張新長

國際歐亞科學(xué)院院士

廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院教授

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本文根據(jù)國際歐亞科學(xué)院院士、廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院教授張新長在國地云講堂所作報(bào)告《智慧城市建設(shè)中的數(shù)字孿生與元宇宙》整理，已經(jīng)本人審閱。

美國原副總統(tǒng)戈?duì)栍?998年提出“數(shù)字地球”，十年后IBM提出“智慧地球”，2018年中國信通院提出“數(shù)字孿生城市”，每十年一個(gè)跨越。現(xiàn)在“元宇宙”正值風(fēng)口。空間信息要解決的核心問題是空間和時(shí)間的關(guān)系。

智慧城市建設(shè)起步于二三維地圖，發(fā)展到虛擬現(xiàn)實(shí)，騰飛在數(shù)字孿生，發(fā)力在元宇宙時(shí)代。

社會(huì)的發(fā)展離不開地圖，地圖的發(fā)展應(yīng)用過程經(jīng)歷了幾個(gè)主要階段。從點(diǎn)線面體的簡單的幾何相似，到位置等多重屬性的疊加迭代的情景模擬，再到基于遙感、衛(wèi)星導(dǎo)航、地理信息、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展的實(shí)體脈動(dòng)，逐步形成虛實(shí)共榮。

智慧城市的初始形態(tài)是數(shù)字城市，依托于空間信息、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、時(shí)空大數(shù)據(jù)、人工智能、實(shí)景三維等相關(guān)技術(shù)的高速發(fā)展，城市萬物相連正在成為現(xiàn)實(shí)，同時(shí)在不斷迭代的云計(jì)算的加持下，信息傳輸速度、數(shù)據(jù)處理速度、算法也在不斷提升，以數(shù)字城市為初始形態(tài)，智慧城市逐步成型。

真正地讓智慧城市找到了發(fā)力點(diǎn)，找到了它的應(yīng)用，找到了它的模式，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)集成了計(jì)算機(jī)的圖形學(xué)，多媒體、人工智能、多傳感器、 *** 并行處理，以及三維空間形象實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的合成。通過視覺、聽覺、觸覺、圖表以及動(dòng)畫方式呈現(xiàn)，動(dòng)態(tài)的、實(shí)時(shí)的三維圖形，使得真實(shí)的、現(xiàn)實(shí)的世界能夠用數(shù)字進(jìn)行有效的表達(dá)。由此，我們實(shí)現(xiàn)了智慧城市的景觀設(shè)計(jì)、智慧城市環(huán)境信息的全面展示，在智能融合中身臨其境。

實(shí)景三維中國為智慧城市建設(shè)提供了統(tǒng)一的底板與數(shù)字基底，也為智慧城市的騰飛奠定了基礎(chǔ)。人工智能賦能智慧城市轉(zhuǎn)化為數(shù)字孿生城市，就如同城市的大腦，賦予城市思考、學(xué)習(xí)、分析和判斷的能力，在轉(zhuǎn)化的過程中，可以和CIM、城市大腦等平臺結(jié)合，把實(shí)時(shí)狀態(tài)、環(huán)境、條件這些物理世界的本體映射到數(shù)字空間。

數(shù)字孿生城市，根據(jù)物理世界再創(chuàng)造一個(gè)與之1:1影射的數(shù)字世界，所生成的鏡像是從物理城市的各個(gè)要素生成并組合在一起的，主要依托和融合智慧城市相關(guān)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、實(shí)景三維技術(shù)、人工智能技術(shù)等。

如何讓物理空間和數(shù)字空間聯(lián)動(dòng)起來？以城市管理為例，數(shù)字孿生就是洞察運(yùn)營數(shù)據(jù)，了解城市運(yùn)營的現(xiàn)狀并做出決策，主要通過模擬仿真、機(jī)器學(xué)習(xí)，結(jié)合現(xiàn)有的城市運(yùn)行狀態(tài)，推演城市的運(yùn)行規(guī)則，實(shí)現(xiàn)超前處理決策，生成鏡像，實(shí)現(xiàn)與整個(gè)物理世界互動(dòng)。

如何通過IOC協(xié)同多部門進(jìn)行事件處置？油罐車翻車事故報(bào)警，IOC打通應(yīng)急辦系統(tǒng)，從應(yīng)急辦獲取事故的位置信息。通過數(shù)字平臺的視頻能力，從事故地點(diǎn)的攝像頭獲取現(xiàn)場之一手視頻數(shù)據(jù)；通過數(shù)字平臺IMP能力，實(shí)時(shí)獲取事故周邊的管道以及可用消防資源數(shù)據(jù)；通過對接公安以及消防系統(tǒng)，及時(shí)獲取事故周邊可調(diào)度資源；通過數(shù)字平臺的大數(shù)據(jù)分析及AI算法能力，基于該區(qū)域的歷史事故數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?jì)算推演出油罐車可能爆炸造成的事故半徑，輸出本次事故疏散方案，同時(shí)通知醫(yī)院啟動(dòng)救援預(yù)案。

通過虛擬平臺和現(xiàn)實(shí)世界的多個(gè)業(yè)務(wù)部門聯(lián)動(dòng)，協(xié)同所有的資源圍繞事故地點(diǎn)對事故進(jìn)行更高效的處置，在這個(gè)過程中IOC實(shí)時(shí)監(jiān)控所有資源的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了全程可視，可控，可決策。

2021年是元宇宙的元年。從中央部委到多個(gè)地方 *** 都在超前布局，比如上海十四五規(guī)劃等等，面向元宇宙的新技術(shù)、新概念、新場景應(yīng)運(yùn)而生，各個(gè)行業(yè)都在發(fā)力，這是一個(gè)很好的機(jī)遇。

數(shù)字孿生和元宇宙是兩個(gè)概念。數(shù)字孿生，是通過對我們現(xiàn)實(shí)世界各種各樣的工業(yè)化的要求，針對現(xiàn)實(shí)世界的形態(tài)生成的數(shù)字化設(shè)計(jì)；元宇宙的主要關(guān)注對象是人和社會(huì)，通過數(shù)字化的形式，基于創(chuàng)造的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。元宇宙中具有不確定性和不科學(xué)性，包括神話和游戲。但是，我們可以充分地利用元宇宙映射技術(shù)來完成對現(xiàn)實(shí)世界的映射，實(shí)現(xiàn)更大限度的交互，比數(shù)字孿生可能更上一個(gè)臺階。

元宇宙可分為孿生、原生和共生三個(gè)階段。首先虛擬重建現(xiàn)實(shí)世界，包括環(huán)境、運(yùn)行和與精神無關(guān)的行為信息，以及部分一致的規(guī)則沿用，達(dá)到高度模擬仿真效果；然后創(chuàng)建虛擬世界新規(guī)則，加上現(xiàn)實(shí)世界一部分不變規(guī)則，通過沉浸融入與精神世界關(guān)聯(lián)度不高的人的行為感知信息，原生出一些新生態(tài)豐富現(xiàn)實(shí)世界；最后，在原生基礎(chǔ)上，通過融入精神感知信息和行為，即人類受剛性規(guī)則約束的行為和受精神世界柔性影響的情感行為，真正達(dá)到現(xiàn)實(shí)世界、虛擬世界和精神世界的三元融合，互為依重，彼此共生。

元宇宙將成為數(shù)字體驗(yàn)、物理體驗(yàn)的關(guān)鍵組成，未來巨大的勞動(dòng)力和前沿技術(shù)的集成平臺，對智慧城市的建設(shè)會(huì)產(chǎn)生巨大的作用。元宇宙時(shí)代，人們的衣食住行、工作學(xué)習(xí)，甚至生產(chǎn)生活都會(huì)實(shí)現(xiàn)更大限度的虛擬化。在虛實(shí)融合環(huán)境中，通過3D渲染、可交互，穿越時(shí)空隧道，真正實(shí)現(xiàn)天涯若比鄰。

人、自然、社會(huì)是地球的基本要素。城市化通過改造環(huán)境要素進(jìn)行環(huán)境設(shè)計(jì)，讓我們的生活更加美好，走向文明；數(shù)字孿生是從需求的角度進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，是基于工業(yè)化模式來做孿生；元宇宙則要考慮創(chuàng)造關(guān)系的需求，通過傳播設(shè)計(jì)提升對物理世界的真實(shí)感知。從現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)的角度，通過集成，豐富虛擬空間的廣度和深度；從行為模擬的角度，通過現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)的動(dòng)作映射到數(shù)字世界。數(shù)字孿生城市走向元宇宙，虛實(shí)脈動(dòng)和生命共同體相結(jié)合。人的全面參與將會(huì)帶來平臺的變革、重大的突破。總的來講，數(shù)字孿生通過對各種物理空間信息物進(jìn)行物體掃描，獲取物體表面空間坐標(biāo)，構(gòu)建立體信息，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號映射到元宇宙。

智能時(shí)代的場景革命已經(jīng)來到，在數(shù)字孿生的背景下，通過技術(shù)不斷地迭代，再通過元宇宙融入加強(qiáng)，使得應(yīng)用場景越加豐富，越加細(xì)膩，滿足對我們對美好的生活的追求和向往，其技術(shù)革命的進(jìn)程和影響都是深遠(yuǎn)的。