智慧園區三維數字化建設的探討與設計

姚惠云

(江蘇省基礎地理信息中心，江蘇 南京 210013)

0 引言

園區管理是全方位、多層次的管理。隨著IoT、云計算、人工智能等技術的發展，智慧園區似乎又一次成為科技界關注的焦點[1]。目前，各式各樣的產業園區、服務園區、物流園區項目層出不窮，但園區的智慧化還處在不斷提升過程中。數字孿生應用技術是融合了數據采集、物聯感知、模擬仿真等多個領域成果形成的系統性工程，這也是近幾年各行業數字化發展的趨勢[2]。本文基于數字孿生技術，分析智慧園區管理需求并提出設計思路，為園區的智慧管理提供一些參考。

1 需求分析

首先，園區的合理規劃十分必要。中國很多智慧園區都存在著急上馬、噱頭當先的問題，如何圍繞園區生態化、功能化、結構化、專業化、特色化等因素合理布局以實現園區資源最優化配置，是園區“智慧”的起點與難點[3-4]。園區全生命周期的核心需求，毫無疑問是安全問題。現在很多園區在使用傳感器、智能攝像頭等感知設備后開始“吐槽”，重點問題包括成本高、覆蓋率低、后端報警機制弱、事前干預比較空白等方面。

針對上述需求，必須構建一個接近于真實場景的園區空間數字化底板，在此基礎上開展園區資源設計、布局、配置等規劃工作。

其次，提升智能監測水平也是重中之重，重點關注成本、監測覆蓋率和監測預警方面的問題。目前，數字孿生指出對全要素和全過程的數字化映射、智能化模擬，實現與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優化，為解決智慧園區建設提供了新思路。

2 數字底座設計

一個園區的智慧建設，需要掌握建筑、道路、橋梁、綠化、水體、基礎設施、地下管線等各類實體物理對象的運行態勢。因此，需要一個“數字底座”，針對整個園區各地理要素的結構化、非結構化數據統一格式、統一時空基準、一致性處理和空間化處理。

2.1 實景三維場景

采用無人機飛行拍攝的方式開展傾斜攝影工作，經過空域申請、測區踏勘、像控點布設、航線設計、外業航飛后獲得傾斜影像，再進行數據處理、空三解算、精度優化、三維建模、模型精修等一系列工作后，生成園區范圍內高分辨率高精度的傾斜攝影三維實景模型[5]。模型數據涵蓋了園區的地形地貌特征，包括建筑物、道路、綠化、水系、基礎設施等地上各行業要素的外部現狀場景。

2.2 建筑物室內結構

通過BIM技術/激光點云手段仿真模擬各種工程建筑的內部結構，滿足內部可視化、整體協調性、數據模擬性、功能優化性等特點，彌補了傾斜攝影技術無法獲取建筑物內部信息的缺點[6]。

2.3 地下管線模型

收集并整合園區范圍內地下管線的施工、竣工資料，包括給水類、排水類、弱電類、供電電纜、燃氣電纜等。根據各類管線點和管線段的特點，通過空間、屬性和材質信息映射實時驅動生成地下管線三維模型[7]。地下管線三維模型的高程信息可由傾斜攝影制作的DEM數據擬合確定，通過程序自動控制匹配以實現地上地下三維模型的無縫集成。

2.4 城市部件模型

針對園區范圍內的城市部件，結合外業測量與內業處理手段獲取城市部件位置坐標，可選擇二維點、3D符號或者單體建模等不同表達方式，在整體園區的傾斜攝影模型中疊加展示。城市部件劃分為五大類：公用設施、交通設施、市容環境設施、園林綠化設施、其他設施。

2.5 公共專題信息

結合電子地圖數據和外業調查方式，梳理、整合并更新園區內住宅、商場、企業、醫院、學校、公交站等興趣點描述以及園區內地名、地址信息的結構化描述與標識。收集、整合并更新公安、交通、自然資源、住建、環保、水利、旅游、文化、教育等行業的專題信息資源。

2.6 感知監測信息

對接監控電子眼、充電樁、交通信號燈、路口監控視頻、重大工程傳感器等設備，掌握交通安全信息。對接氣象監測站、環保監測站、污水口監測站等數據，關注極端天氣、空氣質量、水質等環境安全問題。

3 平臺功能設計

園區包括建筑物、道路、綠地、地下管線、城市部件等不同單元，借助傾斜攝影實景三維、地下管線模型、城市部件模型、公共專題信息、感知監測信息等載體，最終盤活園區數字資產“一盤棋”，以數字孿生底圖推動智慧園區規劃、建設、管理一體化應用[8-9]。

3.1 多源信息集成

很多園區處于建設初步階段，大部分建筑物、道路、學校都在逐步建設的過程中，平臺根據二維矢量、影像、三維模型、傳感數據等不同類型數據的特點，采用不同的存儲管理技術，形成一體化的異構空間數據混合存儲平臺。平臺支持物聯感知數據動態匯聚與運行監控，集成視頻監控、交通安全、人車管理等數據，實現對建筑能耗、交通、園區運行等監測信息的讀取與掛接，為建設綠色園區、園區安防、智慧園區提供應用支撐。

3.2 二三維場景可視化

依托三維GIS平臺數據資源，在傳統矢量、影像、專題圖層、電子地圖等二維數據展示的基礎上，支持多種精度地形場景數據、傾斜攝影模型、人工建模數據、360度可量測街景數據、地下管線模型、單體模型等各類三維數據的融合展示，增強大場景GIS數據、小場景BIM數據和物聯網感知數據的集成能力，提供從地上到地下、從整體到局部的一體化無縫場景(見圖1)。平臺不僅具備二三維數據加載展示功能，還提供可視化渲染、場景管理、飛行鳥瞰、標繪交互等操作功能。

圖1 二三維場景可視化

3.3 二三維空間分析

在三維場景中提供經緯度量測、高程量測、水平距離量測、垂直距離量測、空中距離量測、長度量測、面積量測等基本的三維量測功能。平臺支持三維數據的空間分析能力，包括緩沖區分析、通視分析、可視域分析、剖面線分析、日照分析、天際線分析、淹沒分析、DEM土石方分析等(見圖2)。

圖2 空間分析

3.4 園區資產信息管理

平臺基于二三維地名地址、POI數據、行業專題數據，提供在線查詢檢索功能，支持關鍵字查詢、模型查詢以及組合查詢等，查詢結果支持快速定位和詳細信息查看，通過查詢了解園區內的道路信息、學校信息、醫院信息、廠房信息、住宅區信息、景區信息、停車場信息等。進一步結合人力、物資、設備、物料、車輛、房屋等信息，支持對園區內的特種資產、設備、物料等進行實時的卡片式單獨跟蹤與管理。

3.5 園區規劃仿真模擬

基于三維GIS平臺，在現有空間底座上實現合并、疊加、對比分析，通過3D渲染和三維動態模擬仿真等手段可靈活預演規劃效果，預先展現出未來園區規劃設計的樣貌，提前發現規劃問題和設計缺陷，避免重大損失。利用多方位的圖形展示功能或者雙屏比對新舊規劃藍圖的差異，直觀、便捷地協助復盤和調整，實現園區規劃仿真模擬的效果。

對于同一項目的多個方案，可實現同一狀態下不同方案的切換，也可進行雙屏或者多屏關聯比對，通過對多種規劃方案及結果的模擬仿真和可視化展示(見圖3)，以直觀形式評估各個方案的優缺點，實現方案優化和遴選。同時，根據人口分布、環境及生態、地下管網密度等多維度綜合考量整個園區規劃設計的合理性，便于比對、判斷和分析最優化方案，避免規劃片面性。

圖3 規劃仿真模擬

3.6 感知信息監測預警

園區建設更加注重于滿足居住環境的安全性、舒適性以及企業管理的便利性、通信網絡的互聯與增值服務等方面的需求，園區智能化管理應集成安全防范系統、通信網絡系統、公共設備監控系統和物業管理系統等。

平臺支持集成視頻監控、門禁控制、監聽對講、綜合報警、公共廣播等傳感設備，通過綜合管理統一協調園區內的資源共享與信息互通，智能化管理園區治安，為安防事件的事前防范、事中處理、事后分析提供有效的模擬仿真，對各類事件做到預知、預判、預防、預警和有效提醒，切實提高安全保障能力和應急處理能力。

4 結語

綜上所述，基于數字孿生理念探討智慧園區建設并提出了設計思路。通過分析發現，數字孿生應用技術對園區智慧管理的頂層設計、運維、業務協同等多方面都具有應用價值，同時也可推廣應用至其他領域。