张新长
国际欧亚科学院院士
广州大学地理科学与遥感学院教授
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本文根据国际欧亚科学院院士、广州大学地理科学与遥感学院教授张新长在国地云讲堂所作报告《智慧城市建设中的数字孪生与元宇宙》整理，已经本人审阅。
美国原副总统戈尔于1998年提出“数字地球”，十年后IBM提出“智慧地球”，2018年中国信通院提出“数字孪生城市”，每十年一个跨越。现在“元宇宙”正值风口。空间信息要解决的核心问题是空间和时间的关系。
智慧城市建设起步于二三维地图，发展到虚拟现实，腾飞在数字孪生，发力在元宇宙时代。
起步于二三维地图
社会的发展离不开地图，地图的发展应用过程经历了几个主要阶段。从点线面体的简单的几何相似，到位置等多重属性的叠加迭代的情景模拟，再到基于遥感、卫星导航、地理信息、人工智能等技术的快速发展的实体脉动，逐步形成虚实共荣。
智慧城市的初始形态是数字城市，依托于空间信息、虚拟现实、物联网、时空大数据、人工智能、实景三维等相关技术的高速发展，城市万物相连正在成为现实，同时在不断迭代的云计算的加持下，信息传输速度、数据处理速度、算法也在不断提升，以数字城市为初始形态，智慧城市逐步成型。
发展至虚拟现实
真正地让智慧城市找到了发力点，找到了它的应用，找到了它的模式，是虚拟现实技术的出现。虚拟现实集成了计算机的图形学，多媒体、人工智能、多传感器、 *** 并行处理，以及三维空间形象实现目标的合成。通过视觉、听觉、触觉、图表以及动画方式呈现，动态的、实时的三维图形，使得真实的、现实的世界能够用数字进行有效的表达。由此，我们实现了智慧城市的景观设计、智慧城市环境信息的全面展示，在智能融合中身临其境。
虚拟现实的应用市场非常广泛，从不断涌现的消费级市场到企业级市场，通过虚拟现实技术，地图已经拓展到了一个新的境界。这些都让我们看到了虚拟现实的应用价值。
实景三维中国为智慧城市建设提供了统一的底板与数字基底，也为智慧城市的腾飞奠定了基础。人工智能赋能智慧城市转化为数字孪生城市，就如同城市的大脑，赋予城市思考、学习、分析和判断的能力，在转化的过程中，可以和CIM、城市大脑等平台结合，把实时状态、环境、条件这些物理世界的本体映射到数字空间。
腾飞于数字孪生
数字孪生城市，根据物理世界再创造一个与之1:1影射的数字世界，所生成的镜像是从物理城市的各个要素生成并组合在一起的，主要依托和融合智慧城市相关技术、物联网技术、实景三维技术、人工智能技术等。
如何让物理空间和数字空间联动起来？以城市管理为例，数字孪生就是洞察运营数据，了解城市运营的现状并做出决策，主要通过模拟仿真、机器学习，结合现有的城市运行状态，推演城市的运行规则，实现超前处理决策，生成镜像，实现与整个物理世界互动。
以深圳龙岗iOS系统为数字孪生城市经典案例。在该系统中人、车、物等各类城市要素的实时状态及异常均一目了然。 *** 不同部门的气象数据、交通管制数据、人流量数据于一张地图之上集中呈现并加以动态实时监控。AI智能预警包括烟火自动识别、人群聚集识别、非法入侵等，是通过AI技术自动发现隐患，提前预警，防患于未然。
如何通过IOC协同多部门进行事件处置？油罐车翻车事故报警，IOC打通应急办系统，从应急办获取事故的位置信息。通过数字平台的视频能力，从事故地点的摄像头获取现场之一手视频数据；通过数字平台IMP能力，实时获取事故周边的管道以及可用消防资源数据；通过对接公安以及消防系统，及时获取事故周边可调度资源；通过数字平台的大数据分析及AI算法能力，基于该区域的历史事故数据和经验模型，计算推演出油罐车可能爆炸造成的事故半径，输出本次事故疏散方案，同时通知医院启动救援预案。
通过虚拟平台和现实世界的多个业务部门联动，协同所有的资源围绕事故地点对事故进行更高效的处置，在这个过程中IOC实时监控所有资源的运行状态，实现了全程可视，可控，可决策。
发力于元宇宙
2021年是元宇宙的元年。从中央部委到多个地方 *** 都在超前布局，比如上海十四五规划等等，面向元宇宙的新技术、新概念、新场景应运而生，各个行业都在发力，这是一个很好的机遇。
数字孪生和元宇宙是两个概念。数字孪生，是通过对我们现实世界各种各样的工业化的要求，针对现实世界的形态生成的数字化设计；元宇宙的主要关注对象是人和社会，通过数字化的形式，基于创造的理念进行设计。元宇宙中具有不确定性和不科学性，包括神话和游戏。但是，我们可以充分地利用元宇宙映射技术来完成对现实世界的映射，实现更大限度的交互，比数字孪生可能更上一个台阶。
元宇宙可分为孪生、原生和共生三个阶段。首先虚拟重建现实世界，包括环境、运行和与精神无关的行为信息，以及部分一致的规则沿用，达到高度模拟仿真效果；然后创建虚拟世界新规则，加上现实世界一部分不变规则，通过沉浸融入与精神世界关联度不高的人的行为感知信息，原生出一些新生态丰富现实世界；最后，在原生基础上，通过融入精神感知信息和行为，即人类受刚性规则约束的行为和受精神世界柔性影响的情感行为，真正达到现实世界、虚拟世界和精神世界的三元融合，互为依重，彼此共生。
元宇宙将成为数字体验、物理体验的关键组成，未来巨大的劳动力和前沿技术的集成平台，对智慧城市的建设会产生巨大的作用。元宇宙时代，人们的衣食住行、工作学习，甚至生产生活都会实现更大限度的虚拟化。在虚实融合环境中，通过3D渲染、可交互，穿越时空隧道，真正实现天涯若比邻。
人、自然、社会是地球的基本要素。城市化通过改造环境要素进行环境设计，让我们的生活更加美好，走向文明；数字孪生是从需求的角度进行产品设计，是基于工业化模式来做孪生；元宇宙则要考虑创造关系的需求，通过传播设计提升对物理世界的真实感知。从现实增强的角度，通过集成，丰富虚拟空间的广度和深度；从行为模拟的角度，通过现实世界中真实的动作映射到数字世界。数字孪生城市走向元宇宙，虚实脉动和生命共同体相结合。人的全面参与将会带来平台的变革、重大的突破。总的来讲，数字孪生通过对各种物理空间信息物进行物体扫描，获取物体表面空间坐标，构建立体信息，再转换为数字信号映射到元宇宙。
智能时代的场景革命已经来到，在数字孪生的背景下，通过技术不断地迭代，再通过元宇宙融入加强，使得应用场景越加丰富，越加细腻，满足对我们对美好的生活的追求和向往，其技术革命的进程和影响都是深远的。
