北斗與高分融合的數字孿生地球

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

隨著航天航空對地觀測技術的迅猛發展，海量地球時空大數據與多領域用戶之間存在著越來越高的信息壁壘和技術門檻，數字地球應運而生. 1998 年，美國副總統戈爾在加利福尼亞科學中心開幕典禮上做了題為“數字地球：認識二十一世紀我們所居住的星球”的演講，首次系統地闡述了數字地球的概念. 數字地球是對時空大數據和數據操作的整體封裝，是連接多領域用戶與多源地球信息的橋梁. 數字地球高度集成了航空航天對地觀測系統、全球衛星導航系統(GNSS)、地理信息系統、計算機、互聯網、通信，以及多媒體等信息技術，并與地球科學、空間科學、信息科學等學科深度融合，是定量研究地球、深度認識地球、科學分析地球、系統改造地球的有力工具. 最具代表性的數字地球產品是美國谷歌公司的“Google Earth”. 當前，歐盟、俄羅斯以及我國都在積極研制數字地球，數字地球的實現如圖1 所示.

圖1 數字地球的實現

“北斗+高分”是導航與遙感技術融合的典型代表. 隨著北斗全球化服務的正式啟動和高分系列衛星觀測成果的廣泛應用，北斗與高分共同構筑了我國的時空高邊疆. “北斗+高分”是我國自主可控的、最具發展潛力的時空基礎設施，也是數字孿生地球高效采集海量時空大數據的主要技術手段. 高分為數字地球提供了全息鏡像. 北斗為數字地球傳遞時空基準，實現了虛實地球間的精準映射. 另外，北斗和高分也是實現時空態勢感知的主要技術.

陳述彭[1-3]介紹了建設數字地球的戰略意義，推動了數字地球國產化. 承繼成[4-5]從理論、技術、建設到應用，對數字地球進行了系統地研究和推廣. 李德仁等[6]提出了數字地球的智慧化. 龔健雅[7]研究了數字地球的三維化. 邵宗有[8]提出以“構建北斗為體高分為象的數字孿生地球”的技術發展藍圖. 安世亞太科技股份有限公司[9]詳細介紹了數字孿生技術的概念和框架. 中國信息通信研究院[10-12]詳細論述了數字孿生城市的總體架構與關鍵技術，介紹了數字孿生城市的典型場景、應用案例與發展趨勢. 中國電子技術標準化研究院[13]介紹了數字孿生技術的應用和標準化工作的現狀與發展，分析了在技術、管理和商業方面存在的挑戰. 中國衛星導航定位協會[14]對北斗技術在時空信息領域的融合創新前景做出了前瞻性的論述. 自然資源部科技發展司[15]詳細介紹了國內遙感產品生態鏈的全貌，闡述了遙感技術在數字中國等領域的創新應用. 陳銳志等[16]從應用領域進行分類，全面地介紹了導航與遙感技術的融合. 李文[17]提出了北斗、銥星和遙感系統的融合方式，并詳細分析了融合系統的性能.

1 數字孿生地球的概念

“數字化”是將真實世界的時空、幾何、物理、自然和社會等屬性信息，在計算機虛擬世界進行描述、存儲和表達的技術. “孿生”的概念起源于美國國家航空航天局的“阿波羅計劃”，即構建兩個相同的航天飛行器，將其中一個發射到太空執行任務，另一個留在地球上用于反映太空中航天器在任務期間的工作狀態，從而輔助工程師分析處理太空中出現的緊急事件. 這兩個航天器都是真實存在的物理實體.

不同行業對數字孿生的定義不同，結合時空信息領域的特點，我們認為“數字孿生”是在數字化的基礎上，進一步實現了虛實世界之間在全生命周期內的實時連接和同步更新，并通過仿真模擬、分析推演、預測預警，為規劃、設計和決策提供最優方案，進而對真實世界進行資源調度、遠程操控和綜合治理. 數字孿生的核心思想可概況為自實生虛、虛實互連、以虛控實三點. 隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術的發展，數字孿生技術已在工業制造、城市管理、電力、農業、建筑等領域得到了廣泛的應用. 數字孿生地球則是數字孿生技術最有想象力的應用之一.

陳述彭院士指出，當我們通過衛星、飛機、氣球、地面測繪、地球化學或地球物理等觀測手段獲得地球的大量數據，用計算機把它們同應用模型結合起來，在計算機網絡系統里把真實的地球重現出來，形成一個巨系統時，它所提供的數據和信息將使人類能夠更有效地管理地球，甚至人類本身. 這樣一個巨系統，就是“數字地球”.

“數字地球”是對海量地球時空大數據及其操作的整體封裝，是連接多領域用戶與多源地球信息的橋梁. 當前，數字地球不僅是數字化的地球，而且它已具備了數字孿生地球的基本要素，但在智慧、融合、協同等方面還存在一定的差距. “數字孿生地球”是數字地球的高級階段.

隨著應用的拓展、需求的增加和技術的發展，數字地球正在向數字孿生地球快速進化. 在地球時空大數據方面，數字地球正經歷著從二維到四維、從靜態到動態、從幾何到物理、從地表到鄰地空間、從對地觀測到泛在物聯感知、從自然資源到人文生態的擴展. 在服務能力方面，物聯網、云計算、大數據、人工智能、模擬仿真、虛擬現實(VR)等技術，以及地球物理等學科的快速發展，有力地推動了數字地球的智慧化程度. 在具體應用方面，數字地球已在政府綜合管理和行業垂直領域得到了廣泛地應用，也為進一步融合各種異構智慧體，實現共智共治提供了數據、業務和技術的積累.

“智慧體”是一個理想化的目標. 智慧體有不同層次的具體實現，或者聚焦于解決行業痛點，或者偏重于信息化建設，或者主打人工智能和可視化. 目前，數字孿生技術是實現智慧體的最優方案. “元宇宙”基于數字原生技術，目的是構建虛擬社會；“數字孿生地球”以真實世界為主，目的是治理真實世界. 這兩者在理念和技術方面有很多共性，最終會走向融合共生.

2 數字孿生地球的構建

2.1 關鍵步驟

如圖2 所示，基于移動通信、互聯網絡、海量存儲、高性能計算等共性信息基礎設施，數字孿生地球的構建可分為6 個關鍵步驟：全鏈可信時空、全息精準映射、實時泛在感知、多模數據融合、單體時空智慧、全域共智共治.

圖2 數字孿生地球的架構

這6 個步驟之間的邏輯關系如下：

1)全鏈可信時空

時空大數據在采集、存儲、共享、處理和應用的全生命周期內都具有分布式特點，以往建立大數據中心的方法難以應對航天航空對地觀測技術的迅猛發展，協作共享已經成為趨勢，而協作的前提是建立互信機制. 所有高價值的分布式行為，都可以應用區塊鏈技術來解決協作中的信任問題[18-21].

2)全息精準映射

利用北斗、高分和新型測繪等技術獲取的時空數據，可建立數字化的地球，實現全息鏡像和精準映射.

3)實時泛在感知

實時泛在感知實現了虛實地球之間在全生命周期內的實時連接和同步更新.

4)多模數據融合

映射層和感知層采集的時空大數據具有海量、異構、動態、非結構化等特點，對數據的管理、查詢、分析和融合提出了巨大的挑戰. 傳統地理信息系統(GIS)的專題圖層模式難以滿足要求，北斗網格位置碼是更有效的數據組織模式.

5)單體時空智慧

利用融合后的時空大數據驅動人工智能、模擬仿真和分析推演，可為規劃、設計和決策提供最優方案，進而對真實世界進行資源調度、遠程操控和綜合治理.

6)全域共智共治

在不同行業領域間有很多共性需求和交叉應用，單體智慧無法得到全局最優方案，存在重復建設和資源浪費等問題. 因此要打通地域和行業間的壁壘，跨界融合各種異構單體智慧，實現全域共智共治.

2.2 全鏈可信時空

時空大數據在采集、存儲、共享、處理和應用的全生命周期內都具有分布式特點，以往建立大數據中心的方法難以應對航天航空對地觀測技術的迅猛發展，協作共享已經成為趨勢，而協作的前提是建立互信機制. 所有高價值的分布式行為，都可以應用區塊鏈技術來解決協作中的信任問題. 區塊鏈技術起源于虛擬貨幣，通過共識算法保證了賬本可信. 將區塊鏈技術用于現實世界時應該同時保證賬本可信、物理可信和時空可信.

賬本可信指：區塊鏈具有去中心化、集體維護、公開透明、不可篡改、全程留痕、可追溯等特點. 物理可信指：區塊中需要記錄的過程視頻、現場照片、文件資料，氣象和環境等物聯感知，以及時空標簽都是可信的，可作為一個事件的物理證明. 如果在物理證明的采集和錄入時就發生了有意或無意的錯誤，那就不能保證事件的可信性. 時空可信指：任何事件都必須遵守時空的秩序，區塊中記錄的人、物、事、時間、地點的時空邏輯必須自洽. 事件總是在時空中發生，其物理信息與時空標簽共同組成了時空數據. 因此，物理可信與時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空標簽，更深層的意義在于北斗定位、導航和授時(PNT)服務具備時空可信性，具體包括服務泛在性、基準統一性、時空自洽性、因果必然性和共識同步性. 憑借北斗PNT 服務的時空可信性，就能有效地維護時空秩序、規避時空歧義、證明時空自洽、達成時空共識，最終構建可信時空.

“北斗+區塊鏈”在數字孿生地球中的應用場景包括：流程全鏈監管、資源高效共享和任務眾創協作.其中，流程全鏈監管可分為實物流通、數據流轉和業務流程三類，資源高效共享可分為數據共享、設備和人力共享三類，任務眾創協作可分為數據采集、數據處理和算法研發三類.

2.3 全息精準映射

數字孿生地球的基礎平臺是一個以“北斗為體”“高分為象”的數字地球.

“高分為象”指：高分可從全球視野精細探測地表、大氣、海洋及其附屬物的幾何和物理狀態，體現為萬物萬象的形態、影像、高光譜、微波和重磁場等信息，通過數據處理形成的多種類高分產品，構成了數字孿生地球的“皮膚”，實現了虛實地球之間的全息鏡像.

另外，利用無人機遙感、車載測繪等新型測繪技術，快速獲取局部區域的高光譜、多視角影像或激光雷達點云數據，構建實景三維、建筑信息模型和高精度地圖，可大幅度提升數字孿生地球在特定應用場景中的鏡像粒度.

只有在確定的時空基準中，高分和新型測繪產品才能與真實地球建立精準映射關系. “北斗為體”指：北斗為高分和新型測繪產品傳遞高精度時空基準，是數字孿生地球的“骨骼”，實現了虛實地球之間的精準映射.

北斗系統全球性、全天候、高精度的PNT 服務，是為高分產品傳遞時空基準的主要方法. 北斗PNT服務可為數字孿生地球的實時動態服務和多時相高分產品傳遞高精度時間基準. 利用北斗增強定位服務采集像控點的精確坐標，可實現高分影像的有控定位. 星載北斗接收機可為高分衛星精密定軌定姿[22]，進而實現高分產品的無控定位. 有控定位和無控定位都是通過北斗系統將空間基準傳遞到高分產品的過程.

數字孿生地球的時空基準包括：時間基準、坐標基準、高程與深度基準、重力基準. 利用北斗高精度增強服務可以高效地實現多源高分產品的基準統一[23].基準統一的方法與產品精度有關，如果數據精度遠低于基準轉換改正數，則可以不做基準轉換. 例如，現代地心坐標基準之間和高程基準之間的差異不到1 m，而全球衛星遙感影像無控定位精度低于3 m，全球數字高程產品精度約10 m，在這種情況下可忽略基準間的差異.

2.4 實時泛在感知

實時泛在感知實現了虛實地球之間在全生命周期內的實時連接和同步更新.

數字孿生地球強調虛實之間的連接與互動，需要實時接入攝像頭、氣象、環境、市政基礎設施狀態等泛在物聯感知數據，政務、社會、行業、互聯網等多源專題信息數據，以及車輛、船艦、人員、物品等動態時空態勢數據.

這些多模異構數據必須打上統一的時空標簽，才能有效地進行關聯、融合和分析. 北斗PNT 服務，可精準感知事物本體的時間、位置、姿態和軌跡等信息，為萬事萬物提供了絕對時空標簽. 通常，還將北斗與慣性導航(IMU)、視覺導航或室內導航等技術組合成綜合PNT 系統，以提升導航定位的彈性. 高分則用于非合作目標識別，并在宏觀尺度上把握事物之間，以及事物與背景環境之間的相對時空關系. 北斗與高分不僅是數字孿生地球的“骨骼”和“皮膚”，還是用于時空感知的兩只“眼睛”.

通常，海量時空大數據采用云平臺進行存儲和計算，對于體量大的物聯感知數據和需要實時處理的數據，則采用邊緣計算方式，只在云和端之間互傳最關鍵的信息. 第五代移動通信技術(5G)具有低延遲和高帶寬的特性，改善了數據和算力部署的靈活性. 綜合5G 和云邊協同技術，可以提高移動應用端設備或智能傳感器的輕量化配置和快速反應能力. 北斗短報文則解決了在無移動信號特殊場景下的低成本衛星通信需求.

2.5 多模數據融合

時空大數據包括地球物理數據、鄰地空間信息、測繪地理數據、時空態勢數據、物聯感知數據、互聯網共享數據、公共/行業專題數據等，具有海量、多源、異構、多維、多尺度、動態、非結構化等特點，對數據的管理、查詢和分析提出了巨大的挑戰[24-25]. 傳統GIS 的專題圖層模式難以滿足要求，北斗網格位置碼是更有效的數據組織模式.

由于網格化在建模、發布、檢索、使用等方面的高效性、便利性，網格技術已經在傳統地理信息領域得到了廣泛應用. 例如，地理格網、地圖分幅、影像瓦片、柵格地圖、數字高程圖等等. 隨著全球一體化、數字化、智能化進程的發展，對時空大數據的組織方式提出了更高要求，網格模型的功能從早期的空間數據索引、地圖應用與地理現象表達，開始向多源異構時空數據融合及大數據分析與挖掘等新方向拓展.

北斗網格位置碼基于2000 國家大地坐標系(CGCS2000)坐標基準，將地球時空劃分為多層次的時空網格，并將所有實體和信息封裝在一個或多個網格中. 每個網格被賦予唯一編碼，實現了“一位一碼、一物一碼、一事一碼”. 這種數據組織模式可直接面向空間實體對象，通過時空標簽匹配，將原本分層獨立的信息組合關聯到實體上，實現實體信息的結構化、語義化以及全局標識，形成實體的全息屬性，并基于實體構建無尺度時空數據庫和知識圖譜. 北斗網格位置碼以實體為基本顆粒，以網格為數據容器，以編碼為索引主鍵，更適用于多模多層時空大數據融合和跨模透層互操作，在數據存儲管理、查詢統計、時空分析、三維可視化、知識挖掘等方面更有效率，便于實現數據互聯互通、有序整合和綜合應用.

2.6 單體時空智慧

早期的3S 集成技術是集數據采集、存儲管理、圖像處理、定量分析等功能為一體的時空信息系統，局限于對傳統圖像和圖層的處理分析，缺乏對復雜時空問題的分析和決策能力. 單體智慧是在3S 集成的基礎上，融合時空大數據、三維建模、物聯感知、人工智能等新技術，實現感知連接、仿真分析、規劃決策等功能，以滿足特定地域、特定領域的需求. 例如：三維GIS、時空大數據平臺、城市信息模型、城市大腦、智慧城市、智慧交通等.

數字孿生地球具有可逆、可重塑、可回溯的特性，可通過時空分析、仿真預測、人工智能和可視化等技術，為用戶提供輔助決策，進而調度、操控和治理真實世界. 一方面，依據真實世界運行的規律和機理，構建物理、自然、社會等多學科模型庫，通過輸入實時狀態和邊界條件，進行仿真模擬、分析推演和預測預警，為規劃、設計和決策提供最優方案. 另一方面，對運行機理不明確的復雜時空問題，采用以計算機視覺為代表的人工智能技術，通過海量時空大數據驅動模式識別和深度學習，挖掘隱藏在數據中的知識，洞察時空的本質規則，并進行自我迭代進化.

全場景、全流程的混合現實(MR)技術可實現三維實體、應用場景、標繪量測、業務流程和拓撲關系的可視化，為分析、仿真、規劃、監管和決策提供了沉浸式的多模態、多感官虛實交互方式，有助于對問題的認知、理解和探索，還可以實現對智能傳感器、無人機、機器人和智能家電的遠程實時操控[26-27].

單體智慧局限于特定地域、特定領域的需求，或者聚焦于解決行業痛點，或者偏重于信息化基礎建設，或者以人工智能和可視化為主，相互之間存在數據孤島、業務煙囪、行業壁壘等問題，需要立足更高的站位進行融會貫通.

2.7 全域共智共治

在不同行業領域間有很多共性需求和交叉應用，單體智慧無法得到全局最優方案，存在重復建設和資源浪費等問題. 因此要打通地域和行業間的壁壘，跨界融合各種異構單體智慧，實現全域共智共治.

數字孿生地球對時空大數據和數據操作進行了整體封裝，特點是全球覆蓋、全息鏡像、全流程操作、全領域協同. 其中，全球覆蓋包括了地表、海洋、海底、大氣和地質構造等；全息鏡像包括了影像、微波、高程、重磁場和物聯感知等；全流程操作包括了數據的采集、處理、承載、可視化和應用等；全領域協同則包括了農業、交通、生態、應急和位置服務等. 同時，數字孿生地球還具備可廣泛兼容、可柔性擴展、可持續進化的基礎框架，是各種異構智慧體承載和融合的時空底座.

數字孿生地球充分融合北斗、高分、新型測繪、物聯網、互聯網、區塊鏈、5G、云邊協同、網格碼、大數據、人工智能、虛擬現實等新技術，基于全局性的頂層設計架構和統一的時空基準、統一的網格編碼、統一的數據標準、統一的技術規范，跨界集成多地域、多領域、多平臺異構智慧體，對其進行解耦、整合和重構，再經過多模數據深度融合、異構模型關聯分析、多線業務閉環聯動，實現異構智慧體之間共享智慧、協同治理、同步進化，為政府綜合管理、垂直領域應用、大眾個性服務等應用，提供全方位的解決方案.

3 機遇與挑戰

“十四五”規劃提出了以“產業數字化、數字產業化”為導向的數字經濟新戰略，將“北斗與高分融合的數字孿生地球”推向了時代的風口浪尖.

1)自主可控是立身之本. 國產數字孿生地球將立足于擁有核心的知識產權、可持續的研發技術鏈、閉環的國產產業鏈和規模化的應用生態鏈，為加速新基建和數字化轉型搭建通用的支撐平臺.

2)融合創新是必由之路. 只有融合創新才能持續拓展行業應用領域、挖掘業務增長點、擴大市場規模、并衍生無限可能. “北斗與高分融合的數字孿生地球” 將與物聯網、互聯網、區塊鏈、5G、云邊協同、大數據、人工智能和虛擬現實等新技術深度融合，為培育共智共治生態圈提供開放的時空底座.

3)大眾應用是藍海市場. 當前，數字孿生地球以政府和行業領域服務為主，市場容量存在天花板. 以谷歌地球退出中國市場為契機，從主打應用產品，轉變為以運營服務為牽引，以戶外運動、社交游戲、位置服務等大眾應用為抓手，通過跨界融合、業務升級和生態重構，促進服務大眾化和應用規模化，是產業的發展策略.

4)國際市場是布局方向. 國產數字孿生地球將打破時空信息服務長期以來被發達國家壟斷的局面. 踐行“一帶一路”倡議，逐步拓展國際市場，打造性價比更高的中國品牌，是產業的布局方向.

當前，從數字地球向數字孿生地球進化還面臨著一些技術挑戰. 在全鏈可信時空方面，要實現從理論到落地，再到產生效益，還需要繼續探索. 在全息精準映射方面，面臨著不斷增長的海量時空大數據的采集、存儲、處理、共享和應用等挑戰. 在實時泛在感知方面，存在數據并發規模、數據實時處理、系統穩定性等挑戰. 在多模數據融合方面，需要從底層重新定義數據結構，并對整個業務邏輯進行重構. 在單體時空智慧方面，人工智能技術目前還是以視覺和語言等感知智能為主，缺乏對復雜系統的支撐能力. 在全域共智共治方面，要打破地域和行業間的壁壘，還有較長的路要走.

4 結束語

隨著地球科學和信息科學的高速發展，各種新理論、新技術、新應用層出不窮，因此，對數字孿生地球的定義是階段性的，數字孿生地球的進化也是沒有止境的. 數字孿生地球的構建需要多種高新技術支撐，其中最底層的是通信、網絡和計算機技術，最關鍵的是北斗、高分、數字孿生與數字地球的融合. 另外，“北斗+區塊鏈”和北斗網格位置碼對數字孿生地球基礎能力的提升有重要作用；人工智能和模擬仿真決定了數字孿生地球的智慧；跨界融合各種異構單體智慧，實現全域共智共治，則是數字孿生地球的理想狀態.

數字孿生地球是時空信息技術和全球信息化發展的必然產物. 抓住戰略機遇，立足于自主可控，培育時空信息產業生態圈，促進服務大眾化、應用規模化和市場國際化，打造不見而知，不行而至、不謀而智、不為而治的數字孿生地球，將有效地促進人與自然、人與社會之間的和諧相處，為人類的發展做出巨大的貢獻.