李德仁院士在第十一届全球地理信息开发者大会上表示，数字孪生城市的构建将引发城市智慧化管理和服务的颠覆性创新。数字孪生这个起源于工业领域大型装备虚拟制造的概念，正从一个技术概念，演变成一种新转型路径、新变革动力，成为智慧城市的升级引擎。在不改变城市原有物理空间的前提下，数字孪生技术克隆出对应的虚拟数字世界，使不可见的城市隐形秩序显性化，从而让城市治理效率大大提升。2021年“探索建设数字孪生城市”被写入《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，各地数字孪生城市的建设热情空前高涨。
作为华南地区历史最久、规模最大、专业最齐全的规划勘测设计高新技术单位，广州市城市规划勘测设计研究院（以下简称：广州市规划院）依托多年来服务智慧城市建设所积累的经验与实力，紧跟市场动向，提前布局数字孪生技术研发，用一支高素质高水平专业团队攻克一道道技术难题，实现了物理世界在虚拟空间的精准映射与衔接，不断优化打磨三维虚拟场景的视觉效果，创造身临其境的“大片”体验，在自然资源管理、城市规划设计、重大工程建设、城市精细治理和公众品质生活等城市发展全链路上实现了多场景的应用探索，形成了一整套服务政府、企业、公众的数字孪生城市建设解决方案。
01创新团队：标准化、高水平打造数字孪生工厂
技术研发的核心要素是人才，广州市规划院为加快研发效能、取得技术突破，成功组建一支由中国测绘学会青年测绘科技创新人才领衔，平均学历硕士以上的专业开发团队，涵盖前期数据获取、中期数据处理与底层搭建、后期平台开发等全流程环节，保障生产实力和技术创新能力走在前列。其中超过500人的专业外业测量团队有效保障实景三维数据生产的效率和高品质，开发团队则覆盖前端开发、GIS引擎开发、UE开发、地编开发和模型开发，专业人员数量超200。
团队围绕数字孪生标准化工作流程、精度检验、常见问题等内容编写了适用于数字孪生三维建模工作的《城市数字孪生建模工作指引》，同时根据场景面积大小和对模型材质、精细度等细节的需求将模型分为LOD1-LOD5共5个层级，提升了建模与应用的契合度。
图 1城市数字孪生工作标准模型分级
以人才为基础，以标准为指引，广州市规划院成功建立起流程化生产、数字化管理的“数字孪生工厂”生产模式，将“数据、任务、人员、软件、算法”连接起来，形成一体化完整生产工艺流程和多人在线协同生产体系。融合数字孪生分级标准，按照场景范围、精细度对数字孪生进行分层分级建设，采用中仿真场景用参数化建模的方式生成，高仿真场景以实景三维为基础全流程实施质量控制生产，全仿真场景则部分采用物理渲染的方式生成，为客户提供精度可选、效果可选的多层级数字孪生产品。
02虚实映射：“双引擎”支撑虚实空间精准匹配
真实地理信息数据在虚拟空间的精准坐标匹配是数字孪生城市建设的关键难题，只有实现精准的虚实映射，才能让已有的地理时空数据资源在三维空间被充分利用起来。广州市规划院创造性构建“GIS+UE”双引擎，实现传统三维GIS分析工具与UE平台的底层互通，支持将GIS数据直接导入虚幻引擎中准确、真实、快速地还原真实世界，并于数字孪生平台中对GIS数据进行高性能渲染。
游戏引擎的实时渲染是传统GIS软件所不具备的能力，双引擎实现了对大规模真实地理坐标的三维GIS数据的接入与可视化，借助模型优化和轻量化手段、LOD层级加载策略以及虚实坐标配准算法等技术，实现了城市全要素类别地理数据的集成与融合，可动态加载海量多源异构数据（包括实景三维、激光点云、BIM等）。此外，双引擎内置丰富的空间分析工具集，支持大量三维空间分析功能，包括可视域分析、天际线分析、缓冲区分析等，具有很好的功能覆盖广度和完备度，分析过程实时计算，分析结果可量化表达，为城市规划、智慧城市、数字孪生城市等各项建设提供决策支持。
图 2“GIS+UE”双引擎
同时，双引擎通过接入第三方传感器数据，建立时序传感器数据库，实现城市级海量多源传感器的统一汇聚和空间落位，可以实时监测了解设备运转情况并进行控制，达到“孪生+物联”感知目标，满足多尺度场景下高效管理要求（如楼宇智控等），为多种业务应用赋能。
利用5G高安全、高通量、低时延优势，基于MQTT协议与高性能时序数据库引擎，提供百万高效写入，高压缩比低成本存储、预降采样、插值、多维聚合计算，实现全天候、多层次监测数据高效、稳定传输与信息自适应融合，实现真实世界物联网数据与数字孪生世界的虚实配准，能够实现对不同尺度场景下气候环境、火灾、地震等事故等事件的全面监测，准确掌握城市运行现状的健康程度，为管理部门提供决策依据。
图 3物联感知设备空间精准落位与控制管理
03效果升级：多视角真实呈现全空间孪生场景
为在数字空间真实还原物理世界，带来沉浸式视觉体验，广州市规划院在数字孪生场景、要素等模型的精细度和视觉效果上狠下功夫，主打的数字孪生产品既能提供多场景漫游视角体验，也支持时间与天气仿真模拟，同时加载了大量三维视觉特效和三维分析工具，大大提升了三维平台的视觉水平。
三维场景漫游：提供多种场景漫游功能，包括键盘控制漫游、自动漫游方式和飞行漫游方式，满足市民、游客和管理者在pc和移动设备上实现终端流畅漫游展示。
图 4多视角三维场景漫游效果
时间与天气仿真模拟：支持提供24小时光影变化模拟、风霜雨雪天气模拟等视觉特效。
图 5多类型天气模拟效果
三维特效与空间分析：特效方面，提供粒子效果、光带效果、楼宇特效等多种三维视效选择，同时也支持模型编辑、外部数据接入、用户数据加载等系统管理功能。空间分析方面，提供涵盖查询、量测、统计、方案同屏对比浏览、通视分析、模型剖切等三维空间分析功能。
图 6孪生场景空间分析效果
04全链赋能：覆盖生产、生活、生态全生命周期的多场景应用实践
广州市规划院结合新型智慧城市建设经验和在地化服务优势，实现了从资源管理、规划设计、工程建设、城市治理再到品质生活的城市发展全链路数字孪生场景应用研发和支持，为政务服务和公众生活的方方面面提供统一的空间数据基底和分析基础，全方位实现城市建设管理升级、应用升级和服务升级。
1. 自然资源管理：湿地公园数字孪生平台
广州市规划院充分调研湿地公园现状，完成上百种植被类型建模，充分还原了湿地公园自然环境全貌，并对自然资源进行有效的实物量管理。通过接入湿地片区的环境传感器数据，对湿地生态保护、低碳运营提供了清晰直观的管理平台。
图 7海珠湿地数字孪生建模效果
2. 城市规划设计：数字孪生城市更新平台
城市更新能够实现老旧片区全要素品质提升、保持城市活力、促进资源共享。广州市规划院打造的数字孪生城市更新平台基于参数化建模技术实现对建筑的动态建模，通过修改参数调整街区布局，对建筑类型、样式、外立面风格、道路细节如铺装、栏杆等进行直观、动态、快速的调整优化，为规划设计人员提供了片区改造方案的有力调整工具。平台还支持三维GIS分析(如可视域分析、通视分析、天际线分析)，满足规划设计人员对整体空间的功能、视线走向、道路交通、景点布置的修改优化要求。
（白云湖大道数字孪生城市更新平台荣获中国互联网协会数字孪生技术应用工作委员会颁发的2021年数字孪生城市典型案例奖）
图 8白云湖大道更新改造方案对比
3. 重点工程建设：工程建设项目数字化场景式审批系统
面向产业园区工程建设项目审批要求，广州市规划院研发的工程建设项目数字化场景式审批系统接入片区范围内所有建筑的高度信息、控规数据、审批记录等数据资源，支持对项目设计方案进行景观协调性分析、规划条件符合性判断、控规限高分析、通视分析、距离高度面积实时量测等。依托数字孪生平台直观、动态、可调的特性，在完成项目设计方案精细建模的同时，还能够有效加快审批信息流通、打破信息孤岛，实现跨部门、跨事项数据互通共享，为事项审批提质增效提供支撑，进一步提高政务服务效能。
图 9工程建设项目数字化场景式审批系统
4. 城市精细治理：智慧楼宇数字孪生平台&南沙零碳监测系统
聚焦楼宇尺度的精细治理工作要求，广州市规划院自主研发了智慧楼宇数字孪生平台，对商务办公楼宇进行超高精度建模，并依托物联网引擎和视频融合引擎实现了多项楼宇设备的群控管理。一方面平台能够对楼宇内外建筑细节进行虚实精准匹配的逼真还原，另一方面平台还同步接入了楼宇电梯实时运行数据、视频监控数据、空调运行数据、烟雾传感器数据等资源，支持楼宇各类设备的在线管控。此外，通过接入基于多传感器的能耗数据和实时人流监测，还支持进行楼宇能耗数据分析、碳排放分析，对碳排放环境进行实时监控与预警，响应低碳城市发展要求。
图 10智慧楼宇数字孪生平台
5. 公众品质生活：智慧名城数字孪生管理平台
数字孪生底座能够为改善人居环境、提升公众生活品质提供有力条件。广州市规划院秉持“老城市，新活力”发展理念，面向新时代历史文化保护传承要求打造了智慧名城数字孪生管理平台，对永庆坊、纪念堂、李小龙故居等重要历史文保片区和重点建筑进行三维建档保存，同时支持接入物联监控数据和AI视频算法，实现建筑24小时在线监控。针对有改造需求的目标片区，平台还支持规划设计方案一键导入、三维模型快速生成、设计方案同屏比对等系列功能，支持片区改造提升的在线快速优化，为传承文化底蕴、提升人居环境提供有力支撑。
图 11智慧名城平台永庆坊片区建模效果
在全国上下如火如荼开展数字孪生落地探索的形势下，广州市规划院始终秉持“服务政府、服务社会，创造更美好的人居环境”理念，以生产带动研发、以研发促进生产，在数字孪生技术探索和应用实践的道路上行稳致远、锐意进取，为提升城市治理效能、改善公众生活体验不断贡献广州智慧和力量。
技术交流：广州市城市规划勘测设计研究院， 周泊远，13296596445。
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