数字孪生城市建设与推进
中国地理信息产业协会数字孪生城市工作委员会
刘俊伟1 孙东风1 唐莉萍1 王金兰1 王海银2 周圣川2 曾艳艳3
1泰瑞数创科技（北京）股份有限公司
2青岛市勘察测绘研究院
3北京市测绘设计研究院
一、数字孪生城市发展概况
（一）政策概况
数字孪生城市建设受到国家的高度重视。2021年、2022年两年间，数字孪生技术及数字孪生城市相关政策密集发布。2021年3月，国家“十四五”规划纲要明确提出要“探索建设数字孪生城市”，为数字孪生城市建设提供了国家战略指引。此后，国家陆续印发了《“十四五”国家信息化规划》《“十四五”数字经济发展规划》和《国务院关于加强数字政府建设的指导意见》，提出了深化新型智慧城市建设，稳步推进城市数据资源体系和数据大脑建设，打造互联、开放、赋能的智慧中枢，推动城市公共基础设施数字转型、智能升级、融合创新，探索城市信息模型（CIM）、数字孪生等新技术运用，提升城市治理科学化、精细化、智能化水平。
信息技术、工业生产、建筑工程、水利应急等不同领域的“十四五”规划也为各领域如何利用数字孪生技术促进经济社会高质量发展作出了战略部署。如《城市市政基础设施普查和综合管理信息平台建设工作指导手册》提出建立可感知、实时动态、虚实交互的城市地下基础设施数字孪生融合应用。《信息通信行业绿色低碳发展行动计划（2022—2025年）》提出推动数字孪生技术在城乡节能减排等领域的应用。《进一步明确城市燃气管道等老化更新改造工作要求》鼓励将燃气等管道监管系统与城市市政基础设施综合管理信息平台、城市信息模型等基础平台深度融合。《“十四五”水安全保障规划》指出，推进智能水利建设，同步构建实体工程和数字孪生工程；推进数字流域、数字孪生流域建设，全面提升水利数字化水平。同时，北京、上海、浙江、海南、南京、合肥、成都、福州等省市也相继出台了数字孪生推动智慧城市建设的相关文件，并在数字孪生城市顶层设计、城市统一数据底板建设、应用场景试点等层面进行了许多尝试。在政策红利、技术演进、需求升级等多重力量激发下，数字孪生城市建设将加速步入落地实施阶段。
（二）市场概况
数字孪生城市作为智慧城市项目的基础性支撑建设在未来十年内都将是增量市场，且在“十四五”期间保持较快速的增长。据中国信息通信研究院等的数据统计，中国智慧城市市场规模近几年均保持30％以上的增长，2021年市场规模达21.08万亿元。截至2022年7月底，智慧城市、城市数字空间平台、数字孪生平台、城市大脑建设、城市信息模型等类型的项目招投标总费用超过15.9亿元，2022年全年项目总金额均有较为明显的增长，数字孪生城市市场规模未来可期。
数字孪生产业领域多且链条长，吸引了众多不同体量的供应商入场。各类型企业一般以自身核心能力和产品为切入点，横向扩展行业应用领域，纵向蔓延至产业上下游，积极参与生态的构建。数字孪生产业体系大致由基础支撑、共性技术服务、应用场景和支撑技术四大核心构成，对应从设备、数据、技术到行业应用的全生命周期。技术提供方包括基础设施解决方案提供商、平台级解决方案提供商以及集成商三类角色。平台层市场作为数字孪生城市的市场核心，包括仿真推演、可视化、交互控制、城市信息模型等市场板块，目前每个板块是十亿元级的市场规模。
（三）标准发展概况
随着全国信息技术标准化技术委员会、中国信息通信研究院等国内标准化组织的推动，我国数字孪生城市标准化工作已逐渐取得一些成绩。特别是中国信息通信研究院和全国信标委智慧城市标准工作组在2021年、2022年分别提出了数字孪生城市标准体系构建指引，总结概括为总体类、数据类、技术及平台类、安全类、运营类、应用类共计6类标准体系。截至2022年底，与数字孪生城市建设相关的现行实施标准有39项，审查中的标准有3项，征求意见中的标准有10项，起草中的标准有6项。其中，全国信息技术标准化技术委员会、全国城市可持续发展标准化技术委员会起草的《智慧城市城市数字孪生第1部分：技术参考架构》为国家标准。其余均为团体标准，如中国信息通信研究院牵头起草了《数字孪生城市平台技术要求》《数字孪生城市基础平台建设服务规范》等标准。
随着数字孪生城市建设实践推进，现有的相关标准规范已发挥了巨大价值，但仍有部分标准缺失。经归纳总结，我们认为需要进一步制定和完善的标准包括孪生数据安全标准、孪生指标体系标准、建模及数据交换标准、数字身份标识标准、孪生数据要素运营标准、孪生技术应用成熟度评价标准。
1.孪生数据安全标准
提供城市数字孪生体涉及的保密、敏感数据脱密脱敏规范，支持数字水印，保护孪生体数据知识产权，支持安全控制，用于对孪生数据涉密涉敏信息进行安全保护。
2.孪生指标体系标准
提供城市数字孪生体全生命周期指标体系标准，覆盖建筑、市政、燃气、环卫、园林、电力、公路、水利等主要专业，覆盖城市数字孪生体在城市规划、设计、建设、运营全生命周期的主要业务指标内容。
3.建模及数据交换标准
提供城市数字孪生体适用于各类建模工具的建模规范、孪生体标准属性信息挂载规范、基于开放数据交换格式的存储规范，用于构建开放的数据建模生态。
4.数字身份标识标准
提供采用MA码、北斗网格码对数字孪生体身份、位置等信息进行编码、解码的规范，为数字孪生体构建数字身份证，用于数字孪生体精准识别和虚实映射关联。中国信息通信研究院正在牵头组织立项有关此方面的团体标准《数字孪生城市统一标识编码体系》。
5.孪生数据要素运营标准
提供孪生数据治理及加工规范，将孪生数据资源形成孪生数据资产，提供孪生数据资产确权定价规范，实现孪生数据要素化，并通过标准化运营组织及机制保障，实现孪生数据可持续运营。
6.孪生技术应用成熟度评价标准
提供数字孪生应用成熟度指标评价体系规范，从数据、平台技术、性能、应用场景、运营等多维度对孪生技术应用成熟度进行评价，用于指导数字孪生城市建设。中国信息通信研究院正在牵头组织立项有关此方面的团体标准《数字孪生城市成熟度模型》。
一、数字孪生城市关键技术
（一）新型测绘技术
采用倾斜摄影、激光雷达等新型测绘技术，在空天、地面、地下、水下的不同层面和不同级别进行数据采集，为构建全空间一体化城市孪生体模型提供数据来源。
1.高端测绘装备
近年来我国测绘技术装备发展迅速，在高端测绘装备领域与世界先进水平的差距越来越小，甚至在某些领域已经赶超其他国家和地区。在航天高分辨率遥感领域，载荷的研制水平大幅提升，无论是国家级或企业级的卫星光学载荷都稳定在0.5米，最高达0.3米，且信噪比也有很大提高，大幅度提升了遥感影像的质量，有力促进了该领域的发展。在航空遥感测绘领域，我国研制的多视角航摄仪系统，具有幅面超群、高度集成等特点，可大幅提升城市实景三维建设效率。在海洋测绘装备领域，我国单波束探测仪、多波束探测仪、侧扫声呐系统、海洋重力仪、海洋磁力仪、水声定位系统等设备已基本跟上国外先进设备的步伐。这些高端测绘装备的进步，使海陆空一体化的全息测绘成为现实，可以采集涵盖陆地、海洋、室外室内和地上地下全空间的全息三维信息。
我国测绘装备研制能力已显著增强，但是部分核心制造技术仍依靠国外，关键零部件对国外的依赖程度依然很高，仍需要进一步研发完成国产化替代。同时，面对场景不确定性高且多变的情况，面临如何实现快速采集全面时空信息的挑战，需要进一步研发面对复杂空间场景高效、协同、智能化的感知方法。
2.特征提取技术
面对不同地理实体提取，不断优化人工智能算法，通过多种人工智能算法将多源非结构化的地理信息系统（GIS）数据矢量化、结构化、语义化。在此工艺流程支撑下，能够生产出各类三维模型数据和二维地图矢量数据，为数字孪生提供基础支撑。
随着人工智能算法的不断进步，单一模态数据在单一任务中的性能得到了显著提升。但存在模型泛化能力有限的问题，通常每新增一个特征提取任务，都需要重新训练模型，大大降低了工作效率。亟须研究一种自适应方法，来增强模型的泛化能力。
（二）多维建模
城市数字孪生的实现需要以数据为驱动，以模型为支撑。城市数字孪生的基础是模型和数据的统一。多维模型是物理对象时空数字化还原的载体，基于城市不同层面数据，综合计算机图形学、人工智能、系统动力学等多学科，将城市杂乱无章的海量数据（603138）进行空间对应，释放数据资源价值，实现城市数字孪生对物理城市的精准还原。通过对城市进行全要素的数字化和语义化建模，实现从宏观大场景到微观小单元、从室外到室内、从地上到地下的全空间立体还原，形成全空间一体化且相互关联的全域立体模型。
多维建模技术包括但不限于时空建模技术、事件建模技术、语义建模技术等。当前时空建模技术已相对成熟，基于卫星影像、倾斜摄影相片、激光点云、计算机辅助设计（CAD）等数据源可以实现快速构建不同精度的室内外三维模型。但这对于数字孪生城市远远不够，难以支持城市复杂的分析计算和表达。为满足数字孪生城市建设需求，需融合事件建模、语义建模等多种技术，构建时空、属性、事件、现象等多维一体的全生命周期多尺度孪生模型。
（三）物联感知
物联感知是数字孪生城市实现与现实世界同步的关键技术，通过对城市运行状态全面、精准地监测，获取城市全量运行数据，为进一步分析、仿真和推演提供数据基础。物联感知包括自动识别技术、传感技术、定位技术等。
我国传感器产业起步较晚，因此在中高端传感器市场上落后于西方国家，国内市场约八成依赖于进口，传感器芯片市场更为势弱，自产比例仅占一成。国内传感器厂商应顺应“专精特新”国家战略，尝试单点突破，专注于开发细分市场下的具有独创性的产品。
（四）数据融合
数据融合是针对GIS数据、建筑信息模型（BIM）数据、业务数据、物联感知数据、城市运行大数据等多源异构数据进行处理，实现融合分析、融合展示渲染等目的。数据融合可分为语义层面数据融合和可视层面数据融合。其中，语义层面数据融合是指通过改变或优化原始数据结构，实现多源异构数据之间的语义互操作；可视层面数据融合是通过数据的精准定位和可视控制，实现多源数据在同一场景下的融合展示。
目前可视层面数据融合技术已相对成熟，大部分平台产品可以轻松实现同一场景下不同类型数据的精准定位和可视化表达。但在语义层面数据融合仍处于研究探索阶段，尤其在BIM与GIS数据融合、视频与孪生场景融合方面，需要进一步研究和关键技术攻关。
1.BIM+GIS融合技术
为精细化表现城市孪生业务系统，需要对接大量城市建筑精细化BIM数据，需要在完全保留BIM语义信息的前提下，研究一种实现BIM数据与GIS数据、物联网（IOT）数据等数据的全方位融合方法，满足语义互操作、语义分析等功能。
2.视频融合技术
视频与孪生场景融合，通过纹理投影和照片建模等技术实现多个监控相机视频图像与虚拟仿真场景的有机结合，提供一种动静结合、虚实融合的展示方式，增进用户对场景的认识与理解。目前视频融合技术已有初步应用，但仍然存在一定问题，如视频与三维场景融合所需的相机位置、方向和视野等参数难以精准计算，精度难以保证。
（五）时空计算
时空计算是融合GIS、大数据分析、深度学习、知识图谱等技术，提供城市空间、时间的计算和分析能力，主要包括时空索引、时空查询、时空统计、时空分析、知识推理等。
当前时空人工智能（AI）是业内的一个研究热点。在2022世界人工智能大会（WAIC）上，中国科学院院士龚健雅表示，时空人工智能作为对超大规模城市数据融合、应用的重要技术手段，不仅促使智能城市建设加速发展，也让我们看到了未来产业元宇宙在城市和商业中应用的巨大潜力与广阔前景。
（六）仿真推演
仿真推演是正确认识城市运行规律，并解决城市问题的关键。通过仿真模型对城市系统运行进行可视化分析、预测、诊断和模拟训练等，实现分析城市问题成因并提出优化或解决建议，从而支撑智慧城市管理优化和决策。主要包括有限元分析、计算流体力学、多智能体仿真等。
当前城市仿真推演方面研究多以单一计算模型为主，且参与计算的数据有限，具有仿真效果欠佳和效率低下等问题。亟须研究可以综合城市中各种数据与知识的仿真推演模型，通过整合城市全方位的实时信息，为复杂的城市问题构建实时快速的智能分析方法。
（七）可视渲染
可视渲染技术是以计算机图形学、多媒体、GIS、虚拟现实等技术为基础，将城市数字空间在显示器、大屏以及虚拟现实（VR）或增强现实（AR）等多终端展现和交互的过程。目前市场上比较常见的三维可视渲染引擎，主要包含三维GIS引擎和游戏引擎，各自的侧重点不同，因而具有不同的优势和特点。
三维GIS引擎，即三维地理信息系统引擎，主要侧重于对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述。国外常见的三维GIS引擎有Google Earth、Skyline、World Wind、Virtual Earth等，国内常见的三维GIS引擎有SmartEarth、SuperMap、EV-Globe等。
游戏引擎，其目的在于让游戏设计者能容易和快速地做出游戏程式而不用由零开始，包含了建模、动画、光影、粒子特效等。常见的游戏引擎包括Unreal、Unity3D、Quake、Gamebryo、Bigworld等。
近年来，将游戏引擎的高渲染能力和三维GIS引擎对地理信息的支持能力进行结合是满足城市数字孪生可视化需求的发展方向，也是目前行业内已形成共识的前进方向。
（八）虚实交互
虚实交互是数字孪生城市实现与现实世界交互操作、控制与反馈的关键技术，包含数字孪生内部要素（物理实体、数字孪生模型、数字孪生数据及服务）间的同维和跨维交互、外部的数字孪生之间交互和数字孪生与其他非数字孪生对象（人、环境）间的交互。
当前数字孪生虚实交互技术，多模态交互、跨终端交互、一体化交互等技术已有广泛应用，提高了用户的操作便携性和使用黏性。但在交互性能和技术创新方面仍有较大的研发空间，如交互输入设备的体感感应、脑波感知、眼球追踪等新技术仍然是亟待突破的研发热点方向。
（九）共享服务
共享服务是将数字孪生场景、数据、信息以及分析和决策结果通过网络传输给用户的过程。因数字孪生城市场景复杂、数据量极大的特点，数字孪生多端用户并发使用时具有系统加载慢、卡顿、使用体验差等问题。目前数字孪生共享服务，业内的研究方向和热点是采用动态视频流技术，可在充分确保地理信息数据流畅推送的同时保障数据安全。
动态视频流技术主要有两种实现方式：云端预渲染和云端实时渲染。其中，云端实时渲染技术是先通过高强度的运算处理，把结果传输到用户设备上，通过基于物理的渲染（PBR）来展现逼真的光影和细节，达到照片级渲染品质。云端实时渲染不需要下载应用软件，只需在设备上使用网络浏览器即可访问所有三维应用。通过动态视频流技术加载倾斜模型过程使用工业级安全标准的数据加密传输，应用运行在云端开展，终端不需要下载数据，从而确保用户与应用数据隔离，拥有多重地理信息数据安全保障。
（十）其他支撑技术
数字孪生城市的实现，甚至以上关键技术的实现均离不开基础网络、第五代移动通信技术（5G）、人工智能、云计算、区块链等重要的共性支撑技术。
5G技术的“超高速率、超低时延、超大连接”是实现数字空间与现实空间高度同步的基础。人工智能技术贯穿于数据处理、数据计算、城市仿真等各个环节，是实现数字孪生城市智能化、智慧化的重要支撑。云计算是保证城市级海量数据处理计算效率的关键技术。区块链去中心化交易机制和加密特性保障了数字孪生城市数据的安全性。
三、数字孪生城市建设路径
（一）建设机制：政府主导，多方共建
数字孪生城市建设是一项复杂、艰巨的系统工程，需要政府牵头和主导，产业生态各个相关方紧密协作共建，推进数字孪生城市建设，实现可持续高质量发展。
——政府主导。政府通过统筹规划、顶层设计，制定相关政策和制度，引导和保障数字孪生城市建设；通过市场监管手段对建设过程和建设成果进行监督，避免资源浪费；通过政策和资金支持技术研发和赋能转化，提升城市公共服务效率和服务质量。
——多方共建。数字孪生城市建设除政府牵头和主导外，还需要产业界、高校科研院所、金融界、公众共同参与，共同实现技术突破、系统共建、协同创新。
（二）数据建设：构建统一的城市数据底板
城市数据来自政务、企业和行业系统，数据类型丰富，基数大，增速快，实时性高，流动性显著，异构特征突出。数字孪生城市需要融合应用这些数据，驱动数据资源赋能，首要的就是通过标准化处理，构建城市统一数据底板，实现各部门数据共享、多源异构数据融合。构建城市数据底板，需要充分梳理和应用城市现有的和正在建设的数据资源，如已有的空间地理数据、政务数据、城市运行大数据等，正在建设的实景三维数据、城市信息模型（CIM）数据等。在这些数据的基础上，以城市地理空间数据为骨架，经过结构化、语义化、实体化处理，构建统一的城市数字孪生实体模型，实现基于实体对象的多源异构数据语义融合。同时，需要构建数据库对数字孪生实体模型进行统一管理，提供面向应用的按需组装和场景定制服务。按需组装服务将数字孪生实体模型从实体层面、语义层面、场景层面等多个维度进行分解，通过分析实际应用需求再重新组合和组装，从而使提供的服务既能满足应用场景需求又避免信息冗余。
（三）平台建设：构建统一的数字孪生底座平台
在城市建设和发展过程中，不同部门针对各自业务的特点和需求，分别建设了诸多信息系统和平台，如时空信息云平台、物联网平台、大数据共享平台、行业业务系统等。这些信息系统和平台具有各自的业务特征和能力优势，但又难以实现数据共享和业务协同。
因此，数字孪生城市建设需要构建一个数字孪生平台，集成这些现有信息系统的数据资源和系统能力，同时深化数字孪生技术应用，提供高仿真可视化渲染、时空智能分析计算、模拟仿真推演、虚实融合互馈分析等能力，提供统一的数据服务、知识服务、时空分析服务、智能计算分析、模拟仿真服务、低代码开发服务等，为打造数字孪生城市提供基础支撑能力。
同时，数字孪生平台建设需要实现省市县多级平台联动，通过数据共享和业务协同，实现跨区域、跨方式、多层级协调工作，实现资源要素空间统筹规划利用，实现区域全局掌控和风险可控、一体应急联动和协同指挥，推进区域一体化协同发展。
四、数字孪生城市应用场景
数字孪生城市建立了真实世界与数字世界之间的虚拟映像，信息可见、轨迹可循、状态可查、虚实同步，是在地理信息、人工智能等新型技术取得重大突破的背景下，建设新型智慧城市的一条新兴技术路径，也是城市智能化、运营可持续化的前沿先进模式。
数字孪生城市的应用，通过城市全空间、全要素数据的多维可视化表达、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行，解决城市管理中的复杂问题，全面提高城市物质资源、智力资源、信息资源的配置效率和运转状态。
数字孪生城市的应用领域广泛，是智慧城市发展的最新形态，其应用场景覆盖了城市“规、建、管、运、服、检”的全生命周期流程。下面就数字孪生城市的一些重点应用方向给出一些应用案例和分析。
（一）数字孪生辅助规划决策
传统的规划方案论证通常采用图纸或实体沙盘进行汇报展示，这种形式带有很强的美化痕迹，较难体现与周边真实环境的协调性，方案一旦落地实施，设计缺陷则会造成无法弥补的损失和缺憾。
基于数字孪生城市空间的辅助规划决策，将现实映射场景与规划设计方案无缝融合，直观展示方案与现状的融合效果，有助于进行全方位论证和问题发现，还可结合数字场景对规划方案进行动态交互式调整，帮助决策者和评审专家更科学地评估设计方案，提高城市规划的科学性和前瞻性。其主要的应用点包括以下几点。
（1）规划方案评估：基于数字孪生场景多角度分析规划方案，让决策者从多个角度对方案进行空间形态分析，研究空间形态结果，结合视域分析和控高分析等手段，验证方案的合理性。
（2）空间分析：通过操控数字孪生模型获取潜在信息，进行建筑模型的日照分析、可视域分析、限高分析等。
（3）指标统计：根据业务所需动态计算指定区域的规划指标，依据国家规范的计算公式，计算场景中的现状建筑和方案建筑的规划指标，如计算范围面积、总基底面积、总建筑面积、容积率、建筑密度等，实现专业、科学的规划决策支持。
（二）数字孪生城市建设管理
以雄安新区为例，雄安新区是继深圳经济特区和上海浦东新区之后又一具有全国意义的新区。《河北雄安新区规划纲要》中提出建设数字孪生城市，要“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，适度超前布局智能基础设施，推动全域智能化应用服务实时可控，建立健全大数据资产管理体系，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市”。雄安新区实现了基于BIM的数字孪生建设管理。建设了以空间映射为核心的BIM管理平台，贯穿城市现状、总体规划、详细规划、工程项目设计、施工以及竣工等6个阶段，形成“数字空间”循环迭代、自我成长的记录模式。
工程项目全生命周期管理：通过BIM的三维立体实物可视，实现项目设计、建造、运营等整个建设过程可视化、透明化。在设计阶段可以实现管道空间碰撞、管道综合排布、构件空间位置排布，优化工程设计。在建筑施工阶段可以减少错误损失和返工的可能性，而且可以优化净空，优化管线排布方案，实现管线综合“零碰撞”。使用BIM技术为施工建立必需的技术和物质条件，基于BIM平台进行施工方案深化、施工组织准备、施工质量管理、施工安全管理、征地拆迁管理、施工进度管理、材料管理等施工全过程管控。借助BIM协同管理平台以工作分解结构（WBS）任务分解为核心，以进度计划为引擎，关联集成三维模型、属性信息等内容，实现动态实时进度管理。
园区精细化管理：结合BIM技术，对新区内企业入驻情况、产业信息、经济指标进行收集、分析和清晰可视化，为企业服务、商圈规划、业态调整、工程选址、产业发展等管理决策提供支持。此外，通过BIM技术，可以对新区内的所有地上、地下基础设施，以及城市管理部件等进行精细建模和数字孪生管理。
园区生长推演：通过应用智能模型前瞻性地创造出未来场景，以帮助管理者、使用者看到明天的城市问题并据此引导今天的发展路径。通过数字孪生城市的大数据集成，雄安新区注重分析城市流动和空间形态之间的互动规律，分析空间加上时间之后的城市自然和人工要素流动，理解城市生命发展的动力所在，通过大数据的智能模拟、迭代，优化城市发展方案，对城镇发展边界、资源环境综合承载力等关键指标进行模拟分析，指导园区科学建设发展。
（三）高精地图与导航服务
高精地图是相对于普通地图来说的，它提供了精度更高、内容更为丰富的地图信息，主要服务于自动驾驶和公共导航服务。数字孪生城市建设的一个重要内容就是支撑高精地图与智能导航服务，为高精地图和导航服务提供基础地理信息数据、实时路网与道路对象感知信息，以及智能分析算法与车联网基础设施信息等。
高精地图建设：依托数字孪生城市的数据基础和平台能力，基于数字孪生城市的基础地理信息数据，获取车道级高精路网信息、地基增强的高精度定位信息，以及各类智慧交通传感器提供的流量、路网信息，将各类信息融合应用在高精定位、环境感知、决策规划、仿真运行四大场景，构建动态的高精地图，结合人工智能、计算视觉、机器学习等技术服务自动驾驶、室内导航等技术领域。
虚实融合导航服务：基于数字孪生的增强现实导航是一种创新的地图导航方式，其基于摄像头实时捕捉的真实画面，结合地图导航引导信息以及视觉人工智能识别的车辆、道路、行人等场景目标，生成虚拟的三维导航指引模型，融合叠加呈现到真实画面上，从而创建出更直观的导航体验。该导航形式可以拓展至仪表盘、车机中控屏以及AR-HUD（与现实环境叠加呈现）等更多使用场景，创建出贴近驾驶者真实视野的导航画面，提高行车安全和增强辅助驾驶体验。
（四）历史城区与建筑保护
借助数字孪生技术手段，结合增强现实、混合现实等技术，赋能历史城区的保护和发展。通过对城区、街区以及古建筑的数字化扫描和矢量化建模，并将政府多个部门拥有的数据资源进行属性挂接，实现真实世界和虚拟空间之间的双向映射，形成数字孪生底座。并以数字孪生底座为基础，集成虚拟现实漫游、全景浏览、地图导航等模块，充分整合各类旅游和便民服务资源，提供便捷的一站式检索服务，以多元交互模式赋能历史城区保护和开发利用，实现历史文化名城的科学化、信息化与智慧化管理。
基于文字史料和历史照片，数字孪生城市对不同阶段的历史建筑或传统风貌建筑进行三维建构，以时间脉络复现建筑变迁和历史文脉，更直观地呈现出历史城区改造前后风貌的对比。通过数字孪生构建的历史建筑信息模型，具有丰富的细节和极高的精度，可以用于古建筑保护修复工作。另外，通过集成物联感知设备对建筑体进行安全状态健康监测，可提前感知沉降、倾斜、裂缝等现象，并提醒管理部门开展相关行动。
（五）城市地质智慧服务
地质勘查行业是经济社会发展的先行性、基础性行业之一。其使用的地质数据所涉及的信息众多且来源广泛，但地质信息表达方式不直观、不能够完整地描述地质环境的现状，成为地质勘查行业应用发展的瓶颈。
基于数字孪生技术进行智慧地质建设，可以集成综合地质调查、城市地下空间资源地质调查、地下水应急水源地调查、地热与浅层地温能调查等工作的数据成果，有效表达三维地质模型、钻孔模型等地下空间信息，实现二维三维一体化的数据展示、分析与挖掘。可面向重大工程选址规划、地灾治理、海岸带资源开发与保护等重点工作领域，开发一系列辅助决策与分析功能。
数字地质环境：融合多源地学数据，通过不同建模方法的灵活组合使用，实现断层、地层尖灭、不规则透镜体的高精度三维建模，支持复杂地形约束及复杂构造精细化表达，宏观上把握地层的总体趋势和规律，微观上精细刻画地层形态和表达岩性。
地质动态监测：基于数字孪生平台引入多源城市地质监测网动态数据，综合运用全球导航卫星系统、遥感解译、形变及位移监测、地下水及土壤环境要素监测等多种现代技术方法取得地质环境变化数据资料，实现对全市海水入侵、海岸带地质环境以及地质灾害、地质资源的动态监测，构建陆海一体的城市地质生态环境监测大数据体系。
生态环境保护与修复：基于数字孪生地质场景，展示岩石物理性质、新老构造活动、第四系岩层、地球动力学等基础背景数据，分析地质背景与生态环境的关系，为城市生态环境的保护与修复提供基础依据。
地灾治理：基于物联感知、仿真模拟、预测分析等技术，实现地质体模型、地形、倾斜摄影数据的三维立体可视化展示与分析，在物联监测设备支撑下，结合高精度地质灾害风险评价、年度汛前排查和移动端险情上报，从多个维度保障有效风险识别，实现区域孕灾、致灾、防灾全流程可视化。
（六）城市防汛与水务管理
基于数字孪生的城市防汛应用是以数字孪生流域建设为主线，以“数字化场景、智慧化模拟、精准化决策”为路径，综合运用数字孪生、大数据、人工智能等技术手段，基于数字孪生流域结合水务物联网集成雨水情信息、气象信息、卫星云图、台风信息等多渠道防汛信息资源，实现城市防汛调度指挥的查询、分析、推演、预警和调度，推动防汛工作的数字化、网络化、高效化协同管理，形成防汛、气象、水文、应急等各部门之间的互联互通，为安全度汛和应对汛期突发事件提供科学技术支撑。
数字化流域：以自然地理、水系支流、河道流场、水利工程等为主要内容，对物理流域进行全要素数字化映射，实时动态接入雨情、水情、气象及视频探头等多类型物联感知数据，优化地面监测，实现物理流域与数字流域之间的动态、实时信息交互和深度融合，为城市防汛治理提供逼真翔实的数字化场景。在此数字化场景上进行防汛信息综合概览和多维度统计分析，实现防汛要素从传统纸质到数字化的转变，并可帮助科学研判汛情形势。
灾害仿真模拟：在数字化场景的基础上，集成洪水灾害、城市内涝、海水入侵等仿真推演模型，构建支撑水利业务的模拟仿真平台，通过融合流域多源信息，实现模拟过程高保真。基于模型计算结果，在场景内推演灾害的时空过程，并根据预警规则，生成预警信息，直观、科学地进行防洪态势分析，最大限度地减少人员伤亡，同时进行成灾分析，确定灾害可能的影响范围。
推演会商分析：基于数字孪生技术支持面对突发汛情时的推演会商分析，集成模拟推演结果，并结合风险专题、减灾资源等信息，在数字场景上进行调度方案的动态标绘，辅助制定和优化调度方案，实现预报与调度的动态耦合模拟，提高调度方案的科学性、实用性和可操作性，为科学高效有序应对各类水灾害事件提供强大科技支撑。
（七）森林防火与减灾救灾
森林防火是防灾减灾工作的重要组成部分，是国家公共应急体系建设的重要内容。根据技术发展趋势和森林防火业务的实际需求，数字孪生城市可以支撑森林防火三维电子沙盘的研发与应用，通过将数字孪生技术手段与森林防火业务的深度融合，助力森林防火工作效率及信息化水平提升，增强政府主管部门防范化解重大风险的能力。
森林防火与减灾救灾应用可以将三维数字孪生场景作为底座，集成移动定位技术、卫星遥感监测技术、远程红外热成像技术等多种信息化手段，汇聚整合各类防火设施资源，打造多终端协同、平战一体化的防火平台，解决森林防火工作监管难、责任落实不到位、数据应用效能低及二维应用受限等业务问题。
智慧森防感知：基于数字孪生场景，集成应用卫星遥感、物联网、人工智能等技术，对无人机巡护、视频监控、网格化巡查等火点和烟雾监测数据进行可视化展示，辅助进行火点发现及判别，从而构建“天眼护航、空中瞭望、地面盯防、人工巡护”的“空、天、地、人”智慧森防感知系统，实现防火监测立体化、智能化、可视化的全天候覆盖。
电子沙盘决策：基于三维数字场景，对防火道路、瞭望塔、视频监控点、防火隔离带等防灭火基础设施进行指标计算和空间分析，反映其在救灾资源可达性及可通过性等方面是否满足高效防灭火的要求，辅助救灾资源合理布设与科学选址。
火势模拟分析：系统建立火势推演模型，输入上报的火情信息、风向、风速、气象等实时变化参数，基于数字高程模型、坡度、坡向等数据，进行森林火情模拟推演，生成火情发展趋势及林火影响范围，标绘预测火场轮廓，在三维场景中进行可视化表达，为森林防火应急演练、现场指挥提供数据参考。
数字孪生城市的建设是一个复杂的巨系统工程，横向上应用领域不断丰富，纵向上产业链不断渗透、延伸。随着地理信息、大数据、人工智能、物联网等技术的不断发展，以及政府、社会、群众对更美好、更便捷生活的追求，数字孪生城市必然会在更多的应用领域发挥更大作用。信息技术创新驱动不断催生新产业（300832）、新业态、新模式，用新动能推动新发展，数字孪生城市的更广泛、更深入应用未来可期。
五、推进数字孪生城市建设
（一）发挥数字孪生城市在智慧城市建设中技术底座作用
数字孪生城市将成为智慧城市发展新阶段的核心底座，为城市构建虚实共生的数字基础设施。数字孪生城市已经从概念培育期加速走向建设实施期，随着物联感知、BIM和CIM建模、可视化呈现等技术加速应用和融合，万物互联、虚实映射、实时交互的城市数字孪生将成为赋能城市实现数字化转型、提升长期竞争力的核心抓手。
（二）积极推进数字孪生城市在智慧城市中的深度应用
数字孪生技术是未来极具战略性、颠覆性、先导性的新型科学技术。随着数字孪生技术的飞速发展，其应用场景不断拓宽，应用范围也越来越广。随着城市建设工作的不断进行，数字孪生城市作为政府数字化转型的新型基础设施和城市运营赋能平台，以各类时空基础数据、三维模型数据、业务系统数据、物联网传感器数据为基础，结合云渲染、应用程序接口（API）场景调用中间件、数据中台等服务，通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行，实现城市的模拟、监控、诊断、预测和控制，解决城市规划、设计、建设、管理、服务闭环过程中的复杂性和不确定性问题，全面提高城市物质资源、智力资源、信息资源的配置效率和运转状态，成为智慧城市的内生发展动力。
（三）促进形成跨行业协作生态共融的数字孪生城市
围绕城市数字孪生建设，跨行业协作生态共融已成为必然趋势。数字孪生城市建设是一项涉及多尺度空间、多领域、跨部门的复杂系统工程。早期智慧城市建设中，各委办局的信息化系统仅局限于内部应用，呈现纵向形式，跨部门的应用难以进行复用和互通。跨部门数据共享交换未能有效发挥出数据要素价值，原因之一是数据深度融合后的增值价值未能被挖掘，数据开发利用性差。通过数字孪生体的打造，将进一步促进数据共享以及数据的便利化应用，达到打破“行业壁垒”的目的。
（四）多源孪生体数据深度融合，数据组织应用发生重大调整
基于数字孪生体的技术实现与数据模型需要新规范的指引。一是多源异构数据融合需技术规范引导；二是实体对象分级分类方案需城市级统筹谋划；三是数字孪生体的统一语义模型内涵需要形成标准规范。城市海量数字孪生单体有望形成新型数字资产，数据难运营困境将得以改善。一是数字孪生体融合跨行业数据，具有高价值属性；二是数字孪生体的分级分类精细化管理有利于数据合规运营；三是数字孪生单体的加密探索，促进数据高效运营。
（五）更新发展模式，全新构建数字孪生城市标准体系
与传统智慧城市相比，数字孪生城市更加突出技术集成和业务协同，为强化一体化整体化实施推进，重塑智慧城市发展格局，在智慧城市标准体系的基础上，从总体、基础设施、数据、技术平台、应用场景、安全、运营运维等方面建立数字孪生城市标准体系。在总体方面，形成全新术语体系、总体参考架构、评估评价体系；在基础设施方面，加强数据的整体采集、高速率传输、高效率计算等；在数据方面，形成融合一体的数据资源服务体系；在技术平台方面，突出五大技术体系的平台构建与互联互通；在应用场景方面，突出“一网统管”“一张蓝图”等业务系统应用场景；在安全方面，加强孪生体安全；在运营运维方面，注重数据运营、平台运营、应用迭代运营等。
