空间数字孪生（SDT）本质上是现实世界地理空间对象（例如，建筑物、道路）和系统（例如，环境或交通监控）的镜像表示。地理空间协会正式定义SDT为具有精确位置和维度属性的虚拟表示，其中虚拟模型以同步频率更新。

在高层次上，SDT和传统的数字孪生（DTs）有许多相似之处，两者都维护现实世界对象的虚拟表示，以协助监控、规划和具有预测能力的决策制定。SDT与DTs的关键区别在于SDT纳入了空间上下文，以捕获和提供地理空间对象和过程的位置和相对维度表示。

1应用

虽然SDTs常被错误地与用于城市规划和发展的3D建模和可视化技术混淆，但SDTs的能力远远超出了这些应用，涵盖了具有许多潜在用途的广泛功能。我们列出了一些重要的应用领域，如下所示。

• • 城市规划和管理： 城市的SDT可用于监控和管理城市规划和发展过程。例如，波士顿城市数字孪生被用来评估拟议中的高层建筑将对给定公园区域投下多少阴影。

  • 自然灾害： 近年来，洪水和丛林火灾等自然灾害的规模和频率在全球范围内显著增加，这主要归因于气候变化的影响。例如，2020年3月，澳大利亚的丛林火灾导致30亿动物死亡，烧毁了超过1800万公顷的土地，并摧毁了3000多栋房屋。利用森林、动物、建筑物和其他基础设施的空间数字孪生，可以制定更好的救援和防火计划，这可以显著减少生命和财产损失的范围。

  • 虚拟现实和增强现实服务： SDT在虚拟现实领域具有巨大潜力，使用户能够模拟和与包含现实世界实体的虚拟模型进行交互。此外，它们在增强现实领域提供了激动人心的可能性，允许用户无缝地与现实世界中的物理元素进行交互和操纵。例如，电工可以在修理故障之前，从SDT中查看建筑物的布线布局。

  • 温室气体排放和气候变化： 温室气体排放（GHG）是导致气候变化的主要因素之一，对我们的环境有着深远的影响。为了减少来自化石燃料消耗和电力发电等间接来源的GHG，监测、管理和规划宏观和微观层面的能源消耗至关重要。SDT有助于监测和管理当前的能源消耗，预测未来的消耗，并优化建筑物、郊区或整个城市中可再生能源的使用。通过利用SDT，我们可以努力减少GHG排放，促进可持续性，并促进过渡到更加环保的能源格局。

  • 智能交通： SDT可用于按需车辆在优化路线上的运营，通过实时监控和预测分析改善道路安全，并减少拥堵。

  • 流行病学和公共卫生： 我们在COVID-19中目睹了前所未有的生命损失。我们还看到，通过在从各种来源收集的数据上应用先进的数据分析和AI技术，可以更好地管理这种疾病。SDT可以成为辅助工具，用于时空预测传染病，识别疾病源头，跟踪感染患者的移动，并制定更好的计划以遏制疾病。

  • 智能或精准农业： 依赖传感技术获取实时农业领域数据和AI&ML技术进行决策的智能或精准农业，可以通过围绕农作物种植、分销和市场需求开发的空间数字孪生获得巨大好处。

    空间数字孪生的不同组件

    由于SDTs需要整合大量空间和地理定位数据，以准确全面地代表一个大型物理环境，SDT的规模和复杂性远高于传统DT。例如，SDTs包含各种形式的数据，包括位置数据、3D模型、空间网络、卫星图像等，为了获取这些数据，我们需要定位设备、物联网传感器、无人机、卫星等的支持。数据源和类别的选择将由SDTs的具体用例和应用决定。因此，为了构建SDT，我们需要各种空间技术。在本文中，我们确定了SDT的四个主要构建块，并讨论了每个构建块的相关空间技术：

  • • 数据获取和处理： 开发SDT的第一阶段是获取和处理有关物理环境的数据。这可以包括卫星图像、LiDAR扫描、航空摄影、物联网传感器数据和GIS数据等其他形式的空间和地理定位数据。必须处理数据以创建物理环境的数字表示。

    • 数据建模、管理和处理： 这是第二层，用于对空间数据进行建模、存储，并提供数据管理和处理平台。这包括建模不同类型的数据，如位置、3D、图像等，并提供如PostgreSQL、geoSpark等的数据管理和处理平台。

    • GIS软件、地图和API： 这中间层包含GIS平台和基础地图，以及执行空间数据上不同操作的可用API。该层从先前层获取数据，并将其与地图、GIS或3D平台软件融合。

    • 关键功能组件： 这最后一层涉及关键功能，包括模拟、预测建模、可视化、查询处理等。为了提供这些功能，SDT需要前几层的空间技术的支持，以及其他支持性技术，如AI&ML、区块链等。