阿里云+數(shù)字孿生核心技術揭秘

數(shù)字享生核心技術揭秘如何對數(shù)字享生應用進行快速技術選型?阿里云開發(fā)者社區(qū)乘風者計劃ALIBABACLOUDDEVELOPERCOMMUNITYthewindzne，p"”"\o"CurrentDocument"目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"數(shù)字孿生核心技術揭秘（一）：渲染引擎 4\o"CurrentDocument"數(shù)字孿生核心技術揭秘（二）：三維模型 26\o"CurrentDocument"數(shù)字孿生核心技術揭秘（三）：傾斜攝影 42\o"CurrentDocument"數(shù)字孿生核心技術揭秘（四）：大規(guī)模植被系統(tǒng)生成 56\o"CurrentDocument"數(shù)字孿生核心技術揭秘（五）：BIM究竟是解藥還是毒藥？ 63\o"CurrentDocument"數(shù)字孿生核心技術揭秘（六）：傳統(tǒng)三維GIS與數(shù)字孿生的區(qū)別 72數(shù)字孿生核心技術揭秘數(shù)字孿生核心技術揭秘（一）：渲染引擎 \o"CurrentDocument"數(shù)字孿生核心技術揭秘（六）：傳統(tǒng)三維GIS與數(shù)字孿生的區(qū)別\o"CurrentDocument"簡介：當前對"數(shù)字孿生城市"沒有一個嚴格界定的標準，本質上"數(shù)字孿生城市"是在傳統(tǒng)三維GIS應用的基礎上演化而來；隨著技術創(chuàng)新和行業(yè)需求的發(fā)展，兩者的差異也越來越大；本文梳理了兩者的異同，同時比較了兩者的適用場景。前言：本文的目的不是嘗試去給"數(shù)字孿生城市'’項目下一個嚴格的定義，而是通過分析與傳統(tǒng)三維GIS應用的異同，厘清"數(shù)字孿生項目'’的建設成本與目標，有效管理客戶期望和項目交付成本。一、“數(shù)字孿生"標簽滿天飛的亂象與危害"數(shù)字學生"建設亂象隨著國家制定推出"實景中國"、“CIM城市"等智慧城市鼓勵政策，"數(shù)字孿生"已經(jīng)成為行業(yè)領域的頂流詞匯；目前絕大多數(shù)智慧城市類項目都貼上了"數(shù)字孿生”的標簽以獲取更高的利潤，不僅僅是城市運營管理領域，水利、電力、園區(qū)管理等領域也紛紛冠以"數(shù)字孿生"名號。目前行業(yè)內"舊瓶裝新酒"、“張冠李戴'’的現(xiàn)象十分普遍，很多號稱"數(shù)字孿生城市"的項目其實也就是傳統(tǒng)三維GIS應用項目換了個名字，讓很多客戶認為"數(shù)字孿生"是一個行業(yè)炒作的偽概念。"數(shù)字學生"標簽濫用的危害1）客戶對項目期望畸高，對“數(shù)字孿生”建設成本缺乏合理認知目前很多行業(yè)頭部廠商的策略是不計代價打造一兩個標桿案例，然后通過大力洗腦客戶上馬數(shù)字孿生項目。標桿案例效果往往讓客戶的期望值上升非常高，對于項目建設成本缺乏合理認知。一個真實的典型案例:客戶已經(jīng)建設有地理信息平臺，有一定存量的地理服務資源、傾斜攝影、3dMax模型等等，在銷售人員的推介下就認為已經(jīng)具備建設"數(shù)字孿生”項目的基礎條件；然而要達到廠商標桿案例的效果，當前歷史GIS平臺的數(shù)據(jù)的精度、格式都是無法直接使用的，都需要進行格式轉換、模型重建等工作，更不用說需要采集大量的IOT數(shù)據(jù)、對現(xiàn)有的業(yè)務數(shù)據(jù)進行時空融合等高成本數(shù)據(jù)治理工作。同時，廠商的炫酷標桿案例背后，往往還攜帶了復雜的算法資源支持，這也是一項客戶容易忽視的巨大成本支出。因此，"數(shù)字孿生”標簽濫用讓很多客戶對項目產(chǎn)生了不切實際的期望值，同時又忽略了相應的建設成本。2）行業(yè)廠商無法控制成本，造成項目質量地下由于客戶的期望被"數(shù)字孿生'’的光環(huán)拉高的同時，又缺乏對場景復刻、數(shù)據(jù)融合、智能算法等新增巨大成本的認知，交付廠商往往"巧婦難為無米之炊"，最終只能降低交付標準，實際交付結果和標桿項目"樣板間"相差甚遠，甲、乙雙方都不滿丿a'\。驅動"數(shù)字學生"濫用原因1） 客戶對新技術的熱情在"城市大腦"等成功案例的影響下，傳統(tǒng)企業(yè)和政府單位對互聯(lián)網(wǎng)技術改造傳統(tǒng)行業(yè)有著殷切期望，尤其是對"新技術解決老問題"有著無比熱情。同時，擁抱新技術本身也成為了地方政府先進治理理念的指標之一。2） 傳統(tǒng)廠商的商業(yè)利益驅動如同今年爆紅的"元宇宙'’概念一樣，F(xiàn)acebook將公司名稱改成了Meta,眾多GIS相關廠商也紛紛將傳統(tǒng)三維GIS應用系統(tǒng)改成了"數(shù)字孿生應用"；因為GIS行業(yè)本身是一個成熟的競爭激烈的市場，而且"數(shù)字孿生應用'’往往比傳統(tǒng)GIS應用售價高且受客戶歡迎。二、 數(shù)字孿生應用與傳統(tǒng)三維GIS應用的異同當前對"數(shù)字孿生城市"沒有一個嚴格界定的標準，本質上"數(shù)字孿生城市"是在傳統(tǒng)三維GIS應用的基礎上演化而來；隨著技術創(chuàng)新和行業(yè)需求的發(fā)展，兩者的差異也越來越大；兩者的異同可以從以下幾方面進行比較：兩者相似點1） 相似的展現(xiàn)形式：都會用到三維引擎渲染兩者最直觀的相似點都是三維空間的展示和應用，"數(shù)字孿生城市”和傳統(tǒng)三維GIS應用都用到了實時三維渲染引擎，都會加載三維模型。市場上大多數(shù)"數(shù)字孿生城市”常用游戲渲染引擎，比如UE4、Unity，或者基于游戲引擎二次開發(fā)的產(chǎn)品如DataV.CityV、Twinmotion、光輝城市；少部分用專門的自研時空渲染引擎如DataVCityPro;常見的三維GIS引擎有mapbox、cesium、googleearth等等。2） 相似的數(shù)據(jù)基礎：都是基于真實地理空間數(shù)據(jù)因為需要構建真實的地理空間，"數(shù)字孿生城市”和傳統(tǒng)三維GIS應用都用到了大量空間數(shù)據(jù)，比如二維矢量地理數(shù)據(jù)、三維模型、衛(wèi)星影像、點云、地形數(shù)據(jù)等等。核心差異點1）不同的用戶體驗：抽象的靜態(tài)空間VS真實物理世界映射傳統(tǒng)三維GIS應用用戶體驗：僅提供業(yè)務有需求的必要空間要素，如提供建筑、道路等等，不提供豐富視覺的山體、植被、城市部件等精細的場景要素。對空間數(shù)據(jù)的準確性還原非常嚴謹，但是對視覺效果沒有太強的要求和實現(xiàn)，很多時候僅提供基礎的光照模型；距離真實感還有很大距離。GIS應用通常是一個靜態(tài)場景：將各種地理空間數(shù)據(jù)以OGC標準發(fā)布為靜態(tài)資源，一層層疊加起來加以分析應用?？偨Y：傳統(tǒng)GIS三維應用是一個抽象的靜態(tài)空間。典型的數(shù)字孿生應用數(shù)字孿生場景的用戶體驗:復刻真實世界的直觀感受：除了業(yè)務直接相關的空間要素，其他真實世界的要素也復刻完備?？臻g數(shù)據(jù)細節(jié)遠遠高于傳統(tǒng)GIS應用：采用高精地圖還原道路，采用BIM模型還原建筑等等。-動態(tài)空間：數(shù)字孿生場景中的實體,如車輛、人群、天氣狀況等，往往都是受真實數(shù)據(jù)驅動的動態(tài)實體。總結：數(shù)字孿生場景是一個動態(tài)的真實物理世界映射。2）不同精度的空間數(shù)據(jù)要求：數(shù)字孿生場景空間數(shù)據(jù)要求比GIS場景更高由于數(shù)字孿生場景需要復刻真實世界'很多在傳統(tǒng)GIS應用場景中可選的空間數(shù)據(jù)，在數(shù)字孿生場景場景下成了必需基礎前提，比如高精地圖、BIM、精細LOD模型等等。與標精地圖僅提供車道線等基礎信息相比，高精地圖使用真實道路的完整元素（直線、曲線、回旋線、超高剖面、車道、信號、路側設施等）精確描述模擬道路，為真實交通感知數(shù)據(jù)與道路空間數(shù)據(jù)進行精準融合提供了空間基礎，?常見的數(shù)據(jù)標準有OpenDrive、百度Apoll。等。BIM包含的是城市建筑物的空間信息,GIS提供建筑物之外的空間信息，兩者互相融合建立了一個包含城市海量信息的數(shù)據(jù)模型，加上物聯(lián)網(wǎng)iot數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了城市空間全域、實時數(shù)據(jù)的覆蓋?；凇癈IM=GIS+BIM+IOT〃的概念模型，BIM為數(shù)字孿生應用場景提供了巨大想象空間；以BIM為室內定位提供精確空間支撐數(shù)據(jù)，GIS提供精準的地理位置、建筑物周邊環(huán)境總體展現(xiàn)和空間地理信息分析；通過和IOT實時數(shù)據(jù)進行融合，將基于BIM的數(shù)字孿生的應用范疇從單一化建筑物到建筑群及其道路、隧道、鐵路、港口、水電等工程領域都可以實現(xiàn)覆蓋。符合PBR美術標準的L4高精手工模型數(shù)字孿生場景與傳統(tǒng)GIS應用比，對手工模型的精度和藝術表現(xiàn)的要求也提高了很多，包括幾何體的精細程度、模型表面材質的金屬特性、粗糙特性、表面凹凸細節(jié)等等都有細致刻畫要求，以便“基于物理渲染〃的三維引擎進行真實還原，盡量復刻逼真的空間場景。3）不同的空間數(shù)據(jù)應用形式：疊加模式VS融合模式“千層餅〃式的疊加模式:傳統(tǒng)三維GIS應用通常將三維空間數(shù)據(jù)進行切片、分塊，作為地理數(shù)據(jù)圖層進行流式加載。

傳統(tǒng)三維GIS應用中空間數(shù)據(jù)的分層疊加“雞尾酒”式的融合模式：數(shù)字孿生場景為了實現(xiàn)更加貼近真實世界的場景復刻，通常會將多種空間數(shù)據(jù)融合計算生成場景要素，比如結合衛(wèi)星影像、地形數(shù)據(jù)對植被進行計算生成；由此帶來了更多的數(shù)據(jù)加工處理步驟和成本。數(shù)字孿生應用中空間數(shù)據(jù)的融合以數(shù)字孿生場景中植被的生成舉例，涉及到地形數(shù)據(jù)高程提取、坡向分析、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)視覺算法分析、矢量二維地理數(shù)據(jù)的分析，以及對不同LOD層級的不同植被模型進行POI實例化匹配，最終渲染成地理分布合理、空間分布合理的自動化生成植被。

數(shù)字孿生場景中植被的生成流程4）不同的建設成本：數(shù)字孿生應用比傳統(tǒng)GIS應用成本高一個數(shù)量級以上數(shù)字孿生應用與傳統(tǒng)三維GIS應用建設成本比較-空間數(shù)據(jù)成本。 數(shù)字孿生應用與傳統(tǒng)GIS應用相比，會用到成本較高精細數(shù)據(jù)，如BIM模型、高精地圖、PBR精細模型等，采購成本較高。。數(shù)據(jù)加工成本：傳統(tǒng)GIS應用將空間數(shù)據(jù)利用ArcGis、超圖等GIS系統(tǒng)進行瓦片切片發(fā)布后即可疊加使用；數(shù)字孿生應用不會直接使用GIS應用的。GC地理數(shù)據(jù)資源，需要融合多種空間數(shù)據(jù)進行計算，生成統(tǒng)一的空間基底，涉及算法、存儲等成本，導致數(shù)據(jù)加工成本高。?應用開發(fā)成本。傳統(tǒng)GIS應用往往服務于某個行業(yè)或者業(yè)務。。數(shù)字孿生應用往往是綜合平臺，包括整個城市總覽、城市管理、政務、交通、安全、環(huán)保等各部門數(shù)據(jù)接入、打通、融合的場景屢見不鮮，整體應用開發(fā)工作量遠超傳統(tǒng)GIS應用。?算法成本。傳統(tǒng)GIS應用往往對算法沒有太強依賴，或者GIS廠商提供工具化空間分析功能。。數(shù)字孿生應用的業(yè)務目標通常包括"智能化”轉型升級，依賴大量的行業(yè)算法比如車路協(xié)同、水仿真、人臉識別與處理等等；由此帶來的成本非?？捎^。?硬件成本&云計算資源成本。傳統(tǒng)GIS應用通常對客戶端計算機硬件沒有大高的要求，有服務端應用也是標準化部署。。數(shù)字孿生應用一般對客戶端計算機要求非常高，比如頂配的CPU與顯卡，采購成本很高；對于服務端硬件，往往需要多種云計算基礎資源，甚至是需要非標準化部署才能滿足需求。。數(shù)字孿生應用通常有數(shù)據(jù)大屏場景，本身大屏硬件的采購也是一個巨大成本。5）不同的業(yè)務目標：“融合計算、仿真推演”是數(shù)字孿生應用的終極目標傳統(tǒng)的三維GIS應用通常將各類空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標系和投影方式之后，在同一空間范圍內進行層次堆疊的方式進行融合，并提供基于靜態(tài)空間數(shù)據(jù)的一系列空間分析方法，如可視域分析、淹沒分析、天際線分析等等。數(shù)字孿生應用不僅僅是靜態(tài)三維空間的構建，更關鍵的是空間場景內實時設備數(shù)據(jù)的感知、智能化算法應用、業(yè)務數(shù)據(jù)治理與空間融合，以及結合之后對未來的計算推演能力；典型的應用有高速仿真平臺、大壩泄洪調度方案比較等等。數(shù)字孿生應用-高速仿真平臺高速仿真平臺通過高精地圖、高精地形、交通設施模型庫等空間數(shù)據(jù)，復刻了一個貼近真實世界的數(shù)字高速；同時通過攝像頭實時車輛識別采集、路側設備實時數(shù)據(jù)接入等實時數(shù)據(jù)感知，構建了一個與真實世界同步的高速數(shù)字孿生場景，為交通調度方案推演提供了基礎。數(shù)字孿生應用-大壩泄洪調度方案推演大壩泄洪調度方案推演：通過將二十年的歷史降水、水文、流域地形數(shù)據(jù)、以及未來天氣預報數(shù)據(jù)進行融合計算，在智能算法的支持下，對不同的泄洪方案進行計算推演，推斷任意時刻的不同方案對上下游的水淹程度影像，有效提升了泄洪方案決策的科學性和精確性。三、快速評估數(shù)字孿生應用的建設可行性業(yè)務方預算數(shù)字孿生應用的建設費用相對較高，如果業(yè)務方預算很低（小于百萬量級），那基本可用判斷無法支撐數(shù)字孿生的建設成本。業(yè)務目標&使用場景?從業(yè)務目標判斷。如果用戶的業(yè)務場景是對接現(xiàn)有的GIS系統(tǒng)，接入如ArcGIS等傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)發(fā)布的各類地理數(shù)據(jù)圖層，建設一個面向單一行業(yè)屬性的業(yè)務系統(tǒng)（例如房產(chǎn)登記管理系統(tǒng)），則基本可用判斷是傳統(tǒng)GIS應用。。數(shù)據(jù)孿生應用場景通常是統(tǒng)合性的多行業(yè)數(shù)據(jù)融合應用，比如城市大腦、數(shù)字駕駛艙等等，綜合了三維空間數(shù)據(jù)以及全域業(yè)務數(shù)據(jù)的綜合態(tài)勢感知和決策平臺。?從使用場景判斷。如果用戶的應用是運行在移動端、PC端等等大量交互、業(yè)務流程的三維應用，通常是傳統(tǒng)GIS應用。。數(shù)據(jù)孿生應用場景通常是數(shù)據(jù)大屏為主，PC應用系統(tǒng)、移動端系統(tǒng)為輔?？?/p>