數(shù)字孿生校園的架構(gòu)、建模與應(yīng)用

摘要：本文分析了數(shù)字孿生校園的研究現(xiàn)狀，探討了其在智慧校園建設(shè)中的重要性和技術(shù)集成特性，詳細(xì)介紹了數(shù)字孿生校園的整體架構(gòu)和模型建立，并重點討論了數(shù)字孿生校園的應(yīng)用場景等。通過這些應(yīng)用場景，數(shù)字孿生校園不僅提升了校園管理和服務(wù)的智能化水平，還為教學(xué)、科研、安全管理等多個方面提供了有力支持。目前，數(shù)字孿生技術(shù)雖然在教育領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，但卻顯示出了巨大的潛力，為未來的智慧校園建設(shè)提供了新方向。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；虛擬空間；三維建模；智能分析

中圖分類號：G434" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" 論文編號：1674-2117（2025）08-0074-06

隨著人工智能（以下簡稱“AI”）的迅猛發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸成為推動智慧校園建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。2024年世界數(shù)字教育大會（WDEC 2024）在上海成功舉辦，大會以“數(shù)字教育：應(yīng)用、共享、創(chuàng)新”為主題，展示了我國數(shù)字教育領(lǐng)域的最新成果，搭建了一個國際交流合作平臺，共同探討數(shù)字教育的實踐與創(chuàng)新。大會特別關(guān)注數(shù)字孿生技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，可以看出，數(shù)字孿生技術(shù)將在未來的智慧校園建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

數(shù)字孿生校園的研究現(xiàn)狀

數(shù)字孿生校園的概念在不同研究者的理解中有所差異，但總體上都強調(diào)了其在智慧校園建設(shè)中的重要性和技術(shù)集成特性。數(shù)字孿生技術(shù)自2003年由Michael Grieves教授首次提出以來，已逐漸成為多個領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的驅(qū)動力。李俐等認(rèn)為數(shù)字孿生校園是學(xué)校物理空間與網(wǎng)絡(luò)虛擬空間相互映射、協(xié)同交互的復(fù)雜系統(tǒng)，它具備虛實交互、數(shù)據(jù)驅(qū)動、動態(tài)可視、開放參與、以人為本等典型特征。陳益均認(rèn)為數(shù)字孿生校園通過“數(shù)據(jù)可視化”和“位置智能化”服務(wù)來加強部門間的協(xié)作配合，有效提升快速反應(yīng)和指揮調(diào)度能力，實現(xiàn)信息展示動態(tài)化、系統(tǒng)應(yīng)用集成化、現(xiàn)場監(jiān)控實時化、遠(yuǎn)程指揮可視化、數(shù)據(jù)采集自動化、決策支持網(wǎng)格化，提升師生應(yīng)用體驗，形成基礎(chǔ)設(shè)施共建和信息資源共享的新格局。施雯認(rèn)為數(shù)字孿生技術(shù)通過實時數(shù)據(jù)采集、分析和可視化展示，實現(xiàn)對校園內(nèi)的人、車、物、設(shè)備、設(shè)施和各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的互聯(lián)，承擔(dān)著學(xué)校數(shù)字化運行、智慧化管理、集中化指揮的三層重要功能。王士賢等認(rèn)為，數(shù)字孿生校園通過將“一張圖”作為數(shù)字孿生底座，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動下的校園數(shù)據(jù)全景可視化展示和動態(tài)智能化管理，有效提升了校園的治理能力和服務(wù)水平。

當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用主要集中在智慧校園建設(shè)、校園治理、教學(xué)科研等領(lǐng)域。例如，通過形成孿生數(shù)字化建模構(gòu)建虛擬校園空間，實現(xiàn)對校園建設(shè)進(jìn)展的可視化展示，以及校園運營的智能化管理。郭曉東指出，數(shù)字孿生技術(shù)在校園建設(shè)階段，依托園區(qū)信息模型平臺（CIM）基礎(chǔ)設(shè)施，把物理工程與智能化工程同步規(guī)劃設(shè)計、同步建設(shè)實施，打造智慧基建能力，從而達(dá)到“規(guī)劃設(shè)計一張圖、建設(shè)監(jiān)管一張網(wǎng)、學(xué)校治理一盤棋”的新格局。吳馳也提到，數(shù)字孿生技術(shù)在校園建設(shè)、運營管理、教學(xué)科研等方面具有顯著的應(yīng)用價值。例如，通過數(shù)據(jù)大屏監(jiān)測和預(yù)警斷網(wǎng)或教室設(shè)備問題，生成各項按日、按周、按月的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從而有效地輔助決策。

綜上所述，不同研究者對數(shù)字孿生校園的理解雖各有側(cè)重，但均強調(diào)了它的幾個核心特征：①虛實結(jié)合，即數(shù)字孿生校園不僅是物理校園的虛擬鏡像，更是與之實時互動、協(xié)同進(jìn)化的智能生態(tài)系統(tǒng)；②技術(shù)集成，它融合了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等多領(lǐng)域的尖端技術(shù)；③應(yīng)用場景廣泛，不僅限于校園建設(shè)與運營管理，更在教學(xué)科研、安全管理、生活服務(wù)等多個維度展現(xiàn)出巨大價值；④智能化管理，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動與智能分析，實現(xiàn)對校園各類場景的精確模擬與智能管理，從而提升了校園治理的科學(xué)性與精準(zhǔn)度。這些共識為數(shù)字孿生校園的建設(shè)與實踐奠定了堅實的理論與實踐基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生校園的應(yīng)用價值

筆者所在學(xué)校數(shù)字孿生校園的建設(shè)是基于對學(xué)校自身業(yè)務(wù)需求的深度分析，充分利用GIS信息、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、業(yè)務(wù)子系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬數(shù)字空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的校園實體全生命周期過程。將整個校園情況通過三維建模1：1映射到虛擬空間，提供實體校園的全場景、沉浸式、交互式展現(xiàn)，實現(xiàn)實體校園在虛擬世界的數(shù)字化表達(dá)，使得校園管理者可通過系統(tǒng)直觀快速地掌握校園總體運營情況。

1.構(gòu)建校園三維地圖，提升校園管理的直觀性和交互性

傳統(tǒng)的二維地圖僅能展示平面位置信息，三維地圖可真實還原學(xué)?？臻g關(guān)系和地形特征，可承載更多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息。通過三維地圖可運用旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等交互方式瀏覽校園室內(nèi)外場景，提升系統(tǒng)的交互性和用戶體驗，讓校園管理變得更加直觀和便捷。

2.打通跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)，助力校園多業(yè)務(wù)場景的一體化管理

基于校園三維實景數(shù)據(jù)，并融合錄播、監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)等多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以身臨其境的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)閱和業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)一體化業(yè)務(wù)管理，推動校園服務(wù)由被動響應(yīng)向主動服務(wù)轉(zhuǎn)變，校園決策由經(jīng)驗驅(qū)動向數(shù)據(jù)驅(qū)動轉(zhuǎn)變。

3.融合AI智能分析，實現(xiàn)校園異常事件的閉環(huán)處置應(yīng)用

當(dāng)校園發(fā)生不安全行為或者存在物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全因素等異常情況時能實時監(jiān)測并預(yù)警，基于校園三維實景地圖對校園全局資源進(jìn)行整合調(diào)度，快速處理突發(fā)事件。數(shù)字孿生校園平臺的建設(shè)幫助校園安全類事件處理效率提升35%，視頻智能巡檢效率提升30%，全方位提升校園安全管理水平。

數(shù)字孿生校園的整體架構(gòu)

數(shù)字孿生校園的架構(gòu)設(shè)計通常包括多個層次，確保從數(shù)據(jù)采集到應(yīng)用服務(wù)的全過程覆蓋。常見的架構(gòu)設(shè)計包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、平臺能力層、服務(wù)應(yīng)用層、實時交互層等。

筆者所在學(xué)校數(shù)字孿生校園的整體架構(gòu)（如上頁圖1），分為基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)資源、支撐引擎和應(yīng)用場景四個主要部分?；A(chǔ)設(shè)施部分主要包括攝像頭、AR/VR/MR、5G融合網(wǎng)絡(luò)等硬件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，為整個系統(tǒng)提供底層技術(shù)支持。數(shù)據(jù)資源模塊分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、場景模型數(shù)據(jù)和場景動態(tài)數(shù)據(jù)六類，涵蓋校園內(nèi)的各種靜態(tài)和動態(tài)信息，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。支撐引擎主要包括多模態(tài)地圖引擎和視頻管理服務(wù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、存儲和傳輸，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。應(yīng)用場景主要分為三維模型管理、教學(xué)空間管理和安防綜合管理三個模塊，其中，三維模型管理負(fù)責(zé)模型資源管理和激光點云全景地圖模型構(gòu)建，教學(xué)空間管理關(guān)注教室空間信息和錄播巡課應(yīng)用等，安防綜合管理則涉及人臉識別與軌跡刻畫、欺凌事件預(yù)警處置應(yīng)用和異常事件預(yù)警、人員周界防范等方面。

此外，數(shù)字孿生校園還設(shè)有統(tǒng)一用戶門戶、統(tǒng)一身份認(rèn)證、統(tǒng)一視角作業(yè)圖等平臺功能，以及多視角切換、多效果切換、地圖工具集等多種基礎(chǔ)工具，為用戶提供便捷的操作界面和豐富的功能選項。

數(shù)字孿生校園的模型建立

許爾惟等通過結(jié)合傾斜攝影、三維激光掃描和人工建模技術(shù)，實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的融合建模。具體方法包括利用無人機傾斜攝影獲取高精度影像，通過三維激光掃描補充建筑底部和內(nèi)部數(shù)據(jù)，以及通過人工建模精細(xì)還原建筑細(xì)節(jié)。最終，通過數(shù)據(jù)融合和可視化技術(shù)，構(gòu)建真實、立體、實時的三維校園模型，為數(shù)字孿生智慧校園的建設(shè)提供有力支持。筆者所在學(xué)校亦采用此法完成校園三維建模。

1.校園傾斜攝影三維模型構(gòu)建

傾斜攝影建模技術(shù)是一種高效的三維建模方法，它通過無人機搭載多臺傳感器，從一個垂直和四個傾斜的不同角度同步采集影像，從而獲取豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。通過傾斜攝影技術(shù)，真實地反映校園的地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，為校園業(yè)務(wù)應(yīng)用提供場景支撐。相比傳統(tǒng)的三維建模方法，無人機傾斜攝影技術(shù)可以快速、高效地采集大量影像數(shù)據(jù)，縮短數(shù)據(jù)處理和建模的時間，從而降低校園三維建模的成本。

首先，針對校園區(qū)域規(guī)劃航拍路線，確保高效覆蓋整個目標(biāo)區(qū)域。接著，使用搭載傾斜攝影系統(tǒng)的無人機進(jìn)行多角度、多方向、多視角的拍攝，獲取大量高清晰度、高精度的影像數(shù)據(jù)。然后，利用無人機進(jìn)行航飛獲取POS數(shù)據(jù)和原始影像數(shù)據(jù)，并對獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，確保符合規(guī)范要求。最后，將圖像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、相機參數(shù)、像控點坐標(biāo)等導(dǎo)入自動化建模軟件（如ContextCapture、PIX4D mapper、重建大師、瞰景），進(jìn)行實景三維模型重建。還可以將實景三維模型導(dǎo)入修模軟件（DP-modeler、魔方），對形成的三維實景模型進(jìn)行修飾，如區(qū)域漏空、變形等，同時利用點位測量信息對模型進(jìn)行質(zhì)量檢查。無人機傾斜攝影三維建模的技術(shù)流程如上頁圖2所示，效果如圖3所示。

2.校園教室激光點云全景建模

激光點云全景相機建模技術(shù)，通過使用激光掃描儀LiDAR和全景相機同步獲取校園教室區(qū)域的點云數(shù)據(jù)和全景圖像，以生成高精度的教室空間三維模型。通過對教室空間進(jìn)行實景建模復(fù)刻，為教室的空間規(guī)劃、設(shè)施布局設(shè)計、教室設(shè)施設(shè)備管理以及后續(xù)的教學(xué)活動提供有價值的參考。激光點云全景建模技術(shù)流程如上頁圖4所示，效果如圖5所示。

數(shù)字孿生校園的應(yīng)用場景

數(shù)字孿生校園通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)了物理校園與虛擬校園的深度融合，提供了全面、智能化的校園管理與服務(wù)。其實際應(yīng)用主要包括實時維護(hù)與監(jiān)測、智能化資源分配與調(diào)度、教學(xué)與科研支持、校園安全管理、能效管理等。筆者所在學(xué)校近兩年著重對數(shù)字孿生校園的以下應(yīng)用場景進(jìn)行了實踐研究。

1.三維建模，時空數(shù)據(jù)底座搭建

構(gòu)建校園數(shù)字孿生虛擬空間，建立含室內(nèi)室外、二三維一體化的全息、高清的數(shù)字空間底板，為校園精細(xì)化、可視化管理提供場景支撐。

2.校園總覽，校園綜情數(shù)據(jù)展示

數(shù)字孿生校園可以通過第一人稱或第三人稱視角進(jìn)行身臨其境的瀏覽參觀，結(jié)合三維場景以可視化圖表的方式介紹學(xué)校的整體情況，并對學(xué)校簡介、教學(xué)力量、校園文化、學(xué)生情況、所獲榮譽等進(jìn)行數(shù)據(jù)展示。

3.安防監(jiān)控，視頻監(jiān)控實景調(diào)閱

數(shù)字孿生校園融合接入全校所有的視頻監(jiān)控，并點對點映射到設(shè)備的實際位置，點擊任一區(qū)域的視頻標(biāo)簽，就可以對這個區(qū)域的監(jiān)控進(jìn)行實時調(diào)閱。通過視頻地圖投影技術(shù)，將特定角度的監(jiān)控視頻畫面無縫融合到三維模型對應(yīng)場景中，實現(xiàn)虛實結(jié)合場景的深度融合，極大地提升了監(jiān)控視頻調(diào)閱的效率和體驗。

4.教學(xué)管理，課堂空間全景巡課

數(shù)字孿生校園融合室內(nèi)外地圖，對接教室內(nèi)已有的錄播攝像頭多機位畫面，支持以第一人稱視角實現(xiàn)全?；虬嗉壍淖詣勇窝舱n。支持調(diào)閱學(xué)生畫面視頻、教師畫面視頻、電子板書視頻及收聽教室聲音，實時查看教學(xué)情況和課堂實況。

5.視覺分析，異常事件預(yù)警處置

當(dāng)校園內(nèi)發(fā)生異常事件時，將實時產(chǎn)生告警提醒，可第一時間在校園三維模型中定位到事發(fā)位置了解現(xiàn)場情況，圍繞狀態(tài)、位置、事件、資源等四大要素，實現(xiàn)對異常事件的全流程閉環(huán)處置。同時，提供告警歷史詳情查看及告警歷史查詢功能應(yīng)用。

6.聽覺分析，欺凌預(yù)警杜絕盲區(qū)

針對衛(wèi)生間等監(jiān)控?zé)o法覆蓋的盲區(qū)，數(shù)字孿生校園融合聲音監(jiān)測防欺凌終端，設(shè)備24小時不間斷開展聲音巡邏，一旦識別到打斗、威脅、謾罵等異常情況將發(fā)出強光閃爍和警告聲，第一時間以電話和短信等方式通知安保負(fù)責(zé)人，支持雙向?qū)χv通話，從而及時發(fā)現(xiàn)和主動干預(yù)校園欺凌事件。在事件處置后，會自動生成責(zé)任臺賬和安全事件報告，幫助學(xué)校管理者全面了解校園安全整體態(tài)勢。

7.出入管理，人員出入統(tǒng)計分析

數(shù)字孿生校園通過對接校園出入口閘機系統(tǒng)可基于設(shè)備所在實景位置，遠(yuǎn)程查看和控制閘機的設(shè)備狀態(tài)，實時記錄學(xué)校的人員及車輛通行數(shù)據(jù)，并以可視化圖表的方式進(jìn)行呈現(xiàn)。

8.人員軌跡，活動軌跡刻畫回溯

數(shù)字孿生校園通過對視頻監(jiān)控的位置與建筑空間、走廊、道路、場地的空間拓?fù)潢P(guān)系以及抓拍時間等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可在三維地圖上生成自定義時間段內(nèi)的人員基于三維空間的歷史移動軌跡，實現(xiàn)人員軌跡在三維地圖場景中的全息刻畫，實現(xiàn)關(guān)注人員的精細(xì)化、可視化管理。

結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用正處于起步和局部嘗試階段，但其巨大的潛力已經(jīng)顯現(xiàn)。數(shù)字孿生校園不僅代表了智慧校園建設(shè)的一個新方向，而且為提高校園管理服務(wù)水平、促進(jìn)教育教學(xué)改革提供了新的可能。雖然現(xiàn)在還面臨標(biāo)準(zhǔn)體系未統(tǒng)一、數(shù)據(jù)能力需完善等挑戰(zhàn)，但筆者相信，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟和完善，以及各領(lǐng)域的應(yīng)用與反饋，數(shù)字孿生校園將在教育領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

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作者簡介：周嬌蓉（1987—），女，浙江金華人，副高職稱，研究方向為教育信息化建設(shè)、信息科技學(xué)科教學(xué)等。