數(shù)字孿生的理念最初是由美國(guó)密歇根大學(xué)的MichaelGrives教授于2003年明確提出。但其在國(guó)內(nèi)引發(fā)廣泛性關(guān)注，是由于雄安新區(qū)的基本建設(shè)中明確提出，數(shù)字雄安基本建設(shè)最主要的創(chuàng)新，是建立與新區(qū)共同成長(zhǎng)的數(shù)字孿生城市，而完成的主要方式，便是在基本建設(shè)物理城市的同時(shí)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)感知，聚集各方數(shù)據(jù)構(gòu)建城市智能化模型。2018年住建部起草的《“多規(guī)合一”相關(guān)業(yè)務(wù)協(xié)同平臺(tái)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）》，激勵(lì)有條件的城市，可在BIM應(yīng)用的施工工藝上建立城市信息模型。中國(guó)工程院吳志強(qiáng)院士則明確提出了城市智能化模型，對(duì)CIM進(jìn)行了更深入的闡釋。可以說，伴隨著CIM定義的明確提出和不斷深化，數(shù)字孿生城市建設(shè)將更加的深入?？傊@些理念的明確提出給予了智慧城市有力的支撐。
一、數(shù)字孿生城市建設(shè)：能夠滿足智慧可視的本質(zhì)需求
為滿足城市創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)和應(yīng)用需求，數(shù)字孿生城市建設(shè)需要解決時(shí)空信息可視化問題。而可視化的本質(zhì)是要解決客戶具體的相關(guān)業(yè)務(wù)問題，首先要解決城市管理者和數(shù)字孿生城市系統(tǒng)應(yīng)用能“看得懂”的問題。三維場(chǎng)景更易于讓觀看者有代入感，能提高事件處理效率，減少問題響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于城市管理者來說 ，完成城市基礎(chǔ)設(shè)施可視化管理、城管部件可視化定位、城市用地信息可視化監(jiān)測(cè)、城市應(yīng)急指揮可視化決策等方面，能更好的滿足管理與決策上的高端應(yīng)用。對(duì)于群眾來說 ，可視化的三維實(shí)景城市是客觀世界的真實(shí)寫照，不需要群眾具備專業(yè)知識(shí)來判斷理解，能依據(jù)實(shí)時(shí)場(chǎng)景進(jìn)行問題查詢和處理。
基于三維實(shí)景建模與城市智能化模型的數(shù)字孿生城市建設(shè)，可運(yùn)用高精密的三維實(shí)景模型為智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供全流程的可視化支撐，運(yùn)用城市智能化模型通過生動(dòng)準(zhǔn)確描述實(shí)體單元并結(jié)合城市地理實(shí)體的動(dòng)態(tài)性信息來支撐智慧城市各類應(yīng)用，進(jìn)而真正意義上完成智慧城市基本建設(shè)的智慧可視。
二、數(shù)字孿生城市建設(shè)路徑與方法
（1）城市三維地圖是數(shù)字孿生城市可視化的重要基礎(chǔ)
傳統(tǒng)式的智慧城市基本建設(shè)在空間規(guī)劃上已經(jīng)完成系統(tǒng)化管理，但大體都停留在二維平面的階段，遠(yuǎn)達(dá)不到智慧城市智慧化基本建設(shè)要求。三維空間的有效感知與實(shí)景可視化日漸變成城市建設(shè)管理的主要問題，也是數(shù)字孿生城市信息化的關(guān)鍵內(nèi)容，從二維平面提高到三維立體已經(jīng)變成數(shù)字孿生城市建設(shè)的迫切需求。
首先，從三維實(shí)景建模的數(shù)據(jù)來源來看，無人機(jī)航測(cè)、激光雷達(dá)、傾斜攝影等全新一代測(cè)繪信息技術(shù)方法的發(fā)展，可以迅速搜集制作精細(xì)化的城市三維模型和大比例尺地形圖，搭建三維城市地理信息基礎(chǔ)服務(wù)架構(gòu)，為數(shù)字孿生城市建設(shè)提供高精密可視化的三維空間信息和位置服務(wù)。
其次，從三維實(shí)景模型的創(chuàng)建流程和優(yōu)點(diǎn)來看，通過有效的描繪空間幾何模型、拓?fù)鋱D和語義等特性，來完成精細(xì)化的三維幾何表達(dá)，真正完成基礎(chǔ)設(shè)施特性的語義敘述，與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展關(guān)聯(lián)，進(jìn)而完成復(fù)雜地形地理環(huán)境的層面敘述。三維實(shí)景模型的一大特性就在于高低細(xì)節(jié)層面的有效轉(zhuǎn)化流程中，城市實(shí)景信息更為精細(xì)和豐富。“影像+模型”的方式完成了對(duì)目標(biāo)的實(shí)景可視化查詢，對(duì)數(shù)字孿生城市進(jìn)行智能化規(guī)劃和管理。
最后，從三維實(shí)景建模的應(yīng)用場(chǎng)景來看，數(shù)字孿生城市需要完成城市管理精細(xì)化、基礎(chǔ)設(shè)施智能化、生活服務(wù)便利化的目標(biāo)，在智慧政務(wù)、智慧城管、智慧醫(yī)療、智慧教育、智慧旅游等各方面達(dá)到“以更少投入獲取更優(yōu)質(zhì)、更高效產(chǎn)出”的城市系統(tǒng)。總而言之，城市三維實(shí)景建模從數(shù)據(jù)來源特性、模型優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用場(chǎng)景等各方面為數(shù)字孿生城市可視化提供了重要基礎(chǔ)保障。
(2)以時(shí)空大數(shù)據(jù)推動(dòng)數(shù)字孿生城市建設(shè)的科學(xué)性與高效性
時(shí)空大數(shù)據(jù)主要包含時(shí)序化的基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)信息、公共專題數(shù)據(jù)信息、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)信息、互聯(lián)網(wǎng)在線抓取數(shù)據(jù)信息和依據(jù)本地特色擴(kuò)展數(shù)據(jù)信息，組成數(shù)字孿生城市建設(shè)所需的地上地下，室內(nèi)室外，虛實(shí)一體化的、開放的、鮮活的時(shí)空數(shù)據(jù)資源。數(shù)字孿生城市建設(shè)需要借助城市大數(shù)據(jù)技術(shù)手段，在深層應(yīng)用上，基于真實(shí)有效、高精密和對(duì)象化的城市三維實(shí)景環(huán)境，對(duì)城市大數(shù)據(jù)進(jìn)行精確定位、深層挖掘，提升 數(shù)據(jù)信息表現(xiàn)力和價(jià)值，滿足城市不斷發(fā)展變化的要求。在廣度應(yīng)用上，數(shù)字孿生城市建設(shè)關(guān)注大數(shù)據(jù)融合分析和應(yīng)用，基于多源、海量數(shù)據(jù)分析，全面、準(zhǔn)確地掌握事物特性和發(fā)展態(tài)勢(shì)、關(guān)鍵影響因素、發(fā)展規(guī)律，提升 政府科學(xué)決策水平，提供個(gè)性化、差異化服務(wù)，提升解決復(fù)雜問題的綜合能力。
（3）地理學(xué)模型、物聯(lián)網(wǎng)及三維模型的融合推動(dòng)數(shù)字孿生城市精細(xì)化仿真模擬
地理學(xué)是探究地球表層自然和人文要素相互作用關(guān)系及其時(shí)空規(guī)律的學(xué)科，發(fā)展至今產(chǎn)生了覆蓋氣象，環(huán)保、應(yīng)急、交通、水文等眾多領(lǐng)域的大批量地理學(xué)模型。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，無數(shù)智能終端設(shè)備每分每秒都在產(chǎn)生并傳遞海量的數(shù)據(jù)信息，這給傳統(tǒng)的地理學(xué)模型提供了更多的高精度、實(shí)時(shí)、豐富的數(shù)據(jù)來源，與此同時(shí)也對(duì)原來的模型明確提出了新的需求和挑戰(zhàn)。地理學(xué)模型、物聯(lián)網(wǎng)及三維模型的融合，能完成城市的精細(xì)化仿真模擬，為數(shù)字孿生城市建設(shè)管理等提供科學(xué)的決策依據(jù)。以內(nèi)澇現(xiàn)象為例，一方面，內(nèi)澇不能再做為單一的自然現(xiàn)象來探究，內(nèi)澇的產(chǎn)生會(huì)引起后續(xù)的眾多城市管理問題，如交通阻塞、群眾經(jīng)濟(jì)損失等，所以城市內(nèi)澇的探究需要將視野放到整體城市的協(xié)調(diào)發(fā)展上。另一方面，內(nèi)澇現(xiàn)象的持續(xù)時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)，在這樣短時(shí)性的要求下，仍需為后續(xù)的城市管理提供學(xué)科的決策信息。因而，計(jì)算高效、注重內(nèi)澇時(shí)空過程、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地可視化呈現(xiàn)與提供智慧服務(wù)是數(shù)字孿生城市發(fā)展和管理對(duì)城市內(nèi)澇模型新的需求。
（4）城市智能化模型是搭建數(shù)字孿生城市的關(guān)鍵技術(shù)
城市中的各實(shí)體的運(yùn)行情況及其生產(chǎn)、生活活動(dòng)是一個(gè)繁雜的綜合體，怎樣完成對(duì)其運(yùn)轉(zhuǎn)情況的及時(shí)感知，風(fēng)險(xiǎn)及問題的較早預(yù)測(cè)和高效處理應(yīng)對(duì)，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)具有大批量決策支撐信息的多維數(shù)據(jù)模型和系統(tǒng)來支撐上述高復(fù)雜性的分析，簡(jiǎn)化管理機(jī)制并仿真模擬決策。在智慧城市發(fā)展應(yīng)用中，通過CIM建模以完成對(duì)城市信息的評(píng)估和高效組織是發(fā)展的必然趨勢(shì)。CIM做為完成數(shù)字孿生城市的關(guān)鍵技術(shù)，雖然其應(yīng)用從數(shù)量、范圍和深度上都有迅猛發(fā)展，但現(xiàn)階段依然存有空間建模較為單一、實(shí)體描述尺度粗泛、實(shí)體表述比較簡(jiǎn)單及其難以達(dá)到真三維的高仿真模擬分析、處理和表述更多維度信息等問題。因此，探究并集成創(chuàng)新CIM技術(shù)，以完成對(duì)城市地理實(shí)體信息進(jìn)行有效的組織，產(chǎn)生城市的數(shù)字化鏡像，并依托于這一鏡像有力支撐具體應(yīng)用，從而完成針對(duì)城市各專業(yè)領(lǐng)域的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)轉(zhuǎn)管理等應(yīng)用層面的有效協(xié)同、精確分析、實(shí)時(shí)預(yù)警預(yù)測(cè)及其動(dòng)態(tài)的高仿真可視化管理。
三、基于數(shù)字孿生城市建設(shè)的智慧應(yīng)用與實(shí)踐
（1）視頻和三維模型的結(jié)合展開數(shù)字孿生城市多場(chǎng)景運(yùn)用
伴隨著智慧城市網(wǎng)絡(luò)通信層、物聯(lián)感知層、支撐平臺(tái)層、智慧應(yīng)用層的深層次建設(shè)，如何把高效海量的城市動(dòng)態(tài)視頻信息進(jìn)行啟用、查看及其視頻場(chǎng)景分析，并與三維實(shí)時(shí)模型融合，成為當(dāng)前智慧城市創(chuàng)新建設(shè)的關(guān)鍵內(nèi)容。
城市三維地理信息視頻結(jié)合技術(shù)從城市地理信息運(yùn)用的角度出發(fā)，依托于城市三維實(shí)景模型，匹配動(dòng)態(tài)性監(jiān)控視頻，直觀精確打造動(dòng)態(tài)性數(shù)字孿生城市可視化沙盤，結(jié)合人工智能大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)感知信息，及其業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，打破各系統(tǒng)信息孤島，提高數(shù)據(jù)信息運(yùn)用價(jià)值，更好的服務(wù)于客戶，現(xiàn)階段能運(yùn)用于交通、應(yīng)急、安防、警用、城市內(nèi)澇等各種場(chǎng)景。
視頻與三維模型有機(jī)結(jié)合首先能夠運(yùn)用于路徑規(guī)劃調(diào)度，能在交通、應(yīng)急處理發(fā)揮有效的作用。在數(shù)字孿生城市建設(shè)中根據(jù)城市道路走向、關(guān)鍵地區(qū)布署、特殊情景設(shè)計(jì)等要求，規(guī)劃和設(shè)置路徑瀏覽，實(shí)現(xiàn)若干事故預(yù)案儲(chǔ)存和調(diào)度，高效用于預(yù)置路徑全程動(dòng)態(tài)性管控和實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)掌握，實(shí)現(xiàn)城市部門可視化精確指揮。其次，能夠展開全景細(xì)節(jié)追視，在安防、警用調(diào)查提供重要信息。警務(wù)部門在實(shí)現(xiàn)宏觀全景瀏覽的同時(shí)，關(guān)聯(lián)高速球機(jī)來捕獲目標(biāo)特寫視頻畫面，解決細(xì)節(jié)不清晰、視野有偏差等問題，為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的連續(xù)、精確管控提供有效的手段，在安保、警方快速獲取視頻信息并及時(shí)性做出判斷和響應(yīng)層面提供有力技術(shù)支持。此外，還可以實(shí)現(xiàn)二維三維聯(lián)動(dòng)，能對(duì)城市內(nèi)澇、火災(zāi)等自然災(zāi)害進(jìn)行及時(shí)性管控。通過二維場(chǎng)景和三維場(chǎng)景模型統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)操作，將二維場(chǎng)景作為整體觀測(cè)畫面，三維實(shí)景模型場(chǎng)景用于具體地區(qū)的視野全程監(jiān)測(cè)，做到整體宏觀和具體細(xì)節(jié)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一態(tài)勢(shì)感知，對(duì)自然災(zāi)害的發(fā)生與突變做到及時(shí)性有效控制。
（2）數(shù)字孿生城市建設(shè)智慧應(yīng)用的實(shí)踐
在基于三維實(shí)景建模和CIM的數(shù)字孿生城市建設(shè)上，進(jìn)行了基本規(guī)劃和探索，試圖根據(jù)全新一代信息技術(shù)與城市現(xiàn)代化要求融合，為創(chuàng)新型智慧城市建設(shè)提供新思維和新途徑，并在諸多領(lǐng)域進(jìn)行了深層次實(shí)踐。
在空間規(guī)劃領(lǐng)域，為化解CIM的應(yīng)用潛能和優(yōu)勢(shì)未充分運(yùn)用的現(xiàn)況，在用地尺度建立多維態(tài)元胞模型，基于空間規(guī)劃對(duì)用地的推動(dòng)，充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析在人群活動(dòng)及空間行為決策發(fā)掘方面的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行空間規(guī)劃協(xié)助決策系統(tǒng)探究。
在智能化管理領(lǐng)域，基于智慧城市對(duì)設(shè)施進(jìn)行生命周期管理的需要，CIM利用BIM在開發(fā)建設(shè)全流程中的仿真模擬和展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，充分融合大數(shù)據(jù)技術(shù)在規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工管理、運(yùn)維管理等不同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)和信息發(fā)掘能力，建立耦合大數(shù)據(jù)分析的BIM模型，進(jìn)行城市開發(fā)建設(shè)智能輔助決策系統(tǒng)探究。
在可視化應(yīng)用領(lǐng)域，集成3DGIS、BIM、VR等高維空間可視化技術(shù)和方式的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行高仿真、動(dòng)態(tài)化、可交互的可視化系統(tǒng)探究。
四、結(jié)語
智慧可視是智慧城市建設(shè)的前提條件。從現(xiàn)階段我國(guó)大多數(shù)城市信息化發(fā)展尚處于智能化前期環(huán)節(jié)的現(xiàn)實(shí)出發(fā)，基于三維實(shí)景建模與城市智能化模型進(jìn)行數(shù)字孿生城市建設(shè)與智慧應(yīng)用，將為創(chuàng)新型智慧城市建設(shè)提供新思維與新途徑，更好的支撐創(chuàng)新型智慧城市“無處不在的惠民服務(wù)、透明高效的在線政府、融合創(chuàng)新的信息經(jīng)濟(jì)、精準(zhǔn)精細(xì)的城市治理、安全可靠的運(yùn)作體系”建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。