太湖湾科创带数字孪生管理平台的设计与实现

李 佩，吕志慧，于建强，程圆娥

（江苏省测绘研究所，江苏 南京 210013）

0 引言

随着5G、云计算、物联网、大数据等新一代信息技术的发展，智慧城市建设也迈向了升级转型新道路［1］。数字孪生技术的出现为智慧城市的建设发展提供了新思路。2017年，雄安新区首次提出了数字孪生城市的概念，将数字孪生技术运用于城市建设与管理，打造了雄安BIM管理平台，为数字时代城市发展提供了宝贵经验［2-4］。而数字孪生技术依赖的海量数据资源是基础，也是新型智慧城市建设的数字基底［5］。GIS数据具有正确的地理空间位置信息，非常适合作为构建数字孪生城市的数据基底。常用的Cesium、ThreeJS等三维GIS可视化引擎注重于二三维GIS数据的集成和管理，由于网络端网络数据传输以及浏览器使用资源的限制，其在孪生城市建设中三维场景高保真可视化表现不佳。现阶段，通常采用对三维数据进行优化压缩来提高数据的渲染效率，但难免会出现因数据压缩导致数据丢失精度、可视化效果不好的情况［6］，并不能满足数字孪生城市建设的需求。而虚幻引擎（Unreal Engine，UE）作为当今主流游戏引擎之一，具有开源免费、场景精细、实时渲染等优点，在游戏开发、数据可视化、虚拟现实等领域有着广泛的应用，常用来制作3A级游戏大作［7-9］。UE拥有先进的云渲染技术，将三维场景放在服务器上进行渲染，通过视频流的方式实时传输到客户端，可以更好地还原真实世界［10］。但通过虚幻引擎完全利用手工建模的方式构建城市级的数字孪生场景显然也不现实。

2020年10月，无锡市政府印发了《无锡太湖湾科技创新带发展规划（2020—2025）》（以下简称“规划”）的通知，表明无锡立足新时代方位开始建设太湖湾科创带，打造链接融入长三角区域的核心战略平台，从而推动经济转型和实现高质量发展［11］。因此，本文尝试将GIS与虚幻引擎两者的优势相结合，充分利用GIS数据真实的空间位置信息和虚幻引擎先进的三维渲染技术，选取无锡太湖湾科创带的核心区80 km2为试验区域，将GIS与虚幻引擎结合，基于WDP平台打造了太湖湾科创带数字孪生管理平台，以期为未来无锡太湖湾科创带数字孪生城市建设和管理提供借鉴与参考。

1 平台设计

1.1 架构设计

平台采用B/S架构，自下而上分为支撑层、数据层、表现层，如图1所示。其中，支撑层为平台开发使用的硬件和软件设备。数据层包括数字正射影像图、数字高程模型、倾斜摄影三维模型、大比例尺地形图、国土空间规划数据等二三维GIS数据和业务数据资源，用来构建数字孪生场景以及支持相关功能实现。表现层根据规划发展目标，分为领导驾驶舱、智慧规划、科创产业、生态治理、特色文旅5个方面。

图1 平台架构设计

1.2 功能设计

平台在功能上依据规划目标设计领导驾驶舱、智慧规划、科创产业、生态治理、特色文旅5个模块在WEB端进行前端可视化展示，每个模块包含面板信息和功能展示。每个模块具体对应的平台功能如图2所示。

图2 平台功能设计

其中，领导驾驶舱模块中面板信息主要包含太湖湾科创带人口、面积等基本情况。功能主要包含基本量测、24小时光照模拟以及雪景天气模拟等。

智慧规划模块中面板信息主要包含太湖湾科创带建设用地、生态用地等规划情况。功能主要通过叠加不同年份的城市建设用地数据体现城市生长情况；对五级三类国土空间规划成果矢量数据进行分层设色叠加表达用地布局规划情况；采用三维控高盒子体现建筑控高指标，帮助决策者进行规划指标审查；连接重点项目施工现场实时监控视频，实现工程建设进度实时监督；以轮播图的方式展示各级国土空间规划成果图；采用三维战略图体现无锡太湖湾科创带引领带动周围经济发展，体现太湖湾科创带未来发展形成的新经济生态圈。

科创产业模块中面板信息主要展示科创带的科创产业、高新技术企业等基本信息。功能主要通过叠加科创产业POI点，以热力图的形式体现企业分布情况；提供查询功能查询企业详细信息；叠加道路数据体现招商位置的区位优势。

生态治理模块中面板信息主要展示太湖湾科创带的空间质量情况、蓝藻监测指标和其他污染源统计信息。功能主要通过数字正射影像图，可以直观看出蓝藻分布区域；通过叠加水域面数据查看水域治理的空间位置和属性信息；采用三维粒子特效体现污染物时空动态变化的效果。

特色文旅模块面板信息主要展示太湖湾科创带的特色景点介绍、重要路口监控信息等。功能主要通过POI标签展示重要景点分布信息，点击景点图标可查看景点图片和文字介绍；以热力图形式展示景点人口分布情况；连接实时交通数据以道路热力图方式体现道路拥堵情况；采用消防车沿道路行驶模拟突发事故进行应急救援调动。

2 平台实现

2.1 实现方式

WDP平台是51WORLD打造的数字孪生开发者平台，提供了WEB页面面板制作组件、API功能接口以及蓝图可视化编辑器，通过该平台可以快速实现业务应用开发、发布与管理。太湖湾科创带数字孪生管理平台基于WDP平台进行开发，通过面板制作板块完成WEB界面的制作，运用JS语言调用相关的API实现WEB界面和云渲染场景交互，使用蓝图可视化编辑器实现功能界面跳转、组件显隐等逻辑转换。

2.2 数字孪生场景构建

基于无锡太湖湾科创带的数字正射影像图、数字高程模型、大比例尺地形图、倾斜摄影三维模型和规划设计图进行加工处理，构建了数字孪生场景。数字孪生场景总共分为3个层级。第1个层级，基于无锡太湖湾科创带的核心区80 km2数字正射影像图和数字高程模型构建真实的三维地形场景，将大比例尺地形图中建筑数据按高程属性拉伸，自动批量形成三维模型体。第2个层级，针对重点区域雪浪小镇使用无人机采集航片数据，利用Context Capture软件构建倾斜摄影三维模型，小范围内展现真实的三维场景。第3个层级，基于3DMAX软件，按照规划设计图构建雪浪小镇未来城市中心精细人工模型。最终将上述数据全部导入UE软件中，设置材质、灯光、环境等配置信息后，将场景打包输出便完成数字孪生场景构建。

2.3 面板制作

在面板制作功能下，基于平台提供的面板模板以及各种图标组件，直接拖动到页面下使用，对于平台未提供的组件，通过本地上传到平台，然后拖到页面使用。通过这种类似制作PPT的方式零代码快速完成了5个前端页面的制作，降低了技术门槛，节约了开发成本和时间。面板制作界面如图3所示。

图3 面板制作界面

2.4 功能实现

通过拖动需要操作节点和场景节点到蓝图可视化编辑器界面，通过调用API接口修改场景节点的代码内容，然后将操作节点与特定场景节点连接就实现了业务功能。基于操作节点可以实现页面跳转、组件显隐等人机交互事件。蓝图可视化编辑器界面如图4所示，平台用地布局功能如图5所示。

图4 蓝图可视化编辑器界面

图5 用地布局功能

2.5 建设成果

在WDP中完成面板制作和实现所有业务功能后，将整体文件下载到本地，用谷歌浏览器打开下载文件中的panel.html文件，就可以实现在网络环境下实时浏览交互太湖湾科创带数字孪生管理平台。若需要在断网情况下浏览交互平台，需要安装Microsoft KM-TEST环回适配器。平台首页如图6所示。

图6 平台首页

3 结语

本文初次尝试将“GIS+虚幻引擎”进行结合，基于WDP平台快速实现了领导驾驶舱、智慧规划、科创产业、生态治理、特色文旅5个模块的功能，搭建了太湖湾科创带数字孪生管理平台。建设成果表明，利用GIS数据与虚幻引擎结合实现数字孪生城市建设管理是一条有效途径，可以为太湖湾科创带数字孪生城市建设提供参考。但由于虚幻引擎的场景云渲染技术完全依赖于服务器资源，所以目前该种方式比较适合小的业务场景进行大屏可视化应用。