基于数字孪生技术的区域土地利用变化监测系统应用研究

摘" 要：数字孪生技术为加快数字乡村等产业的转型升级和乡村振兴的实施带来新的机遇。对乡村地区土地利用变化的监测是数字乡村产业的重要组成部分之一，如何在监测系统的建设中结合数字孪生技术体现其效用，是乡村产业从业者急需处理的技术难题。该文提出基于数字孪生技术的区域土地利用变化监测系统应用研究，列举出相关关键技术，用以说明数字孪生技术在其中的运用价值，并希望以此来帮助更多的乡村振兴相关产业从业者。

关键词：数字孪生;数字乡村;土地利用;监测系统;乡村振兴

中图分类号：F301.24" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

乡村振兴，这是一个在2018年的中央一号文件中出现且现已耳熟能详的词语，文件指出，乡村振兴的推进不仅需要智力、技术、管理等相关渠道都畅通无阻，还要大力培育新型职业农民，推动科技人才队伍建设[1]。而在新时代的背景下，乡村振兴的焦点在于培育新农人，即理念新、技术新的知农爱农兴农人，鼓励科技进入乡村，加快科技与农业的相互转化[2]。

在乡村振兴战略导向中，值得注意的是数字乡村建设，其是中国农业与农村发展的未来重要战略部署，也是构建数字中国的重要内容之一[3]。

信息和数字化技术的进步，给数字经济时代的乡村振兴带来了空前未有的机遇，本文所介绍的数字孪生技术就是其中之一。数字孪生技术通过对农业生产的数字化建模和仿真，可以帮助农业生产实现智能化、高效化、可持续化[4]。

1" 研究背景及目标

1.1" 数字孪生技术背景

数字孪生，是一种集成多物理量、多尺度、多概率的仿真模型，可以充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据在虚拟空间中完成映射，反映相对应的实体装备的实时状态、演变趋势等全生命周期过程[5]。该技术随着钻研热度的升高，现已成为智慧城市的关键技术，使城市治理、能源管理等领域的工作效益和管理水准显著提升。

2020年，国家发展和改革委员会明确提出要开展数字孪生创新计划[6]。2021年“十四五”规划中也提出，要构建智慧城市和数字乡村，改善城市信息模型平台和运行管理服务平台，建设城市数据资源体系，探索数字孪生城市的建设[7]。

一系列利好政策的出台，昭告着数字孪生技术即将带来的创新性变革。数字孪生技术的应用也将为城乡一体化发展、农村现代化建设等领域注入新的发展动力。

1.2" 研究目标

本文所研究项目为“基于数字孪生技术的区域土地利用变化监测系统”（以下简称“本系统”），是结合GIS地图、倾斜摄影和单物品模型，通过3D展示技术实现乡村全景展示、区域土地利用地理位置、居民楼和农作物布局的3D可视化系统。项目应用数字孪生技术，传感器与监控等设置配备，实时动态显现数据信息，对乡村耕地、林地、水域、居民用地和草地等进行可视化管理。通过大屏幕、移动端口仿真模拟等措施，帮助数字乡村关联产业的管理者审视乡村发展中决策与结果之间的各种可能，从而以最优的方式合理规划土地、发展乡村。

2" 需求分析与功能规划

2.1" 用户需求分析

本文中所研制系统的面向目标为农业部门或区域土地管理者。

基于此受众，本项目团队解析出以下5点主要需求：①需要考虑土地的类别、合宜用途、分布情况，通过实现村庄全景展现的3D可视化，帮助管理者更好进行土地规划安排。②实时展示数据信息，实现对乡村运行状态的动态感知与实时监测。③对城镇用地直接观测，并进行实时反馈与宏观调控，实现数据的仿真化与模拟化;快速、精确地测定地块位置，识别地块界限，测算种植面积，帮助使用者进行精准的耕地管理[8]。④通过智慧监测和智能推演模块，为管理者提供明智的智力支持，帮助他们提高生产效率、降低生产成本。⑤系统收集的数据能够帮助农业科研机构开展农业科技研究和实验，以便更好地推广农业技术和服务农业生产。

2.2" 功能规划设计

具体的功能规划包括农业资源统筹、农作物监测和特色农业管理等模块，如图1所示。

在乡村数字孪生概念的这个模型基础上，本项目拟从功能技术的角度构建出乡村数字孪生技术的参考架构，如图2所示。

3" 基于数字孪生的应用特点

结合数字孪生技术，以下将重点叙述该系统应用的内涵及概念模型、精准映射、智能推演、动态可视、智慧监测及精细化管理五大方面的研究。

3.1" 乡村数字孪生内涵及概念模型

乡村数字孪生，是以数字孪生技术为基底，创建出城市物理实体所对应的虚拟映射，借由数字化建模，再通过各种传感器和监测设备对乡村区域土地各种情况进行实时监测并对数据分析，实现仿真、交互、控制乡村区域的土地利用情况，并分析其全生命周期过程的技术手段。它可以实现乡村物理空间中，物理实体对象的关系、活动等在数字空间的多维映射与连接[9];还可以帮助政府和农民更好地管理土地资源、保护环境、提高农业生产效率和产品质量，促进乡村经济发展和城乡一体化。乡村数字孪生的概念模型如图3所示，包括物理空间、数字空间2个部分。

3.2" 精准映射

映射是通过数据化建模和虚拟仿真技术建立数字世界与物理世界紧密关系的过程。各类信息要素实时的精准匹配与精准表达是实现物理乡村向数字乡村映射的关键。基于三维GIS技术、倾斜摄影等技术，通过在乡村的河道、地面等各层面布设传感器，即可实现对乡村的建筑道路等基础设施的全方位数字化建模，以及对乡村运行状态的充分感知和实时监测，形成一个可以在信息维度上对实体乡村的信息进行精准表达和映射的虚拟乡村。

3.3" 智能推演

通过在乡村数字孪生上规划设计、模拟仿真等，本系统可以对乡村可能产生的不良影响或是潜在危险进行一定程度上的智能预警，并勾勒出相对合理可行的对策，以未来、智能的视角，对城市的发展轨迹和运行进行干预。同时，系统还可利用人工智能技术对收集的数据和信息进行智能分析与吸收学习，进而习得如何具体优化实体城市的规划、管理，甚至改善市民服务供给，赋予乡村生活真正的智慧与“智能”。

3.4" 动态可视

可视化技术是帮助用户实现物理空间关联上虚拟空间的重要技术手段之一。常用的VR技术、三维GIS技术可将区域土地利用情况进一步融入到虚拟场景中去，实现“虚实一体”，为生产监测、环境监测、农田规划提供了一种全新的动态的可交互的互动型可视化。

3.5" 智慧监测及精细化管理

在耕地管理方面，本系统可以进一步利用人工智能、红外扫描、传感器等一系列技术手段，根据耕地特性、作物种类、影像时序等，快速、精确地确定地块位置，识别地块界限，测算种植面积。

4" 系统关键技术

4.1" GIS技术应用

随着计算机技术的飞速突破，GIS技术的延展势头迅猛。面对海量的数据，存储、处理、表达及共享等方面的技术都取得了显著的成效。目前，GIS的应用已经可以面向愈加复杂的区域开发、预测预报。

市面上现在常用的GIS软件，概括归纳起来应该分为2种类型：第一种是直接利用GIS系统处理用户的数据;第二种则是更加侧重于利用其的开发函数库，以用户专用的GIS软件为目的，进行二次开发。目前已成熟的应用领域包括资源管理、自动制图、城市区域规划等100多个领域。

近年来，我国GIS应用研究也随着经济建设的发展进程而获得了勃勃生机。在规划管理、测绘、环保和农业等领域，GIS技术都取得了良好的经济、社会效益。

在本系统中，GIS技术作为地区地理信息调查的工具来使用，且它并没有仅限于对空间数据库的简单查询这一个功能，而是以空间图形及数据等作为主要特征，重新处理分析，再构建出关联的地理信息空间数据库，用于在地理空间分布和资源动态管理等地区管理方面发挥作用，提供科学依据和决策支持。

4.2" 无人机测绘应用

与传统的地形测绘和影像航拍方法相比，无人机测绘有着明显的优势。它的测绘运行不受地形限制，还搭载更高精度的GPS和惯性导航系统，向从业者提供高度精确的地形数据和影像数据，节省时间和人力成本。曾经的数据采集工作可能需要以周为单位的漫长过程，现在则可以在数小时内迅速完成，并快速进行建模分析。作为新型智能农机的重要分支，农用无人机在我国虽起步较晚，但发展迅速。目前的无人机制造领域，我国制造商已领先抢占世界市场，处于全球领跑水平。

4.3" 实景三维建模

要想建立出易懂、易操作的乡村基础地图数据库，就需要对乡村区域土地进行实景三维倾斜摄影模型的建立，提供航空摄影、三维建模和模型编辑等方面的技术。在随之构建的航拍地图库、乡村建筑BIM模型库等多个维度中，建立出完整的乡村空间数据模型。实景三维建模流程图如图4所示。

4.4" 倾斜摄影技术

倾斜摄影技术，是指将多镜头相机搭载在同一飞行平台上，设备在一次飞行过程就可以从垂直、倾斜等多个角度、高分辨率地采集影像，从而获取更为完整精确的地物信息的技术[10]。它可以获取2种图像，一种图像是垂直视角，包含建筑顶面信息，另一种是倾斜视角，提供地物侧面的图像。

倾斜摄影技术与自动建模软件相结合，能够有效地提高模型的生产效率。这种方法可以获得更加真实、全面的三维信息，实现对农业场景的实时更新和动态监测。

基于倾斜摄影技术的建模软件可以先在无人机拍摄的倾斜摄影图像中，利用GPU结合图像中包含的POS数据，进行三角测量与计算，接着生成点云，并加密成为密集点云，然后智能构成对应的三角网格模型，最后结合图像信息，生成完整的三维模型。具体的工作步骤图如图5所示。

4.5" 可视化及交互技术

可视化技术通过得到的数据和图像以最直观的形式呈现给管理者，将看不见的数据通过设备显示，将看得见的数据整理成更容易理解的数据，让管理者对系统中总结的数据进行交互式探索，帮助管理者得知其所管理地区的细节情况，提高工作的效率。

场景可视技术可以将得来的数据和图像（包括建模完毕的图像），通过预先设计的程序，进行Web页面设计并发送至Web服务器，管理者只需要通过浏览器登录相应界面即可查看地区的可视化信息。

5" 总结与展望

数字孪生技术发展对乡村区域土地的管理提出了更高的要求，同时也为乡村振兴的相关产业升级提供了大力支持。本系统不仅能够映射物理乡村全景，建立虚拟模型，实现乡村土地资源的可视化管理，还能利用模拟仿真实现智慧推演，通过动态感知信息的不断变化，与作为管理者的用户共享实时消息。本系统在数字乡村的土地利用相关产业中有广泛的应用前景，旨在为将来的乡村振兴产业应用数字孪生技术提供理论借鉴与实践经验。

参考文献：

[1] 2018年中央一号文件全面部署实施乡村振兴战略[J].中国农村科技，2018（2）：8-9.

[2] 张金红.乡村振兴视域下培育新农人的四维场景建构[J].智慧农业导刊，2024，4（1）：138-141.

[3] 张晓林.乡村振兴战略下数字赋能农村流通创新发展机理与路径[J].当代经济管理，2024，46（4）：47-53.

[4] 王维，赵鹏飞，韩沫，等.数字孪生技术赋能农业智慧发展[J].蔬菜，2023（12）：1-9.

[5] TUEGEL E J， INGRAFFEA A R， EASON T G， et al. Reengineering aircraft structural life prediction using a digital twin[J].International Journal of Aerospace Engineering，2011.

[6] 关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案[J].电子政务，2020（5）：2，125.

[7] 中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要[EB/OL].https：//www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm？eqid=aa9e61c90002bdf100000002646ae2d7.

[8] 姚妮，李宝龙.遥感技术在农业科技服务领域的应用[J].北京农学院学报，2018，33（2）：113-116.

[9] 数字孪生城市白皮书2022年[EB/OL].http：//www.tskp.cn/resources/upload/aeb64aa958ab164/1674972034396/%E6%95%B0%E5%AD%97%E5%AD%AA%E7%94%9F%E5%9F%8E%E5%B8%82%E7%99%BD%E7%9A%AE%E4%B9%A62022%E5%B9%B4.pdf.

[10] 黄书华，庄振禄，谭金石.无人机倾斜摄影技术辅助建筑工程施工管理[J].智能城市，2022，8（9）：43-46.

基金项目：2022年广州新华学院大学生创新创业训练计划项目（S202213902012）

*通信作者：黄敏（1987-），女，硕士，讲师。研究方向为数据挖掘与大数据分析。