数字孪生城市及灾害预警应用

胡弘毅 芮亚松 丁 坤

（1.上饶市鄱阳县自然资源局 江西上饶 334000；2.江西省自然资源测绘与监测院 江西南昌 330002）

1 数字孪生及数字孪生城市

数字孪生（Digital Twin），从字面意思上理解，指的是利用计算机技术，模拟某些特定物，实现在虚拟空间的数字化双胞胎。广义上，特定物可以指任意有形的或者无形的物理学上的物体。数字孪生（Digital Twin）这一概念，最早是美国国防部为了更好地维护和保障当时航空航天飞行器的健康。彼时，美国国防部有关部门在数字空间先行构建实体飞行器的模型，在每次飞行结束后，同步飞行器的各类传感器数据，同时针对每个飞行器构建飞行状况模型。这样在飞行器结束飞行后，后勤保障部门在对飞行器进行维护保养时，参照现有模型对飞行器进行模拟评估。飞行器由于飞行的劳损及其他意外情况，出现了不同程度的磨损情况，这些磨损情况在模型中会产生需要维护或需要更换零配件的同步提示。因此，维护人员根据结构现有情况和过往载荷，可以更加及时、更加有效地分析评估是否能承受下次的任务载荷等。Digital Twin 这一概念的提出，最大意义在于Digital Twin技术需要完成真实的物体状况与数字化的成果进行双向反馈与调整。这是一次工业领域中，逆向思维的壮举。只有带有回路反馈的全生命跟踪，才是真正的全生命周期概念。这样，各种基于数字化模型进行的各类仿真、分析、数据积累、挖掘，甚至人工智能的应用，都能确保它与现实物理系统的适用性[1]。

图1 数字孪生示意图

通过数字孪生技术实现物的数字孪生，需要充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，在学科、多物理量、多尺度、多概率方面进行全方位的模拟真实物态。这是一个从实体到虚拟的“建造”过程，在一定程度上是超越了现实的概念。由于数字孪生技术对各项辅助技术的要求，也在一定程度上促进了虚拟现实技术的研究及相关材料学的发展。随着物联网技术(IOT)的发展,数字孪生的理念被引入到智慧城市的建设中来,深刻影响着城市的规划、建设与治理[2]。在数字孪生技术的发展中，部分学者提出了一个新的思路，即在城市治理中加入数字孪生技术的支持，亦即发展所谓数字孪生城市这一新的概念。

现阶段，我们一般理解的数字孪生城市，指的是在虚拟空间中利用数字技术创建一个同物理实体城市外观一致、行动一致、思想一致的数字虚拟城市[3]。数字孪生城市基于数字孪生技术本身，要求数字孪生城市既是城市在数字领域的模型，同时该数字模型亦需要针对物理城市本身的治理与建设提供相当可观的反馈。

数字孪生城市作为一项新迈提出来的技术，在一定程度上是建立在GIS、大数据、AI 等技术高度发展的基础上的。在国家层面，新加坡最早于2015 年提出了三维动态城市模型和协作平台，用于城市规划、部门协调、公共服务等；英国在2020 年发布的《英国国家数字孪生体原则》中提出要指导国家数字孪生发展建设，设定国家级标准；我国在2020 年“十四五”规划中提出要在全国各级城市全面推进数字孪生建设，探索建设数字孪生城市；欧盟则在2022年“目的地地球倡议”中提出要建立一个全面和高精度的数学孪生地球，监测和模拟气候发展、人类活动和极端事件等。

图2 数字孪生城市的起源示意图

现实中，在相关专家、学者及大量从业人员的研究与实践中，我们不断改进、更新并发展了数字孪生技术，由此推及数字孪生城市的技术也在日新月异。由于数字孪生城市是限定在“城市”这一地理空间范围内的概念，因而其天然地与“智慧城市”这一我们一直在进行研究与实践的工作契合。基于“智慧城市”这一优渥土壤，数字孪生城市的原理、功能、预期用途和受益方也更为清晰明朗。作为测绘地理信息行业从业人员，服务于数字孪生城市建设，实现城市高时间分辨率的三维空间信息的高效、准确采集作业是完成数字孪生城市建设的数据底层平台搭建的基础[4]。

基于自动化感知这个点，数字孪生城市的实质进一步凸显。数字孪生城市技术的服务核心在于通过自动化感知系统的全面准确的反应状态，能够在任何突发、紧急情况下完成提前预备状态，从而更好地服务城市发展。在数字空间打造出一个与物理上真实存在的城市全面匹配对应的数字城市，能够实现全息模拟、动态监控、实时诊断、精准预测城市物理实体在现实环境中的状态，推动城市全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化，城市运行管理协同化智能化，实现物理城市与数字城市协同交互、平行运转[5]。

2 数字孪生城市在灾害预警方面的应用分析

数字孪生城市作为一种现代城市管理的新型技术手段，便于城市管理者更加便捷、高效地进行城市管理工作。根据笔者服务的自然资源行业的发展进程及相关项目的实施情况来看，现阶段自然资源主管部门在不进行大规模投入，以现有的资源进行整合，可以着力发展灾害预警方面的应用（如图4）。

图4 基于数字孪生城市平台的灾害预警流程图

在运用新技术手段之前，灾害预警的信息来源主要基于工作人员的日常巡逻及基层群众的上报。这些传统方式存在着发现不及时、反馈滞后等一系列问题。近些年，随着数字城市、智慧城市的建设及相关平台的陆续上线，采用数字孪生城市的技术手段，通过接入大量的实时监控探头，根据“自动化感知”这一数字孪生城市的显著特性。我们通过整合现有的一部分资源，即能够及时针对城区及周边绝大部分灾害风险点进行监测工作，进而加快了处置工作，同时也能够及时反馈相关信息给应急管理部门及其他政府决策部门。

3 关于数字孪生城市的思考

随着城市数字模型的扩充与发展，数字孪生技术将覆盖城市所有看见或看不见的地方，而城市管理将更加轻松可控。作为一名测绘地理信息行业的从业者，笔者认为，我们测绘地理信息行业在数字孪生城市建设方面存在着许多可以进一步提升的空间。譬如,我们在实现城市高时间分辨率的三维空间信息时可能急需采用更加智能化、更加系统化的无人机群去完成。这样才能在时效性上快速突破限制，进而完成城市高时间分辨率的三维空间信息采集工作。而完成城市高时间分辨率的三维空间信息采集工作应该是测绘地理信息行业的重要业务内容。此外，在AI 运用方面，测绘地理信息行业运用得仍不够，笔者认为在这一方面我们测绘地理信息行业从业者可以进一步进行一定的思考与创新，能够搭上AI 这个风口的便车，进而提高测绘地理信息行业在孪生数字城市的重要程度。

总之，城市的发展、技术的进步将在孪生数字城市凸显每一个变化，数字孪生城市的潜力也将无限扩展，测绘地理信息行业将在数字孪生城市建设中进一步展示自己的“行业力量”。