北斗與高分融合的數(shù)字孿生地球

劉光明，胡煜，沙峰，謝國鈞，成偉

(1.中科星圖空間技術(shù)有限公司,西安 710100；2.陜西省軍民融合信息中心,西安 710100)

0 前言

隨著航天航空對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，海量地球時(shí)空大數(shù)據(jù)與多領(lǐng)域用戶之間存在著越來越高的信息壁壘和技術(shù)門檻，數(shù)字地球應(yīng)運(yùn)而生. 1998 年，美國副總統(tǒng)戈?duì)栐诩永Ｄ醽喛茖W(xué)中心開幕典禮上做了題為“數(shù)字地球：認(rèn)識(shí)二十一世紀(jì)我們所居住的星球”的演講，首次系統(tǒng)地闡述了數(shù)字地球的概念. 數(shù)字地球是對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)操作的整體封裝，是連接多領(lǐng)域用戶與多源地球信息的橋梁. 數(shù)字地球高度集成了航空航天對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)、地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、通信，以及多媒體等信息技術(shù)，并與地球科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)等學(xué)科深度融合，是定量研究地球、深度認(rèn)識(shí)地球、科學(xué)分析地球、系統(tǒng)改造地球的有力工具. 最具代表性的數(shù)字地球產(chǎn)品是美國谷歌公司的“Google Earth”. 當(dāng)前，歐盟、俄羅斯以及我國都在積極研制數(shù)字地球，數(shù)字地球的實(shí)現(xiàn)如圖1 所示.

圖1 數(shù)字地球的實(shí)現(xiàn)

“北斗+高分”是導(dǎo)航與遙感技術(shù)融合的典型代表. 隨著北斗全球化服務(wù)的正式啟動(dòng)和高分系列衛(wèi)星觀測(cè)成果的廣泛應(yīng)用，北斗與高分共同構(gòu)筑了我國的時(shí)空高邊疆. “北斗+高分”是我國自主可控的、最具發(fā)展?jié)摿Φ臅r(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施，也是數(shù)字孿生地球高效采集海量時(shí)空大數(shù)據(jù)的主要技術(shù)手段. 高分為數(shù)字地球提供了全息鏡像. 北斗為數(shù)字地球傳遞時(shí)空基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)地球間的精準(zhǔn)映射. 另外，北斗和高分也是實(shí)現(xiàn)時(shí)空態(tài)勢(shì)感知的主要技術(shù).

陳述彭[1-3]介紹了建設(shè)數(shù)字地球的戰(zhàn)略意義，推動(dòng)了數(shù)字地球國產(chǎn)化. 承繼成[4-5]從理論、技術(shù)、建設(shè)到應(yīng)用，對(duì)數(shù)字地球進(jìn)行了系統(tǒng)地研究和推廣. 李德仁等[6]提出了數(shù)字地球的智慧化. 龔健雅[7]研究了數(shù)字地球的三維化. 邵宗有[8]提出以“構(gòu)建北斗為體高分為象的數(shù)字孿生地球”的技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖. 安世亞太科技股份有限公司[9]詳細(xì)介紹了數(shù)字孿生技術(shù)的概念和框架. 中國信息通信研究院[10-12]詳細(xì)論述了數(shù)字孿生城市的總體架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，介紹了數(shù)字孿生城市的典型場(chǎng)景、應(yīng)用案例與發(fā)展趨勢(shì). 中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院[13]介紹了數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化工作的現(xiàn)狀與發(fā)展，分析了在技術(shù)、管理和商業(yè)方面存在的挑戰(zhàn). 中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)[14]對(duì)北斗技術(shù)在時(shí)空信息領(lǐng)域的融合創(chuàng)新前景做出了前瞻性的論述. 自然資源部科技發(fā)展司[15]詳細(xì)介紹了國內(nèi)遙感產(chǎn)品生態(tài)鏈的全貌，闡述了遙感技術(shù)在數(shù)字中國等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用. 陳銳志等[16]從應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類，全面地介紹了導(dǎo)航與遙感技術(shù)的融合. 李文[17]提出了北斗、銥星和遙感系統(tǒng)的融合方式，并詳細(xì)分析了融合系統(tǒng)的性能.

1 數(shù)字孿生地球的概念

“數(shù)字化”是將真實(shí)世界的時(shí)空、幾何、物理、自然和社會(huì)等屬性信息，在計(jì)算機(jī)虛擬世界進(jìn)行描述、存儲(chǔ)和表達(dá)的技術(shù). “孿生”的概念起源于美國國家航空航天局的“阿波羅計(jì)劃”，即構(gòu)建兩個(gè)相同的航天飛行器，將其中一個(gè)發(fā)射到太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)，另一個(gè)留在地球上用于反映太空中航天器在任務(wù)期間的工作狀態(tài)，從而輔助工程師分析處理太空中出現(xiàn)的緊急事件. 這兩個(gè)航天器都是真實(shí)存在的物理實(shí)體.

不同行業(yè)對(duì)數(shù)字孿生的定義不同，結(jié)合時(shí)空信息領(lǐng)域的特點(diǎn)，我們認(rèn)為“數(shù)字孿生”是在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)世界之間在全生命周期內(nèi)的實(shí)時(shí)連接和同步更新，并通過仿真模擬、分析推演、預(yù)測(cè)預(yù)警，為規(guī)劃、設(shè)計(jì)和決策提供最優(yōu)方案，進(jìn)而對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行資源調(diào)度、遠(yuǎn)程操控和綜合治理. 數(shù)字孿生的核心思想可概況為自實(shí)生虛、虛實(shí)互連、以虛控實(shí)三點(diǎn). 隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)已在工業(yè)制造、城市管理、電力、農(nóng)業(yè)、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用. 數(shù)字孿生地球則是數(shù)字孿生技術(shù)最有想象力的應(yīng)用之一.

陳述彭院士指出，當(dāng)我們通過衛(wèi)星、飛機(jī)、氣球、地面測(cè)繪、地球化學(xué)或地球物理等觀測(cè)手段獲得地球的大量數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)把它們同應(yīng)用模型結(jié)合起來，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里把真實(shí)的地球重現(xiàn)出來，形成一個(gè)巨系統(tǒng)時(shí)，它所提供的數(shù)據(jù)和信息將使人類能夠更有效地管理地球，甚至人類本身. 這樣一個(gè)巨系統(tǒng)，就是“數(shù)字地球”.

“數(shù)字地球”是對(duì)海量地球時(shí)空大數(shù)據(jù)及其操作的整體封裝，是連接多領(lǐng)域用戶與多源地球信息的橋梁. 當(dāng)前，數(shù)字地球不僅是數(shù)字化的地球，而且它已具備了數(shù)字孿生地球的基本要素，但在智慧、融合、協(xié)同等方面還存在一定的差距. “數(shù)字孿生地球”是數(shù)字地球的高級(jí)階段.

隨著應(yīng)用的拓展、需求的增加和技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字地球正在向數(shù)字孿生地球快速進(jìn)化. 在地球時(shí)空大數(shù)據(jù)方面，數(shù)字地球正經(jīng)歷著從二維到四維、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從幾何到物理、從地表到鄰地空間、從對(duì)地觀測(cè)到泛在物聯(lián)感知、從自然資源到人文生態(tài)的擴(kuò)展. 在服務(wù)能力方面，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、模擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)等技術(shù)，以及地球物理等學(xué)科的快速發(fā)展，有力地推動(dòng)了數(shù)字地球的智慧化程度. 在具體應(yīng)用方面，數(shù)字地球已在政府綜合管理和行業(yè)垂直領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，也為進(jìn)一步融合各種異構(gòu)智慧體，實(shí)現(xiàn)共智共治提供了數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)和技術(shù)的積累.

“智慧體”是一個(gè)理想化的目標(biāo). 智慧體有不同層次的具體實(shí)現(xiàn)，或者聚焦于解決行業(yè)痛點(diǎn)，或者偏重于信息化建設(shè)，或者主打人工智能和可視化. 目前，數(shù)字孿生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧體的最優(yōu)方案. “元宇宙”基于數(shù)字原生技術(shù)，目的是構(gòu)建虛擬社會(huì)；“數(shù)字孿生地球”以真實(shí)世界為主，目的是治理真實(shí)世界. 這兩者在理念和技術(shù)方面有很多共性，最終會(huì)走向融合共生.

2 數(shù)字孿生地球的構(gòu)建

2.1 關(guān)鍵步驟

如圖2 所示，基于移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、海量存儲(chǔ)、高性能計(jì)算等共性信息基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)字孿生地球的構(gòu)建可分為6 個(gè)關(guān)鍵步驟：全鏈可信時(shí)空、全息精準(zhǔn)映射、實(shí)時(shí)泛在感知、多模數(shù)據(jù)融合、單體時(shí)空智慧、全域共智共治.

圖2 數(shù)字孿生地球的架構(gòu)

這6 個(gè)步驟之間的邏輯關(guān)系如下：

1)全鏈可信時(shí)空

時(shí)空大數(shù)據(jù)在采集、存儲(chǔ)、共享、處理和應(yīng)用的全生命周期內(nèi)都具有分布式特點(diǎn)，以往建立大數(shù)據(jù)中心的方法難以應(yīng)對(duì)航天航空對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，協(xié)作共享已經(jīng)成為趨勢(shì)，而協(xié)作的前提是建立互信機(jī)制. 所有高價(jià)值的分布式行為，都可以應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)來解決協(xié)作中的信任問題[18-21].

2)全息精準(zhǔn)映射

利用北斗、高分和新型測(cè)繪等技術(shù)獲取的時(shí)空數(shù)據(jù)，可建立數(shù)字化的地球，實(shí)現(xiàn)全息鏡像和精準(zhǔn)映射.

3)實(shí)時(shí)泛在感知

實(shí)時(shí)泛在感知實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)地球之間在全生命周期內(nèi)的實(shí)時(shí)連接和同步更新.

4)多模數(shù)據(jù)融合

映射層和感知層采集的時(shí)空大數(shù)據(jù)具有海量、異構(gòu)、動(dòng)態(tài)、非結(jié)構(gòu)化等特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)的管理、查詢、分析和融合提出了巨大的挑戰(zhàn). 傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)(GIS)的專題圖層模式難以滿足要求，北斗網(wǎng)格位置碼是更有效的數(shù)據(jù)組織模式.

5)單體時(shí)空智慧

利用融合后的時(shí)空大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人工智能、模擬仿真和分析推演，可為規(guī)劃、設(shè)計(jì)和決策提供最優(yōu)方案，進(jìn)而對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行資源調(diào)度、遠(yuǎn)程操控和綜合治理.

6)全域共智共治

在不同行業(yè)領(lǐng)域間有很多共性需求和交叉應(yīng)用，單體智慧無法得到全局最優(yōu)方案，存在重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)等問題. 因此要打通地域和行業(yè)間的壁壘，跨界融合各種異構(gòu)單體智慧，實(shí)現(xiàn)全域共智共治.

2.2 全鏈可信時(shí)空

時(shí)空大數(shù)據(jù)在采集、存儲(chǔ)、共享、處理和應(yīng)用的全生命周期內(nèi)都具有分布式特點(diǎn)，以往建立大數(shù)據(jù)中心的方法難以應(yīng)對(duì)航天航空對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，協(xié)作共享已經(jīng)成為趨勢(shì)，而協(xié)作的前提是建立互信機(jī)制. 所有高價(jià)值的分布式行為，都可以應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)來解決協(xié)作中的信任問題. 區(qū)塊鏈技術(shù)起源于虛擬貨幣，通過共識(shí)算法保證了賬本可信. 將區(qū)塊鏈技術(shù)用于現(xiàn)實(shí)世界時(shí)應(yīng)該同時(shí)保證賬本可信、物理可信和時(shí)空可信.

賬本可信指：區(qū)塊鏈具有去中心化、集體維護(hù)、公開透明、不可篡改、全程留痕、可追溯等特點(diǎn). 物理可信指：區(qū)塊中需要記錄的過程視頻、現(xiàn)場(chǎng)照片、文件資料，氣象和環(huán)境等物聯(lián)感知，以及時(shí)空標(biāo)簽都是可信的，可作為一個(gè)事件的物理證明. 如果在物理證明的采集和錄入時(shí)就發(fā)生了有意或無意的錯(cuò)誤，那就不能保證事件的可信性. 時(shí)空可信指：任何事件都必須遵守時(shí)空的秩序，區(qū)塊中記錄的人、物、事、時(shí)間、地點(diǎn)的時(shí)空邏輯必須自洽. 事件總是在時(shí)空中發(fā)生，其物理信息與時(shí)空標(biāo)簽共同組成了時(shí)空數(shù)據(jù). 因此，物理可信與時(shí)空可信往往是相互制約、相互佐證的.

北斗的作用不僅僅是能便捷可靠地采集時(shí)空標(biāo)簽，更深層的意義在于北斗定位、導(dǎo)航和授時(shí)(PNT)服務(wù)具備時(shí)空可信性，具體包括服務(wù)泛在性、基準(zhǔn)統(tǒng)一性、時(shí)空自洽性、因果必然性和共識(shí)同步性. 憑借北斗PNT 服務(wù)的時(shí)空可信性，就能有效地維護(hù)時(shí)空秩序、規(guī)避時(shí)空歧義、證明時(shí)空自洽、達(dá)成時(shí)空共識(shí)，最終構(gòu)建可信時(shí)空.

“北斗+區(qū)塊鏈”在數(shù)字孿生地球中的應(yīng)用場(chǎng)景包括：流程全鏈監(jiān)管、資源高效共享和任務(wù)眾創(chuàng)協(xié)作.其中，流程全鏈監(jiān)管可分為實(shí)物流通、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和業(yè)務(wù)流程三類，資源高效共享可分為數(shù)據(jù)共享、設(shè)備和人力共享三類，任務(wù)眾創(chuàng)協(xié)作可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和算法研發(fā)三類.

2.3 全息精準(zhǔn)映射

數(shù)字孿生地球的基礎(chǔ)平臺(tái)是一個(gè)以“北斗為體”“高分為象”的數(shù)字地球.

“高分為象”指：高分可從全球視野精細(xì)探測(cè)地表、大氣、海洋及其附屬物的幾何和物理狀態(tài)，體現(xiàn)為萬物萬象的形態(tài)、影像、高光譜、微波和重磁場(chǎng)等信息，通過數(shù)據(jù)處理形成的多種類高分產(chǎn)品，構(gòu)成了數(shù)字孿生地球的“皮膚”，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)地球之間的全息鏡像.

另外，利用無人機(jī)遙感、車載測(cè)繪等新型測(cè)繪技術(shù)，快速獲取局部區(qū)域的高光譜、多視角影像或激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建實(shí)景三維、建筑信息模型和高精度地圖，可大幅度提升數(shù)字孿生地球在特定應(yīng)用場(chǎng)景中的鏡像粒度.

只有在確定的時(shí)空基準(zhǔn)中，高分和新型測(cè)繪產(chǎn)品才能與真實(shí)地球建立精準(zhǔn)映射關(guān)系. “北斗為體”指：北斗為高分和新型測(cè)繪產(chǎn)品傳遞高精度時(shí)空基準(zhǔn)，是數(shù)字孿生地球的“骨骼”，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)地球之間的精準(zhǔn)映射.

北斗系統(tǒng)全球性、全天候、高精度的PNT 服務(wù)，是為高分產(chǎn)品傳遞時(shí)空基準(zhǔn)的主要方法. 北斗PNT服務(wù)可為數(shù)字孿生地球的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)服務(wù)和多時(shí)相高分產(chǎn)品傳遞高精度時(shí)間基準(zhǔn). 利用北斗增強(qiáng)定位服務(wù)采集像控點(diǎn)的精確坐標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)高分影像的有控定位. 星載北斗接收機(jī)可為高分衛(wèi)星精密定軌定姿[22]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高分產(chǎn)品的無控定位. 有控定位和無控定位都是通過北斗系統(tǒng)將空間基準(zhǔn)傳遞到高分產(chǎn)品的過程.

數(shù)字孿生地球的時(shí)空基準(zhǔn)包括：時(shí)間基準(zhǔn)、坐標(biāo)基準(zhǔn)、高程與深度基準(zhǔn)、重力基準(zhǔn). 利用北斗高精度增強(qiáng)服務(wù)可以高效地實(shí)現(xiàn)多源高分產(chǎn)品的基準(zhǔn)統(tǒng)一[23].基準(zhǔn)統(tǒng)一的方法與產(chǎn)品精度有關(guān)，如果數(shù)據(jù)精度遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換改正數(shù)，則可以不做基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換. 例如，現(xiàn)代地心坐標(biāo)基準(zhǔn)之間和高程基準(zhǔn)之間的差異不到1 m，而全球衛(wèi)星遙感影像無控定位精度低于3 m，全球數(shù)字高程產(chǎn)品精度約10 m，在這種情況下可忽略基準(zhǔn)間的差異.

2.4 實(shí)時(shí)泛在感知

實(shí)時(shí)泛在感知實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)地球之間在全生命周期內(nèi)的實(shí)時(shí)連接和同步更新.

數(shù)字孿生地球強(qiáng)調(diào)虛實(shí)之間的連接與互動(dòng)，需要實(shí)時(shí)接入攝像頭、氣象、環(huán)境、市政基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)等泛在物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，政務(wù)、社會(huì)、行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)等多源專題信息數(shù)據(jù)，以及車輛、船艦、人員、物品等動(dòng)態(tài)時(shí)空態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù).

這些多模異構(gòu)數(shù)據(jù)必須打上統(tǒng)一的時(shí)空標(biāo)簽，才能有效地進(jìn)行關(guān)聯(lián)、融合和分析. 北斗PNT 服務(wù)，可精準(zhǔn)感知事物本體的時(shí)間、位置、姿態(tài)和軌跡等信息，為萬事萬物提供了絕對(duì)時(shí)空標(biāo)簽. 通常，還將北斗與慣性導(dǎo)航(IMU)、視覺導(dǎo)航或室內(nèi)導(dǎo)航等技術(shù)組合成綜合PNT 系統(tǒng)，以提升導(dǎo)航定位的彈性. 高分則用于非合作目標(biāo)識(shí)別，并在宏觀尺度上把握事物之間，以及事物與背景環(huán)境之間的相對(duì)時(shí)空關(guān)系. 北斗與高分不僅是數(shù)字孿生地球的“骨骼”和“皮膚”，還是用于時(shí)空感知的兩只“眼睛”.

通常，海量時(shí)空大數(shù)據(jù)采用云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算，對(duì)于體量大的物聯(lián)感知數(shù)據(jù)和需要實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)，則采用邊緣計(jì)算方式，只在云和端之間互傳最關(guān)鍵的信息. 第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)具有低延遲和高帶寬的特性，改善了數(shù)據(jù)和算力部署的靈活性. 綜合5G 和云邊協(xié)同技術(shù)，可以提高移動(dòng)應(yīng)用端設(shè)備或智能傳感器的輕量化配置和快速反應(yīng)能力. 北斗短報(bào)文則解決了在無移動(dòng)信號(hào)特殊場(chǎng)景下的低成本衛(wèi)星通信需求.

2.5 多模數(shù)據(jù)融合

時(shí)空大數(shù)據(jù)包括地球物理數(shù)據(jù)、鄰地空間信息、測(cè)繪地理數(shù)據(jù)、時(shí)空態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)、公共/行業(yè)專題數(shù)據(jù)等，具有海量、多源、異構(gòu)、多維、多尺度、動(dòng)態(tài)、非結(jié)構(gòu)化等特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)的管理、查詢和分析提出了巨大的挑戰(zhàn)[24-25]. 傳統(tǒng)GIS 的專題圖層模式難以滿足要求，北斗網(wǎng)格位置碼是更有效的數(shù)據(jù)組織模式.

由于網(wǎng)格化在建模、發(fā)布、檢索、使用等方面的高效性、便利性，網(wǎng)格技術(shù)已經(jīng)在傳統(tǒng)地理信息領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用. 例如，地理格網(wǎng)、地圖分幅、影像瓦片、柵格地圖、數(shù)字高程圖等等. 隨著全球一體化、數(shù)字化、智能化進(jìn)程的發(fā)展，對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)的組織方式提出了更高要求，網(wǎng)格模型的功能從早期的空間數(shù)據(jù)索引、地圖應(yīng)用與地理現(xiàn)象表達(dá)，開始向多源異構(gòu)時(shí)空數(shù)據(jù)融合及大數(shù)據(jù)分析與挖掘等新方向拓展.

北斗網(wǎng)格位置碼基于2000 國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)坐標(biāo)基準(zhǔn)，將地球時(shí)空劃分為多層次的時(shí)空網(wǎng)格，并將所有實(shí)體和信息封裝在一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)格中. 每個(gè)網(wǎng)格被賦予唯一編碼，實(shí)現(xiàn)了“一位一碼、一物一碼、一事一碼”. 這種數(shù)據(jù)組織模式可直接面向空間實(shí)體對(duì)象，通過時(shí)空標(biāo)簽匹配，將原本分層獨(dú)立的信息組合關(guān)聯(lián)到實(shí)體上，實(shí)現(xiàn)實(shí)體信息的結(jié)構(gòu)化、語義化以及全局標(biāo)識(shí)，形成實(shí)體的全息屬性，并基于實(shí)體構(gòu)建無尺度時(shí)空數(shù)據(jù)庫和知識(shí)圖譜. 北斗網(wǎng)格位置碼以實(shí)體為基本顆粒，以網(wǎng)格為數(shù)據(jù)容器，以編碼為索引主鍵，更適用于多模多層時(shí)空大數(shù)據(jù)融合和跨模透層互操作，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、查詢統(tǒng)計(jì)、時(shí)空分析、三維可視化、知識(shí)挖掘等方面更有效率，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、有序整合和綜合應(yīng)用.

2.6 單體時(shí)空智慧

早期的3S 集成技術(shù)是集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)管理、圖像處理、定量分析等功能為一體的時(shí)空信息系統(tǒng)，局限于對(duì)傳統(tǒng)圖像和圖層的處理分析，缺乏對(duì)復(fù)雜時(shí)空問題的分析和決策能力. 單體智慧是在3S 集成的基礎(chǔ)上，融合時(shí)空大數(shù)據(jù)、三維建模、物聯(lián)感知、人工智能等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)感知連接、仿真分析、規(guī)劃決策等功能，以滿足特定地域、特定領(lǐng)域的需求. 例如：三維GIS、時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)、城市信息模型、城市大腦、智慧城市、智慧交通等.

數(shù)字孿生地球具有可逆、可重塑、可回溯的特性，可通過時(shí)空分析、仿真預(yù)測(cè)、人工智能和可視化等技術(shù)，為用戶提供輔助決策，進(jìn)而調(diào)度、操控和治理真實(shí)世界. 一方面，依據(jù)真實(shí)世界運(yùn)行的規(guī)律和機(jī)理，構(gòu)建物理、自然、社會(huì)等多學(xué)科模型庫，通過輸入實(shí)時(shí)狀態(tài)和邊界條件，進(jìn)行仿真模擬、分析推演和預(yù)測(cè)預(yù)警，為規(guī)劃、設(shè)計(jì)和決策提供最優(yōu)方案. 另一方面，對(duì)運(yùn)行機(jī)理不明確的復(fù)雜時(shí)空問題，采用以計(jì)算機(jī)視覺為代表的人工智能技術(shù)，通過海量時(shí)空大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式識(shí)別和深度學(xué)習(xí)，挖掘隱藏在數(shù)據(jù)中的知識(shí)，洞察時(shí)空的本質(zhì)規(guī)則，并進(jìn)行自我迭代進(jìn)化.

全場(chǎng)景、全流程的混合現(xiàn)實(shí)(MR)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體、應(yīng)用場(chǎng)景、標(biāo)繪量測(cè)、業(yè)務(wù)流程和拓?fù)潢P(guān)系的可視化，為分析、仿真、規(guī)劃、監(jiān)管和決策提供了沉浸式的多模態(tài)、多感官虛實(shí)交互方式，有助于對(duì)問題的認(rèn)知、理解和探索，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能傳感器、無人機(jī)、機(jī)器人和智能家電的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控[26-27].

單體智慧局限于特定地域、特定領(lǐng)域的需求，或者聚焦于解決行業(yè)痛點(diǎn)，或者偏重于信息化基礎(chǔ)建設(shè)，或者以人工智能和可視化為主，相互之間存在數(shù)據(jù)孤島、業(yè)務(wù)煙囪、行業(yè)壁壘等問題，需要立足更高的站位進(jìn)行融會(huì)貫通.

2.7 全域共智共治

在不同行業(yè)領(lǐng)域間有很多共性需求和交叉應(yīng)用，單體智慧無法得到全局最優(yōu)方案，存在重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)等問題. 因此要打通地域和行業(yè)間的壁壘，跨界融合各種異構(gòu)單體智慧，實(shí)現(xiàn)全域共智共治.

數(shù)字孿生地球?qū)r(shí)空大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)操作進(jìn)行了整體封裝，特點(diǎn)是全球覆蓋、全息鏡像、全流程操作、全領(lǐng)域協(xié)同. 其中，全球覆蓋包括了地表、海洋、海底、大氣和地質(zhì)構(gòu)造等；全息鏡像包括了影像、微波、高程、重磁場(chǎng)和物聯(lián)感知等；全流程操作包括了數(shù)據(jù)的采集、處理、承載、可視化和應(yīng)用等；全領(lǐng)域協(xié)同則包括了農(nóng)業(yè)、交通、生態(tài)、應(yīng)急和位置服務(wù)等. 同時(shí)，數(shù)字孿生地球還具備可廣泛兼容、可柔性擴(kuò)展、可持續(xù)進(jìn)化的基礎(chǔ)框架，是各種異構(gòu)智慧體承載和融合的時(shí)空底座.

數(shù)字孿生地球充分融合北斗、高分、新型測(cè)繪、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、5G、云邊協(xié)同、網(wǎng)格碼、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)，基于全局性的頂層設(shè)計(jì)架構(gòu)和統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)、統(tǒng)一的網(wǎng)格編碼、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，跨界集成多地域、多領(lǐng)域、多平臺(tái)異構(gòu)智慧體，對(duì)其進(jìn)行解耦、整合和重構(gòu)，再經(jīng)過多模數(shù)據(jù)深度融合、異構(gòu)模型關(guān)聯(lián)分析、多線業(yè)務(wù)閉環(huán)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)智慧體之間共享智慧、協(xié)同治理、同步進(jìn)化，為政府綜合管理、垂直領(lǐng)域應(yīng)用、大眾個(gè)性服務(wù)等應(yīng)用，提供全方位的解決方案.

3 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

“十四五”規(guī)劃提出了以“產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、數(shù)字產(chǎn)業(yè)化”為導(dǎo)向的數(shù)字經(jīng)濟(jì)新戰(zhàn)略，將“北斗與高分融合的數(shù)字孿生地球”推向了時(shí)代的風(fēng)口浪尖.

1)自主可控是立身之本. 國產(chǎn)數(shù)字孿生地球?qū)⒘⒆阌趽碛泻诵牡闹R(shí)產(chǎn)權(quán)、可持續(xù)的研發(fā)技術(shù)鏈、閉環(huán)的國產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈和規(guī)模化的應(yīng)用生態(tài)鏈，為加速新基建和數(shù)字化轉(zhuǎn)型搭建通用的支撐平臺(tái).

2)融合創(chuàng)新是必由之路. 只有融合創(chuàng)新才能持續(xù)拓展行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域、挖掘業(yè)務(wù)增長點(diǎn)、擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模、并衍生無限可能. “北斗與高分融合的數(shù)字孿生地球” 將與物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、5G、云邊協(xié)同、大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)深度融合，為培育共智共治生態(tài)圈提供開放的時(shí)空底座.

3)大眾應(yīng)用是藍(lán)海市場(chǎng). 當(dāng)前，數(shù)字孿生地球以政府和行業(yè)領(lǐng)域服務(wù)為主，市場(chǎng)容量存在天花板. 以谷歌地球退出中國市場(chǎng)為契機(jī)，從主打應(yīng)用產(chǎn)品，轉(zhuǎn)變?yōu)橐赃\(yùn)營服務(wù)為牽引，以戶外運(yùn)動(dòng)、社交游戲、位置服務(wù)等大眾應(yīng)用為抓手，通過跨界融合、業(yè)務(wù)升級(jí)和生態(tài)重構(gòu)，促進(jìn)服務(wù)大眾化和應(yīng)用規(guī)?；?，是產(chǎn)業(yè)的發(fā)展策略.

4)國際市場(chǎng)是布局方向. 國產(chǎn)數(shù)字孿生地球?qū)⒋蚱茣r(shí)空信息服務(wù)長期以來被發(fā)達(dá)國家壟斷的局面. 踐行“一帶一路”倡議，逐步拓展國際市場(chǎng)，打造性價(jià)比更高的中國品牌，是產(chǎn)業(yè)的布局方向.

當(dāng)前，從數(shù)字地球向數(shù)字孿生地球進(jìn)化還面臨著一些技術(shù)挑戰(zhàn). 在全鏈可信時(shí)空方面，要實(shí)現(xiàn)從理論到落地，再到產(chǎn)生效益，還需要繼續(xù)探索. 在全息精準(zhǔn)映射方面，面臨著不斷增長的海量時(shí)空大數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理、共享和應(yīng)用等挑戰(zhàn). 在實(shí)時(shí)泛在感知方面，存在數(shù)據(jù)并發(fā)規(guī)模、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、系統(tǒng)穩(wěn)定性等挑戰(zhàn). 在多模數(shù)據(jù)融合方面，需要從底層重新定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并對(duì)整個(gè)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行重構(gòu). 在單體時(shí)空智慧方面，人工智能技術(shù)目前還是以視覺和語言等感知智能為主，缺乏對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的支撐能力. 在全域共智共治方面，要打破地域和行業(yè)間的壁壘，還有較長的路要走.

4 結(jié)束語

隨著地球科學(xué)和信息科學(xué)的高速發(fā)展，各種新理論、新技術(shù)、新應(yīng)用層出不窮，因此，對(duì)數(shù)字孿生地球的定義是階段性的，數(shù)字孿生地球的進(jìn)化也是沒有止境的. 數(shù)字孿生地球的構(gòu)建需要多種高新技術(shù)支撐，其中最底層的是通信、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，最關(guān)鍵的是北斗、高分、數(shù)字孿生與數(shù)字地球的融合. 另外，“北斗+區(qū)塊鏈”和北斗網(wǎng)格位置碼對(duì)數(shù)字孿生地球基礎(chǔ)能力的提升有重要作用；人工智能和模擬仿真決定了數(shù)字孿生地球的智慧；跨界融合各種異構(gòu)單體智慧，實(shí)現(xiàn)全域共智共治，則是數(shù)字孿生地球的理想狀態(tài).

數(shù)字孿生地球是時(shí)空信息技術(shù)和全球信息化發(fā)展的必然產(chǎn)物. 抓住戰(zhàn)略機(jī)遇，立足于自主可控，培育時(shí)空信息產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，促進(jìn)服務(wù)大眾化、應(yīng)用規(guī)?；褪袌?chǎng)國際化，打造不見而知，不行而至、不謀而智、不為而治的數(shù)字孿生地球，將有效地促進(jìn)人與自然、人與社會(huì)之間的和諧相處，為人類的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn).