基于數(shù)字孿生技術(shù)的區(qū)域土地利用變化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘" 要：數(shù)字孿生技術(shù)為加快數(shù)字鄉(xiāng)村等產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和鄉(xiāng)村振興的實(shí)施帶來(lái)新的機(jī)遇。對(duì)鄉(xiāng)村地區(qū)土地利用變化的監(jiān)測(cè)是數(shù)字鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)的重要組成部分之一，如何在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)中結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)體現(xiàn)其效用，是鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)從業(yè)者急需處理的技術(shù)難題。該文提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的區(qū)域土地利用變化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用研究，列舉出相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，用以說(shuō)明數(shù)字孿生技術(shù)在其中的運(yùn)用價(jià)值，并希望以此來(lái)幫助更多的鄉(xiāng)村振興相關(guān)產(chǎn)業(yè)從業(yè)者。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;數(shù)字鄉(xiāng)村;土地利用;監(jiān)測(cè)系統(tǒng);鄉(xiāng)村振興

中圖分類(lèi)號(hào)：F301.24" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2096-9902（2024）13-0001-04

Abstract： Digital twin technology brings new opportunities for speeding up the transformation and upgrading of digital countryside and other industries and the construction of rural revitalization. The monitoring of land use change in rural areas is one of the important parts of digital rural industry. How to combine digital twin technology in the construction of monitoring system is a technical problem that rural industry practitioners urgently need to deal with. This paper puts forward the application research of regional land use change monitoring system based on digital twin technology， and enumerates the relevant key technologies to illustrate the application value of digital twin technology in it， so as to help more rural practitioners to revitalize related industries.

Keywords： digital twin; digital countryside; land use; monitoring system; rural revitalization

鄉(xiāng)村振興，這是一個(gè)在2018年的中央一號(hào)文件中出現(xiàn)且現(xiàn)已耳熟能詳?shù)脑~語(yǔ)，文件指出，鄉(xiāng)村振興的推進(jìn)不僅需要智力、技術(shù)、管理等相關(guān)渠道都暢通無(wú)阻，還要大力培育新型職業(yè)農(nóng)民，推動(dòng)科技人才隊(duì)伍建設(shè)[1]。而在新時(shí)代的背景下，鄉(xiāng)村振興的焦點(diǎn)在于培育新農(nóng)人，即理念新、技術(shù)新的知農(nóng)愛(ài)農(nóng)興農(nóng)人，鼓勵(lì)科技進(jìn)入鄉(xiāng)村，加快科技與農(nóng)業(yè)的相互轉(zhuǎn)化[2]。

在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略導(dǎo)向中，值得注意的是數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)，其是中國(guó)農(nóng)業(yè)與農(nóng)村發(fā)展的未來(lái)重要戰(zhàn)略部署，也是構(gòu)建數(shù)字中國(guó)的重要內(nèi)容之一[3]。

信息和數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步，給數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代的鄉(xiāng)村振興帶來(lái)了空前未有的機(jī)遇，本文所介紹的數(shù)字孿生技術(shù)就是其中之一。數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化建模和仿真，可以幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)智能化、高效化、可持續(xù)化[4]。

1" 研究背景及目標(biāo)

1.1" 數(shù)字孿生技術(shù)背景

數(shù)字孿生，是一種集成多物理量、多尺度、多概率的仿真模型，可以充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)在虛擬空間中完成映射，反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的實(shí)時(shí)狀態(tài)、演變趨勢(shì)等全生命周期過(guò)程[5]。該技術(shù)隨著鉆研熱度的升高，現(xiàn)已成為智慧城市的關(guān)鍵技術(shù)，使城市治理、能源管理等領(lǐng)域的工作效益和管理水準(zhǔn)顯著提升。

2020年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)明確提出要開(kāi)展數(shù)字孿生創(chuàng)新計(jì)劃[6]。2021年“十四五”規(guī)劃中也提出，要構(gòu)建智慧城市和數(shù)字鄉(xiāng)村，改善城市信息模型平臺(tái)和運(yùn)行管理服務(wù)平臺(tái)，建設(shè)城市數(shù)據(jù)資源體系，探索數(shù)字孿生城市的建設(shè)[7]。

一系列利好政策的出臺(tái)，昭告著數(shù)字孿生技術(shù)即將帶來(lái)的創(chuàng)新性變革。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用也將為城鄉(xiāng)一體化發(fā)展、農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)等領(lǐng)域注入新的發(fā)展動(dòng)力。

1.2" 研究目標(biāo)

本文所研究項(xiàng)目為“基于數(shù)字孿生技術(shù)的區(qū)域土地利用變化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“本系統(tǒng)”），是結(jié)合GIS地圖、傾斜攝影和單物品模型，通過(guò)3D展示技術(shù)實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村全景展示、區(qū)域土地利用地理位置、居民樓和農(nóng)作物布局的3D可視化系統(tǒng)。項(xiàng)目應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，傳感器與監(jiān)控等設(shè)置配備，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯現(xiàn)數(shù)據(jù)信息，對(duì)鄉(xiāng)村耕地、林地、水域、居民用地和草地等進(jìn)行可視化管理。通過(guò)大屏幕、移動(dòng)端口仿真模擬等措施，幫助數(shù)字鄉(xiāng)村關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的管理者審視鄉(xiāng)村發(fā)展中決策與結(jié)果之間的各種可能，從而以最優(yōu)的方式合理規(guī)劃土地、發(fā)展鄉(xiāng)村。

2" 需求分析與功能規(guī)劃

2.1" 用戶(hù)需求分析

本文中所研制系統(tǒng)的面向目標(biāo)為農(nóng)業(yè)部門(mén)或區(qū)域土地管理者。

基于此受眾，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)解析出以下5點(diǎn)主要需求：①需要考慮土地的類(lèi)別、合宜用途、分布情況，通過(guò)實(shí)現(xiàn)村莊全景展現(xiàn)的3D可視化，幫助管理者更好進(jìn)行土地規(guī)劃安排。②實(shí)時(shí)展示數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)鄉(xiāng)村運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)感知與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。③對(duì)城鎮(zhèn)用地直接觀測(cè)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋與宏觀調(diào)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的仿真化與模擬化;快速、精確地測(cè)定地塊位置，識(shí)別地塊界限，測(cè)算種植面積，幫助使用者進(jìn)行精準(zhǔn)的耕地管理[8]。④通過(guò)智慧監(jiān)測(cè)和智能推演模塊，為管理者提供明智的智力支持，幫助他們提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。⑤系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)能夠幫助農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展農(nóng)業(yè)科技研究和實(shí)驗(yàn)，以便更好地推廣農(nóng)業(yè)技術(shù)和服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

2.2" 功能規(guī)劃設(shè)計(jì)

具體的功能規(guī)劃包括農(nóng)業(yè)資源統(tǒng)籌、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)和特色農(nóng)業(yè)管理等模塊，如圖1所示。

在鄉(xiāng)村數(shù)字孿生概念的這個(gè)模型基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目擬從功能技術(shù)的角度構(gòu)建出鄉(xiāng)村數(shù)字孿生技術(shù)的參考架構(gòu)，如圖2所示。

3" 基于數(shù)字孿生的應(yīng)用特點(diǎn)

結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，以下將重點(diǎn)敘述該系統(tǒng)應(yīng)用的內(nèi)涵及概念模型、精準(zhǔn)映射、智能推演、動(dòng)態(tài)可視、智慧監(jiān)測(cè)及精細(xì)化管理五大方面的研究。

3.1" 鄉(xiāng)村數(shù)字孿生內(nèi)涵及概念模型

鄉(xiāng)村數(shù)字孿生，是以數(shù)字孿生技術(shù)為基底，創(chuàng)建出城市物理實(shí)體所對(duì)應(yīng)的虛擬映射，借由數(shù)字化建模，再通過(guò)各種傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)鄉(xiāng)村區(qū)域土地各種情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并對(duì)數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)仿真、交互、控制鄉(xiāng)村區(qū)域的土地利用情況，并分析其全生命周期過(guò)程的技術(shù)手段。它可以實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村物理空間中，物理實(shí)體對(duì)象的關(guān)系、活動(dòng)等在數(shù)字空間的多維映射與連接[9];還可以幫助政府和農(nóng)民更好地管理土地資源、保護(hù)環(huán)境、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鄉(xiāng)一體化。鄉(xiāng)村數(shù)字孿生的概念模型如圖3所示，包括物理空間、數(shù)字空間2個(gè)部分。

3.2" 精準(zhǔn)映射

映射是通過(guò)數(shù)據(jù)化建模和虛擬仿真技術(shù)建立數(shù)字世界與物理世界緊密關(guān)系的過(guò)程。各類(lèi)信息要素實(shí)時(shí)的精準(zhǔn)匹配與精準(zhǔn)表達(dá)是實(shí)現(xiàn)物理鄉(xiāng)村向數(shù)字鄉(xiāng)村映射的關(guān)鍵。基于三維GIS技術(shù)、傾斜攝影等技術(shù)，通過(guò)在鄉(xiāng)村的河道、地面等各層面布設(shè)傳感器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鄉(xiāng)村的建筑道路等基礎(chǔ)設(shè)施的全方位數(shù)字化建模，以及對(duì)鄉(xiāng)村運(yùn)行狀態(tài)的充分感知和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，形成一個(gè)可以在信息維度上對(duì)實(shí)體鄉(xiāng)村的信息進(jìn)行精準(zhǔn)表達(dá)和映射的虛擬鄉(xiāng)村。

3.3" 智能推演

通過(guò)在鄉(xiāng)村數(shù)字孿生上規(guī)劃設(shè)計(jì)、模擬仿真等，本系統(tǒng)可以對(duì)鄉(xiāng)村可能產(chǎn)生的不良影響或是潛在危險(xiǎn)進(jìn)行一定程度上的智能預(yù)警，并勾勒出相對(duì)合理可行的對(duì)策，以未來(lái)、智能的視角，對(duì)城市的發(fā)展軌跡和運(yùn)行進(jìn)行干預(yù)。同時(shí)，系統(tǒng)還可利用人工智能技術(shù)對(duì)收集的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行智能分析與吸收學(xué)習(xí)，進(jìn)而習(xí)得如何具體優(yōu)化實(shí)體城市的規(guī)劃、管理，甚至改善市民服務(wù)供給，賦予鄉(xiāng)村生活真正的智慧與“智能”。

3.4" 動(dòng)態(tài)可視

可視化技術(shù)是幫助用戶(hù)實(shí)現(xiàn)物理空間關(guān)聯(lián)上虛擬空間的重要技術(shù)手段之一。常用的VR技術(shù)、三維GIS技術(shù)可將區(qū)域土地利用情況進(jìn)一步融入到虛擬場(chǎng)景中去，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)一體”，為生產(chǎn)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)田規(guī)劃提供了一種全新的動(dòng)態(tài)的可交互的互動(dòng)型可視化。

3.5" 智慧監(jiān)測(cè)及精細(xì)化管理

在耕地管理方面，本系統(tǒng)可以進(jìn)一步利用人工智能、紅外掃描、傳感器等一系列技術(shù)手段，根據(jù)耕地特性、作物種類(lèi)、影像時(shí)序等，快速、精確地確定地塊位置，識(shí)別地塊界限，測(cè)算種植面積。

4" 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1" GIS技術(shù)應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速突破，GIS技術(shù)的延展勢(shì)頭迅猛。面對(duì)海量的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)、處理、表達(dá)及共享等方面的技術(shù)都取得了顯著的成效。目前，GIS的應(yīng)用已經(jīng)可以面向愈加復(fù)雜的區(qū)域開(kāi)發(fā)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

市面上現(xiàn)在常用的GIS軟件，概括歸納起來(lái)應(yīng)該分為2種類(lèi)型：第一種是直接利用GIS系統(tǒng)處理用戶(hù)的數(shù)據(jù);第二種則是更加側(cè)重于利用其的開(kāi)發(fā)函數(shù)庫(kù)，以用戶(hù)專(zhuān)用的GIS軟件為目的，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。目前已成熟的應(yīng)用領(lǐng)域包括資源管理、自動(dòng)制圖、城市區(qū)域規(guī)劃等100多個(gè)領(lǐng)域。

近年來(lái)，我國(guó)GIS應(yīng)用研究也隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展進(jìn)程而獲得了勃勃生機(jī)。在規(guī)劃管理、測(cè)繪、環(huán)保和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，GIS技術(shù)都取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

在本系統(tǒng)中，GIS技術(shù)作為地區(qū)地理信息調(diào)查的工具來(lái)使用，且它并沒(méi)有僅限于對(duì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)的簡(jiǎn)單查詢(xún)這一個(gè)功能，而是以空間圖形及數(shù)據(jù)等作為主要特征，重新處理分析，再構(gòu)建出關(guān)聯(lián)的地理信息空間數(shù)據(jù)庫(kù)，用于在地理空間分布和資源動(dòng)態(tài)管理等地區(qū)管理方面發(fā)揮作用，提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

4.2" 無(wú)人機(jī)測(cè)繪應(yīng)用

與傳統(tǒng)的地形測(cè)繪和影像航拍方法相比，無(wú)人機(jī)測(cè)繪有著明顯的優(yōu)勢(shì)。它的測(cè)繪運(yùn)行不受地形限制，還搭載更高精度的GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，向從業(yè)者提供高度精確的地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，節(jié)省時(shí)間和人力成本。曾經(jīng)的數(shù)據(jù)采集工作可能需要以周為單位的漫長(zhǎng)過(guò)程，現(xiàn)在則可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)迅速完成，并快速進(jìn)行建模分析。作為新型智能農(nóng)機(jī)的重要分支，農(nóng)用無(wú)人機(jī)在我國(guó)雖起步較晚，但發(fā)展迅速。目前的無(wú)人機(jī)制造領(lǐng)域，我國(guó)制造商已領(lǐng)先搶占世界市場(chǎng)，處于全球領(lǐng)跑水平。

4.3" 實(shí)景三維建模

要想建立出易懂、易操作的鄉(xiāng)村基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，就需要對(duì)鄉(xiāng)村區(qū)域土地進(jìn)行實(shí)景三維傾斜攝影模型的建立，提供航空攝影、三維建模和模型編輯等方面的技術(shù)。在隨之構(gòu)建的航拍地圖庫(kù)、鄉(xiāng)村建筑BIM模型庫(kù)等多個(gè)維度中，建立出完整的鄉(xiāng)村空間數(shù)據(jù)模型。實(shí)景三維建模流程圖如圖4所示。

4.4" 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)，是指將多鏡頭相機(jī)搭載在同一飛行平臺(tái)上，設(shè)備在一次飛行過(guò)程就可以從垂直、傾斜等多個(gè)角度、高分辨率地采集影像，從而獲取更為完整精確的地物信息的技術(shù)[10]。它可以獲取2種圖像，一種圖像是垂直視角，包含建筑頂面信息，另一種是傾斜視角，提供地物側(cè)面的圖像。

傾斜攝影技術(shù)與自動(dòng)建模軟件相結(jié)合，能夠有效地提高模型的生產(chǎn)效率。這種方法可以獲得更加真實(shí)、全面的三維信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)更新和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

基于傾斜攝影技術(shù)的建模軟件可以先在無(wú)人機(jī)拍攝的傾斜攝影圖像中，利用GPU結(jié)合圖像中包含的POS數(shù)據(jù)，進(jìn)行三角測(cè)量與計(jì)算，接著生成點(diǎn)云，并加密成為密集點(diǎn)云，然后智能構(gòu)成對(duì)應(yīng)的三角網(wǎng)格模型，最后結(jié)合圖像信息，生成完整的三維模型。具體的工作步驟圖如圖5所示。

4.5" 可視化及交互技術(shù)

可視化技術(shù)通過(guò)得到的數(shù)據(jù)和圖像以最直觀的形式呈現(xiàn)給管理者，將看不見(jiàn)的數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)備顯示，將看得見(jiàn)的數(shù)據(jù)整理成更容易理解的數(shù)據(jù)，讓管理者對(duì)系統(tǒng)中總結(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互式探索，幫助管理者得知其所管理地區(qū)的細(xì)節(jié)情況，提高工作的效率。

場(chǎng)景可視技術(shù)可以將得來(lái)的數(shù)據(jù)和圖像（包括建模完畢的圖像），通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)的程序，進(jìn)行Web頁(yè)面設(shè)計(jì)并發(fā)送至Web服務(wù)器，管理者只需要通過(guò)瀏覽器登錄相應(yīng)界面即可查看地區(qū)的可視化信息。

5" 總結(jié)與展望

數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展對(duì)鄉(xiāng)村區(qū)域土地的管理提出了更高的要求，同時(shí)也為鄉(xiāng)村振興的相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供了大力支持。本系統(tǒng)不僅能夠映射物理鄉(xiāng)村全景，建立虛擬模型，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村土地資源的可視化管理，還能利用模擬仿真實(shí)現(xiàn)智慧推演，通過(guò)動(dòng)態(tài)感知信息的不斷變化，與作為管理者的用戶(hù)共享實(shí)時(shí)消息。本系統(tǒng)在數(shù)字鄉(xiāng)村的土地利用相關(guān)產(chǎn)業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景，旨在為將來(lái)的鄉(xiāng)村振興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)提供理論借鑒與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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*通信作者：黃敏（1987-），女，碩士，講師。研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘與大數(shù)據(jù)分析。