摘" 要：數(shù)字孿生技術(shù)為加快數(shù)字鄉(xiāng)村等產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和鄉(xiāng)村振興的實施帶來新的機(jī)遇。對鄉(xiāng)村地區(qū)土地利用變化的監(jiān)測是數(shù)字鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)的重要組成部分之一，如何在監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)中結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)體現(xiàn)其效用，是鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)從業(yè)者急需處理的技術(shù)難題。該文提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的區(qū)域土地利用變化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究，列舉出相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，用以說明數(shù)字孿生技術(shù)在其中的運(yùn)用價值，并希望以此來幫助更多的鄉(xiāng)村振興相關(guān)產(chǎn)業(yè)從業(yè)者。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;數(shù)字鄉(xiāng)村;土地利用;監(jiān)測系統(tǒng);鄉(xiāng)村振興

中圖分類號：F301.24" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）13-0001-04

Abstract： Digital twin technology brings new opportunities for speeding up the transformation and upgrading of digital countryside and other industries and the construction of rural revitalization. The monitoring of land use change in rural areas is one of the important parts of digital rural industry. How to combine digital twin technology in the construction of monitoring system is a technical problem that rural industry practitioners urgently need to deal with. This paper puts forward the application research of regional land use change monitoring system based on digital twin technology， and enumerates the relevant key technologies to illustrate the application value of digital twin technology in it， so as to help more rural practitioners to revitalize related industries.

Keywords： digital twin; digital countryside; land use; monitoring system; rural revitalization

鄉(xiāng)村振興，這是一個在2018年的中央一號文件中出現(xiàn)且現(xiàn)已耳熟能詳?shù)脑~語，文件指出，鄉(xiāng)村振興的推進(jìn)不僅需要智力、技術(shù)、管理等相關(guān)渠道都暢通無阻，還要大力培育新型職業(yè)農(nóng)民，推動科技人才隊伍建設(shè)[1]。而在新時代的背景下，鄉(xiāng)村振興的焦點在于培育新農(nóng)人，即理念新、技術(shù)新的知農(nóng)愛農(nóng)興農(nóng)人，鼓勵科技進(jìn)入鄉(xiāng)村，加快科技與農(nóng)業(yè)的相互轉(zhuǎn)化[2]。

在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略導(dǎo)向中，值得注意的是數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)，其是中國農(nóng)業(yè)與農(nóng)村發(fā)展的未來重要戰(zhàn)略部署，也是構(gòu)建數(shù)字中國的重要內(nèi)容之一[3]。

信息和數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步，給數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代的鄉(xiāng)村振興帶來了空前未有的機(jī)遇，本文所介紹的數(shù)字孿生技術(shù)就是其中之一。數(shù)字孿生技術(shù)通過對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化建模和仿真，可以幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)智能化、高效化、可持續(xù)化[4]。

1" 研究背景及目標(biāo)

1.1" 數(shù)字孿生技術(shù)背景

數(shù)字孿生，是一種集成多物理量、多尺度、多概率的仿真模型，可以充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)在虛擬空間中完成映射，反映相對應(yīng)的實體裝備的實時狀態(tài)、演變趨勢等全生命周期過程[5]。該技術(shù)隨著鉆研熱度的升高，現(xiàn)已成為智慧城市的關(guān)鍵技術(shù)，使城市治理、能源管理等領(lǐng)域的工作效益和管理水準(zhǔn)顯著提升。

2020年，國家發(fā)展和改革委員會明確提出要開展數(shù)字孿生創(chuàng)新計劃[6]。2021年“十四五”規(guī)劃中也提出，要構(gòu)建智慧城市和數(shù)字鄉(xiāng)村，改善城市信息模型平臺和運(yùn)行管理服務(wù)平臺，建設(shè)城市數(shù)據(jù)資源體系，探索數(shù)字孿生城市的建設(shè)[7]。

一系列利好政策的出臺，昭告著數(shù)字孿生技術(shù)即將帶來的創(chuàng)新性變革。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用也將為城鄉(xiāng)一體化發(fā)展、農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)等領(lǐng)域注入新的發(fā)展動力。

1.2" 研究目標(biāo)

本文所研究項目為“基于數(shù)字孿生技術(shù)的區(qū)域土地利用變化監(jiān)測系統(tǒng)”（以下簡稱“本系統(tǒng)”），是結(jié)合GIS地圖、傾斜攝影和單物品模型，通過3D展示技術(shù)實現(xiàn)鄉(xiāng)村全景展示、區(qū)域土地利用地理位置、居民樓和農(nóng)作物布局的3D可視化系統(tǒng)。項目應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，傳感器與監(jiān)控等設(shè)置配備，實時動態(tài)顯現(xiàn)數(shù)據(jù)信息，對鄉(xiāng)村耕地、林地、水域、居民用地和草地等進(jìn)行可視化管理。通過大屏幕、移動端口仿真模擬等措施，幫助數(shù)字鄉(xiāng)村關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的管理者審視鄉(xiāng)村發(fā)展中決策與結(jié)果之間的各種可能，從而以最優(yōu)的方式合理規(guī)劃土地、發(fā)展鄉(xiāng)村。

2" 需求分析與功能規(guī)劃

2.1" 用戶需求分析

本文中所研制系統(tǒng)的面向目標(biāo)為農(nóng)業(yè)部門或區(qū)域土地管理者。

基于此受眾，本項目團(tuán)隊解析出以下5點主要需求：①需要考慮土地的類別、合宜用途、分布情況，通過實現(xiàn)村莊全景展現(xiàn)的3D可視化，幫助管理者更好進(jìn)行土地規(guī)劃安排。②實時展示數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對鄉(xiāng)村運(yùn)行狀態(tài)的動態(tài)感知與實時監(jiān)測。③對城鎮(zhèn)用地直接觀測，并進(jìn)行實時反饋與宏觀調(diào)控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的仿真化與模擬化;快速、精確地測定地塊位置，識別地塊界限，測算種植面積，幫助使用者進(jìn)行精準(zhǔn)的耕地管理[8]。④通過智慧監(jiān)測和智能推演模塊，為管理者提供明智的智力支持，幫助他們提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。⑤系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)能夠幫助農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)開展農(nóng)業(yè)科技研究和實驗，以便更好地推廣農(nóng)業(yè)技術(shù)和服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

2.2" 功能規(guī)劃設(shè)計

具體的功能規(guī)劃包括農(nóng)業(yè)資源統(tǒng)籌、農(nóng)作物監(jiān)測和特色農(nóng)業(yè)管理等模塊，如圖1所示。

在鄉(xiāng)村數(shù)字孿生概念的這個模型基礎(chǔ)上，本項目擬從功能技術(shù)的角度構(gòu)建出鄉(xiāng)村數(shù)字孿生技術(shù)的參考架構(gòu)，如圖2所示。

3" 基于數(shù)字孿生的應(yīng)用特點

結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，以下將重點敘述該系統(tǒng)應(yīng)用的內(nèi)涵及概念模型、精準(zhǔn)映射、智能推演、動態(tài)可視、智慧監(jiān)測及精細(xì)化管理五大方面的研究。

3.1" 鄉(xiāng)村數(shù)字孿生內(nèi)涵及概念模型

鄉(xiāng)村數(shù)字孿生，是以數(shù)字孿生技術(shù)為基底，創(chuàng)建出城市物理實體所對應(yīng)的虛擬映射，借由數(shù)字化建模，再通過各種傳感器和監(jiān)測設(shè)備對鄉(xiāng)村區(qū)域土地各種情況進(jìn)行實時監(jiān)測并對數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)仿真、交互、控制鄉(xiāng)村區(qū)域的土地利用情況，并分析其全生命周期過程的技術(shù)手段。它可以實現(xiàn)鄉(xiāng)村物理空間中，物理實體對象的關(guān)系、活動等在數(shù)字空間的多維映射與連接[9];還可以幫助政府和農(nóng)民更好地管理土地資源、保護(hù)環(huán)境、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鄉(xiāng)一體化。鄉(xiāng)村數(shù)字孿生的概念模型如圖3所示，包括物理空間、數(shù)字空間2個部分。

3.2" 精準(zhǔn)映射

映射是通過數(shù)據(jù)化建模和虛擬仿真技術(shù)建立數(shù)字世界與物理世界緊密關(guān)系的過程。各類信息要素實時的精準(zhǔn)匹配與精準(zhǔn)表達(dá)是實現(xiàn)物理鄉(xiāng)村向數(shù)字鄉(xiāng)村映射的關(guān)鍵?；谌SGIS技術(shù)、傾斜攝影等技術(shù)，通過在鄉(xiāng)村的河道、地面等各層面布設(shè)傳感器，即可實現(xiàn)對鄉(xiāng)村的建筑道路等基礎(chǔ)設(shè)施的全方位數(shù)字化建模，以及對鄉(xiāng)村運(yùn)行狀態(tài)的充分感知和實時監(jiān)測，形成一個可以在信息維度上對實體鄉(xiāng)村的信息進(jìn)行精準(zhǔn)表達(dá)和映射的虛擬鄉(xiāng)村。

3.3" 智能推演

通過在鄉(xiāng)村數(shù)字孿生上規(guī)劃設(shè)計、模擬仿真等，本系統(tǒng)可以對鄉(xiāng)村可能產(chǎn)生的不良影響或是潛在危險進(jìn)行一定程度上的智能預(yù)警，并勾勒出相對合理可行的對策，以未來、智能的視角，對城市的發(fā)展軌跡和運(yùn)行進(jìn)行干預(yù)。同時，系統(tǒng)還可利用人工智能技術(shù)對收集的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行智能分析與吸收學(xué)習(xí)，進(jìn)而習(xí)得如何具體優(yōu)化實體城市的規(guī)劃、管理，甚至改善市民服務(wù)供給，賦予鄉(xiāng)村生活真正的智慧與“智能”。

3.4" 動態(tài)可視

可視化技術(shù)是幫助用戶實現(xiàn)物理空間關(guān)聯(lián)上虛擬空間的重要技術(shù)手段之一。常用的VR技術(shù)、三維GIS技術(shù)可將區(qū)域土地利用情況進(jìn)一步融入到虛擬場景中去，實現(xiàn)“虛實一體”，為生產(chǎn)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)田規(guī)劃提供了一種全新的動態(tài)的可交互的互動型可視化。

3.5" 智慧監(jiān)測及精細(xì)化管理

在耕地管理方面，本系統(tǒng)可以進(jìn)一步利用人工智能、紅外掃描、傳感器等一系列技術(shù)手段，根據(jù)耕地特性、作物種類、影像時序等，快速、精確地確定地塊位置，識別地塊界限，測算種植面積。

4" 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1" GIS技術(shù)應(yīng)用

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速突破，GIS技術(shù)的延展勢頭迅猛。面對海量的數(shù)據(jù)，存儲、處理、表達(dá)及共享等方面的技術(shù)都取得了顯著的成效。目前，GIS的應(yīng)用已經(jīng)可以面向愈加復(fù)雜的區(qū)域開發(fā)、預(yù)測預(yù)報。

市面上現(xiàn)在常用的GIS軟件，概括歸納起來應(yīng)該分為2種類型：第一種是直接利用GIS系統(tǒng)處理用戶的數(shù)據(jù);第二種則是更加側(cè)重于利用其的開發(fā)函數(shù)庫，以用戶專用的GIS軟件為目的，進(jìn)行二次開發(fā)。目前已成熟的應(yīng)用領(lǐng)域包括資源管理、自動制圖、城市區(qū)域規(guī)劃等100多個領(lǐng)域。

近年來，我國GIS應(yīng)用研究也隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展進(jìn)程而獲得了勃勃生機(jī)。在規(guī)劃管理、測繪、環(huán)保和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，GIS技術(shù)都取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

在本系統(tǒng)中，GIS技術(shù)作為地區(qū)地理信息調(diào)查的工具來使用，且它并沒有僅限于對空間數(shù)據(jù)庫的簡單查詢這一個功能，而是以空間圖形及數(shù)據(jù)等作為主要特征，重新處理分析，再構(gòu)建出關(guān)聯(lián)的地理信息空間數(shù)據(jù)庫，用于在地理空間分布和資源動態(tài)管理等地區(qū)管理方面發(fā)揮作用，提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

4.2" 無人機(jī)測繪應(yīng)用

與傳統(tǒng)的地形測繪和影像航拍方法相比，無人機(jī)測繪有著明顯的優(yōu)勢。它的測繪運(yùn)行不受地形限制，還搭載更高精度的GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，向從業(yè)者提供高度精確的地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，節(jié)省時間和人力成本。曾經(jīng)的數(shù)據(jù)采集工作可能需要以周為單位的漫長過程，現(xiàn)在則可以在數(shù)小時內(nèi)迅速完成，并快速進(jìn)行建模分析。作為新型智能農(nóng)機(jī)的重要分支，農(nóng)用無人機(jī)在我國雖起步較晚，但發(fā)展迅速。目前的無人機(jī)制造領(lǐng)域，我國制造商已領(lǐng)先搶占世界市場，處于全球領(lǐng)跑水平。

4.3" 實景三維建模

要想建立出易懂、易操作的鄉(xiāng)村基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)庫，就需要對鄉(xiāng)村區(qū)域土地進(jìn)行實景三維傾斜攝影模型的建立，提供航空攝影、三維建模和模型編輯等方面的技術(shù)。在隨之構(gòu)建的航拍地圖庫、鄉(xiāng)村建筑BIM模型庫等多個維度中，建立出完整的鄉(xiāng)村空間數(shù)據(jù)模型。實景三維建模流程圖如圖4所示。

4.4" 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)，是指將多鏡頭相機(jī)搭載在同一飛行平臺上，設(shè)備在一次飛行過程就可以從垂直、傾斜等多個角度、高分辨率地采集影像，從而獲取更為完整精確的地物信息的技術(shù)[10]。它可以獲取2種圖像，一種圖像是垂直視角，包含建筑頂面信息，另一種是傾斜視角，提供地物側(cè)面的圖像。

傾斜攝影技術(shù)與自動建模軟件相結(jié)合，能夠有效地提高模型的生產(chǎn)效率。這種方法可以獲得更加真實、全面的三維信息，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)場景的實時更新和動態(tài)監(jiān)測。

基于傾斜攝影技術(shù)的建模軟件可以先在無人機(jī)拍攝的傾斜攝影圖像中，利用GPU結(jié)合圖像中包含的POS數(shù)據(jù)，進(jìn)行三角測量與計算，接著生成點云，并加密成為密集點云，然后智能構(gòu)成對應(yīng)的三角網(wǎng)格模型，最后結(jié)合圖像信息，生成完整的三維模型。具體的工作步驟圖如圖5所示。

4.5" 可視化及交互技術(shù)

可視化技術(shù)通過得到的數(shù)據(jù)和圖像以最直觀的形式呈現(xiàn)給管理者，將看不見的數(shù)據(jù)通過設(shè)備顯示，將看得見的數(shù)據(jù)整理成更容易理解的數(shù)據(jù)，讓管理者對系統(tǒng)中總結(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互式探索，幫助管理者得知其所管理地區(qū)的細(xì)節(jié)情況，提高工作的效率。

場景可視技術(shù)可以將得來的數(shù)據(jù)和圖像（包括建模完畢的圖像），通過預(yù)先設(shè)計的程序，進(jìn)行Web頁面設(shè)計并發(fā)送至Web服務(wù)器，管理者只需要通過瀏覽器登錄相應(yīng)界面即可查看地區(qū)的可視化信息。

5" 總結(jié)與展望

數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展對鄉(xiāng)村區(qū)域土地的管理提出了更高的要求，同時也為鄉(xiāng)村振興的相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級提供了大力支持。本系統(tǒng)不僅能夠映射物理鄉(xiāng)村全景，建立虛擬模型，實現(xiàn)鄉(xiāng)村土地資源的可視化管理，還能利用模擬仿真實現(xiàn)智慧推演，通過動態(tài)感知信息的不斷變化，與作為管理者的用戶共享實時消息。本系統(tǒng)在數(shù)字鄉(xiāng)村的土地利用相關(guān)產(chǎn)業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景，旨在為將來的鄉(xiāng)村振興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)提供理論借鑒與實踐經(jīng)驗。

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基金項目：2022年廣州新華學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（S202213902012）

*通信作者：黃敏（1987-），女，碩士，講師。研究方向為數(shù)據(jù)挖掘與大數(shù)據(jù)分析。