面向数字孪生城市的城市地理信息更新_赵婧文.pdf

第 48 卷第 2 期2023 年 4 月Vol.48 No.2Apr.2023测绘地理信息Journal of Geomatics面向数字孪生城市的城市地理信息更新赵婧文1，2，3 顾建祥1，2 吴杭彬31 上海市测绘院，上海，2000632 自然资源部超大城市自然资源时空大数据分析应用重点实验室，上海，2000633 同济大学测绘与地理信息学院，上海，200092Urban Geographic Information Update Oirented to Digital Twin CitiesZHAOJingwen1，2，3 GUJianxiang1，2 WUHangbin31 Shanghai Surveying and Mapping Institute，Shanghai 200063，China2 Key Laboratory of Spatial-temporal Big Data Analysis and Application of Natural Resources in Megacities，Ministry of Natural Resources，Shanghai 200063，China3 Institute of Surveying and Geo-informatics，Tongji University，Shanghai 200092，China摘要：在现今万物互联、虚实交融的背景下，全世界都在探索城市智能运行持续创新的前沿模式和未来发展形态。城市地理信息数据作为与国家安全和社会经济发展密切相关的基础战略信息资源，也是数字孪生城市的重要组成部分，其准确性和时效性有着至关重要的作用。首先，立足政策和环境、机制和技术的角度，总结了面向数字孪生城市的城市地理信息更新的历史与现状；其次，从变化发现的渠道和机制、变化的种类和区域、更新方案和技术方法 3 个方面探讨了数据更新的关键问题；最后，对城市地理信息高效更新的应用前景进行了展望。关键词：数字孪生城市；城市地理信息；数据更新中图分类号：P208文献标志码：AAbstract：Under the background that all things are connected and the physical world is combined with digital technology，the whole world is searching for an advanced and forward-looking city development mode with smart operation and continuous innovations.Urban geographic information is a kind of basic and strategic information resource related to national security and social and economic development，also an important part of digital twin cities，whose accuracy and timeliness are of great significance.First，the renewing history and current situation of urban geographic information facing digital twin cities related to policy，environment，technology and mechanism are summarized.Then，the key problems of data renewal are investigated from three aspects：channels and mechanisms of change discovery，types and regions of change，renewal schemes and related technical methods.Finally，the application of efficient renewal of urban geographic information is prospected.Key words：digital twin cities；urban geographic information；data update城市是人类生存和经济社会发展的重要载体。作为与国家安全和社会经济发展密切相关的基础战略信息资源，也是数字孪生城市的重要组成部分，城市地理信息数据的准确性和时效性有着至关重要的作用。从我国城市发展速度看，超大城市如广州，每年地表覆盖的变化率高达 40%50%1。尽管测绘技术和设备有了长足的进步，但目前城市地理信息的更新还缺乏较为成熟的综合解决方案。本文聚焦城市地理信息的更新，梳理了面向数字孪生城市的城市地理信息更新的国内外研究现状、更新的关键问题，并对城市地理信息高效更新的应用前景进行了展望。1 城市地理信息更新的历史与现状1.1政策和环境“数字孪生”的概念于 2002 年由美国的 Grieves教授在其 产品生命周期管理 课程上首次提出。2009 年美国空军实验室和 2010 年美国航空航天局也先后在技术路线图中使用了该术语。西门子、图DOI：10.14188/j.2095-6045.2022548文章编号：2095-6045（2023）02-0075-05引用格式：赵婧文，顾建祥，吴杭彬.面向数字孪生城市的城市地理信息更新 J.测绘地理信息，2023，48（2）：75-79（ZHAO Jingwen，GU Jianxiang，WU Hangbin.Urban Geographic Information Update Oirented to Digital Twin Cities J.Journal of Geomatics，2023，48（2）：75-79）基金项目：上海市 2021年度“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目（21DZ1204100）。测绘地理信息2023 年 4 月扑等知名工业软件公司均采用数字孪生技术进行过仿真，并进行了一系列研究和应用拓展。近几年，数字孪生体实验室与安世亚太科技股份有限公司、美国工业互联网联盟、工信部中国电子技术标准化研究院、中国信息通讯研究院等国内外多个组织发布了数字孪生相关的白皮书，国内外相关的专利、论文、标准也呈现井喷态势。数字孪生被广泛应用在产品设计、生产制造、医学分析、工程建设等领域。2017年，中国信息通信研究院创新性地提出了“以数字孪生城市推进新型智慧城市建设”的理念2。数字孪生城市指通过数字孪生技术在网络数字空间创造一个数字城市，使其与现实物理城市一一对应、平行运转，通过虚拟服务现实、数据驱动治理、智能定义一切等运行机制，实现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和智能化。随着信息通信技术与全球定位系统、高精度地图、模拟仿真、虚拟现实、三维建模、智能控制等技术有机耦合，跨领域的应用驱动融合创新趋势渐显，数字孪生城市建设正驱动着城市的数字化转型，城市信息化将从量变迎来质变3，4。2020年，国家发改委重磅发布 关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案5，其中“数字孪生”技术被提及多次。2021年初，第十三届全国人大四次会议表决通过了关于“十四五”规划和2035 远景目标纲要的决议6，国家明确了“十四五”期间将“探索建设数字孪生城市”，完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，构建城市数据资源体系，推进城市数据大脑建设。2020年以来，地方规划加速落地，市政管理、工业制造、智能交通、环保、安防、医疗等方面的市场规模持续增长。2021年 8月，自然资源部发布 实景三维中国建设技术大纲（2021版）7，其中建设目标也提出要构建“时序更新”的实景三维中国。城市更新工作在 2021 年正迎来政策推动与产业需求落地的黄金时期。据国际数据中心（International Digital Center，IDC）预测，到 2020年，中国智慧城市市场支出规模达到 259亿美元，到2024 年预计将超过 400 亿美元，而数字孪生将成为增长最快的应用场景之一。在城市层面，以上海为例，2021年 8月 25日，上海市第十五届人民代表大会常务委员会通过了 上海市城市更新条例8，由市人民政府加强对本市城市更新工作的领导，各部门协同开展城市更新工作。2021 年 10 月，临港新片区智能网联汽车规模化示范应用“十四五”行动方案 印发9，方案提出将构建不少于 80 km智慧道路，启动交通数字孪生建设。总而言之，一方面城市更新加速了空间数据的变化，另一方面数字孪生城市的构建和城市数字化管理迫切需要高现势性的空间地理信息，这也对城市地理信息的高效更新提出了迫切要求。1.2更新机制和技术城市地理信息是指与城市空间地理分布有关的信息，是有关城市地理实体的性质、特征和运动状态表征的一切有用的知识，它表示地表物体及环境固有的数量、质量、分布特征、联系和规律10。采集地理信息数据并制作成果其实只完成了一小半的工作，更艰巨的工作在于日后的数据更新。以上海为例，2014年起上海基础测绘更新能力达到了较高水平，其中，中心城区每半年更新一次，其他区域每年更新一次，重点区域根据项目驱动更新；三维数据则采用基础任务驱动和市场任务驱动更新相结合的方式。但这已不能满足日益增长的社会应用需求，亟需由传统的周期更新向线上线下一体化的实时更新升级。尤其是面向数字孪生城市的新型基础测绘成果地物要素众多、在城市中分布场景复杂、携带一系列社会经济属性，要快速发现众多的地物要素和属性变化非常困难；即便发现变化后，也难以在较短的周期内对变化区域内的地物要素实现快速更新；另外，传统的测绘更新技术手段难以胜任高精度的三维数据更新处理11，12。因此，亟需系统性研究城市地理信息数据的更新机制和技术。目前，城市地理信息更新的方法主要包括遥感正射影像（航片、卫片）、倾斜摄影、三维激光扫描、低成本传感器或相机、信息收集等13-21。不同方法的可更新内容、数据获取时效性、适合区域、操作便捷性、数据精度、数据处理难度、成本存在显著差异。具体的对比分析见表 1。至于数据的获取方式，主要可分为集中采集和众包制图22。集中采集是指专业部门有计划地对地理数据进行周期性集中采集和更新，这种方法的优点是精度高、数据质量有保证，但缺点是面对大城市的体量，仅依靠专业测绘难以实现全时空、实时覆盖。众包制图是指图商和/或其他数据采集方利用配备激光雷达或摄像头等传感器技术的第三方普通车辆（如整车厂的量产车）、消费级无人机等设备进行实时数据采集，并上传到发包方的云服务器。尽管众包制图模式能极大提高更新效率、降低人力和成本，但在实践环节仍然存在诸多法律法规方面的限制，例如众包个体无法满足测绘资质要求、现行保密规定对众包更新数据回传有限制、审图程序对满76第 48 卷第 2 期赵婧文等：面向数字孪生城市的城市地理信息更新足高精度地图众包更新的数据量和时效性要求有挑战等21，23。众包更新作为实现高精度数据实时更新的低成本和可量产化方案，也是高精度地图产业化的重要环节，有必要为其开辟合规的商用路径，作为城市地理信息更新的有效补充。2 城市地理信息更新的关键问题2.1变化发现的渠道和机制变化发现的渠道分为主动和被动两类。两类变化发现模式的主要区别在于数据获取的目的性。主动发现渠道主要包括：1）基于航空、航天等遥感影像进行变化差分，实现地表覆盖的周期更新；2）通过机载三维激光扫描获取大面积复杂区域的点云数据、车载三维激光扫描获取市政道路及两侧的点云数据和全景照片、架站式/背包式/手持式三维激光扫描获取街坊内部的点云数据，多源数据融合后完成更新；3）利用更高精度的测绘成果进行内业处