北斗与高分融合的数字孪生地球

刘光明，胡煜，沙峰，谢国钧，成伟

(1.中科星图空间技术有限公司,西安 710100；2.陕西省军民融合信息中心,西安 710100)

0 前言

随着航天航空对地观测技术的迅猛发展，海量地球时空大数据与多领域用户之间存在着越来越高的信息壁垒和技术门槛，数字地球应运而生. 1998 年，美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心开幕典礼上做了题为“数字地球：认识二十一世纪我们所居住的星球”的演讲，首次系统地阐述了数字地球的概念. 数字地球是对时空大数据和数据操作的整体封装，是连接多领域用户与多源地球信息的桥梁. 数字地球高度集成了航空航天对地观测系统、全球卫星导航系统(GNSS)、地理信息系统、计算机、互联网、通信，以及多媒体等信息技术，并与地球科学、空间科学、信息科学等学科深度融合，是定量研究地球、深度认识地球、科学分析地球、系统改造地球的有力工具. 最具代表性的数字地球产品是美国谷歌公司的“Google Earth”. 当前，欧盟、俄罗斯以及我国都在积极研制数字地球，数字地球的实现如图1 所示.

图1 数字地球的实现

“北斗+高分”是导航与遥感技术融合的典型代表. 随着北斗全球化服务的正式启动和高分系列卫星观测成果的广泛应用，北斗与高分共同构筑了我国的时空高边疆. “北斗+高分”是我国自主可控的、最具发展潜力的时空基础设施，也是数字孪生地球高效采集海量时空大数据的主要技术手段. 高分为数字地球提供了全息镜像. 北斗为数字地球传递时空基准，实现了虚实地球间的精准映射. 另外，北斗和高分也是实现时空态势感知的主要技术.

陈述彭[1-3]介绍了建设数字地球的战略意义，推动了数字地球国产化. 承继成[4-5]从理论、技术、建设到应用，对数字地球进行了系统地研究和推广. 李德仁等[6]提出了数字地球的智慧化. 龚健雅[7]研究了数字地球的三维化. 邵宗有[8]提出以“构建北斗为体高分为象的数字孪生地球”的技术发展蓝图. 安世亚太科技股份有限公司[9]详细介绍了数字孪生技术的概念和框架. 中国信息通信研究院[10-12]详细论述了数字孪生城市的总体架构与关键技术，介绍了数字孪生城市的典型场景、应用案例与发展趋势. 中国电子技术标准化研究院[13]介绍了数字孪生技术的应用和标准化工作的现状与发展，分析了在技术、管理和商业方面存在的挑战. 中国卫星导航定位协会[14]对北斗技术在时空信息领域的融合创新前景做出了前瞻性的论述. 自然资源部科技发展司[15]详细介绍了国内遥感产品生态链的全貌，阐述了遥感技术在数字中国等领域的创新应用. 陈锐志等[16]从应用领域进行分类，全面地介绍了导航与遥感技术的融合. 李文[17]提出了北斗、铱星和遥感系统的融合方式，并详细分析了融合系统的性能.

1 数字孪生地球的概念

“数字化”是将真实世界的时空、几何、物理、自然和社会等属性信息，在计算机虚拟世界进行描述、存储和表达的技术. “孪生”的概念起源于美国国家航空航天局的“阿波罗计划”，即构建两个相同的航天飞行器，将其中一个发射到太空执行任务，另一个留在地球上用于反映太空中航天器在任务期间的工作状态，从而辅助工程师分析处理太空中出现的紧急事件. 这两个航天器都是真实存在的物理实体.

不同行业对数字孪生的定义不同，结合时空信息领域的特点，我们认为“数字孪生”是在数字化的基础上，进一步实现了虚实世界之间在全生命周期内的实时连接和同步更新，并通过仿真模拟、分析推演、预测预警，为规划、设计和决策提供最优方案，进而对真实世界进行资源调度、远程操控和综合治理. 数字孪生的核心思想可概况为自实生虚、虚实互连、以虚控实三点. 随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生技术已在工业制造、城市管理、电力、农业、建筑等领域得到了广泛的应用. 数字孪生地球则是数字孪生技术最有想象力的应用之一.

陈述彭院士指出，当我们通过卫星、飞机、气球、地面测绘、地球化学或地球物理等观测手段获得地球的大量数据，用计算机把它们同应用模型结合起来，在计算机网络系统里把真实的地球重现出来，形成一个巨系统时，它所提供的数据和信息将使人类能够更有效地管理地球，甚至人类本身. 这样一个巨系统，就是“数字地球”.

“数字地球”是对海量地球时空大数据及其操作的整体封装，是连接多领域用户与多源地球信息的桥梁. 当前，数字地球不仅是数字化的地球，而且它已具备了数字孪生地球的基本要素，但在智慧、融合、协同等方面还存在一定的差距. “数字孪生地球”是数字地球的高级阶段.

随着应用的拓展、需求的增加和技术的发展，数字地球正在向数字孪生地球快速进化. 在地球时空大数据方面，数字地球正经历着从二维到四维、从静态到动态、从几何到物理、从地表到邻地空间、从对地观测到泛在物联感知、从自然资源到人文生态的扩展. 在服务能力方面，物联网、云计算、大数据、人工智能、模拟仿真、虚拟现实(VR)等技术，以及地球物理等学科的快速发展，有力地推动了数字地球的智慧化程度. 在具体应用方面，数字地球已在政府综合管理和行业垂直领域得到了广泛地应用，也为进一步融合各种异构智慧体，实现共智共治提供了数据、业务和技术的积累.

“智慧体”是一个理想化的目标. 智慧体有不同层次的具体实现，或者聚焦于解决行业痛点，或者偏重于信息化建设，或者主打人工智能和可视化. 目前，数字孪生技术是实现智慧体的最优方案. “元宇宙”基于数字原生技术，目的是构建虚拟社会；“数字孪生地球”以真实世界为主，目的是治理真实世界. 这两者在理念和技术方面有很多共性，最终会走向融合共生.

2 数字孪生地球的构建

2.1 关键步骤

如图2 所示，基于移动通信、互联网络、海量存储、高性能计算等共性信息基础设施，数字孪生地球的构建可分为6 个关键步骤：全链可信时空、全息精准映射、实时泛在感知、多模数据融合、单体时空智慧、全域共智共治.

图2 数字孪生地球的架构

这6 个步骤之间的逻辑关系如下：

1)全链可信时空

时空大数据在采集、存储、共享、处理和应用的全生命周期内都具有分布式特点，以往建立大数据中心的方法难以应对航天航空对地观测技术的迅猛发展，协作共享已经成为趋势，而协作的前提是建立互信机制. 所有高价值的分布式行为，都可以应用区块链技术来解决协作中的信任问题[18-21].

2)全息精准映射

利用北斗、高分和新型测绘等技术获取的时空数据，可建立数字化的地球，实现全息镜像和精准映射.

3)实时泛在感知

实时泛在感知实现了虚实地球之间在全生命周期内的实时连接和同步更新.

4)多模数据融合

映射层和感知层采集的时空大数据具有海量、异构、动态、非结构化等特点，对数据的管理、查询、分析和融合提出了巨大的挑战. 传统地理信息系统(GIS)的专题图层模式难以满足要求，北斗网格位置码是更有效的数据组织模式.

5)单体时空智慧

利用融合后的时空大数据驱动人工智能、模拟仿真和分析推演，可为规划、设计和决策提供最优方案，进而对真实世界进行资源调度、远程操控和综合治理.

6)全域共智共治

在不同行业领域间有很多共性需求和交叉应用，单体智慧无法得到全局最优方案，存在重复建设和资源浪费等问题. 因此要打通地域和行业间的壁垒，跨界融合各种异构单体智慧，实现全域共智共治.

2.2 全链可信时空

时空大数据在采集、存储、共享、处理和应用的全生命周期内都具有分布式特点，以往建立大数据中心的方法难以应对航天航空对地观测技术的迅猛发展，协作共享已经成为趋势，而协作的前提是建立互信机制. 所有高价值的分布式行为，都可以应用区块链技术来解决协作中的信任问题. 区块链技术起源于虚拟货币，通过共识算法保证了账本可信. 将区块链技术用于现实世界时应该同时保证账本可信、物理可信和时空可信.

账本可信指：区块链具有去中心化、集体维护、公开透明、不可篡改、全程留痕、可追溯等特点. 物理可信指：区块中需要记录的过程视频、现场照片、文件资料，气象和环境等物联感知，以及时空标签都是可信的，可作为一个事件的物理证明. 如果在物理证明的采集和录入时就发生了有意或无意的错误，那就不能保证事件的可信性. 时空可信指：任何事件都必须遵守时空的秩序，区块中记录的人、物、事、时间、地点的时空逻辑必须自洽. 事件总是在时空中发生，其物理信息与时空标签共同组成了时空数据. 因此，物理可信与时空可信往往是相互制约、相互佐证的.

北斗的作用不仅仅是能便捷可靠地采集时空标签，更深层的意义在于北斗定位、导航和授时(PNT)服务具备时空可信性，具体包括服务泛在性、基准统一性、时空自洽性、因果必然性和共识同步性. 凭借北斗PNT 服务的时空可信性，就能有效地维护时空秩序、规避时空歧义、证明时空自洽、达成时空共识，最终构建可信时空.

“北斗+区块链”在数字孪生地球中的应用场景包括：流程全链监管、资源高效共享和任务众创协作.其中，流程全链监管可分为实物流通、数据流转和业务流程三类，资源高效共享可分为数据共享、设备和人力共享三类，任务众创协作可分为数据采集、数据处理和算法研发三类.

2.3 全息精准映射

数字孪生地球的基础平台是一个以“北斗为体”“高分为象”的数字地球.

“高分为象”指：高分可从全球视野精细探测地表、大气、海洋及其附属物的几何和物理状态，体现为万物万象的形态、影像、高光谱、微波和重磁场等信息，通过数据处理形成的多种类高分产品，构成了数字孪生地球的“皮肤”，实现了虚实地球之间的全息镜像.

另外，利用无人机遥感、车载测绘等新型测绘技术，快速获取局部区域的高光谱、多视角影像或激光雷达点云数据，构建实景三维、建筑信息模型和高精度地图，可大幅度提升数字孪生地球在特定应用场景中的镜像粒度.

只有在确定的时空基准中，高分和新型测绘产品才能与真实地球建立精准映射关系. “北斗为体”指：北斗为高分和新型测绘产品传递高精度时空基准，是数字孪生地球的“骨骼”，实现了虚实地球之间的精准映射.

北斗系统全球性、全天候、高精度的PNT 服务，是为高分产品传递时空基准的主要方法. 北斗PNT服务可为数字孪生地球的实时动态服务和多时相高分产品传递高精度时间基准. 利用北斗增强定位服务采集像控点的精确坐标，可实现高分影像的有控定位. 星载北斗接收机可为高分卫星精密定轨定姿[22]，进而实现高分产品的无控定位. 有控定位和无控定位都是通过北斗系统将空间基准传递到高分产品的过程.

数字孪生地球的时空基准包括：时间基准、坐标基准、高程与深度基准、重力基准. 利用北斗高精度增强服务可以高效地实现多源高分产品的基准统一[23].基准统一的方法与产品精度有关，如果数据精度远低于基准转换改正数，则可以不做基准转换. 例如，现代地心坐标基准之间和高程基准之间的差异不到1 m，而全球卫星遥感影像无控定位精度低于3 m，全球数字高程产品精度约10 m，在这种情况下可忽略基准间的差异.

2.4 实时泛在感知

实时泛在感知实现了虚实地球之间在全生命周期内的实时连接和同步更新.

数字孪生地球强调虚实之间的连接与互动，需要实时接入摄像头、气象、环境、市政基础设施状态等泛在物联感知数据，政务、社会、行业、互联网等多源专题信息数据，以及车辆、船舰、人员、物品等动态时空态势数据.

这些多模异构数据必须打上统一的时空标签，才能有效地进行关联、融合和分析. 北斗PNT 服务，可精准感知事物本体的时间、位置、姿态和轨迹等信息，为万事万物提供了绝对时空标签. 通常，还将北斗与惯性导航(IMU)、视觉导航或室内导航等技术组合成综合PNT 系统，以提升导航定位的弹性. 高分则用于非合作目标识别，并在宏观尺度上把握事物之间，以及事物与背景环境之间的相对时空关系. 北斗与高分不仅是数字孪生地球的“骨骼”和“皮肤”，还是用于时空感知的两只“眼睛”.

通常，海量时空大数据采用云平台进行存储和计算，对于体量大的物联感知数据和需要实时处理的数据，则采用边缘计算方式，只在云和端之间互传最关键的信息. 第五代移动通信技术(5G)具有低延迟和高带宽的特性，改善了数据和算力部署的灵活性. 综合5G 和云边协同技术，可以提高移动应用端设备或智能传感器的轻量化配置和快速反应能力. 北斗短报文则解决了在无移动信号特殊场景下的低成本卫星通信需求.

2.5 多模数据融合

时空大数据包括地球物理数据、邻地空间信息、测绘地理数据、时空态势数据、物联感知数据、互联网共享数据、公共/行业专题数据等，具有海量、多源、异构、多维、多尺度、动态、非结构化等特点，对数据的管理、查询和分析提出了巨大的挑战[24-25]. 传统GIS 的专题图层模式难以满足要求，北斗网格位置码是更有效的数据组织模式.

由于网格化在建模、发布、检索、使用等方面的高效性、便利性，网格技术已经在传统地理信息领域得到了广泛应用. 例如，地理格网、地图分幅、影像瓦片、栅格地图、数字高程图等等. 随着全球一体化、数字化、智能化进程的发展，对时空大数据的组织方式提出了更高要求，网格模型的功能从早期的空间数据索引、地图应用与地理现象表达，开始向多源异构时空数据融合及大数据分析与挖掘等新方向拓展.

北斗网格位置码基于2000 国家大地坐标系(CGCS2000)坐标基准，将地球时空划分为多层次的时空网格，并将所有实体和信息封装在一个或多个网格中. 每个网格被赋予唯一编码，实现了“一位一码、一物一码、一事一码”. 这种数据组织模式可直接面向空间实体对象，通过时空标签匹配，将原本分层独立的信息组合关联到实体上，实现实体信息的结构化、语义化以及全局标识，形成实体的全息属性，并基于实体构建无尺度时空数据库和知识图谱. 北斗网格位置码以实体为基本颗粒，以网格为数据容器，以编码为索引主键，更适用于多模多层时空大数据融合和跨模透层互操作，在数据存储管理、查询统计、时空分析、三维可视化、知识挖掘等方面更有效率，便于实现数据互联互通、有序整合和综合应用.

2.6 单体时空智慧

早期的3S 集成技术是集数据采集、存储管理、图像处理、定量分析等功能为一体的时空信息系统，局限于对传统图像和图层的处理分析，缺乏对复杂时空问题的分析和决策能力. 单体智慧是在3S 集成的基础上，融合时空大数据、三维建模、物联感知、人工智能等新技术，实现感知连接、仿真分析、规划决策等功能，以满足特定地域、特定领域的需求. 例如：三维GIS、时空大数据平台、城市信息模型、城市大脑、智慧城市、智慧交通等.

数字孪生地球具有可逆、可重塑、可回溯的特性，可通过时空分析、仿真预测、人工智能和可视化等技术，为用户提供辅助决策，进而调度、操控和治理真实世界. 一方面，依据真实世界运行的规律和机理，构建物理、自然、社会等多学科模型库，通过输入实时状态和边界条件，进行仿真模拟、分析推演和预测预警，为规划、设计和决策提供最优方案. 另一方面，对运行机理不明确的复杂时空问题，采用以计算机视觉为代表的人工智能技术，通过海量时空大数据驱动模式识别和深度学习，挖掘隐藏在数据中的知识，洞察时空的本质规则，并进行自我迭代进化.

全场景、全流程的混合现实(MR)技术可实现三维实体、应用场景、标绘量测、业务流程和拓扑关系的可视化，为分析、仿真、规划、监管和决策提供了沉浸式的多模态、多感官虚实交互方式，有助于对问题的认知、理解和探索，还可以实现对智能传感器、无人机、机器人和智能家电的远程实时操控[26-27].

单体智慧局限于特定地域、特定领域的需求，或者聚焦于解决行业痛点，或者偏重于信息化基础建设，或者以人工智能和可视化为主，相互之间存在数据孤岛、业务烟囱、行业壁垒等问题，需要立足更高的站位进行融会贯通.

2.7 全域共智共治

在不同行业领域间有很多共性需求和交叉应用，单体智慧无法得到全局最优方案，存在重复建设和资源浪费等问题. 因此要打通地域和行业间的壁垒，跨界融合各种异构单体智慧，实现全域共智共治.

数字孪生地球对时空大数据和数据操作进行了整体封装，特点是全球覆盖、全息镜像、全流程操作、全领域协同. 其中，全球覆盖包括了地表、海洋、海底、大气和地质构造等；全息镜像包括了影像、微波、高程、重磁场和物联感知等；全流程操作包括了数据的采集、处理、承载、可视化和应用等；全领域协同则包括了农业、交通、生态、应急和位置服务等. 同时，数字孪生地球还具备可广泛兼容、可柔性扩展、可持续进化的基础框架，是各种异构智慧体承载和融合的时空底座.

数字孪生地球充分融合北斗、高分、新型测绘、物联网、互联网、区块链、5G、云边协同、网格码、大数据、人工智能、虚拟现实等新技术，基于全局性的顶层设计架构和统一的时空基准、统一的网格编码、统一的数据标准、统一的技术规范，跨界集成多地域、多领域、多平台异构智慧体，对其进行解耦、整合和重构，再经过多模数据深度融合、异构模型关联分析、多线业务闭环联动，实现异构智慧体之间共享智慧、协同治理、同步进化，为政府综合管理、垂直领域应用、大众个性服务等应用，提供全方位的解决方案.

3 机遇与挑战

“十四五”规划提出了以“产业数字化、数字产业化”为导向的数字经济新战略，将“北斗与高分融合的数字孪生地球”推向了时代的风口浪尖.

1)自主可控是立身之本. 国产数字孪生地球将立足于拥有核心的知识产权、可持续的研发技术链、闭环的国产产业链和规模化的应用生态链，为加速新基建和数字化转型搭建通用的支撑平台.

2)融合创新是必由之路. 只有融合创新才能持续拓展行业应用领域、挖掘业务增长点、扩大市场规模、并衍生无限可能. “北斗与高分融合的数字孪生地球” 将与物联网、互联网、区块链、5G、云边协同、大数据、人工智能和虚拟现实等新技术深度融合，为培育共智共治生态圈提供开放的时空底座.

3)大众应用是蓝海市场. 当前，数字孪生地球以政府和行业领域服务为主，市场容量存在天花板. 以谷歌地球退出中国市场为契机，从主打应用产品，转变为以运营服务为牵引，以户外运动、社交游戏、位置服务等大众应用为抓手，通过跨界融合、业务升级和生态重构，促进服务大众化和应用规模化，是产业的发展策略.

4)国际市场是布局方向. 国产数字孪生地球将打破时空信息服务长期以来被发达国家垄断的局面. 践行“一带一路”倡议，逐步拓展国际市场，打造性价比更高的中国品牌，是产业的布局方向.

当前，从数字地球向数字孪生地球进化还面临着一些技术挑战. 在全链可信时空方面，要实现从理论到落地，再到产生效益，还需要继续探索. 在全息精准映射方面，面临着不断增长的海量时空大数据的采集、存储、处理、共享和应用等挑战. 在实时泛在感知方面，存在数据并发规模、数据实时处理、系统稳定性等挑战. 在多模数据融合方面，需要从底层重新定义数据结构，并对整个业务逻辑进行重构. 在单体时空智慧方面，人工智能技术目前还是以视觉和语言等感知智能为主，缺乏对复杂系统的支撑能力. 在全域共智共治方面，要打破地域和行业间的壁垒，还有较长的路要走.

4 结束语

随着地球科学和信息科学的高速发展，各种新理论、新技术、新应用层出不穷，因此，对数字孪生地球的定义是阶段性的，数字孪生地球的进化也是没有止境的. 数字孪生地球的构建需要多种高新技术支撑，其中最底层的是通信、网络和计算机技术，最关键的是北斗、高分、数字孪生与数字地球的融合. 另外，“北斗+区块链”和北斗网格位置码对数字孪生地球基础能力的提升有重要作用；人工智能和模拟仿真决定了数字孪生地球的智慧；跨界融合各种异构单体智慧，实现全域共智共治，则是数字孪生地球的理想状态.

数字孪生地球是时空信息技术和全球信息化发展的必然产物. 抓住战略机遇，立足于自主可控，培育时空信息产业生态圈，促进服务大众化、应用规模化和市场国际化，打造不见而知，不行而至、不谋而智、不为而治的数字孪生地球，将有效地促进人与自然、人与社会之间的和谐相处，为人类的发展做出巨大的贡献.