VRIH丨【中科院深圳先进技术研究院胡金星教授团队】数字孪生城市的时空智能框架及实验平台

研究背景

随着互联网、云计算、物联网、人工智能等先进信息技术快速发展，促进智能化、全泛在、万物互联的大数据时代已经到来。人类社会也逐渐从二元空间进入到三元空间，即从“社会空间”——人类行为与社会活动的总和，过渡到“信息空间”——构建于物理空间和社会空间之上的计算机、互联网及其数据信息。三元空间将建立城市物理空间和社会空间到信息空间的映射，再通过信息空间回馈物理空间和社会空间，将城市物理空间中的实体和各实体于社会空间中的活动在信息空间中进行刻画，建立三元空间的关联，促进了城市智慧化转型升级，这些技术的不断进化是数字孪生技术的发展前提。数字孪生从工业领域拓展到智慧城市领域，能帮助建立数字孪生城市。数字孪生技术源于虚拟仿真技术，利用数字孪生、平行系统技术，将现实世界的物体、系统及流程等复制重构到虚拟信息空间，形成一个“克隆体”，两者最终构成一个“数字孪生体”，并将该技术应用到智慧城市建设中，就形成了数字孪生城市。数字孪生城市在虚拟空间上构造一个与之完全对应的“虚拟城市”，形成物理维度上的实体城市和信息维度上的数字城市同生共存、虚实交融的局面。

我国是一个安防大国，全国公共区域安装的摄像机数量达到数千万台，构建了覆盖重点区域和行业领域的视频“天网”，视频大数据需要与人工智能技术结合进行深度挖掘。孪生城市真实运转状态，要能够通过视频呈现真实的世界，需要基于实时视频图像进行映射、分析、预测，进而实现虚拟城市三维可视化、视频融合、多维数据关联分析。时空信息是数字孪生城市的基础设施，地理信息系统GIS（Geographic Information System）通过对物理空间实体的抽象，实现以数字投影方式从物理空间到信息空间，以及社会空间到信息空间的映射，是进行城市三元空间关联、智慧城市建设的基础。地理空间智能GeoAI（Geospatial Artificial Intelligent）用于提升对城市地理现象和地球科学过程的动态感知、智能推理和知识发现能力，促进地理空间感知、理解、认知及决策的智能化。这项技术为数字孪生城市建设提供时空底座，能够提升城市三元空间的地理空间关联、虚实融合、增强现实交互、智能决策协同等能力。

本文通过文献调研和实验验证的方法，通过研究数字孪生城市建设的发展现状，针对目前存在的问题，创新性的提出一个面向数字孪生城市的地理空间智能框架，初步搭建了地理空间智能系统实验平台，提出基于孪生网络的FSSiamese目标跟踪算法，并进行了视频精准时空分析关键技术的实验验证，能够为数字孪生城市建设提供新的研究思路。

 

结果及意义

数字孪生城市是三元空间理论下的一个城市智慧化途径，通过建立城市物理空间和社会空间到信息空间的映射，通过信息空间发现、分析问题，找到解决途径，再回馈到物理和社会空间，进而解决城市问题。地理空间智能以地理空间视角对物理和社会空间进行抽象表达，通过建立三元空间的关联，提升城市地理空间感知、理解、认知、决策的智能化水平。本文通过构建面向数字孪生城市的地理空间智能框架及实验平台，通过城市虚实融合的智慧化分析、决策与现实反馈的实践验证，促进地理空间智能技术革新优化，进而为数字孪生城市建设提供技术方案依据。

该论文通过实验验证了提出的改进的小目标检测模型和孪生网络视频跟踪模型的有效性。其提出的YOLOv5-Pyramid小目标检测模型的平均精准度值高于其他两种方法，表现更为精确，而基于孪生网络的目标跟踪算法FSSiamese也取得了较高的准确率和较快的推断速度。同时，研究提出了多尺度特征提取模块和地理参考的局部人群密度图输出方法，实现了区域的人群地理统计。除此之外，该研究还采用了多种几何变换方法进行地理配准校正，并通过实验展示了不同变换结果。文章指出了研究还需要更多实验进行准确率的验证，这也是未来研究的进一步工作。

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