基于數(shù)字孿生的AR實景技術(shù)研究與應(yīng)用

文｜中航安貞（浙江）信息科技有限公司 方磊 張露露 王立幼

1 前言

2020年3月31日，習(xí)近平總書記在杭州城市大腦運(yùn)營指揮中心考察時指出：讓城市更聰明一些、更智慧一些，是推動城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化的必由之路，前景廣闊。在智慧城市建設(shè)的大背景下，各行各業(yè)都在積極探索研究如何充分利用各種高新技術(shù)手段，為智慧城市建設(shè)提供新的助力。近年關(guān)注度越來越高的數(shù)字孿生技術(shù)，已經(jīng)成為新型智慧城市建設(shè)的重要研究方向之一。

當(dāng)前，雖然對數(shù)字孿生的理解和定義還尚未完全形成共識，但是物理實體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接、服務(wù)是數(shù)字孿生的核心要素[1]，這一點(diǎn)基本得到大多數(shù)人的認(rèn)同?；跀?shù)字孿生的AR 實景技術(shù)的研究正是圍繞數(shù)字孿生的核心要素展開，結(jié)合三維GIS、視頻監(jiān)控、BIM、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)，模擬現(xiàn)實世界構(gòu)建一個虛擬的數(shù)字化三維實景空間，圖形化展示城市的空間地理信息和實時現(xiàn)狀，并建立物理實體與虛擬模型之間的映射關(guān)系，關(guān)聯(lián)集成實體對象的各類屬性信息和傳感監(jiān)測信息，搭建信息集成、分析和共享平臺，為城市及行業(yè)管理者提供全面真實的感知要素，并通過實時動態(tài)的交互方式，實現(xiàn)智能化管理和服務(wù)。

2 AR 實景技術(shù)特點(diǎn)

基于數(shù)字孿生的AR 實景技術(shù)具有四大特點(diǎn)。

一是宏觀與微觀相結(jié)合。根據(jù)實際應(yīng)用需要可精準(zhǔn)構(gòu)建多維多尺度的三維實景數(shù)據(jù)。大場景粗精度模型可以用于展示較大范圍區(qū)域內(nèi)的整體情況，如城市范圍內(nèi)的地理環(huán)境、植被、建筑物、道路和公共設(shè)施分布等；精細(xì)的BIM 數(shù)據(jù)可以用于展示建筑物內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)信息，還可通過BIM 剖切功能查看建筑物內(nèi)部的各類隱蔽空間，如吊頂、管道等。實景監(jiān)控圖像則可以用于展示現(xiàn)實世界的真實情況，補(bǔ)充三維模型所缺失的動態(tài)現(xiàn)狀和細(xì)節(jié)信息。

二是虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合。三維模型是模擬物理實體建造的虛擬模型，實景監(jiān)控圖像反應(yīng)的則是現(xiàn)場的真實情況。實景監(jiān)控圖像可幫助管理者快速獲取現(xiàn)場的實時動態(tài)情況，但是單純的平面化圖像傳遞的信息很有限。虛擬的三維場景模型作為背景數(shù)據(jù)則能補(bǔ)充周邊環(huán)境、方位、距離、位置等信息。此外，還可在三維場景中添加點(diǎn)線面矢量要素、圖標(biāo)和標(biāo)簽等，給畫面中的一些特殊位置、特殊建筑物添加描述信息。虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的展現(xiàn)方式可幫助管理者更準(zhǔn)確的解讀監(jiān)控圖像中的異常信息。

三是圖像分析與空間分析相結(jié)合。單純基于二維圖像的分析技術(shù)，在實際應(yīng)用中經(jīng)常無法完全滿足管理的需要，例如需要分析人員、車輛等目標(biāo)對象的運(yùn)動軌跡，再如發(fā)生突發(fā)事件需要指揮疏散或者制定救援路線，這些情況下僅依靠二維的圖像分析明顯無法滿足需求的。利用三維場景模型與監(jiān)控圖像的空間匹配融合，監(jiān)控圖像中任意對象都可快速獲取其空間位置，將鎖定的目標(biāo)對象帶入三維空間進(jìn)行再分析，并將分析結(jié)果在三維場景中立體化展示出來，實現(xiàn)圖像要素全面的可查、可測、可控[4]。

四是模型展示與信息承載相結(jié)合。AR實景技術(shù)所構(gòu)建的三維實景空間既是可視化的展示數(shù)據(jù)，同時也是一個信息集成平臺，例如設(shè)備模型，既可以直接展示設(shè)備外觀和安裝位置，還可以關(guān)聯(lián)設(shè)備屬性、運(yùn)行狀態(tài)、資產(chǎn)登記等業(yè)務(wù)信息。三維實景空間將成為信息承載的容器，集成城市管理所需要的各類信息和數(shù)據(jù)，進(jìn)而提供統(tǒng)一的信息管理和查詢服務(wù)，實現(xiàn)信息的協(xié)同共享[5]。

3 AR 實景技術(shù)框架

基于數(shù)字孿生的AR 實景技術(shù)首先需要構(gòu)建多維多尺度的數(shù)字模型場景，并實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)匹配融合，建立與真實世界一一對應(yīng)的虛擬世界。數(shù)字模型場景一般包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、三維場景模型、BIM 模型、實景監(jiān)控圖像等。

其次完成物理實體的全要素信息與虛擬模型的關(guān)聯(lián)映射，使模型“活起來”。物理實體的全要素信息通常包括自然屬性、社會屬性、資產(chǎn)歸屬、行業(yè)業(yè)務(wù)、傳感監(jiān)測等信息。

最后通過可視化交互平臺，實現(xiàn)對真實世界的動態(tài)監(jiān)管和實時反饋，為不同領(lǐng)域、不同層次的用戶提供能夠滿足其業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的服務(wù)。

圖1 AR 實景技術(shù)框架圖

4 AR 實景技術(shù)應(yīng)用案例

基于數(shù)字孿生的AR 實景技術(shù)融合三維GIS、物聯(lián)網(wǎng)、時空大數(shù)據(jù)和云計算等新一代的信息技術(shù)，構(gòu)建三維實景空間作為信息承載與共享的基礎(chǔ)底座，支持集成城市管理相關(guān)的海量信息數(shù)據(jù)，具有開放性和通用性的特點(diǎn)，可以為不同的用戶提供各類不同的服務(wù)應(yīng)用。以下將介紹AR 實景技術(shù)在安防、消防、高速和園區(qū)行業(yè)管理中的實際應(yīng)用。

4.1 智慧安防

智慧安防管理平臺以基礎(chǔ)地理信息和三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，集成警力部署、視頻監(jiān)控、警情管理、卡口管理、停車場管理、人臉管理和安檢監(jiān)測等安防業(yè)務(wù)信息，充分整合匯聚安保工作所涉及的人地事物，形成對城市各個角落的全面感知和實時監(jiān)控，進(jìn)一步通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的挖掘分析提前預(yù)測可能存在的安全隱患問題，實現(xiàn)智能化監(jiān)測預(yù)警。

以現(xiàn)代化安防離不開視頻監(jiān)控系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在畫面獨(dú)立看不全，視角分散不直觀，畫面位置不明確，視角信息難獲取等缺陷。利用AR 三維實景技術(shù)構(gòu)建的“全視界”三維實景空間，可幫助管理者全面掌握監(jiān)控點(diǎn)位的位置、方位、高度和監(jiān)控范圍等信息，快速定位并查看相應(yīng)的監(jiān)控畫面。利用圖像分析技術(shù)識別監(jiān)控畫面中的安全隱患和危險目標(biāo)，結(jié)合三維空間分析功能可以對目標(biāo)對象的位置和軌跡進(jìn)行聚焦和跟蹤，管理者還可同時查看周邊的環(huán)境、交通、警力部署等信息，快速合理的進(jìn)行任務(wù)下達(dá)和警力資源調(diào)度。

4.2 智慧消防

現(xiàn)代建筑體積越來越龐大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)被動式的消防管理模式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代消防管理的需求。AR 實景技術(shù)利用物聯(lián)網(wǎng)作為消防系統(tǒng)的“感知神經(jīng)”；利用BIM 數(shù)字化模擬真實再現(xiàn)消防系統(tǒng)的空間布局和邏輯關(guān)系，提供建筑物以及消防設(shè)備的空間、位置、時間成本、材料、廠商等信息；利用三維實景空間的可視化功能實現(xiàn)模型和監(jiān)測數(shù)據(jù)的圖屬互查，并可動態(tài)模擬展示不同類型的應(yīng)急預(yù)案。

基于AR 實景技術(shù)搭建的智慧消防管理平臺中，所有物聯(lián)網(wǎng)終端傳感器都有與之對應(yīng)的模型構(gòu)件，建立設(shè)備和模型構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)映射后，IoT 數(shù)據(jù)即可依托BIM實現(xiàn)三維可視化的查詢和管理，而BIM 也不再只是靜態(tài)的三維模型，能夠與真實監(jiān)測數(shù)據(jù)實時聯(lián)動。通過建筑物、消防設(shè)備、消防業(yè)務(wù)信息的集成管理和三維可視化交互查詢，構(gòu)建一個信息交換和共享的協(xié)同運(yùn)作系統(tǒng)，幫助管理者實現(xiàn)更高效的日常運(yùn)維和更科學(xué)的應(yīng)急指揮管理。

4.3 智慧高速

我國高速公路正從高速增長階段向高質(zhì)量發(fā)展階段轉(zhuǎn)變，智慧高速的目標(biāo)是實現(xiàn)高速公路建設(shè)-運(yùn)營-養(yǎng)護(hù)全生命周期的智能化管控。

基于數(shù)字孿生的AR 實景技術(shù)可集成高精地圖、BIM、三維實景和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，同時接入專題業(yè)務(wù)系統(tǒng)、運(yùn)營系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)終端實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過多源數(shù)據(jù)的融合，面向?qū)嶋H業(yè)務(wù)定制運(yùn)營管理、AR 視頻監(jiān)控、車輛監(jiān)測和跟蹤、道路養(yǎng)護(hù)管理和應(yīng)急管控等專業(yè)應(yīng)用，實現(xiàn)高速公路運(yùn)營管理與應(yīng)急處置的精細(xì)化、智能化、自動化和標(biāo)準(zhǔn)化[2]。

4.4 智慧園區(qū)

隨著產(chǎn)業(yè)園區(qū)的升級轉(zhuǎn)型，現(xiàn)階段智慧園區(qū)的管理目標(biāo)是提升園區(qū)物業(yè)服務(wù)、提高園區(qū)運(yùn)營能力、為業(yè)主提供安全有序和干凈整潔的園區(qū)環(huán)境、滿足業(yè)主企業(yè)的高品質(zhì)訴求。

通過AR 實景三維管理平臺，接入園區(qū)內(nèi)的建筑、設(shè)施、設(shè)備、環(huán)境、安全等相關(guān)信息，實時監(jiān)控園區(qū)內(nèi)設(shè)備、人員、車輛等是否處于正常狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)偏離正常狀態(tài)的監(jiān)測信息時自動觸發(fā)預(yù)警提示。還可對歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，為園區(qū)管理、維護(hù)、維修和經(jīng)營計劃的制定或調(diào)整提供參考依據(jù)。通過信息的共聯(lián)共享提前預(yù)判可能出現(xiàn)的不和諧因素，幫助維護(hù)園區(qū)秩序和環(huán)境。最終提高物業(yè)服務(wù)管理質(zhì)量，提升園區(qū)經(jīng)營管理能力，加速園區(qū)發(fā)展[3]。

5 結(jié)束語

基于數(shù)字孿生的AR 實景技術(shù)是真實世界和虛擬世界中間的橋梁，利用5G、物聯(lián)網(wǎng)、城市信息模型、時空大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等技術(shù)實現(xiàn)真實世界信息和虛擬世界信息的“無縫”集成，幫助管理者完成對城市各個角落的實時監(jiān)控和管理。

AR 實景技術(shù)已經(jīng)在安防、消防、高速和園區(qū)管理等多個行業(yè)中展開應(yīng)用，其價值已經(jīng)得到了充分證明和肯定。除此之外我們還在進(jìn)一步拓展AR 實景技術(shù)在城管、水利、環(huán)保、災(zāi)害應(yīng)急、交通等更多行業(yè)中的應(yīng)用，為新型智慧城市的升級發(fā)展添磚加瓦。

圖2 智慧安防數(shù)字孿生應(yīng)用

圖3 智慧消防AR 實景應(yīng)用

圖4 智慧高速AR 實景應(yīng)用