空间关键实体，通过在城市实体上安装通信信号，将其物联网化，利用通信传输介质将其关联到全空间、全要素的地理信息平台上，使实体空间要素与数字地理信息模型实现关联，实现数字孪生。若实体空间发生改变，则物联网信号源发生变化，数字地理信息平台可实时监测到物理地理空间的变化，从而做出响应，实现实时的更新。

2.4 利用协同管理机制，发现变更地物

城市测绘地理信息产品生产与服务端存在3个供需主体。一是测绘地理信息部门，是城市地理空间信息数据的生产者和提供者;二是城市建设主体部门与行政职能管理部门，掌握地理信息要素变化情报，是地理空间要素实体的建设者和创造者，也是地理信息数据成果的最主要使用者;三是公共事业管理部门与广大人民群众，是地理信息产品应用的主体，是未来地理信息产业扩展服务的方向，也是最能反映地理信息产业服务能力的参与者[10]。

因此，在数据生产者、要素建设者和数据使用者之间建立良好的沟通渠道，是及时掌握地理信息变化情报和地理信息用户最新需求的重要途径。建立共享协同机制，以基础地理信息服务平台为桥梁，实现测绘地理信息部门与工程建设部门以及广大群众间的信息交流共享互通，快速掌握项目建设最新动态，及时更新地理信息变化数据。结合测绘地理信息内部形成的地理信息成果定期更新平台和机制，从而形成以建设信息为主、定期普查信息为辅、大众互动参与信息为补充的地理信息数据更新情报获取的科学新模式，既及时高效又科学可靠（见图8）。

3  研究结果

该文利用上海市某区域一个街区的车载和机载三维激光点云数据成果，进行了点云数据处理，并进行了道路与街坊内部一体化高精度DEM的构建（见图9）。高精度DEM精度情况（见表3）。

该文利用全息测绘技术对城市空间三维信息进行制作，利用倾斜摄影制作单体化建筑模型，利用三维激光点云进行城市空间三维信息的提取，并匹配模板库，进行三维场景的构建（见图10）。

基于DSM差分技术，对2018—2019年上海市嘉定区部分区域进行了变化检测，得到房屋建筑物发生变化的检测结果（见图11）。

基于深度学习方法对季度更新的高分辨率卫星影像进行变化检测，对2018年到第二季度和第三季度卫星影像处理，得到地理要素发生变化的检测结果（见图12）。

一旦建成物联网机制，实现空间实体与数字化三维地理信息实时相互关联，实现数字孪生技术应用。将为地理信息平台引入大量的城市实时信息，可以有效实现地理信息动态更新（见图13）。

4  研究结论

该文围绕城市空间三维地理信息建设与地理信息的现势性，结合测绘遥感前沿技术、物联网通信传输以及协同管理机制，全面思考了三维地理信息的建设以及更新的技术手段，对城市三维地理信息的现势性提高具有重要的参考意义。

在未来，为实现城市信息的数字孪生，需要实现城市空间要素的物联网化，结合5G传输技术实现物理空间与数字空间的实时互动响应。此外，地理信息社会经济属性的建设与更新需要协同管理机制，让更多的机构以及广大人民群众参与到数字孪生城市的建设中，实现数字孪生服务城市、服务于人的最终目的。

参考文献

[1] 杨必胜，梁福逊，黄荣刚.三维激光扫描点云数据处理研究进展、挑战与趋势[J].测绘学报，2017，46（10）：1509-1516.

[2] 李德仁.利用遥感影像进行变化检测[J].武汉大学学报，2003.

[3] Mao Weiqing.Study on consruction and application of 3D Geographic Information Services For The Smart City[J].Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2014（II-4）：41-44.

[4] 顾建祥，杨必胜，董震.智能化全息测绘及示范应用[J].城市勘测，2019（3）：10-14.

[5] 王斯健，李志鹏.基于深层神经网络的道路交通标志检测识别方法研究[J].科技资讯，2019，17（17）：1-4.

[6] 李志鵬，王斯健，辛亮.基于复杂神经网络的城市道路交通标志自动提取与定位方法研究[C]//第五届三维激光雷达会议论文集.国际数字地球学会中国国家委员会，2019.

[7] 吴宾.基于体元和车载激光扫描数据的行道树提取方法研究[D].华东师范大学，2014.

[8] 辛亮，王光耀，杨常红.基于DSM进行变化检测的新方法研究[C]//第九届长三角科技论坛.2012.

[9] 张鑫龙，陈秀万，李飞，等.高分辨率遥感影像的深度学习变化检测方法[J].测绘学报，2017，46（8）：999-1008.

[10] 汪艳霞.数字城市地理信息公共平台智慧化升级的探讨[J].地理信息世界，2015，22（4）：66-71.