数字孪生城市的关键技术

文章来源:APS研究
2020-11-09

数字孪生城市作为面向新型智慧城市的一套复杂技术和应用体系,多门类技 术集成、多源数据整合和各类应用平台功能的打通是建设成功的关键要素。数字 孪生城市除了数字孪生体的通用关键技术外,还有其独特的关键技术领域,简要 介绍如下:

1.新型测绘

测绘技术的发展经历了模拟测绘、数字化测绘和信息化测绘发展阶段。随着 物联网、大数据、移动互联网等空间技术和信息通信技术的不断进步,测绘技术 也逐渐由靠人工进行内、外业采集的传统测绘,发展到今天的使用卫星导航定位、 无人机、物联网、大数据等先进技术手段的智能化测绘。

数字孪生城市的构建需要新型智能测绘技术的强力支撑,在城市时空大数据 管理、地理监测、高精度实体测绘等方面提出快速测绘和精准采集的高要求,基 于实景三维的新型智能测绘技术构建的CIM是数字孪生城市运行的主要载体。 实景三维测绘是利用倾斜摄影、全景拍摄和激光雷达(LiDAR)等技术,通过多 视角图像匹配、多数据融合来真实展示现实三维世界的新技术。其中倾斜摄影测 量因其数据获取容易、建模快速、纹理真实,已成为实景三维构建最常用的方式。

基于“城市实景三维”动态可视化的实现,其核心技术构成包括:高精密测 量及数采设备、领先且主流的测绘方法、快速激光三维建模技术和高效数据处理 技术等:

・高精密测量及数采装备:包括多视角航摄仪系统、适合直升机和无人机 平台的测绘级航摄仪、全谱段多模态成像光谱仪、高光谱遥感系统、机 载双频激光雷达设备等;

・领先且主流的测绘方法:目前主要是倾斜摄影技术和三维激光扫描技术。 倾斜摄影技术突破了以往三维建模正射影像只能从垂直角度拍摄的局限, 通过在同一飞行平台上搭载多台传感器,同时从一个垂直、4个倾斜等5 个不同的角度采集影像,同时辅助带坐标姿态信息的室外影像和LiDAR 数据获取,改变不具备空间信息的传统影像拍摄的现状,并实现与倾斜 摄影影像等多源数据的融合。三维激光扫描技术可大面积高分辨率获取 被测物体表面的三维坐标、反射率和纹理等密集点云数据,快速复建出 被测物体的三维模型及线、面、体等各种图件数据;

・快速三维激光建模技术:主要指依托倾斜摄影测量遥感数据成果,结合 摄影测量学、计算机图形学算法,通过自动化处理流程手段,获取三维 点云、三维模型、真正射影像(TDOM)、数字表面模型(DSM)等测绘 成果的模型构建技术,如激光三维点云建模技术;

高效数据处理技术:指利用机器学习或深度学习算法以及SLAM算法对 测绘地理大数据进行自动识别、数据挖掘和三维重建,快速提取地物特 征、发现隐藏在大数据中的知识和还原地物模型,结合充实各地理实体


的社会经济属性,形成多源异构且多时态空间数据的多源数据融合技术。 利用移动互联网和智能手机终端采集的大量实时动态非标地理信息数据 和专业的测绘地理信息数据进行匹配,提高地图生产效率的移动互联及 动态众包数据更新技术。

基于新型测绘技术,可一次性获取大面积的城市建筑物及地形模型,大大降 低了测绘工作经济成本和时间代价,支持城市数字孪生体模型的高精度和快速构 建。基于新型测绘技术获取的城市实景三维数据是数字孪生城市空间地理框架建 设的基础数据,更是数字孪生城市时空信息模型空间基础设施建设的重要内容。 利用这种可量测、真实、实体化管理的三维数据构建的城市信息模型,在数字挛 生城市管理、规划、地质灾害、安全保障、城市形象展示等方面发挥至关重要的 作用,为政府基于数据的治理决策提供技术支撑,为公众提供数字智能化服务。 例如利用城市实景三维数据,在城市公共安全与应急反恐等方面,可使指挥决策 者看到比正射影像更多的环境信息,可看到事发地建筑物侧面的紧急出口,可以 进行准确量算,比如计算通视距离、设计制高点和狙击方案等。这些事发地周围 的详细信息,在城市安防应急行动中关乎人员及财产的安全,有时甚至能起到决 定性的作用。