基于数字孪生技术的自然资源智慧应用

发布时间:2022 年 07 月 13 日  供稿/上海数慧系统技术有限公司
导读:基于数字孪生技术的自然资源应用,在时空信息可视化的基础上强调了现实空间和数字空间的深度交互和映射联系,从而提升管理效率,辅助科学决策,为国土空间规划、用途管制、耕地保护和生态修复、城市体检评估等自然资源业务领域带来深远的影响,为实现自然资源全要素的数字化和虚拟化、全状态的实时化和可视化、自然资源管理决策的协同化和智能化提供强有力的支撑。
近年来,数字孪生技术在各行业都受到了高度重视。数字孪生的概念由美国航空航天局首次提出,主旨为通过信息技术对物理空间的组成、特征进行数字化定义和建模,并建立双向的、实时或准实时的映射联系,从而对物理空间进行当前状态的精确分析和未来状态的真实预测,反映物理空间的全生命周期过程。数字孪生的应用场景逐渐从航天、工业领域拓展至智慧城市、智慧自然资源领域,通过多元新兴技术融合,逐步为自然资源信息化、实景三维中国建设提供有效的技术支撑,实现以虚拟服务现实、由数据驱动治理的目标。
 
基于数字孪生技术建立自然资源应用体系框架
 
在自然资源业务领域,目前数字孪生技术在自然资源调查监测、不动产登记领域的应用较为成熟,而在其他领域尽管已有一些研究与项目实践,但总体来说仍处于初步探索的阶段。在全面构建数字政府、数字城市、智慧自然资源等大背景下,我们可以基于数字孪生技术建立自然资源应用体系框架,构建数字国土空间,充分挖掘各业务方向的应用潜力。
 
 
应用体系包含五个层级:1. 基础设施层包括数据采集设备、数据建模与处理软件、硬件基础设施;2. 数据层汇集多源异构的二三维数据资源,构建基础地理、遥感影像、国土调查、国土空间规划、自然资源和不动产登记等数据库,配套数据标准规范,构建自然资源三维立体“一张图”数据库;3. 平台支撑层包括三维 GIS 引擎、规则管理引擎、人工智能、物联网与大数据、沉浸式技术等新兴技术,通过国土空间基础信息平台形成搭载、融合、沟通自然资源各类数据和各种系统的支撑基础;4.应用层面向自然资源与规划关键业务领域提供智慧应用支撑,形成立体化、科学化、精细化、智能化的决策方式;5. 用户层包括各级自然资源与规划部门、其他相关政府部门、企事业单位和社会公众等多元参与主体。
 
基于数字孪生技术的自然资源典型应用场景
 
• 三维 GIS 技术:辅助空间规划科学编制
 
传统二维规划的局限在于平面数据底板携带的空间信息量有限,不能直观地显示地上、地表、地下的资源分布情况,难以对三维国土空间进行统一性规划。
 
自然资源三维立体“一张图”汇集地形、地貌、地物等三维模型,能够直观反映自然地理格局和自然资源状况,真正构建“孪生”的数字国土空间,从而为国土空间规划、城市设计的编制提供基础数据底板。在此基础上,可以结合坡度坡向分析、淹没分析等三维分析工具,对坡耕地、永农“上山下河”等问题进行科学性识别,辅助“三区三线”划定工作。另外,在城市设计与乡村风貌管控引导方面,可以通过参数化建模、提供模型素材库等形式,进行在线方案模拟,并结合实景三维预览建成效果,保障风貌的协调性。

• 规则数字化技术:保障用途管制精准实施
 
数字国土空间不仅包含对物理实体的虚拟建模,还包含大量的自然资源管理规则。而规则数字化技术,就是在对管理规则进行分类梳理的基础上,制定规则描述规范、对规则进行标准化处理,再将文本语言转化为计算机语言的过程。
 
通过梳理、构建国土空间用途管制规则体系,以强化规划管控内容与开发建设活动的有机衔接,保障项目建设有序开展。围绕从选址到竣工验收的用途管制关键环节,构建建设项目选址条件库、合规性审查规则库、建筑设计方案审查规则库等多个数字规则库和对应的算法模型,并通过规则管理引擎进行规则的统一管理和模型的自定义配置,为审批决策提供基础支撑。
 
例如,在工程规划许可阶段,基于三维报建标准规范、方案审查规则库,通过计算机自动审查来辅助人工审查,提高审查的科学性、精准性和智能性,从而保障规划精准落地、要素精准配置。
 
 
•人工智能技术:助力保护修复实时监测
 
人工智能 (AI) 技术可以大幅提高识别、计算、分析等能力,提升地理信息服务的精确化、智能化水平。基于 AI 的遥感影像智能解译技术,可以对耕地保护、生态修复情况进行实时监测。以多样化、高精度、海量的遥感影像样本库作为人工智能引擎的训练样本,基于深度学习算法,可对遥感影像进行高效、准确地分类识别。也可以采用特征搜索分析算法,对比和分析不同时相的遥感影像数据。
 
例如,基于三调数据和后时相的遥感影像,可以检测出变化和未变化的耕地图斑,并对图斑的地类、种植类型进行自动识别,辅助判断耕地“非农化、非粮化”情况。又如,在矿山修复工程中,利用高清遥感影像提取矿山的区域地表变化,绘制矿区创面与修复面,对修复面面积变化进行计算,实时监测修复进度。
 
 
• 物联网与大数据技术:支撑城市体征智能诊断
 
构建数字孪生的国土空间离不开物联网与大数据技术。一方面,需要通过物联网,如信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等,实时采集特定场景下的遥测数据、手机信令、GPS 数据、视频监控数据等,实现数字空间的实时动态更新,为城市体检评估提供基础性数据。另一方面,需要将物联网产生的海量结构化数据与非结构化数据进行融合展示与统筹管理,同时,结合分布式存储和并行计算技术,可实现强有力的大数据能力,提供诸如职住平衡分析、交通流量分析、人口流动趋势分析等丰富的大数据应用场景支撑,为城市运行体征诊断分析提供智能决策支撑。
 
 
• 沉浸式技术:创新多元主体智慧参与
 
沉浸式技术可以使数字国土空间获得更逼真的可视化效果和用户体验。依托于游戏引擎,可使建筑、植被、水面等模型呈现出实时反射、凹凸有致等多种质感。同时,通过增强现实(AR) 技术,将数字模型与现实场景叠加,比如将建筑设计方案三维模型实时投射到项目现场,使规划设计师、建设单位能够直观查看方案落地效果,研判方案的合理性,加强虚拟空间与现实空间的交互。也可以结合虚拟现实 (VR) 技术,优化三维数据立体成像,通过穿戴 VR 设备,社会公众可以在三维数字空间中漫游,获得身临其境的沉浸式体验和全方位观察,从而提高公众参与的兴趣。
 
基于数字孪生技术的自然资源应用,在时空信息可视化的基础上强调了现实空间和数字空间的深度交互和映射联系,从而提升管理效率,辅助科学决策,为国土空间规划、用途管制、耕地保护和生态修复、城市体检评估等自然资源业务领域带来深远的影响,为实现自然资源全要素的数字化和虚拟化、全状态的实时化和可视化、自然资源管理决策的协同化和智能化提供强有力的支撑。

 

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