阿里云+數(shù)字孿生核心技術(shù)揭秘

數(shù)字享生核心技術(shù)揭秘如何對(duì)數(shù)字享生應(yīng)用進(jìn)行快速技術(shù)選型?阿里云開發(fā)者社區(qū)乘風(fēng)者計(jì)劃ALIBABACLOUDDEVELOPERCOMMUNITYthewindzne，p"”"\o"CurrentDocument"目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"數(shù)字孿生核心技術(shù)揭秘（一）：渲染引擎 4\o"CurrentDocument"數(shù)字孿生核心技術(shù)揭秘（二）：三維模型 26\o"CurrentDocument"數(shù)字孿生核心技術(shù)揭秘（三）：傾斜攝影 42\o"CurrentDocument"數(shù)字孿生核心技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)揭秘?cái)?shù)字孿生核心技術(shù)揭秘（一）：渲染引擎 \o"CurrentDocument"數(shù)字孿生核心技術(shù)揭秘（六）：傳統(tǒng)三維GIS與數(shù)字孿生的區(qū)別\o"CurrentDocument"簡(jiǎn)介：當(dāng)前對(duì)"數(shù)字孿生城市"沒有一個(gè)嚴(yán)格界定的標(biāo)準(zhǔn)，本質(zhì)上"數(shù)字孿生城市"是在傳統(tǒng)三維GIS應(yīng)用的基礎(chǔ)上演化而來；隨著技術(shù)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(shí)比較了兩者的適用場(chǎng)景。前言：本文的目的不是嘗試去給"數(shù)字孿生城市'’項(xiàng)目下一個(gè)嚴(yán)格的定義，而是通過分析與傳統(tǒng)三維GIS應(yīng)用的異同，厘清"數(shù)字孿生項(xiàng)目'’的建設(shè)成本與目標(biāo)，有效管理客戶期望和項(xiàng)目交付成本。一、“數(shù)字孿生"標(biāo)簽滿天飛的亂象與危害"數(shù)字學(xué)生"建設(shè)亂象隨著國(guó)家制定推出"實(shí)景中國(guó)"、“CIM城市"等智慧城市鼓勵(lì)政策，"數(shù)字孿生"已經(jīng)成為行業(yè)領(lǐng)域的頂流詞匯；目前絕大多數(shù)智慧城市類項(xiàng)目都貼上了"數(shù)字孿生”的標(biāo)簽以獲取更高的利潤(rùn)，不僅僅是城市運(yùn)營(yíng)管理領(lǐng)域，水利、電力、園區(qū)管理等領(lǐng)域也紛紛冠以"數(shù)字孿生"名號(hào)。目前行業(yè)內(nèi)"舊瓶裝新酒"、“張冠李戴'’的現(xiàn)象十分普遍，很多號(hào)稱"數(shù)字孿生城市"的項(xiàng)目其實(shí)也就是傳統(tǒng)三維GIS應(yīng)用項(xiàng)目換了個(gè)名字，讓很多客戶認(rèn)為"數(shù)字孿生"是一個(gè)行業(yè)炒作的偽概念。"數(shù)字學(xué)生"標(biāo)簽濫用的危害1）客戶對(duì)項(xiàng)目期望畸高，對(duì)“數(shù)字孿生”建設(shè)成本缺乏合理認(rèn)知目前很多行業(yè)頭部廠商的策略是不計(jì)代價(jià)打造一兩個(gè)標(biāo)桿案例，然后通過大力洗腦客戶上馬數(shù)字孿生項(xiàng)目。標(biāo)桿案例效果往往讓客戶的期望值上升非常高，對(duì)于項(xiàng)目建設(shè)成本缺乏合理認(rèn)知。一個(gè)真實(shí)的典型案例:客戶已經(jīng)建設(shè)有地理信息平臺(tái)，有一定存量的地理服務(wù)資源、傾斜攝影、3dMax模型等等，在銷售人員的推介下就認(rèn)為已經(jīng)具備建設(shè)"數(shù)字孿生”項(xiàng)目的基礎(chǔ)條件；然而要達(dá)到廠商標(biāo)桿案例的效果，當(dāng)前歷史GIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)的精度、格式都是無法直接使用的，都需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)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(duì)現(xiàn)有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空融合等高成本數(shù)據(jù)治理工作。同時(shí)，廠商的炫酷標(biāo)桿案例背后，往往還攜帶了復(fù)雜的算法資源支持，這也是一項(xiàng)客戶容易忽視的巨大成本支出。因此，"數(shù)字孿生”標(biāo)簽濫用讓很多客戶對(duì)項(xiàng)目產(chǎn)生了不切實(shí)際的期望值，同時(shí)又忽略了相應(yīng)的建設(shè)成本。2）行業(yè)廠商無法控制成本，造成項(xiàng)目質(zhì)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(shí)，又缺乏對(duì)場(chǎng)景復(fù)刻、數(shù)據(jù)融合、智能算法等新增巨大成本的認(rèn)知，交付廠商往往"巧婦難為無米之炊"，最終只能降低交付標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際交付結(jié)果和標(biāo)桿項(xiàng)目"樣板間"相差甚遠(yuǎn)，甲、乙雙方都不滿丿a'\。驅(qū)動(dòng)"數(shù)字學(xué)生"濫用原因1） 客戶對(duì)新技術(shù)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(duì)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改造傳統(tǒng)行業(yè)有著殷切期望，尤其是對(duì)"新技術(shù)解決老問題"有著無比熱情。同時(shí)，擁抱新技術(shù)本身也成為了地方政府先進(jìn)治理理念的指標(biāo)之一。2） 傳統(tǒng)廠商的商業(yè)利益驅(qū)動(dòng)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(guān)廠商也紛紛將傳統(tǒng)三維GIS應(yīng)用系統(tǒng)改成了"數(shù)字孿生應(yīng)用"；因?yàn)镚IS行業(yè)本身是一個(gè)成熟的競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)，而且"數(shù)字孿生應(yīng)用'’往往比傳統(tǒng)GIS應(yīng)用售價(jià)高且受客戶歡迎。二、 數(shù)字孿生應(yīng)用與傳統(tǒng)三維GIS應(yīng)用的異同當(dāng)前對(duì)"數(shù)字孿生城市"沒有一個(gè)嚴(yán)格界定的標(biāo)準(zhǔn)，本質(zhì)上"數(shù)字孿生城市"是在傳統(tǒng)三維GIS應(yīng)用的基礎(chǔ)上演化而來；隨著技術(shù)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(jìn)行比較：兩者相似點(diǎn)1） 相似的展現(xiàn)形式：都會(huì)用到三維引擎渲染兩者最直觀的相似點(diǎn)都是三維空間的展示和應(yīng)用，"數(shù)字孿生城市”和傳統(tǒng)三維GIS應(yīng)用都用到了實(shí)時(shí)三維渲染引擎，都會(huì)加載三維模型。市場(chǎng)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(shí)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(chǔ)：都是基于真實(shí)地理空間數(shù)據(jù)因?yàn)樾枰獦?gòu)建真實(shí)的地理空間，"數(shù)字孿生城市”和傳統(tǒng)三維GIS應(yīng)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(diǎn)云、地形數(shù)據(jù)等等。核心差異點(diǎn)1）不同的用戶體驗(yàn)：抽象的靜態(tài)空間VS真實(shí)物理世界映射傳統(tǒng)三維GIS應(yīng)用用戶體驗(yàn)：僅提供業(yè)務(wù)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(xì)的場(chǎng)景要素。對(duì)空間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性還原非常嚴(yán)謹(jǐn)，但是對(duì)視覺效果沒有太強(qiáng)的要求和實(shí)現(xiàn)，很多時(shí)候僅提供基礎(chǔ)的光照模型；距離真實(shí)感還有很大距離。GIS應(yīng)用通常是一個(gè)靜態(tài)場(chǎng)景：將各種地理空間數(shù)據(jù)以O(shè)GC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布為靜態(tài)資源，一層層疊加起來加以分析應(yīng)用?？偨Y(jié)：傳統(tǒng)GIS三維應(yīng)用是一個(gè)抽象的靜態(tài)空間。典型的數(shù)字孿生應(yīng)用數(shù)字孿生場(chǎng)景的用戶體驗(yàn):復(fù)刻真實(shí)世界的直觀感受：除了業(yè)務(wù)直接相關(guān)的空間要素，其他真實(shí)世界的要素也復(fù)刻完備?？臻g數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)GIS應(yīng)用：采用高精地圖還原道路，采用BIM模型還原建筑等等。-動(dòng)態(tài)空間：數(shù)字孿生場(chǎng)景中的實(shí)體,如車輛、人群、天氣狀況等，往往都是受真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)實(shí)體?？偨Y(jié)：數(shù)字孿生場(chǎng)景是一個(gè)動(dòng)態(tài)的真實(shí)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(chǎng)景空間數(shù)據(jù)要求比GIS場(chǎng)景更高由于數(shù)字孿生場(chǎng)景需要復(fù)刻真實(shí)世界'很多在傳統(tǒng)GIS應(yīng)用場(chǎng)景中可選的空間數(shù)據(jù)，在數(shù)字孿生場(chǎng)景場(chǎng)景下成了必需基礎(chǔ)前提，比如高精地圖、BIM、精細(xì)LOD模型等等。與標(biāo)精地圖僅提供車道線等基礎(chǔ)信息相比，高精地圖使用真實(shí)道路的完整元素（直線、曲線、回旋線、超高剖面、車道、信號(hào)、路側(cè)設(shè)施等）精確描述模擬道路，為真實(shí)交通感知數(shù)據(jù)與道路空間數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)融合提供了空間基礎(chǔ)，?常見的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(shí)現(xiàn)了城市空間全域、實(shí)時(shí)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(yīng)用場(chǎng)景提供了巨大想象空間；以BIM為室內(nèi)定位提供精確空間支撐數(shù)據(jù)，GIS提供精準(zhǔn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，將基于BIM的數(shù)字孿生的應(yīng)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(lǐng)域都可以實(shí)現(xiàn)覆蓋。符合PBR美術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的L4高精手工模型數(shù)字孿生場(chǎng)景與傳統(tǒng)GIS應(yīng)用比，對(duì)手工模型的精度和藝術(shù)表現(xiàn)的要求也提高了很多，包括幾何體的精細(xì)程度、模型表面材質(zhì)的金屬特性、粗糙特性、表面凹凸細(xì)節(jié)等等都有細(xì)致刻畫要求，以便“基于物理渲染〃的三維引擎進(jìn)行真實(shí)還原，盡量復(fù)刻逼真的空間場(chǎng)景。3）不同的空間數(shù)據(jù)應(yīng)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(yīng)用通常將三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行切片、分塊，作為地理數(shù)據(jù)圖層進(jìn)行流式加載。

傳統(tǒng)三維GIS應(yīng)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(chǎng)景為了實(shí)現(xiàn)更加貼近真實(shí)世界的場(chǎng)景復(fù)刻，通常會(huì)將多種空間數(shù)據(jù)融合計(jì)算生成場(chǎng)景要素，比如結(jié)合衛(wèi)星影像、地形數(shù)據(jù)對(duì)植被進(jìn)行計(jì)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(yīng)用中空間數(shù)據(jù)的融合以數(shù)字孿生場(chǎng)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(duì)不同LOD層級(jí)的不同植被模型進(jìn)行POI實(shí)例化匹配，最終渲染成地理分布合理、空間分布合理的自動(dòng)化生成植被。

數(shù)字孿生場(chǎng)景中植被的生成流程4）不同的建設(shè)成本：數(shù)字孿生應(yīng)用比傳統(tǒng)GIS應(yīng)用成本高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上數(shù)字孿生應(yīng)用與傳統(tǒng)三維GIS應(yīng)用建設(shè)成本比較-空間數(shù)據(jù)成本。 數(shù)字孿生應(yīng)用與傳統(tǒng)GIS應(yīng)用相比，會(huì)用到成本較高精細(xì)數(shù)據(jù)，如BIM模型、高精地圖、PBR精細(xì)模型等，采購(gòu)成本較高。。數(shù)據(jù)加工成本：傳統(tǒng)GIS應(yīng)用將空間數(shù)據(jù)利用ArcGis、超圖等GIS系統(tǒng)進(jìn)行瓦片切片發(fā)布后即可疊加使用；數(shù)字孿生應(yīng)用不會(huì)直接使用GIS應(yīng)用的。GC地理數(shù)據(jù)資源，需要融合多種空間數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，生成統(tǒng)一的空間基底，涉及算法、存儲(chǔ)等成本，導(dǎo)致數(shù)據(jù)加工成本高。?應(yīng)用開發(fā)成本。傳統(tǒng)GIS應(yīng)用往往服務(wù)于某個(gè)行業(yè)或者業(yè)務(wù)。。數(shù)字孿生應(yīng)用往往是綜合平臺(tái)，包括整個(gè)城市總覽、城市管理、政務(wù)、交通、安全、環(huán)保等各部門數(shù)據(jù)接入、打通、融合的場(chǎng)景屢見不鮮，整體應(yīng)用開發(fā)工作量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)GIS應(yīng)用。?算法成本。傳統(tǒng)GIS應(yīng)用往往對(duì)算法沒有太強(qiáng)依賴，或者GIS廠商提供工具化空間分析功能。。數(shù)字孿生應(yīng)用的業(yè)務(wù)目標(biāo)通常包括"智能化”轉(zhuǎn)型升級(jí)，依賴大量的行業(yè)算法比如車路協(xié)同、水仿真、人臉識(shí)別與處理等等；由此帶來的成本非常可觀。?硬件成本&云計(jì)算資源成本。傳統(tǒng)GIS應(yīng)用通常對(duì)客戶端計(jì)算機(jī)硬件沒有大高的要求，有服務(wù)端應(yīng)用也是標(biāo)準(zhǔn)化部署。。數(shù)字孿生應(yīng)用一般對(duì)客戶端計(jì)算機(jī)要求非常高，比如頂配的CPU與顯卡，采購(gòu)成本很高；對(duì)于服務(wù)端硬件，往往需要多種云計(jì)算基礎(chǔ)資源，甚至是需要非標(biāo)準(zhǔn)化部署才能滿足需求。。數(shù)字孿生應(yīng)用通常有數(shù)據(jù)大屏場(chǎng)景，本身大屏硬件的采購(gòu)也是一個(gè)巨大成本。5）不同的業(yè)務(wù)目標(biāo)：“融合計(jì)算、仿真推演”是數(shù)字孿生應(yīng)用的終極目標(biāo)傳統(tǒng)的三維GIS應(yīng)用通常將各類空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一坐標(biāo)系和投影方式之后，在同一空間范圍內(nèi)進(jìn)行層次堆疊的方式進(jìn)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(yīng)用不僅僅是靜態(tài)三維空間的構(gòu)建，更關(guān)鍵的是空間場(chǎng)景內(nèi)實(shí)時(shí)設(shè)備數(shù)據(jù)的感知、智能化算法應(yīng)用、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)治理與空間融合，以及結(jié)合之后對(duì)未來的計(jì)算推演能力；典型的應(yīng)用有高速仿真平臺(tái)、大壩泄洪調(diào)度方案比較等等。數(shù)字孿生應(yīng)用-高速仿真平臺(tái)高速仿真平臺(tái)通過高精地圖、高精地形、交通設(shè)施模型庫等空間數(shù)據(jù)，復(fù)刻了一個(gè)貼近真實(shí)世界的數(shù)字高速；同時(shí)通過攝像頭實(shí)時(shí)車輛識(shí)別采集、路側(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)感知，構(gòu)建了一個(gè)與真實(shí)世界同步的高速數(shù)字孿生場(chǎng)景，為交通調(diào)度方案推演提供了基礎(chǔ)。數(shù)字孿生應(yīng)用-大壩泄洪調(diào)度方案推演大壩泄洪調(diào)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(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合計(jì)算，在智能算法的支持下，對(duì)不同的泄洪方案進(jìn)行計(jì)算推演，推斷任意時(shí)刻的不同方案對(duì)上下游的水淹程度影像，有效提升了泄洪方案決策的科學(xué)性和精確性。三、快速評(píng)估數(shù)字孿生應(yīng)用的建設(shè)可行性業(yè)務(wù)方預(yù)算數(shù)字孿生應(yīng)用的建設(shè)費(fèi)用相對(duì)較高，如果業(yè)務(wù)方預(yù)算很低（小于百萬量級(jí)），那基本可用判斷無法支撐數(shù)字孿生的建設(shè)成本。業(yè)務(wù)目標(biāo)&使用場(chǎng)景?從業(yè)務(wù)目標(biāo)判斷。如果用戶的業(yè)務(wù)場(chǎng)景是對(duì)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(shè)一個(gè)面向單一行業(yè)屬性的業(yè)務(wù)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(yīng)用。。數(shù)據(jù)孿生應(yīng)用場(chǎng)景通常是統(tǒng)合性的多行業(yè)數(shù)據(jù)融合應(yīng)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(wù)數(shù)據(jù)的綜合態(tài)勢(shì)感知和決策平臺(tái)。?從使用場(chǎng)景判斷。如果用戶的應(yīng)用是運(yùn)行在移動(dòng)端、PC端等等大量交互、業(yè)務(wù)流程的三維應(yīng)用，通常是傳統(tǒng)GIS應(yīng)用。。數(shù)據(jù)孿生應(yīng)用場(chǎng)景通常是數(shù)據(jù)大屏為主，PC應(yīng)用系統(tǒng)、移動(dòng)端系統(tǒng)為輔?？?/p>