作為新一代通用目的技術(shù)，數(shù)字孿生體技術(shù)在城市管理中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。2020年7月16日，數(shù)字孿生體聯(lián)盟設(shè)立數(shù)字孿生城市實(shí)驗(yàn)室，把推進(jìn)數(shù)字孿生城市開源社區(qū)作為重點(diǎn)，得到了中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)、深圳工業(yè)總會(huì)、國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)中心深圳實(shí)驗(yàn)室和深圳市信息基礎(chǔ)設(shè)施投資發(fā)展有限公司等的支持。
數(shù)字孿生城市的建設(shè)是一個(gè)多領(lǐng)域、多學(xué)科和多家利益相關(guān)者參與的系統(tǒng)工程，無(wú)論涉及多少領(lǐng)域、做了多少工作，可視化呈現(xiàn)是其中重要的部分，涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生體、人工智能、數(shù)據(jù)庫(kù)、程序設(shè)計(jì)等知識(shí)。
雖然不少大型互聯(lián)網(wǎng)公司給出了高度集成的智慧城市解決方案，但它蘊(yùn)含的風(fēng)險(xiǎn)非常高，體現(xiàn)為運(yùn)行成本高居不下，安全隱患多和系統(tǒng)彈性不夠等挑戰(zhàn)。為了解決這些問(wèn)題，數(shù)字孿生城市實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了以開源項(xiàng)目為主的數(shù)字孿生城市開發(fā)體系。
從數(shù)字孿生城市的可視化開發(fā)來(lái)看，可以分為基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)層和應(yīng)用層，除此之外，開發(fā)體系還需要內(nèi)容生產(chǎn)部分，為平臺(tái)提供三維模型、專題地圖等內(nèi)容。
（一）數(shù)字孿生城市基礎(chǔ)設(shè)施
基礎(chǔ)設(shè)施層用來(lái)為數(shù)字孿生城市的整個(gè)體系提供支持，這一部分包括了操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、物聯(lián)網(wǎng)等。
操作系統(tǒng)使用Linux系列，Ubuntu或CentOS都是可以的，這里不做贅述。
數(shù)據(jù)庫(kù)部分則要考慮兩類數(shù)據(jù)的管理，一類是常規(guī)的關(guān)系型數(shù)據(jù)，另一類是空間數(shù)據(jù)。關(guān)系型數(shù)據(jù)使用PostgreSQL，空間數(shù)據(jù)通常使用POSTGIS、MySQL空間擴(kuò)展等。
物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)是終端設(shè)備與智能應(yīng)用之間的紐帶，是數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)性支撐平臺(tái)，是數(shù)字孿生城市與物理世界的溝通的橋梁。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使用IOT3000就可以支撐整個(gè)體系。
（二）數(shù)字孿生城市服務(wù)層
GIS服務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生城市應(yīng)用基礎(chǔ)。GIS服務(wù)是構(gòu)建在數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上的可以擴(kuò)展的系統(tǒng)框架可以簡(jiǎn)化搭建GIS框架的工作量。通過(guò)二次開發(fā)擴(kuò)展可以讓我們搭建基于GIS開放框架的GIS應(yīng)用系統(tǒng)。服務(wù)層基于開放的GIS標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼容開源的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，與整個(gè)框架體有很好的兼容性。開源GIS服務(wù)軟件有如下可以使用：GeoServer、MapServer、TileCache等。
除了GIS服務(wù)外，服務(wù)層還提供應(yīng)用服務(wù)能力，為客戶端提供具體的業(yè)務(wù)功能，此能力是與具體業(yè)務(wù)緊密相關(guān)的，沒(méi)有通用框架、程序使用，主要通過(guò)自行開發(fā)實(shí)現(xiàn)。此應(yīng)用可以簡(jiǎn)單理解為綜合性的信息管理系統(tǒng)，要結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、地理信息、業(yè)務(wù)信息進(jìn)行開發(fā)。
（三）數(shù)字孿生城市應(yīng)用層
應(yīng)用程序是數(shù)字孿生城市能力的體現(xiàn)，專業(yè)的開發(fā)者可以根據(jù)需要，使用開放平臺(tái)提供的能力，構(gòu)建出各種各樣功能的應(yīng)用程序。為了呈現(xiàn)更好的視覺(jué)效果，在通常的Web應(yīng)用開發(fā)框架基礎(chǔ)之上，必須要為數(shù)字孿生城市應(yīng)用增加三維GIS、圖表等功能。
數(shù)字孿生城市應(yīng)用首先是一個(gè)三維GIS應(yīng)用，在三維GIS開發(fā)上，Cesium是最為流行的開源項(xiàng)目，它可以用來(lái)顯示海量三維模型數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地形高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)等等。除了三維應(yīng)用，數(shù)字孿生城市應(yīng)用也可能有需要二維地圖，這方面可以使用OpenLayers，也是一個(gè)開發(fā)WebGIS客戶端的JavaScript包，可以提供地圖展示功能。OpenLayers可以和Cesium一起配合使用，實(shí)現(xiàn)二維、三維地圖集成。
Cesium之在3D地球方面確實(shí)強(qiáng)大，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)更偏底層一點(diǎn)，一些很炫酷的效果如果需要自己做，會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，而且很多時(shí)候?qū)崿F(xiàn)起來(lái)很有挑戰(zhàn)。EarthSDK是一個(gè)Cesium的封裝，里面有很多效果可以直接使用。
圖表顯示使用ECharts，可在瀏覽器上顯示直觀，生動(dòng)，可交互，可高度個(gè)性化定制的數(shù)據(jù)可視化圖表。
在項(xiàng)目的管理、組織上，應(yīng)使用Angular或VUE。這兩個(gè)框架都是JavaScript語(yǔ)言開發(fā)的Web開發(fā)框架，為Web應(yīng)用的模塊化開發(fā)提供基礎(chǔ)，通過(guò)模塊化開發(fā)，來(lái)降低大型項(xiàng)目的組織管理難度。數(shù)字孿生城市應(yīng)用的開發(fā)，應(yīng)基于這兩個(gè)框架來(lái)進(jìn)行。
（四）數(shù)字孿生城市內(nèi)容生產(chǎn)
數(shù)字孿生城市開發(fā)需要制作的內(nèi)容主要有兩個(gè)：三維模型和專題地圖。
三維模型的設(shè)計(jì)與開發(fā)推薦使用Blender。Blender是一款開源的跨平臺(tái)全能三維動(dòng)畫制作軟件，提供從建模、動(dòng)畫、材質(zhì)、渲染、到音頻處理、視頻剪輯等一系列動(dòng)畫短片制作解決方案。對(duì)于數(shù)字孿生城市的三維模型來(lái)說(shuō)，使用其中的建模、材質(zhì)就可以很好的完成設(shè)計(jì)開發(fā)。當(dāng)前，3DS Max、SketchUp、Revit等商業(yè)軟件也可以用于三維模型的設(shè)計(jì)與開發(fā)。
Blender比較適合創(chuàng)建精細(xì)的模型，但只能一個(gè)一個(gè)操作，對(duì)于城市建筑這個(gè)規(guī)模的模型來(lái)說(shuō)不太合適，需要有一個(gè)批量創(chuàng)建模型的方法。此工作可以使用Cesiumlab，當(dāng)然它不僅僅是一個(gè)模型創(chuàng)建工具。
Cesiumlab是一款專為Cesium開源數(shù)字地球平臺(tái)打造的數(shù)據(jù)處理工具集。目前包含地形數(shù)據(jù)處理、影像數(shù)據(jù)處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)下載、矢量數(shù)據(jù)處理(矢量樓塊切片,矢量點(diǎn)轉(zhuǎn)I2DM)、傾斜數(shù)據(jù)處理、三維場(chǎng)景(OBJ,FBX,IFC,3DS,DAE)處理、BIM數(shù)據(jù)(REVIT,IFC,MICROSTATION,CATIA)處理等工具。
數(shù)字孿生城市應(yīng)用可能還需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求制作涉及相關(guān)業(yè)務(wù)的專題地圖。例如，某一地區(qū)充電樁分布圖。基本GIS系統(tǒng)是不會(huì)提供這種與業(yè)務(wù)相關(guān)的地圖的。因此，需要使用一些工具制作專題地圖。QGIS和uDig是兩個(gè)比較常用的開源GIS軟件，可以用于專題地圖的開發(fā)。
專題地圖制作完成后，可以將其發(fā)布到GeoServer或MapServer，這樣就可以為數(shù)字孿生城市應(yīng)用提供專題地圖了。
結(jié)合到以上的開源項(xiàng)目及應(yīng)用，可以構(gòu)建一個(gè)低成本的、開放架構(gòu)的數(shù)字孿生城市，避免被智慧城市供應(yīng)商技術(shù)鎖定，促使數(shù)字孿生城市具有高可用、高彈性和低成本的應(yīng)用價(jià)值，從而引領(lǐng)我國(guó)新基建時(shí)代的創(chuàng)新發(fā)展。
