張新長
國際歐亞科學院院士
廣州大學地理科學與遙感學院教授
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本文根據國際歐亞科學院院士、廣州大學地理科學與遙感學院教授張新長在國地云講堂所作報告《智慧城市建設中的數字孿生與元宇宙》整理，已經本人審閱。
美國原副總統戈爾于1998年提出“數字地球”，十年后IBM提出“智慧地球”，2018年中國信通院提出“數字孿生城市”，每十年一個跨越。現在“元宇宙”正值風口?？臻g信息要解決的核心問題是空間和時間的關系。
智慧城市建設起步于二三維地圖，發展到虛擬現實，騰飛在數字孿生，發力在元宇宙時代。
起步于二三維地圖
社會的發展離不開地圖，地圖的發展應用過程經歷了幾個主要階段。從點線面體的簡單的幾何相似，到位置等多重屬性的疊加迭代的情景模擬，再到基于遙感、衛星導航、地理信息、人工智能等技術的快速發展的實體脈動，逐步形成虛實共榮。
智慧城市的初始形態是數字城市，依托于空間信息、虛擬現實、物聯網、時空大數據、人工智能、實景三維等相關技術的高速發展，城市萬物相連正在成為現實，同時在不斷迭代的云計算的加持下，信息傳輸速度、數據處理速度、算法也在不斷提升，以數字城市為初始形態，智慧城市逐步成型。
發展至虛擬現實
真正地讓智慧城市找到了發力點，找到了它的應用，找到了它的模式，是虛擬現實技術的出現。虛擬現實集成了計算機的圖形學，多媒體、人工智能、多傳感器、 *** 并行處理，以及三維空間形象實現目標的合成。通過視覺、聽覺、觸覺、圖表以及動畫方式呈現，動態的、實時的三維圖形，使得真實的、現實的世界能夠用數字進行有效的表達。由此，我們實現了智慧城市的景觀設計、智慧城市環境信息的全面展示，在智能融合中身臨其境。
虛擬現實的應用市場非常廣泛，從不斷涌現的消費級市場到企業級市場，通過虛擬現實技術，地圖已經拓展到了一個新的境界。這些都讓我們看到了虛擬現實的應用價值。
實景三維中國為智慧城市建設提供了統一的底板與數字基底，也為智慧城市的騰飛奠定了基礎。人工智能賦能智慧城市轉化為數字孿生城市，就如同城市的大腦，賦予城市思考、學習、分析和判斷的能力，在轉化的過程中，可以和CIM、城市大腦等平臺結合，把實時狀態、環境、條件這些物理世界的本體映射到數字空間。
騰飛于數字孿生
數字孿生城市，根據物理世界再創造一個與之1:1影射的數字世界，所生成的鏡像是從物理城市的各個要素生成并組合在一起的，主要依托和融合智慧城市相關技術、物聯網技術、實景三維技術、人工智能技術等。
如何讓物理空間和數字空間聯動起來？以城市管理為例，數字孿生就是洞察運營數據，了解城市運營的現狀并做出決策，主要通過模擬仿真、機器學習，結合現有的城市運行狀態，推演城市的運行規則，實現超前處理決策，生成鏡像，實現與整個物理世界互動。
以深圳龍崗iOS系統為數字孿生城市經典案例。在該系統中人、車、物等各類城市要素的實時狀態及異常均一目了然。 *** 不同部門的氣象數據、交通管制數據、人流量數據于一張地圖之上集中呈現并加以動態實時監控。AI智能預警包括煙火自動識別、人群聚集識別、非法入侵等，是通過AI技術自動發現隱患，提前預警，防患于未然。
如何通過IOC協同多部門進行事件處置？油罐車翻車事故報警，IOC打通應急辦系統，從應急辦獲取事故的位置信息。通過數字平臺的視頻能力，從事故地點的攝像頭獲取現場之一手視頻數據；通過數字平臺IMP能力，實時獲取事故周邊的管道以及可用消防資源數據；通過對接公安以及消防系統，及時獲取事故周邊可調度資源；通過數字平臺的大數據分析及AI算法能力，基于該區域的歷史事故數據和經驗模型，計算推演出油罐車可能爆炸造成的事故半徑，輸出本次事故疏散方案，同時通知醫院啟動救援預案。
通過虛擬平臺和現實世界的多個業務部門聯動，協同所有的資源圍繞事故地點對事故進行更高效的處置，在這個過程中IOC實時監控所有資源的運行狀態，實現了全程可視，可控，可決策。
發力于元宇宙
2021年是元宇宙的元年。從中央部委到多個地方 *** 都在超前布局，比如上海十四五規劃等等，面向元宇宙的新技術、新概念、新場景應運而生，各個行業都在發力，這是一個很好的機遇。
數字孿生和元宇宙是兩個概念。數字孿生，是通過對我們現實世界各種各樣的工業化的要求，針對現實世界的形態生成的數字化設計；元宇宙的主要關注對象是人和社會，通過數字化的形式，基于創造的理念進行設計。元宇宙中具有不確定性和不科學性，包括神話和游戲。但是，我們可以充分地利用元宇宙映射技術來完成對現實世界的映射，實現更大限度的交互，比數字孿生可能更上一個臺階。
元宇宙可分為孿生、原生和共生三個階段。首先虛擬重建現實世界，包括環境、運行和與精神無關的行為信息，以及部分一致的規則沿用，達到高度模擬仿真效果；然后創建虛擬世界新規則，加上現實世界一部分不變規則，通過沉浸融入與精神世界關聯度不高的人的行為感知信息，原生出一些新生態豐富現實世界；最后，在原生基礎上，通過融入精神感知信息和行為，即人類受剛性規則約束的行為和受精神世界柔性影響的情感行為，真正達到現實世界、虛擬世界和精神世界的三元融合，互為依重，彼此共生。
元宇宙將成為數字體驗、物理體驗的關鍵組成，未來巨大的勞動力和前沿技術的集成平臺，對智慧城市的建設會產生巨大的作用。元宇宙時代，人們的衣食住行、工作學習，甚至生產生活都會實現更大限度的虛擬化。在虛實融合環境中，通過3D渲染、可交互，穿越時空隧道，真正實現天涯若比鄰。
人、自然、社會是地球的基本要素。城市化通過改造環境要素進行環境設計，讓我們的生活更加美好，走向文明；數字孿生是從需求的角度進行產品設計，是基于工業化模式來做孿生；元宇宙則要考慮創造關系的需求，通過傳播設計提升對物理世界的真實感知。從現實增強的角度，通過集成，豐富虛擬空間的廣度和深度；從行為模擬的角度，通過現實世界中真實的動作映射到數字世界。數字孿生城市走向元宇宙，虛實脈動和生命共同體相結合。人的全面參與將會帶來平臺的變革、重大的突破?？偟膩碇v，數字孿生通過對各種物理空間信息物進行物體掃描，獲取物體表面空間坐標，構建立體信息，再轉換為數字信號映射到元宇宙。
智能時代的場景革命已經來到，在數字孿生的背景下，通過技術不斷地迭代，再通過元宇宙融入加強，使得應用場景越加豐富，越加細膩，滿足對我們對美好的生活的追求和向往，其技術革命的進程和影響都是深遠的。
