阿里云+数字孪生核心技术揭秘

数字享生核心技术揭秘如何对数字享生应用进行快速技术选型?阿里云开发者社区乘风者计划ALIBABACLOUDDEVELOPERCOMMUNITYthewindzne，p"”"\o"CurrentDocument"目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 4\o"CurrentDocument"数字孪生核心技术揭秘（二）：三维模型 26\o"CurrentDocument"数字孪生核心技术揭秘（三）：倾斜摄影 42\o"CurrentDocument"数字孪生核心技术揭秘（四）：大规模植被系统生成 56\o"CurrentDocument"数字孪生核心技术揭秘（五）：BIM究竟是解药还是毒药？ 63\o"CurrentDocument"数字孪生核心技术揭秘（六）：传统三维GIS与数字孪生的区别 72数字孪生核心技术揭秘数字孪生核心技术揭秘（一）：渲染引擎 \o"CurrentDocument"数字孪生核心技术揭秘（六）：传统三维GIS与数字孪生的区别\o"CurrentDocument"简介：当前对"数字孪生城市"没有一个严格界定的标准，本质上"数字孪生城市"是在传统三维GIS应用的基础上演化而来；随着技术创新和行业需求的发展，两者的差异也越来越大；本文梳理了两者的异同，同时比较了两者的适用场景。前言：本文的目的不是尝试去给"数字孪生城市'’项目下一个严格的定义，而是通过分析与传统三维GIS应用的异同，厘清"数字孪生项目'’的建设成本与目标，有效管理客户期望和项目交付成本。一、“数字孪生"标签满天飞的乱象与危害"数字學生"建设乱象随着国家制定推出"实景中国"、“CIM城市"等智慧城市鼓励政策，"数字孪生"已经成为行业领域的顶流词汇；目前绝大多数智慧城市类项目都贴上了"数字孪生”的标签以获取更高的利润，不仅仅是城市运营管理领域，水利、电力、园区管理等领域也纷纷冠以"数字孪生"名号。目前行业内"旧瓶装新酒"、“张冠李戴'’的现象十分普遍，很多号称"数字孪生城市"的项目其实也就是传统三维GIS应用项目换了个名字，让很多客户认为"数字孪生"是一个行业炒作的伪概念。"数字學生"标签滥用的危害1）客户对项目期望畸高，对“数字孪生”建设成本缺乏合理认知目前很多行业头部厂商的策略是不计代价打造一两个标杆案例，然后通过大力洗脑客户上马数字孪生项目。标杆案例效果往往让客户的期望值上升非常高，对于项目建设成本缺乏合理认知。一个真实的典型案例:客户已经建设有地理信息平台，有一定存量的地理服务资源、倾斜摄影、3dMax模型等等，在销售人员的推介下就认为已经具备建设"数字孪生”项目的基础条件；然而要达到厂商标杆案例的效果，当前历史GIS平台的数据的精度、格式都是无法直接使用的，都需要进行格式转换、模型重建等工作，更不用说需要采集大量的IOT数据、对现有的业务数据进行时空融合等高成本数据治理工作。同时，厂商的炫酷标杆案例背后，往往还携带了复杂的算法资源支持，这也是一项客户容易忽视的巨大成本支出。因此，"数字孪生”标签滥用让很多客户对项目产生了不切实际的期望值，同时又忽略了相应的建设成本。2）行业厂商无法控制成本，造成项目质量地下由于客户的期望被"数字孪生'’的光环拉高的同时，又缺乏对场景复刻、数据融合、智能算法等新增巨大成本的认知，交付厂商往往"巧妇难为无米之炊"，最终只能降低交付标准，实际交付结果和标杆项目"样板间"相差甚远，甲、乙双方都不满丿a'\。驱动"数字學生"滥用原因1） 客户对新技术的热情在"城市大脑"等成功案例的影响下，传统企业和政府单位对互联网技术改造传统行业有着殷切期望，尤其是对"新技术解决老问题"有着无比热情。同时，拥抱新技术本身也成为了地方政府先进治理理念的指标之一。2） 传统厂商的商业利益驱动如同今年爆红的"元宇宙'’概念一样，Facebook将公司名称改成了Meta,众多GIS相关厂商也纷纷将传统三维GIS应用系统改成了"数字孪生应用"；因为GIS行业本身是一个成熟的竞争激烈的市场，而且"数字孪生应用'’往往比传统GIS应用售价高且受客户欢迎。二、 数字孪生应用与传统三维GIS应用的异同当前对"数字孪生城市"没有一个严格界定的标准，本质上"数字孪生城市"是在传统三维GIS应用的基础上演化而来；随着技术创新和行业需求的发展，两者的差异也越来越大；两者的异同可以从以下几方面进行比较：两者相似点1） 相似的展现形式：都会用到三维引擎渲染两者最直观的相似点都是三维空间的展示和应用，"数字孪生城市”和传统三维GIS应用都用到了实时三维渲染引擎，都会加载三维模型。市场上大多数"数字孪生城市”常用游戏渲染引擎，比如UE4、Unity，或者基于游戏引擎二次开发的产品如DataV.CityV、Twinmotion、光辉城市；少部分用专门的自研时空渲染引擎如DataVCityPro;常见的三维GIS引擎有mapbox、cesium、googleearth等等。2） 相似的数据基础：都是基于真实地理空间数据因为需要构建真实的地理空间，"数字孪生城市”和传统三维GIS应用都用到了大量空间数据，比如二维矢量地理数据、三维模型、卫星影像、点云、地形数据等等。核心差异点1）不同的用户体验：抽象的静态空间VS真实物理世界映射传统三维GIS应用用户体验：仅提供业务有需求的必要空间要素，如提供建筑、道路等等，不提供丰富视觉的山体、植被、城市部件等精细的场景要素。对空间数据的准确性还原非常严谨，但是对视觉效果没有太强的要求和实现，很多时候仅提供基础的光照模型；距离真实感还有很大距离。GIS应用通常是一个静态场景：将各种地理空间数据以OGC标准发布为静态资源，一层层叠加起来加以分析应用。总结：传统GIS三维应用是一个抽象的静态空间。典型的数字孪生应用数字孪生场景的用户体验:复刻真实世界的直观感受：除了业务直接相关的空间要素，其他真实世界的要素也复刻完备。空间数据细节远远高于传统GIS应用：采用高精地图还原道路，采用BIM模型还原建筑等等。-动态空间：数字孪生场景中的实体,如车辆、人群、天气状况等，往往都是受真实数据驱动的动态实体。总结：数字孪生场景是一个动态的真实物理世界映射。2）不同精度的空间数据要求：数字孪生场景空间数据要求比GIS场景更高由于数字孪生场景需要复刻真实世界'很多在传统GIS应用场景中可选的空间数据，在数字孪生场景场景下成了必需基础前提，比如高精地图、BIM、精细LOD模型等等。与标精地图仅提供车道线等基础信息相比，高精地图使用真实道路的完整元素（直线、曲线、回旋线、超高剖面、车道、信号、路侧设施等）精确描述模拟道路，为真实交通感知数据与道路空间数据进行精准融合提供了空间基础，•常见的数据标准有OpenDrive、百度Apoll。等。BIM包含的是城市建筑物的空间信息,GIS提供建筑物之外的空间信息，两者互相融合建立了一个包含城市海量信息的数据模型，加上物联网iot数据，实现了城市空间全域、实时数据的覆盖。基于“CIM=GIS+BIM+IOT〃的概念模型，BIM为数字孪生应用场景提供了巨大想象空间；以BIM为室内定位提供精确空间支撑数据，GIS提供精准的地理位置、建筑物周边环境总体展现和空间地理信息分析；通过和IOT实时数据进行融合，将基于BIM的数字孪生的应用范畴从单一化建筑物到建筑群及其道路、隧道、铁路、港口、水电等工程领域都可以实现覆盖。符合PBR美术标准的L4高精手工模型数字孪生场景与传统GIS应用比，对手工模型的精度和艺术表现的要求也提高了很多，包括几何体的精细程度、模型表面材质的金属特性、粗糙特性、表面凹凸细节等等都有细致刻画要求，以便“基于物理渲染〃的三维引擎进行真实还原，尽量复刻逼真的空间场景。3）不同的空间数据应用形式：叠加模式VS融合模式“千层饼〃式的叠加模式:传统三维GIS应用通常将三维空间数据进行切片、分块，作为地理数据图层进行流式加载。

传统三维GIS应用中空间数据的分层叠加“鸡尾酒”式的融合模式：数字孪生场景为了实现更加贴近真实世界的场景复刻，通常会将多种空间数据融合计算生成场景要素，比如结合卫星影像、地形数据对植被进行计算生成；由此带来了更多的数据加工处理步骤和成本。数字孪生应用中空间数据的融合以数字孪生场景中植被的生成举例，涉及到地形数据高程提取、坡向分析、卫星影像数据视觉算法分析、矢量二维地理数据的分析，以及对不同LOD层级的不同植被模型进行POI实例化匹配，最终渲染成地理分布合理、空间分布合理的自动化生成植被。

数字孪生场景中植被的生成流程4）不同的建设成本：数字孪生应用比传统GIS应用成本高一个数量级以上数字孪生应用与传统三维GIS应用建设成本比较-空间数据成本。 数字孪生应用与传统GIS应用相比，会用到成本较高精细数据，如BIM模型、高精地图、PBR精细模型等，采购成本较高。。数据加工成本：传统GIS应用将空间数据利用ArcGis、超图等GIS系统进行瓦片切片发布后即可叠加使用；数字孪生应用不会直接使用GIS应用的。GC地理数据资源，需要融合多种空间数据进行计算，生成统一的空间基底，涉及算法、存储等成本，导致数据加工成本高。•应用开发成本。传统GIS应用往往服务于某个行业或者业务。。数字孪生应用往往是综合平台，包括整个城市总览、城市管理、政务、交通、安全、环保等各部门数据接入、打通、融合的场景屡见不鲜，整体应用开发工作量远超传统GIS应用。•算法成本。传统GIS应用往往对算法没有太强依赖，或者GIS厂商提供工具化空间分析功能。。数字孪生应用的业务目标通常包括"智能化”转型升级，依赖大量的行业算法比如车路协同、水仿真、人脸识别与处理等等；由此带来的成本非常可观。•硬件成本&云计算资源成本。传统GIS应用通常对客户端计算机硬件没有大高的要求，有服务端应用也是标准化部署。。数字孪生应用一般对客户端计算机要求非常高，比如顶配的CPU与显卡，采购成本很高；对于服务端硬件，往往需要多种云计算基础资源，甚至是需要非标准化部署才能满足需求。。数字孪生应用通常有数据大屏场景，本身大屏硬件的采购也是一个巨大成本。5）不同的业务目标：“融合计算、仿真推演”是数字孪生应用的终极目标传统的三维GIS应用通常将各类空间数据统一坐标系和投影方式之后，在同一空间范围内进行层次堆叠的方式进行融合，并提供基于静态空间数据的一系列空间分析方法，如可视域分析、淹没分析、天际线分析等等。数字孪生应用不仅仅是静态三维空间的构建，更关键的是空间场景内实时设备数据的感知、智能化算法应用、业务数据治理与空间融合，以及结合之后对未来的计算推演能力；典型的应用有高速仿真平台、大坝泄洪调度方案比较等等。数字孪生应用-高速仿真平台高速仿真平台通过高精地图、高精地形、交通设施模型库等空间数据，复刻了一个贴近真实世界的数字高速；同时通过摄像头实时车辆识别采集、路侧设备实时数据接入等实时数据感知，构建了一个与真实世界同步的高速数字孪生场景，为交通调度方案推演提供了基础。数字孪生应用-大坝泄洪调度方案推演大坝泄洪调度方案推演：通过将二十年的历史降水、水文、流域地形数据、以及未来天气预报数据进行融合计算，在智能算法的支持下，对不同的泄洪方案进行计算推演，推断任意时刻的不同方案对上下游的水淹程度影像，有效提升了泄洪方案决策的科学性和精确性。三、快速评估数字孪生应用的建设可行性业务方预算数字孪生应用的建设费用相对较高，如果业务方预算很低（小于百万量级），那基本可用判断无法支撑数字孪生的建设成本。业务目标&使用场景•从业务目标判断。如果用户的业务场景是对接现有的GIS系统，接入如ArcGIS等传统GIS系统发布的各类地理数据图层，建设一个面向单一行业属性的业务系统（例如房产登记管理系统），则基本可用判断是传统GIS应用。。数据孪生应用场景通常是统合性的多行业数据融合应用，比如城市大脑、数字驾驶舱等等，综合了三维空间数据以及全域业务数据的综合态势感知和决策平台。•从使用场景判断。如果用户的应用是运行在移动端、PC端等等大量交互、业务流程的三维应用，通常是传统GIS应用。。数据孪生应用场景通常是数据大屏为主，PC应用系统、移动端系统为辅。空