数字孪生技术在自然资源领域应用探索

2021-03-17郭大海刘俊伟仇巍巍王娟韩霄

河北遥感 2021年1期

郭大海、刘俊伟、仇巍巍、王娟、韩霄

（泰瑞数创科技（北京）有限公司北京 100192）

1、前言

党的十九大以来，围绕自然资源体系改革国家推行了一系列方针政策。2018年3月，中共中央印发《深化党和国家机构改革方案》，组建自然资源部，其重要职责是“对自然资源开发利用和保护进行监管，建立空间规划体系并监督实施”。2019年11月，自然资源部印发了《自然资源部信息化建设总体方案》，方案中指出需要形成全覆盖的三维自然资源数据底板。要以全覆盖、全要素、立体调查监测为基础，整合已有国土资源、海洋、测绘地理数据，构建“地上地下、陆海相连”并相互关联的自然资源数据底板，形成统一协调的支撑自然资源和国土空间开发利用与保护的数据基础。统筹整合土地、地质、矿产、海洋、测绘地理信息的信息化资源，运用移动互联网、云计算、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术，通过完善、优化和创新，建设自然资源“一张网”、“一张图”、“一个平台”，并以此为基础构建自然资源调查监测评价、自然资源监管决策、“互联网+自然资源政务服务”三大应用体系。

当前，以云计算、大数据、人工智能等新技术为代表的数字浪潮席卷全球，数字孪生技术横空出世，以集成了多种新技术的融合体的形式出现在大众面前。万物皆可孪生，物理世界和与之对应的数字世界同步规划、同步发展。数字世界为物理世界提供规划实施前的模拟仿真推演，物理世界因为数字世界提供的支撑变得高效有序，同时和数字世界实时反馈、互相作用。从人体到建筑，从工厂到城市，越是复杂的系统，越需要构建数字孪生体。建设在数字世界仿真，在物理世界执行，虚实融合、智能迭代的数字孪生世界，机遇前所未有，挑战也前所未有。

狭义看，数字孪生技术大家的关注点都在城市范畴，将数字孪生的理念和技术在城市范围内进行应用，但从广义看，数字孪生技术是以虚拟服务现实、数据驱动治理为特征的未来世界智能化运行的先进模式。将数字孪生技术运用到自然资源领域成为必然，为自然资源信息化提供了新的思路和尝试。

2、在国土空间规划方面的应用

（1）三维地理实景应用

通过三维地质建模对现实场地条件进行模拟还原，在可视化的环境下，使地形、地质、环境条件等要素的分析更加符合现实、更加直观，这对工程的分析、判断和决策影响极大。例如基于三维模拟的洪水淹没分析、填挖方分析、地质条件等，在三维环境模拟下的分析更加直观，从而让国土空间规划“双评价”也更加科学。

（2）微观要素评价

在三维虚拟环境中，通过对如地形、用地功能、水环境等传统要素进行分析，还能根据相关的物理模型对污染物扩散、噪声、风热、光传播等微观要素进行模拟与评价，弥补“双评价”体系对微观设计指导不足的缺陷，使国土空间规划的“双评价”系统更加广泛、多样，评价方法更加精细、准确。

（3）规划成果辅助审查

针对国土空间规划和相关专项规划的规划成果，按照审查办法及传导要求，提供图文一致性、图数一致性、指标符合性、空间布局符合性等审查功能，辅助审查结果并形成审查报告。

可以提供大量以数字孪生空间为基础的辅助审查分析工具，包括空间叠置分析、缓冲区分析、网络分析、空间统计分析、三维空间分析。其中三维空间分析主要包括数字高程模型分析、三维网络分析以及二维要素三维化、坡度坡向分析、阴影分析等。

3、在矿山方面的应用

（1）矿山生产管理

通过对矿区环境和矿权的立体真实还原，集成矿区的生产概况信息，可以在虚拟环境中查询实时生产概况，可以了解矿井中各个巷道的功能和它的生产情况及工作面的基础信息等，如主斜井，通过系统可以查到它的坐标、高程、长度、径断面、支护方式和用途，并且加载了真实场景的照片和资料；可实时了解巷道内的设备设施情况，如部署位置和属性信息，支持二三维无缝交互操作。

（2）安全监控

在虚拟矿山环境中可以对任意矿井的监控设备进行远程调阅和实时监控查询，如瓦斯监控系统等。当用户选择所要关注的矿井时，系统会自动将此矿井所有的瓦斯监控点进行展示，包含：监控点的位置信息、实时监测数据信息、历史监测图等；任意点击列表中的每个探头，可以自动定位到三维场景中的位置，并可直接从三维场景中调阅查询此探头的数据曲线图，动态展示实时监测数据走势，更加直观的反映瓦斯数据的变化情况；同时可以对监测报警范围设定上下限，当瓦斯达到一定浓度时，将自动进行报警提示，为矿区的安全生产、实时监控和应急预警、人员疏散提供了可视化、可量化、可预警的服务平台。

（3）露天矿储量动态监测

矿产储量管理是矿产资源管理的基础工作和核心内容。通过对矿山的三维建模和动态监测，同时结合矿山的日常生产管理，可以对矿产资源储量进行三维可视化和智能化监管，对矿山资源储量进行统计和及时更新。目前利用倾斜摄影技术和数字孪生技术进行矿山储量的动态监测主要应用于露天矿，对露天矿进行定时数据采集和建模，并对储量进行快速的估算，从而实现露天矿储量的动态监测。

（4）地质建模

在地质勘查中，很多情况下原始采样点都是不规则的，处理的复杂度高，缺乏科学有效的特征描述与对象建模基础，影响其有效可视化、组织、分析。依靠传统模型展示手段，只能够达到小范围、有限数据量、低精度的展示效果，而将数字孪生技术应用于地质体建模取得了不错的效果。

a)钻孔数据可视化

基于钻孔数据相同地质层属性间的依赖关系特征，建立钻孔数据模型。

b)地质层可视化表达

由于钻孔数据是分布在三维空间中，所以有必要将三维钻孔数据映射到一个平面上。建立不规则三角网（TIN）模型，可以完美表达连续空间内相同属性地质层模型。

c)实时剖切

基于地质层TIN模型中任意三角点实现拓扑连接，并在TIN之间完成填充，建立四面体化的不规则网格，最终实现地质体模型的建立，并可以实时剖切获得剖面的地质层情况。

4、在不动产方面的应用

经过多年的信息化建设，不动产登记信息化工作已经初步完成，同时也在进一步探索基于三维立体空间的不动产方面的应用，推动三维不动产登记应用以及登记数据和三维数据的深度融合，为房屋数据修补测提供基础数据，为不动产登记过程中提供三维户型图和实时计算，并为后续不动产大数据分析提供重要的支撑。

5、结语

自然资源涵盖了山水林田湖草多个领域，自然资源体系的整合对于自然资源的国土空间规划、用途管制、耕地保护和审批监管注入了核心力量，同时对于实体空间的表达也提出了非常多样的要求，包括数据精度要求、实体可视化要求、参与分析的要求，都对应用技术提出了非常大的挑战。而数字孪生技术正是对整个自然资源空间对象的实体化表达和多维度分析的结合，可以实现虚拟空间和现实空间的精准映射和互操作。通过对自然资源应用的分析思考并和数字孪生技术的结合探讨，可以看到未来数字孪生技术在自然资源领域必定大有可为。