数字孪生城市建设对建模技术和城市表达模型的表达提出了新要求。传统的城市建设在空间规划上大体都停留在二维平面，远达不到智慧化要求，三维空间的有效感知与实景可视化日益成为城市建设管理的重要抓手，也是数字孪生城市的关键内容。传统三维空间数据模型大都面向特定的专业领域，如地质模型、矿山模型、地表景观模型等，这些模型大部分针对单一数据类型，不能表示多源异构数据，数据和软件的耦合程度很高，重用价值不高，针对地上下和室内外多粒度对象统一表达等难题，需要建立更高水平的城市级三维空间模型。
随着“实景三维中国”的提出和 BIM（Building InformationSystem）如火如荼的开展，城市模型表达进入了第二个阶段：BIM+GIS 阶段。城市宏观尺度上的对象如建筑、道路等对象，都可以通过实景三维模型来表达，城市微观尺度的对象如门窗、室内对象等通过 BIM 模型来表达，实现初级的数字孪生。特别是自然资源部提出的全国“十四五”基础测绘规划编制工作，其中“实景三维中国”的提出和建设，被业内描述为“一个有着万亿元前景的大市场”。我国各地市实景三维建设将大面积展开。不少行业和地区已先行试水，全国已有北京、上海、广州、深圳、重庆、武汉、南京、嘉兴、成都等地尝试了三维模型或实景三维并获好评。
随着大数据和人工智能的兴起，从城市计算和智能分析的角度来看，现有的三维模型都是非结构化数据：即人眼可见，人脑可识别，但是电脑不可识别。现有的城市信息表达模型只能成为“数据大”，不能称为“大数据”。因此经过语义化技术进行结构提取和属性自动挂接得到的新型城市模型表达 CIM 成为了数字孪生城市的基础核心。一方面 CIM 除了三维视觉表现，还承载了城市要素的属性信息；另一方面，CIM 的几何结构和属性信息均可以被计算机所理解，将城市三维模型从可视化阶段真正引入城市计算领域，实现挖掘、统计、分析、决策，物理城市的数字表达经历了从最初的二维平面、到三维立体、到全要素结构化的发展历程。
一、 核心技术
物理实体的数字孪生体，归根结底就是一个个的模型和模型集合，所以建设数字孪生系统的关键也在于模型表达。模型的建立方式随着数据采集技术而迅速发展，不同来源、不同类型的空间三维数据愈来愈多，目前应用于建筑物、构筑物、道路、地下管线、地质、水体和地表高程属性数据和纹理数据的采集方法，主要有传统三维建模软件、三维激光扫描、航空摄影测量、移动测绘系统等。
随着几何生成技术、语义化技术、多模态多尺度空间数据智能提取术、深度学习技术、多分辨率空间索引和调度技术、高性能三维渲染等技术的不断发展，促进点云逆向建模、倾斜摄影实景三维重建、结构化语义建模等城市模型表达方式不断成熟，数字孪生城市的三维信息模型进入了高精度、高效率、高真实感和低成本的全自动全要素结构化表达的阶段。
——多模态多尺度空间数据智能提取技术。
利用性能互补的多模态多尺度遥感数据获取装置，重点突破空地多模态多尺度光学影像自动空三和联合精确定位、密集点云自动匹配、精细三维模型自动纹理采集和映射、激光 LiDAR/全景相机和 IMU 等传感器融合的同步定位和精细地图构建技术、激光点云的语义自动分析及提取、地物与人工建筑及其组件的语义特征识别与语义信息提取等核心关键技术，实现基于无人机/航空倾斜摄影、航空 LiDAR 的大场景真三维精细城市模型自动化构建。
——语义化技术。
语义化即对数据进行智能化加工处理，使其所包含的信息可以被计算机理解。大数据环境下，只有将数据进行语义化处理之后，才能更快速、准确地提取到所需要的信息，保证数据的无歧义理解和良好结构化表达，实现可量化索引。利用语义化技术，可以形成一个量化并可索引的城市描述信息，同时利用CIM 的可扩展性，可以接入人口、房屋、公司法人、安防设施、公安警务数据、住户水电燃气信息、交通信息、公共医疗等诸多城市公共系统的信息资源，实现跨系统应用集成、跨部门信息共享，避免重复建设和信息化孤岛。
——深度学习技术。
利用深度学习技术，自动对实景三维检测、分割、跟踪矢量、挂接属性入库，将物理世界中多源异构和多模态的空间大数据组织形成复杂庞大的数据语义网络，解决跨领域的数据在几何位置、属性语义、逻辑等方面的相似性、不一致性问题；并结合天-空-地一体化化多源三维数据融合和可视化技术，实现静态三维可视化向智能动态可视化转变；CIM 还可建立从描述性可视分析到解释性可视分析和探索性可视分析的多层次可视分析体系，快速有效地从多模态实景三维大数据中发掘价值，支撑数字孪生各应用领域的决策分析。
——三维渲染技术。硬件方面主要是 GPU 实时渲染技术，软件方面主要有 RTC 流计算、多视频 3D 融合、基于深度学习的超分辨，以及实时光线追踪技术。主流技术 GPU 采用 Nivida 体系,上层驱动directX 或 OpenGL，各家公司自研引擎,应用于智慧城市以及游戏、医疗等各领域。利用 WebGL\VR\AR\MR\全息投影技术等，可提高对城市地理环境的真实化表达，给人们提供沉浸式体验。WebGL 通过提供硬件三维加速渲染能力，实现利用显卡在浏览器里展示 3D 场景和模型，支持空间地理数据的可视化表达，可轻松应对复杂 3D 数据的渲染。
VR 技术使用户沉浸其中，模拟环境的真实性与现实世界难辨真假，具有较强的人机交互能力。AR 技术将虚拟信息与真实世界相互叠加补充，从而实现对真实世界的“增强”。MR 技术通过全息图，将现实环境与虚拟环境相互混合，即在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。全息投影技术利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的技术，实现虚拟影像跃然于眼前，栩栩如生，令人难辨虚实，视觉效果强烈。
硬件方面主要是 GPU 实时渲染技术，软件方面主要有 RTC 流计算、多视频 3D 融合、基于深度学习的超分辨，以及实时光线追踪技术。主流技术 GPU 采用 Nivida 体系,上层驱动directX 或 OpenGL，各家公司自研引擎,应用于智慧城市以及游戏、医疗等各领域。利用 WebGL\VR\AR\MR\全息投影技术等，可提高对城市地理环境的真实化表达，给人们提供沉浸式体验。
WebGL 通过提供硬件三维加速渲染能力，实现利用显卡在浏览器里展示 3D 场景和模型，支持空间地理数据的可视化表达，可轻松应对复杂 3D 数据的渲染。VR 技术使用户沉浸其中，模拟环境的真实性与现实世界难辨真假，具有较强的人机交互能力。AR 技术将虚拟信息与真实世界相互叠加补充，从而实现对真实世界的“增强”。MR 技术通过全息图，将现实环境与虚拟环境相互混合，即在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。全息投影技术利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的技术，实现虚拟影像跃然于眼前，栩栩如生，令人难辨虚实，视觉效果强烈。
二. 相关产业
随着数字孪生城市兴起，目前在城市全要素建模领域也涌现出一批创新能力强、业务产品突出的企业，从自动参数化建模，到实景三维建模，再到语义化建模都有不俗表现的代表性产品。自动参数化建模表达。51VR 公司基于自动化建模技术实现数字孪生城市还原，通过静态时空数据和动态天气、光照等物理仿真，约 6 小时即可实时渲染构建数千平方公里的 L2 级别数字孪生城市，实例如下：
1、实景三维模型表达。
由超图公司牵头起草，自然资源部信息中心、国家基础地理信息中心等 12 家单位参与起草的《空间三维模型数据格式》团体标准日前正式发布。该标准定义了一种开放式可扩展的三维地理空间数据格式——Spatial 3D Model（S3M），对倾斜摄影模型、人工建模数据、BIM、点云、三维管线、二维/三维点线面等各类数据进行整合，适用于海量、多源异构三维地理空间数据和 Web 环境下的传输与解析，也为不同终端、不同应用系统间的三维数据共享和互操作提供开放、标准、通用的数据格式基础，兼容多种软硬件环境，鼎立支撑实景三维中国和数字孪生城市建设。
2、语义化建模表达。
泰瑞数创目前已经具有从三维语义建模到语义模型管理到语义模型应用的全流程的技术方案，并已参与到上海公安、天津滨海城市大脑、上海临港城市大脑等智慧城市建设中。语义模型组织采用 OGC 标准的 CityGML 数据组织方式和模型格式，它定义了城市中的大部分地理对象的分类及其之间的关系，而且充分地考虑了区域模型的几何、拓扑、语义、外观属性等。其中包括了主题分类之间的层次、聚合、对象之间的关系、空间属性等。这些专题信息不仅仅是一种图形交换格式，而且允许将城市三维模型部署到各种不同应用中的复杂分析任务，例如仿真分析、城市数据挖掘等。CIM 生产效率可以达到每小时自动提取至少 3000 栋单体语义模型；并且自动提取屋脊高度、屋顶方向等几十种空间结构信息。同时，也可通过深度学习技术根据 CAD 或非数字化图纸自动化生成室内三维语义模型。
3、城市语义化建模表达
在可视化渲染上，从底层的 GPU 芯片,到上层图形驱动，渲染引擎和开发工具等, 基本都掌握在欧美国家手中。国内目前做的应用，都是在应用层来做，并且大多引擎也是西方的开源引擎。高水平学者很多，但在软件系统应用，产品化上有明显不足，还有很长的路要走。不过，近年来我们可以看到：一方面以 SmartEarth VizDeck为代表的国内二三维地理信息引擎通过 GPU shader 渲染和Streaming 机制，实现城市海量空间数据的快速渲染及可视化调度，提升可视化渲染效率；另一方面以 51VR 为代表的国内虚拟现实引擎科技公司已通过自研云渲染 PaaS 架构、实时渲染与物理仿真技术，提升可视化渲染效果；同时还有以阿里 DataV 为代表的大数据可视化渲染引擎，基于 WebGL 技术实现城市大数据渲染，提供低成本可复用的数据可视化方案。这些都在逐渐缩短国内与国外的差距。
三、应用情况
来自政府部门的城市管理需求仍然占据主导地位，包括在规划、交通、公安、应急、消防、水务、能源等领域对实景三维数据的应用。与此同时，三维建模应用也向着建筑工程、生态环保、文化遗产、景区服务、园区和社区信息化管理等新市场方向广泛渗透，市场需求强烈。
1、城市规划领域：
精确反映整个城市的建筑物分布情况以及城市地形，促进有关部门和人员作出科学的城市规划决策，以及城市重点区域动态监测、违建取证与执法等，推动城市健康发展。
2、建筑工程领域：
在设计阶段，帮助设计师分析待建区域周边建筑以及地形信息，将设计好的建筑模型置入场景中，进行日照分析、风能分析等；在建筑施工阶段，可准确反应施工进程，为施工管理做出决策；在建筑运营与管理阶段，辅助决策建筑物维护与装修。
3、旅游领域：
三维实景模型可 1:1 还原景区模型，有助于景区展示、景区数字化宣传，结合 VR 技术更可制作在线景区游览程序，让旅客足不出户即可观赏景区风景。
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