于海洋 ，封順天，崔立鵬

（1.中國電信股份有限公司研究院，北京 102209；2.中電信數(shù)字城市科技有限公司，河北 保定 071000）

0 引言

數(shù)字孿生城市通過物理城市與數(shù)字城市相互映射，在數(shù)字世界里構(gòu)建物理城市的運(yùn)行框架和體系，通過高效協(xié)同、低成本試錯、智能化決策，實現(xiàn)城市資源最優(yōu)化配置。

國家發(fā)改委、網(wǎng)信辦等多部委及地方政府密集出臺政策文件，加快推動數(shù)字孿生城市建設(shè)。2020 年4 月，國家發(fā)改委和中央網(wǎng)信辦聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動，培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實施方案》提出“數(shù)字孿生創(chuàng)新計劃”，要求 “各方參與提出數(shù)字孿生的解決方案”[1]。2021 年3 月，十三屆全國人大四次會議通過了“第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要”，規(guī)劃中指出分級分類推進(jìn)新型智慧城市建設(shè)，完善城市信息模型平臺和運(yùn)行管理服務(wù)平臺，構(gòu)建城市數(shù)據(jù)資源體系，推進(jìn)城市數(shù)據(jù)大腦建設(shè)，探索建設(shè)數(shù)字孿生城市[2]。

城市物理空間的反向三維建模是實現(xiàn)孿生城市數(shù)字映射的基礎(chǔ)。本文總結(jié)當(dāng)前城市數(shù)字化三維重建技術(shù)，從不同尺度的三維建模方法出發(fā)，歸納出“天空地室元”多尺度全要素建模，并對未來數(shù)字孿生城市三維重建面臨的挑戰(zhàn)和趨勢做出分析。

1 城市數(shù)字孿生與多尺度建模

傳統(tǒng)的基于地理投影和符號化的二維地圖數(shù)據(jù)無法全面、真實、完整地映射物理城市。面向數(shù)字孿生城市應(yīng)用的三維模型能夠?qū)Τ鞘锌臻g、建筑與設(shè)施、資源與環(huán)境等全要素實體對象和設(shè)計對象進(jìn)行三維數(shù)字表達(dá)[3]。

面向城市數(shù)字孿生的多尺度全要素建模需要采用航天航空、地上地下、不同尺度數(shù)據(jù)采集技術(shù)，對城市全要素進(jìn)行數(shù)字化三維建模[4]。主要方法是針對已有的城市物理空間，通過攝影、掃描等方式獲取城市結(jié)構(gòu)和紋理信息，利用建模工具反向構(gòu)建模型完成城市數(shù)字化三維重建。通過構(gòu)建全空間的城市數(shù)據(jù)底板，實現(xiàn)數(shù)字空間與物理空間的精準(zhǔn)映射，為數(shù)字孿生城市可視化展現(xiàn)、智能計算分析、仿真模擬和智能決策等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，支撐數(shù)字孿生城市應(yīng)用[5]。

2 多尺度全要素三維建模

由宏觀到微觀、從室外到室內(nèi)等不同粒度、不同精度的城市孿生體物理還原，需要用到多元、多尺度的建模手段[6]。本文提出的“天空地室元”多尺度全要素建模方法主要指航天對地觀測、航空傾斜攝影、地面激光掃描、室內(nèi)外人工建模以及面向設(shè)備元素精建模等，技術(shù)方案圖如圖1 所示。

圖1 “天空地室元”多尺度建模方案

2.1 航天對地觀測

航天對地觀測技術(shù)也稱航天遙感技術(shù)，以電磁波理論為基礎(chǔ)，收集并處理遠(yuǎn)距離目標(biāo)輻射、反射產(chǎn)生的電磁波信息，實現(xiàn)對地面的各種目標(biāo)對象進(jìn)行探測和識別[7]。目前我國航天遙感采集方式已經(jīng)覆蓋光學(xué)和雷達(dá)，包含多光譜、全色、高光譜等多種色譜信息的采集能力，構(gòu)成了具有多種光譜分辨率、多時間和空間分辨率的對地觀測系統(tǒng)[8]。

航天對地觀測技術(shù)能夠快速、實時、動態(tài)獲取不同尺度和精度的大范圍的地表信息，特別適用于獲取城市地表地物及環(huán)境快速變化信息，航天遙感數(shù)據(jù)成為城市基礎(chǔ)地形地貌數(shù)據(jù)的重要組成部分。多類型遙感影像能夠獲取地表紋理、光譜等信息，對城市的發(fā)展變化、植被生長、水質(zhì)等進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測以及預(yù)測。航天遙感地形數(shù)據(jù)能夠反映大范圍城市地形起伏特征，對于城市空間發(fā)展規(guī)劃、城市洪澇災(zāi)害預(yù)警等具有重要意義。基于遙感影像提取城市建筑物輪廓信息，并根據(jù)自動化及半自動化提取手段，生成城市級建筑白膜數(shù)據(jù)，能夠為數(shù)字孿生城市提供大范圍城市三維底板數(shù)據(jù)，真實模擬城市空間布局及分布[9]。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影

無人機(jī)傾斜攝影是利用安裝在無人飛行平臺上的多角度攝像裝置，并布設(shè)一定重疊度的飛行路線及拍攝點位，從每個點位多角度對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行拍攝，獲得詳細(xì)、準(zhǔn)確的地面物體紋理信息，同時記錄拍攝點位無人機(jī)位置和姿態(tài)信息。數(shù)據(jù)獲取后，通過空中三角測量、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差等計算處理，可復(fù)建出被測目標(biāo)的三維實景模型。三維模型中每一點位均帶有坐標(biāo)信息且色彩真實，能夠準(zhǔn)確反映出城市建筑的外觀、位置、高度等屬性，因此也被稱為實景三維建模技術(shù)。

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)不僅適用范圍廣、成本低，而且測繪效率及測繪精度較高，其推廣應(yīng)用大大降低了城市三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)的人工成本和時間周期，推動了三維數(shù)據(jù)的大范圍推廣及應(yīng)用，為智慧城市建設(shè)提供豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[10]。

2.3 地面激光掃描

基于激光掃描數(shù)據(jù)的三維場景重建技術(shù)是利用三維激光掃描儀發(fā)射激光束，通過計算其飛行時間及激光特征，量測被測空間的深度信息，得到空間的三維點云。通過對空間多點、多角度的掃描采集，獲取具有空間坐標(biāo)信息的場景密集三維點云。

相對于傳統(tǒng)的基于圖片的三維場景重建方法，基于激光掃描的三維場景重建技術(shù)其獲取的幾何信息準(zhǔn)確性更高，在城市環(huán)境監(jiān)測、地表資源獲取、城市建設(shè)規(guī)劃等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。一方面，將地面激光掃描與無人機(jī)傾斜攝影等技術(shù)手段相結(jié)合，彌補(bǔ)由于無人機(jī)空中飛行及建筑物遮擋等所導(dǎo)致的地表部分區(qū)域點云數(shù)據(jù)缺失、精度不足等問題，將地面激光掃描點云數(shù)據(jù)與傾斜攝影點云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，形成數(shù)據(jù)完整、高精度的密集點云模型，進(jìn)而完成城市級三維重建；另一方面，基于地面激光掃描點云與可見光成像數(shù)據(jù)融合，生成帶有紋理信息的彩色激光點云，基于彩色點云通過人工或自動化提取，形成城市空間的輪廓特征，進(jìn)一步利用可見光成像數(shù)據(jù)對相應(yīng)空間位置進(jìn)行紋理貼圖，構(gòu)建高精度的城市三維模型。

2.4 室內(nèi)外人工三維重建

在數(shù)字城市建設(shè)初期，以人工三維建模為主要數(shù)字模型重建手段，其技術(shù)路線較為成熟。通?；贑AD 數(shù)字地形圖或建筑圖紙，獲取物理空間結(jié)構(gòu)和高度信息，將二維矢量面數(shù)據(jù)進(jìn)行升維，構(gòu)成三維白模數(shù)據(jù)。后期通過人工攝影攝像的方式獲取室內(nèi)外建筑、地面、景觀以及設(shè)備設(shè)施等物體的外表面圖像，利用圖形處理軟件對獲取圖像進(jìn)行校正后，對模型進(jìn)行紋理貼圖、渲染和烘培，實現(xiàn)三維空間的真實表達(dá)[11]。

人工三維重建的精度高，對城市室外建筑物及室內(nèi)空間的表達(dá)更加細(xì)粒度，模型整體色彩逼真、美觀，但傳統(tǒng)方法制作復(fù)雜，耗時耗力，成本較高[12]。隨著AI 的發(fā)展，圖形自動化識別的技術(shù)也在不斷發(fā)展，通過將規(guī)范化的二維CAD 平面圖紙自動/半自動地轉(zhuǎn)換為三維白膜能夠大大減少工作量。

2.5 設(shè)備元素精建模

數(shù)字孿生城市中面向設(shè)備、設(shè)施的高精度建模，通常采用手持式激光、結(jié)構(gòu)光等非接觸光學(xué)掃描的方式進(jìn)行。通過將激光或結(jié)構(gòu)光投射到空間中，采集其反射的光學(xué)特征，獲取測量對象的三維點云，基于點云構(gòu)建簡易三維模型，通過紋理貼圖及模型優(yōu)化，生成高精度設(shè)備元素級三維模型。

該建模手段借助于光學(xué)掃描儀，通過對目標(biāo)對象進(jìn)行不接觸掃描，便可通過處理軟件自動生成點云數(shù)據(jù)和初步三維模型，人工干預(yù)少，自動化水平高。同時，目標(biāo)對象要素相對位置準(zhǔn)確、模型精度和精細(xì)度高，甚至可以準(zhǔn)確構(gòu)建螺絲螺紋等細(xì)節(jié)特征，正因如此，其原始數(shù)據(jù)量大，該方法多適用于室內(nèi)模型建設(shè)，建設(shè)單價較高[13]。

3 挑戰(zhàn)及趨勢分析

城市的物理構(gòu)成元素千姿百態(tài)，數(shù)字孿生模型尺度、精度各異，其建模手段多樣，通過將多樣化的模型元素進(jìn)行合理的組合、編排，才能最大程度、最逼真地映射物理空間[14]。經(jīng)過多年的技術(shù)演進(jìn)，在模型構(gòu)建、融合以及可視化等方面，面向城市數(shù)據(jù)孿生的三維建模方法仍存在諸多挑戰(zhàn)：

（1）多源數(shù)據(jù)融合難

面向不同尺度構(gòu)建的三維模型的格式不統(tǒng)一，城市數(shù)字孿生場景搭建中，需要對模型進(jìn)行匯聚、組合和編排，往往需要格式轉(zhuǎn)換與適配。一方面，格式轉(zhuǎn)換過程中，常常面臨信息丟失、失真的問題；另一方面，融合展現(xiàn)平臺對于多尺度模型適配成本高，需兼容不同精度并保證可視化效果統(tǒng)一，難度大。

（2）大規(guī)模結(jié)構(gòu)化建模難

基于衛(wèi)星遙感以及無人機(jī)攝影能夠大規(guī)模獲取地表信息，所解析的柵格文件、模型數(shù)據(jù)通常為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量龐大、單體化困難等問題使其局限于“看一看”，如要用于數(shù)字孿生城市應(yīng)用，往往需要借助于人工進(jìn)行單體化分割，其結(jié)構(gòu)化成本高，效率低。人工建模以及激光建?？蓸?gòu)建具有語義信息的三維模型，但其難以大范圍快速獲取。

（3）模型快速更新難

自然環(huán)境的改變、人類社會的活動導(dǎo)致城市空間處于不斷變化之中，其數(shù)字孿生空間應(yīng)能快速映射變化并做出更新調(diào)整。然而，目前的三維建模手段及方式多采用的是數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)處理-模型優(yōu)化-數(shù)據(jù)發(fā)布的技術(shù)路線，其往往需要大量的后期工作，無法適應(yīng)模型的快速變化、實時更新。

為了應(yīng)對上述困難和挑戰(zhàn)，未來必將發(fā)展面向數(shù)字化轉(zhuǎn)型趨勢下的新型城市測繪。首先，利用自動化、智能化程度更高的建模設(shè)備和方法，快速構(gòu)建覆蓋二三維、地上地下、室內(nèi)外一體化的全息數(shù)字模型。其次，建模成果將向結(jié)構(gòu)化、語義化方向發(fā)展，實現(xiàn)人類可理解、機(jī)器可識別。再次，綜合利用移動測量、眾包測圖等多種技術(shù)手段實現(xiàn)城市空間變化感知與及時更新，提高模型成果的現(xiàn)勢性[15]。

4 結(jié)論

近年來，部分城市陸續(xù)啟動數(shù)字孿生城市項目，數(shù)字孿生城市從概念培育期進(jìn)入建設(shè)實施期。面向規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的城市級數(shù)字孿生，需要多種建模手段，融合多尺度全要素模型成果。本文通過歸納不同尺度的建模方法，提出“天空地室元”多尺度全要素建模方法，并對不同模型成果在孿生城市的應(yīng)用進(jìn)行分析。隨著城市的快速發(fā)展和應(yīng)用多元化，傳統(tǒng)的建模手段也面臨著諸多挑戰(zhàn)，其智能化更高、實時性更好的結(jié)構(gòu)化建模是未來面向城市數(shù)字孿生多尺度建模的發(fā)展方向。