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

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(lái)，圍繞自然資源體系改革國(guó)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(guó)家機(jī)構(gòu)改革方案》，組建自然資源部，其重要職責(zé)是“對(duì)自然資源開發(fā)利用和保護(hù)進(jìn)行監(jiān)管，建立空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)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(cè)為基礎(chǔ)，整合已有國(guó)土資源、海洋、測(cè)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(guó)土空間開發(fā)利用與保護(hù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。統(tǒng)籌整合土地、地質(zhì)、礦產(chǎn)、海洋、測(cè)繪地理信息的信息化資源，運(yùn)用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)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(guò)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(gè)平臺(tái)”，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、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(jì)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(wàn)物皆可孿生，物理世界和與之對(duì)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(shí)施前的模擬仿真推演，物理世界因?yàn)閿?shù)字世界提供的支撐變得高效有序，同時(shí)和數(shù)字世界實(shí)時(shí)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(shí)融合、智能迭代的數(shù)字孿生世界，機(jī)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(diǎn)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(jìn)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(shí)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)治理為特征的未來(lái)世界智能化運(yùn)行的先進(jìn)模式。將數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)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(guó)土空間規(guī)劃方面的應(yīng)用

（1）三維地理實(shí)景應(yīng)用

通過(guò)三維地質(zhì)建模對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)地條件進(jìn)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(shí)、更加直觀，這對(duì)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(méi)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(guó)土空間規(guī)劃“雙評(píng)價(jià)”也更加科學(xué)。

（2）微觀要素評(píng)價(jià)

在三維虛擬環(huán)境中，通過(guò)對(duì)如地形、用地功能、水環(huán)境等傳統(tǒng)要素進(jìn)行分析，還能根據(jù)相關(guān)的物理模型對(duì)污染物擴(kuò)散、噪聲、風(fēng)熱、光傳播等微觀要素進(jìn)行模擬與評(píng)價(jià)，彌補(bǔ)“雙評(píng)價(jià)”體系對(duì)微觀設(shè)計(jì)指導(dǎo)不足的缺陷，使國(guó)土空間規(guī)劃的“雙評(píng)價(jià)”系統(tǒng)更加廣泛、多樣，評(píng)價(jià)方法更加精細(xì)、準(zhǔn)確。

（3）規(guī)劃成果輔助審查

針對(duì)國(guó)土空間規(guī)劃和相關(guān)專項(xiàng)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(bào)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(jì)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(guò)對(duì)礦區(qū)環(huán)境和礦權(quán)的立體真實(shí)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(shí)時(shí)生產(chǎn)概況，可以了解礦井中各個(gè)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(guò)系統(tǒng)可以查到它的坐標(biāo)、高程、長(zhǎng)度、徑斷面、支護(hù)方式和用途，并且加載了真實(shí)場(chǎng)景的照片和資料；可實(shí)時(shí)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(wú)縫交互操作。

（2）安全監(jiān)控

在虛擬礦山環(huán)境中可以對(duì)任意礦井的監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)閱和實(shí)時(shí)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(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將此礦井所有的瓦斯監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行展示，包含：監(jiān)控點(diǎn)的位置信息、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息、歷史監(jiān)測(cè)圖等；任意點(diǎn)擊列表中的每個(gè)探頭，可以自動(dòng)定位到三維場(chǎng)景中的位置，并可直接從三維場(chǎng)景中調(diào)閱查詢此探頭的數(shù)據(jù)曲線圖，動(dòng)態(tài)展示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)走勢(shì)，更加直觀的反映瓦斯數(shù)據(jù)的變化情況；同時(shí)可以對(duì)監(jiān)測(cè)報(bào)警范圍設(shè)定上下限，當(dāng)瓦斯達(dá)到一定濃度時(shí)，將自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警提示，為礦區(qū)的安全生產(chǎn)、實(shí)時(shí)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(tái)。

（3）露天礦儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

礦產(chǎn)儲(chǔ)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(guò)對(duì)礦山的三維建模和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，同時(shí)結(jié)合礦山的日常生產(chǎn)管理，可以對(duì)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量進(jìn)行三維可視化和智能化監(jiān)管，對(duì)礦山資源儲(chǔ)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和及時(shí)更新。目前利用傾斜攝影技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行礦山儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用于露天礦，對(duì)露天礦進(jìn)行定時(shí)數(shù)據(jù)采集和建模，并對(duì)儲(chǔ)量進(jìn)行快速的估算，從而實(shí)現(xiàn)露天礦儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

（4）地質(zhì)建模

在地質(zhì)勘查中，很多情況下原始采樣點(diǎn)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(duì)象建?；A(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(dá)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(cuò)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(dá)

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(gè)平面上。建立不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型，可以完美表達(dá)連續(xù)空間內(nèi)相同屬性地質(zhì)層模型。

c)實(shí)時(shí)剖切

基于地質(zhì)層TIN模型中任意三角點(diǎn)實(shí)現(xiàn)拓?fù)溥B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(shí)現(xiàn)地質(zhì)體模型的建立，并可以實(shí)時(shí)剖切獲得剖面的地質(zhì)層情況。

4、在不動(dòng)產(chǎn)方面的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)多年的信息化建設(shè)，不動(dòng)產(chǎn)登記信息化工作已經(jīng)初步完成，同時(shí)也在進(jìn)一步探索基于三維立體空間的不動(dòng)產(chǎn)方面的應(yīng)用，推動(dòng)三維不動(dòng)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(bǔ)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為不動(dòng)產(chǎn)登記過(guò)程中提供三維戶型圖和實(shí)時(shí)計(jì)算，并為后續(xù)不動(dòng)產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析提供重要的支撐。

5、結(jié)語(yǔ)

自然資源涵蓋了山水林田湖草多個(gè)領(lǐng)域，自然資源體系的整合對(duì)于自然資源的國(guó)土空間規(guī)劃、用途管制、耕地保護(hù)和審批監(jiān)管注入了核心力量，同時(shí)對(duì)于實(shí)體空間的表達(dá)也提出了非常多樣的要求，包括數(shù)據(jù)精度要求、實(shí)體可視化要求、參與分析的要求，都對(duì)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(duì)整個(gè)自然資源空間對(duì)象的實(shí)體化表達(dá)和多維度分析的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)虛擬空間和現(xiàn)實(shí)空間的精準(zhǔn)映射和互操作。通過(guò)對(duì)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(lái)數(shù)字孿生技術(shù)在自然資源領(lǐng)域必定大有可為。

三維實(shí)景環(huán)境模擬

輔助審查

多期數(shù)據(jù)對(duì)比

鉆孔數(shù)據(jù)可視化表達(dá)

地質(zhì)體剖切展示

三維環(huán)境要素評(píng)價(jià)

生產(chǎn)管理

儲(chǔ)量計(jì)算

不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型

不動(dòng)產(chǎn)登記