新加坡如何创建了首个国家规模的数字孪生体

最近，新加坡完成了世界上首个整个国家的数字孪生体的工作。奔特力系统软件公司(Bentley Systems)的工具加速了将地理信息系统、激光雷达和影像的原始数据转化为该国的现实网格、建筑和交通模型的过程。

新加坡土地管理局高级首席测量师Hui Ying Teo告诉记者："我们设想，这些构件将成为从3D地图绘制和数字孪生体开始的元宇宙建设的一部分。"

他说，他认为数字孪生体是通过高度的数字化和数码化对现实世界的复制。它们对于可持续的、有弹性的和智能的发展至关重要。他的团队一直在开发一个框架，能够在反映世界不同方面和使用情况的多个数字孪生体中实现单一的事实数据来源。

新加坡是一个岛国，海平面上升是一个大问题。一个综合的数字孪生体基础设施已经在帮助新加坡应对各种挑战，如气候变化的影响。一个单一的、准确的、可靠的、一致的地形模型支持着国家水务机构的资源管理、规划和海岸保护工作。

针对数字孪生体的努力也在帮助可再生能源的推广。整合的建筑模型数据源帮助制定了太阳能光伏路线图，以实现新加坡政府在2030年前部署两千兆瓦峰值（2GWp）太阳能的承诺。

从地图绘制到孪生体制作

"数字孪生体和地图之间的一个巨大区别是，数字孪生体可以根据新的数据不断地更新。需要一个复杂的数据管理平台来帮助更新由不同过程收集的数据，以代表城市独立而又联系的各数字孪生体。"Teo说："为了实现全部潜力，数字孪生体不仅应该代表物理空间，还应该代表法律空间（产权的地籍图）和设计空间（像建筑信息模型(BIM)这样的规划模型）。"

各个国家和城市政府正在探索各种策略，将独立的地理、基础设施和所有权记录数据孤岛转变为统一的数字孪生体。这不是一件容易的事，因为数据的采集方式、使用的文件格式以及基础数据的质量和准确性都存在很大差异。此外，政府需要以尊重公民隐私、企业数据IP的机密性和基础数据的安全性的方式来创建这些地图。

例如，地籍调查等数据源反映了房地产、矿产和土地使用领域的所有权边界。对这些记录的恶意或意外的改变可能会损害隐私、竞争优势或所有权。

新加坡是世界上人口密度第二高的国家，导致了垂直建筑和基础设施的显著发展。传统的测绘方法侧重于二维地理。在2011年一场大洪水震惊了这个国家之后，新加坡政府启动了一项雄心勃勃的三维测绘计划，利用快速捕捉技术绘制整个国家的地图，并在2014年形成了第一张三维地图。该地图帮助各政府机构改善了政策制定、规划、运营和风险管理。

然而，该地图也逐渐过时了。因此，在2019年，新加坡统计局启动了第二项工作，以检测随时间推移的变化，并以更高的精度更新原始地图，以反映该国动态的城镇发展。该项目结合了整个国家的航空测绘和新加坡所有公共道路的移动街道测绘。

一次采集，多次使用

在过去，每个政府机构都会进行自己的地形调查，以改善规划决策。"由于不同的发展时间线，重复的努力并不罕见，"Teo说。

与奔特力的合作帮助新加坡土地管理局实施了 "一次采集，多次使用 "的战略。这一战略通过将地图作为政府机构、权威人士和顾问之间的项目使用的开放资源三维国家地图，最大限度地提高了地图的可用性。最终，他们希望加强3D地图，以支持4D技术来描述随时间变化的特征。

他们结合激光雷达和自动图像捕捉技术，迅速绘制全国地图。新的快速捕捉过程有助于将成本从3500万新元减少到600万，时间从两年减少到只有八个月。

新加坡土地管理局在41天内捕获了超过16万张高分辨率的航空图像。奔特力的ContextCapture工具将这些图像转化为0.1米精度的全国范围3D现实网格。他们还使用奔特力的Orbit 3DM工具将超过25TB的当地街道数据转化为数字孪生体。

该团队对数据的不同方面采用了几种标准化的文件格式。LAS和LAZ用于点云数据。GeoTIFF用于将图像与物理空间对齐。CityGML增加了对矢量模型和曲面的支持。

平衡开放性和安全性

Teo说，在数据开放和安全性之间取得适当的平衡是至关重要的。数据开放使用户能够采用适当的工具来满足其组织的需求，而不管是什么应用。然而，这种开放性需要与安全和隐私考虑相平衡。他们必须确保原始数据可以被安全地处理，并在适当的隐私保障下提供给机构、企业和公民。

所有团队成员都接受了安全检查，数据在一个安全、受控的环境中进行处理。此外，还采用了各种敏感化和匿名化技术来保护机密性。这使得他们能够在参与规划、风险管理、运营和政策的机构之间更广泛地分享数据，而不影响任何人的数据权利。

数据处理是在一个受控环境中完成的——这意味着它与外界隔离，没有网络接入。这阻碍了一些进程，例如在遇到问题时获得技术支持。"然而，对于这样一个国家规模的测绘，必须在时间和安全之间取得平衡，"Teo说。