數(shù)字孿生技術(shù)在自然資源領(lǐng)域應(yīng)用探索

2021-03-17 05:37郭大海劉俊偉仇巍巍王娟韓霄

河北遙感 2021年1期

郭大海、劉俊偉、仇巍巍、王娟、韓霄

（泰瑞數(shù)創(chuàng)科技（北京）有限公司北京 100192）

1、前言

黨的十九大以來，圍繞自然資源體系改革國家推行了一系列方針政策。2018年3月，中共中央印發(fā)《深化黨和國家機構(gòu)改革方案》，組建自然資源部，其重要職責(zé)是“對自然資源開發(fā)利用和保護進行監(jiān)管，建立空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實施”。2019年11月，自然資源部印發(fā)了《自然資源部信息化建設(shè)總體方案》，方案中指出需要形成全覆蓋的三維自然資源數(shù)據(jù)底板。要以全覆蓋、全要素、立體調(diào)查監(jiān)測為基礎(chǔ)，整合已有國土資源、海洋、測繪地理數(shù)據(jù)，構(gòu)建“地上地下、陸海相連”并相互關(guān)聯(lián)的自然資源數(shù)據(jù)底板，形成統(tǒng)一協(xié)調(diào)的支撐自然資源和國土空間開發(fā)利用與保護的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。統(tǒng)籌整合土地、地質(zhì)、礦產(chǎn)、海洋、測繪地理信息的信息化資源，運用移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)，通過完善、優(yōu)化和創(chuàng)新，建設(shè)自然資源“一張網(wǎng)”、“一張圖”、“一個平臺”，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建自然資源調(diào)查監(jiān)測評價、自然資源監(jiān)管決策、“互聯(lián)網(wǎng)+自然資源政務(wù)服務(wù)”三大應(yīng)用體系。

當(dāng)前，以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)為代表的數(shù)字浪潮席卷全球，數(shù)字孿生技術(shù)橫空出世，以集成了多種新技術(shù)的融合體的形式出現(xiàn)在大眾面前。萬物皆可孿生，物理世界和與之對應(yīng)的數(shù)字世界同步規(guī)劃、同步發(fā)展。數(shù)字世界為物理世界提供規(guī)劃實施前的模擬仿真推演，物理世界因為數(shù)字世界提供的支撐變得高效有序，同時和數(shù)字世界實時反饋、互相作用。從人體到建筑，從工廠到城市，越是復(fù)雜的系統(tǒng)，越需要構(gòu)建數(shù)字孿生體。建設(shè)在數(shù)字世界仿真，在物理世界執(zhí)行，虛實融合、智能迭代的數(shù)字孿生世界，機遇前所未有，挑戰(zhàn)也前所未有。

狹義看，數(shù)字孿生技術(shù)大家的關(guān)注點都在城市范疇，將數(shù)字孿生的理念和技術(shù)在城市范圍內(nèi)進行應(yīng)用，但從廣義看，數(shù)字孿生技術(shù)是以虛擬服務(wù)現(xiàn)實、數(shù)據(jù)驅(qū)動治理為特征的未來世界智能化運行的先進模式。將數(shù)字孿生技術(shù)運用到自然資源領(lǐng)域成為必然，為自然資源信息化提供了新的思路和嘗試。

2、在國土空間規(guī)劃方面的應(yīng)用

（1）三維地理實景應(yīng)用

通過三維地質(zhì)建模對現(xiàn)實場地條件進行模擬還原，在可視化的環(huán)境下，使地形、地質(zhì)、環(huán)境條件等要素的分析更加符合現(xiàn)實、更加直觀，這對工程的分析、判斷和決策影響極大。例如基于三維模擬的洪水淹沒分析、填挖方分析、地質(zhì)條件等，在三維環(huán)境模擬下的分析更加直觀，從而讓國土空間規(guī)劃“雙評價”也更加科學(xué)。

（2）微觀要素評價

在三維虛擬環(huán)境中，通過對如地形、用地功能、水環(huán)境等傳統(tǒng)要素進行分析，還能根據(jù)相關(guān)的物理模型對污染物擴散、噪聲、風(fēng)熱、光傳播等微觀要素進行模擬與評價，彌補“雙評價”體系對微觀設(shè)計指導(dǎo)不足的缺陷，使國土空間規(guī)劃的“雙評價”系統(tǒng)更加廣泛、多樣，評價方法更加精細、準確。

（3）規(guī)劃成果輔助審查

針對國土空間規(guī)劃和相關(guān)專項規(guī)劃的規(guī)劃成果，按照審查辦法及傳導(dǎo)要求，提供圖文一致性、圖數(shù)一致性、指標(biāo)符合性、空間布局符合性等審查功能，輔助審查結(jié)果并形成審查報告。

可以提供大量以數(shù)字孿生空間為基礎(chǔ)的輔助審查分析工具，包括空間疊置分析、緩沖區(qū)分析、網(wǎng)絡(luò)分析、空間統(tǒng)計分析、三維空間分析。其中三維空間分析主要包括數(shù)字高程模型分析、三維網(wǎng)絡(luò)分析以及二維要素三維化、坡度坡向分析、陰影分析等。

3、在礦山方面的應(yīng)用

（1）礦山生產(chǎn)管理

通過對礦區(qū)環(huán)境和礦權(quán)的立體真實還原，集成礦區(qū)的生產(chǎn)概況信息，可以在虛擬環(huán)境中查詢實時生產(chǎn)概況，可以了解礦井中各個巷道的功能和它的生產(chǎn)情況及工作面的基礎(chǔ)信息等，如主斜井，通過系統(tǒng)可以查到它的坐標(biāo)、高程、長度、徑斷面、支護方式和用途，并且加載了真實場景的照片和資料；可實時了解巷道內(nèi)的設(shè)備設(shè)施情況，如部署位置和屬性信息，支持二三維無縫交互操作。

（2）安全監(jiān)控

在虛擬礦山環(huán)境中可以對任意礦井的監(jiān)控設(shè)備進行遠程調(diào)閱和實時監(jiān)控查詢，如瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)等。當(dāng)用戶選擇所要關(guān)注的礦井時，系統(tǒng)會自動將此礦井所有的瓦斯監(jiān)控點進行展示，包含：監(jiān)控點的位置信息、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)信息、歷史監(jiān)測圖等；任意點擊列表中的每個探頭，可以自動定位到三維場景中的位置，并可直接從三維場景中調(diào)閱查詢此探頭的數(shù)據(jù)曲線圖，動態(tài)展示實時監(jiān)測數(shù)據(jù)走勢，更加直觀的反映瓦斯數(shù)據(jù)的變化情況；同時可以對監(jiān)測報警范圍設(shè)定上下限，當(dāng)瓦斯達到一定濃度時，將自動進行報警提示，為礦區(qū)的安全生產(chǎn)、實時監(jiān)控和應(yīng)急預(yù)警、人員疏散提供了可視化、可量化、可預(yù)警的服務(wù)平臺。

（3）露天礦儲量動態(tài)監(jiān)測

礦產(chǎn)儲量管理是礦產(chǎn)資源管理的基礎(chǔ)工作和核心內(nèi)容。通過對礦山的三維建模和動態(tài)監(jiān)測，同時結(jié)合礦山的日常生產(chǎn)管理，可以對礦產(chǎn)資源儲量進行三維可視化和智能化監(jiān)管，對礦山資源儲量進行統(tǒng)計和及時更新。目前利用傾斜攝影技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)進行礦山儲量的動態(tài)監(jiān)測主要應(yīng)用于露天礦，對露天礦進行定時數(shù)據(jù)采集和建模，并對儲量進行快速的估算，從而實現(xiàn)露天礦儲量的動態(tài)監(jiān)測。

（4）地質(zhì)建模

在地質(zhì)勘查中，很多情況下原始采樣點都是不規(guī)則的，處理的復(fù)雜度高，缺乏科學(xué)有效的特征描述與對象建模基礎(chǔ)，影響其有效可視化、組織、分析。依靠傳統(tǒng)模型展示手段，只能夠達到小范圍、有限數(shù)據(jù)量、低精度的展示效果，而將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)體建模取得了不錯的效果。

a)鉆孔數(shù)據(jù)可視化

基于鉆孔數(shù)據(jù)相同地質(zhì)層屬性間的依賴關(guān)系特征，建立鉆孔數(shù)據(jù)模型。

b)地質(zhì)層可視化表達

由于鉆孔數(shù)據(jù)是分布在三維空間中，所以有必要將三維鉆孔數(shù)據(jù)映射到一個平面上。建立不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型，可以完美表達連續(xù)空間內(nèi)相同屬性地質(zhì)層模型。

c)實時剖切

基于地質(zhì)層TIN模型中任意三角點實現(xiàn)拓撲連接，并在TIN之間完成填充，建立四面體化的不規(guī)則網(wǎng)格，最終實現(xiàn)地質(zhì)體模型的建立，并可以實時剖切獲得剖面的地質(zhì)層情況。

4、在不動產(chǎn)方面的應(yīng)用

經(jīng)過多年的信息化建設(shè)，不動產(chǎn)登記信息化工作已經(jīng)初步完成，同時也在進一步探索基于三維立體空間的不動產(chǎn)方面的應(yīng)用，推動三維不動產(chǎn)登記應(yīng)用以及登記數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)的深度融合，為房屋數(shù)據(jù)修補測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為不動產(chǎn)登記過程中提供三維戶型圖和實時計算，并為后續(xù)不動產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析提供重要的支撐。

5、結(jié)語

自然資源涵蓋了山水林田湖草多個領(lǐng)域，自然資源體系的整合對于自然資源的國土空間規(guī)劃、用途管制、耕地保護和審批監(jiān)管注入了核心力量，同時對于實體空間的表達也提出了非常多樣的要求，包括數(shù)據(jù)精度要求、實體可視化要求、參與分析的要求，都對應(yīng)用技術(shù)提出了非常大的挑戰(zhàn)。而數(shù)字孿生技術(shù)正是對整個自然資源空間對象的實體化表達和多維度分析的結(jié)合，可以實現(xiàn)虛擬空間和現(xiàn)實空間的精準映射和互操作。通過對自然資源應(yīng)用的分析思考并和數(shù)字孿生技術(shù)的結(jié)合探討，可以看到未來數(shù)字孿生技術(shù)在自然資源領(lǐng)域必定大有可為。