数字孪生城市建设中核心数据可视化研究

李婉，巫滨

（河南科技大学，河南 洛阳 471000）

0 引 言

2020年新冠疫情在全世界的爆发，让人们看到当前城市对于人口流动、信息互联等方面运营的不足，现如今科技的发展带来了数字城市可视化技术，给城市生产生活的有序运行提供了新的解决方法。放眼全球，诸多研究者已经开始投身于数字孪生城市的建设，越来越多的国家将数字孪生城市及三维可视化作为战略政策，我国在十四五规划中也提出要加快数字化发展，探索数字孪生城市的发展。这表明，数字孪生城市的概念正逐渐成为人类社会的焦点话题，对管理城市的运行发挥着重要作用。

1 数字孪生城市与核心数据可视化的设计

数字孪生城市将不同的空间数据组成信息化数据，通过网络为用户提供虚拟现实场景。而三维可视化则在数字孪生城市的基础上为用户提供更优质的数据信息，使用户在接收视觉信息的同时，可以结合自身决策做出相应的空间决策。数字孪生城市的信息构架如表1所示。

表1 数字孪生城市的信息构架

1.1 数字城市模型建设和优化

1.1.1 数字城市三维模型概述

三维建模使虚拟化的数字城市实体化，在数字孪生城市的实际制作中离不开三维建模的帮助。通常情况下一般采用正摄影图形、卫星遥感航空飞行器或近景摄影来获得影像数据，再通过贴图、渲染、烘焙等方式将制作完成的三维模型导出保存。在诸多建模方法中，有通过3Dmax、Maya 等软件建模，还有自动建模和交互建模等。根据实例对比分析，利用3Dmax 软件所建模型表现更为精细美观，而且支持多种格式数据导出，兼容性优越，可以说3Dmax 是数字城市建设中的主流软件。

1.1.2 三维空间数据的存储和优化

现实虚拟技术的发展带来了不同于传统抽象地图的赛博空间，但是在数字城市的运行过程中，基于三维软件开发的数字空间仍存在着难以支撑海量数据以及无法有效进行数据整合、用户使用实时渲染不充分、模型加载速度缓慢等问题。为此，建设规范标准的空间数据库来管理数字城市数据不失为一种有效的手段，空间数据库是基于物理计算机存储地理信息数据的总和，相比二维数据存储来说，空间数据库的存储是高效海量的，更适合数字孪生城市的数据储存。

同时，数字城市建设中还存在大量冗沉的建筑数据，使得数据库信息载量巨大，对此我们可以将建筑分类，在满足显示效果的前提下尽量减少模型面数和模型精确度，精简数据量已达到对数字孪生城市中数据的优化。

1.2 数字城市中核心数据可视化设计

在数字孪生城市数据可视化的展现中，可视化大屏是最能展现工作价值的一个有效途径。“具有未来感的配色，大面积炫酷的动效”是数字化大屏给人留下的直观印象。与传统电子地图相比，三维沙盘是利用材质、设计、交互所带给用户的一种全新认知。怎样让用户快速了解数据信息以及获得更好的视觉体验，数据可视化的设计是必不可少的。数字化大屏设计流程如图1所示。

图1 数字化大屏设计流程

基于用户体验的数字化展示设计，设计者重点考虑了用户在利用数字化大屏时的内在期望与实际感受，因此在设计数字可视化的具体应用时，我们首先要了解用户的具体评价。在本次调查中，与传统二维沙盘相比，用户对数字城市的评价量规主要分为视觉设计满意度、交互时效性等。用户视觉评价如表2所示，基于时序的体验评价如图2所示。由用户体验评价可知，数据可视化大屏的优化是至关重要的。

表2 数字孪生城市可视化视觉应用用户体验评价

图2 数字城市可视化视觉用户评价

可视化大屏视觉设计分为以下几个方面：

（1）具体应用场景和屏幕尺寸的确定。在设计可视化大屏时，首先要确定数据可视化的具体应用场景（如主办公区域或前台大厅的实时数据展示等）。其次是确定物理大屏的尺寸，因为大屏幕与普通电子屏相比分辨率较高，如不确定大屏尺寸后期投放会造成偏差与失真，因此在设计时就要根据屏幕的实际大小选择合适的分辨率。

（2）核心指标确定和页面布局划分。根据所设计数字城市的具体案例，定义要展示的关键指标数据，再对大屏幕进行布局的划分和排列，通常为主要指标置于屏幕中心，次要指标和图表类辅助位于两侧进行补充说明等。

（3）定义设计风格。为可视化大屏挑选合适的主色调需要考虑项目所涉及的行业和用户喜好，一般可视化大屏的案例以深色基调居多，这是由于用户长期观看深色屏幕不易产生疲劳感，同时也较为省电，浅色基调不能更好地实现动感光线等特效展示，相较于深色基调也缺少数字未来的科技感。不过在特定场景下也会有不同的色彩基调，例如政党机关在党建宣传等节日采用的红色调或能源行业的绿色调等，具体案例如图3所示。

图3 不同场景所采用的不同色调

确定大屏主色调后，还要注意选择不同材质的设计方案,用色彩明度来区分关键数据，淡化其他元素作为背景，采用与主色调容易区分的搭配色对字体进行排布设计，或将红橙黄的暖色系和蓝青紫的冷色系相结合，利用颜色的对比来烘托主题，从而形成更有层次感的数据可视化图表。

在可视化大屏材质的设计案例中，金属质感的青灰色材质符合理性的智能化产品个性，透明发光的高亮材质让数据更有吸引力，高风险的红色材质又会强化用户对风险的感知，所以要根据场景来选择合适的材质方案。字体方案的设计也应包括字体类型、字号和字色，字体和颜色要与整体可视化大屏相呼应，突出的指标数据要与正文有所区分。

1.3 数据可视化的交互与动效设计

数据可视化是指通过可视化手段表达出抽象复杂数据的内里信息，大脑能通过可视化更好地理解数据，但如果可视化只有其设计，没有对交互形式的探索，这不但会影响数据的传播，还会影响用户的决策判断。因此，数据可视化不能局限在单一的层面，还需考虑多维度的动效交互设计。

数字城市在可视化上有更好的人机交互效率，目前数据可视化的实现方式主要是基于可穿戴设备的自然人机交互，如通过无线蓝牙和智能数据手套的融合，完成从语言手势转化为虚拟数字操作的系统开发。还有通过无需穿戴交互设备的虚拟交互方式，如通过相机捕捉骨骼实时动态，对人眼和手指进行定位，利用图像分割、图像去噪并结合数字模型来完成对手势交互的精准操作，从而实现视线追踪和手势识别。基于视线追踪和手势识别的交互如图4所示。

图4 基于视线追踪和手势识别的交互

在数字城市的运行过程中，数据都是具有实时动效的，动效肩负着体现空间感、平衡画面和整合信息的功能。在制作动效时，要着重分析画面和数据量，对画面中的主体信息进行重点展示，利用信息排布将展示数据排布整合，把不同数据放在同一区域内，利用交互按钮进行主体切换，这不仅整合了数字大屏中的空间，还解决了数字大屏信息体量大的问题。同时，动效交互还可为用户提供专业的规范流程，用户在使用时可以按规范流程轻松快捷地上手操作。例如用户点击某区域产生的高亮或光标显示可以引导用户查看下节场景，同时还有相应流光区域提示用户返回全局和执行其他操作。

目前，在数据大屏的运用中，动效交互可使抽象的概念具体化。例如，若要查看虚拟城市中的车流密度，可通过动效设计出相应区域的密度热力图，或是利用流光特效、粒子动画等制作成模型模拟实时车流密度等，从而模拟数字城市中车流的概念物化。数字孪生城市中车流的概念物化如图5所示。

图5 数字城市车流的概念物化

2 数字孪生城市建设中的关键技术（BIM、CIM技术与Unity3d 引擎）

2.1 BIM 技术

BIM 技术即建筑信息模型技术，是用于设计数字孪生城市的三维虚拟数字技术。数字城市核心数据可视化构建的主要目的在于能够实现城市的整体规划和合理布局。通过对实际案例的分析研究，BIM 技术以其可视化、模拟化、优化性和协调性等特性成为数字城市三维可视化管理平台中的主流技术，在BIM 技术的应用下能够实现不同部分与专业之间数据的协同与共享，如工程规划、制造施工、运行管理等，让我们直观地看到项目从二维迈入三维，加快推动城市规划与发展。

2.2 CIM 技术

在数字空间与实体城市相互交动的新未来，CIM 技术与BIM 技术的融合给技术的迭代带来新的突破。CIM 是以城市信息数据为基础建立起来的三维空间模型与城市信息的有机综合体，CIM 平台能更好地还原现实中的城市系统，可以通过设置时间和空间上的阈值来判断城市在建设中与规划目标的差异。在我国大力推进的新型城市部署中，广州、上海、重庆等试点城市已经运用CIM 技术积极开展工作，给城市带来更广阔的发展空间。

2.3 Unity3D 引擎

Unity3D 是跨平台的实时交互软件，它拥有完整的数据链并具有高度灵活性，可以实现多种工业模型的数据修改可视化。Unity3D 是构建CIM 的基础平台，也是数字孪生城市开发的实现平台，更是城市数据感知、处理、存储和交互的载体。

以栾川县为例作以说明，栾川县位于河南省西部，旅游产业发达，矿产资源丰富，但早期的栾川在城市规划管理上依然采用二维数字地图和纸质文件，不仅效率低下，也不能实时调控城市的生产生活。近年来，在数字城市日益发展的背景下，栾川县管理部以Unity3D 为基础开发平台构建了一个直观生动的信息管理系统，提出基于Unity3D 的栾川数字孪生城市总体设计及系统开发路线。借助Unity3D 构建栾川数字孪生城市，实现了栾川向智慧城市、智慧生活的转变。栾川数字城市开发流程如图6所示。

图6 栾川数字城市开发流程

3 数字孪生城市数据可视化的应用发展

数字孪生城市的理念常常用于城市的运行和维护，例如在公共交通运行中将BIM 模型数据导入Unity3d 引擎，借助“虚实”结合的数字化大屏快速定位故障区，帮助维护城市公交日常工作。基于这样的创新模式，还可以将BIM 模型和监控数据导入Unity3D 引擎，实现自动检票监控、报警查看、轨迹查询、多视角切换等。智慧交通数据可视化如图7所示。

图7 智慧交通数据可视化

2018年，在河北雄安新区的建设规划中，采用GIS 和BIM 技术融合，结合5G 物联网、人工智能等新型基础设施，率先推进数字孪生城市数据可视化，打造出一个数据互联，具有深度学习能力的新型现代化城市。同时基于创新城市标准，推进数字技术平台开发，记录探讨新区规划，逐步形成一个与实体城市完全同步的虚拟数字平台。

2019年5月第二届数字中国建设峰会数字经济分论坛上，贵阳市积极践行数字城市三维可视化，从乡村到社区，从生态到产业，着力推进城市向智能化、高级化方向发展。浙江省舟山，长三角等一体化示范区也纷纷采用数字孪生城市三维可视化的模式，把数据融入生活的方方面面，走向智慧城市、智慧生活。

4 结 论

纵观城市发展历史，技术的革命必然会带动城市内部的变革。计算机技术革新引起的数字城市浪潮，必然会使社会对数字城市的深度和广度有着更为清晰的认知。加快构建数字城市三维可视化管理平台，有利于政府合理规划建设城市，提高政府的工作效率。数字孪生城市的发展可让我们即时掌握信息，提高生活与工作质量。结合虚拟与现实，在数字城市和三维交互场景上，仔细分析和攻克相关技术难题，不断优化三维沙盘数据，实现数字孪生与用户的交互，实现三维可视化助力于数字孪生城市的建设和发展，带领我们不断走向充满科技的新未来。