中國工程院院士郭仁忠

這樣的數字空間是怎樣打造的？應怎樣使用？能解決哪些問題？關于實景三維中國我們還有不少的疑問，本刊特別邀請到中國工程院院士郭仁忠，下面讓我們聽聽郭院士如何解讀。

4D數據與實景三維

實景三維是近年測繪行業的熱點話題，被看作是國家重要的新型基礎設施。從4D數據（即DEM、DOM、DLG、DRG，以下均簡稱“4D數據”）到實景三維的技術進步，是否意味著4D數據即將退出歷史的舞臺？

郭仁忠這樣認為：“4D數據是測繪技術與行業數字化轉型的歷史性產品，與模擬成果相比，4D數據在生產、應用和更新方面提供了更多的選擇，也展示了更多的優勢，它代表了測繪科學與技術過去半個世紀的歷史性進步。”現在，隨著技術的持續進步，測繪的成果在4D數據的基礎上走向了實景三維。

“按照我的理解，就像4D數據沒有取代紙質地圖，實景三維也不會取代4D數據，不同的產品有不同的特點，不同的應用場景會有不同的選擇。實景三維的優勢在于高度逼真的場景重構和虛實相濟的空間拓展，可以使依托環境的應用得到更抽象的分析和更具象的呈現，從終端用戶的角度講，它更容易被接受，從專業用戶的角度講，它將降低地理信息應用的技術門檻，有利于測繪技術應用領域的拓展、應用模式的創新和跨學科融合發展。”

談到實景三維中國，或許有不少人將它當作“高大上”的概念。就測繪行業內而言，航空攝影測量、三維激光點云測量等新技術往往生產的依然是4D數據；就社會層面而言，普通群眾對實景三維中國更是缺少概念。

對此，郭仁忠表示，實景三維中國并不遙遠。“從國家層面來講，實景三維中國建設將是一個比肩高鐵、北斗的戰略性重大基礎設施工程，需要時間，但是在城市層面，尤其是在小區域應用層面，實景三維其實已經得到了應用，并且效果很好，在城市、城市群、省級乃至國家級的大規模應用需要進一步努力，但是我相信不會太遙遠。”郭仁忠說。

實景三維中國與智慧城市

4D數據產品有哪些不能解決的問題？為什么我們一定要建設實景三維中國？郭仁忠是這樣解釋的：“在智慧城市層面，我們需要將城市進行數字化表達，也就是很多專家說的數字孿生城市，在這個數字環境中，很多情況下我們需要精細化、結構化、對象化的地理環境表達，需要地上下、室內外一體化的全空間連續尺度地理實體刻畫，我們還需要對地理環境進行高逼真、沉浸式渲染，這些都是4D數據無法滿足的。”

智慧城市具有十分突出的創新驅動特征。智慧城市應用的個性化、多元化特征明顯，且充滿創意和創新，大量的應用場景是潛在和未知的，實景三維將我們帶進一個虛擬的真實世界，有助于啟迪我們的思維，催生新的應用。

“以工業園區選址為例，現在城市規模越來越大，通勤越來越遠，交通越來越堵，在產業園的區位選擇決策過程中，如果系統地分析其潛在的就業人口結構畫像、交通通勤壓力、物流便利程度、配套設施需求等，就可以更科學地做出決策。基于實景三維模型，我們可以集成融合各類城市數據，也就是地理信息界經常講的城市時空大數據，進行過去難以想象的極為復雜的分析，從而將城市建設得更宜居、更宜業、更低碳、更柔性。這樣的例子還有很多，比如，經濟活動方面，一些休閑娛樂和公共服務場所需要數字化營銷，需要在線推介其真實三維場景，以吸引顧客；應急管理中，人員如何疏散、緊急物資如何調配等……”

郭仁忠還特別提及地下空間建模的重要性。對智慧城市而言，只有室外的、露天的實景三維景觀是不夠的，除了室內外，結構化的地下建模，如燃氣、自來水等管網也有信息化管理的需求。“城市地下管網的管理必須在三維模型中進行，如有事故發生，需要在第一時間判斷故障的位置并采取應急處置，如緊急關閉相關閥門，緊急疏散相關人員，數字化的管網模型不可或缺。所以，實景三維是貨真價實的新型基礎設施，它是社會治理信息化的重要支撐，沒有它，很多事很難管理、決策。”

有了實景三維的數字化城市模型，很多城市管理可以實現遠程控制，甚至自動控制、自動預警，在城市中的使用場景非常多。國家測繪主管部門推動實景三維中國建設十分必要、十分及時，是一種主動擔當和作為，且具有前瞻性。

“實現了對地上下、室內外地理空間和實體對象的精細化、結構化表達，就構成了時空地理信息云平臺的基礎。”郭仁忠說，“時空地理信息平臺就像一個舞臺，各類應用就像是舞臺上上演的各類劇目，演出不能沒有舞臺，舞臺就是基礎設施。”

實景三維中國的應用

“未來會有什么樣的‘劇目’？怎么演？我們還沒有完全打開腦洞。”郭仁忠說，“我認為未來實景三維將有非常廣闊的應用場景，我們將在應用的過程中慢慢打開腦洞。”

對于智慧旅游的例子，郭仁忠作了進一步解釋：“比如黃山的松樹，我們用傳統測繪手段表達一棵樹很容易，但表達黃山松就不太容易了。簡單的模型不能滿足智慧旅游的需求，旅游場景不僅要形似，還要神似，而且隨著季節變化，自然景觀會不斷發生變化。”郭仁忠的舉例也說明了實景三維真實、立體、時序化的特征。

類似的實景三維應用還有很多，對技術的要求也不盡相同。“實景三維滿足了當下應用場景，一些潛在的應用場景我們目前還不是很清楚，隨著實景三維技術的發展，我們會發現新應用場景，而城市發展反過來也會對實景三維提出新需求，就是說新型基礎測繪會帶著我們走進實景三維中國，實景三維中國支撐一些新的城市應用，在應用的過程中催生新需求，反過來促進測繪技術進步，這是一個雙向的過程，是一個充滿想象的‘不歸路’，我們不妨邊做、邊看、邊想。”

實景三維的未來充滿想象，需要測繪人主動尋求新需求，也就是在跨學科、跨領域融合中尋找實景三維的用武之地。回憶起從紙質地圖向4D數據轉型的過程，郭仁忠感慨道：“過去我們繪制好一張地圖，交付給使用對象，任務就算完成了，就像寫一本書放在圖書館，有沒有人看、誰看了、看過有什么想法，我們都不得而知。”

進入4D數據時代，測繪與其他行業的交叉融合的趨勢就已經顯現出來了，這一點在城市規劃、城市管理、應急救災等方面都有所體現。“未來專業測繪技術人員會與其他專業人士共同工作，基于實景三維開發專業應用，共同發現新需求。”郭仁忠建議，“未來，測繪人要多學習其他領域的知識，更好地理解跨行業的需求。”.

實景三維中國建設難題

郭仁忠認為，實景三維中國建設實際上已經在路上。在國家標準層面，自然資源部國土測繪司發布了《新型基礎測繪與實景三維中國建設技術文件》四個附件（以下簡稱《文件》）分別明確了實景三維的定義；基礎地理實體空間身份編碼規則；基礎地理實體分類、粒度、精度要求以及基礎地理實體元數據的組成與內容。在技術層面，傾斜攝影測量技術、激光點云技術、仿真三維建模技術等已經有了比較廣泛的應用。那么實現實景三維中國還有哪些難點？

郭仁忠坦言，目前實景三維中國所需要的技術、設備、人員都已經具備了。“做是可以做，但是成本很高、周期很長。測繪人歷來追求的就是更高的效率、更小的成本、更高的精度，永遠不會滿足。”

通過傾斜攝影測量、三維激光點云等技術可以將一個建筑的模型建立起來，但是需要大量的人工來實現人機交互，才能實現結構化建模以滿足智慧化應用。現在很多高等院校、研究機構，都在探索是否能夠提高它的自動化程度。

“以傾斜攝影測量為例，有些項目航測數據不夠，需要地面攝影進行補充，如果我們不做好規劃，補拍的成本也是很高的，如果借助智能技術優化設計，哪些地方需要拍，哪些地方不需要拍，就能節省大量的人力、物力和時間，這就產生了一個新的研究方向：優視攝影測量。”

實景三維中國是一個宏大工程，是一項前所未有的新基建，需要動員大量的人力物力，以及將計劃一以貫之執行的毅力。可以說中國是首個提出這一計劃的大國，世界上還沒有哪個地理信息產品、項目能夠從規模、技術層面對標實景三維中國。

“谷歌公司的Google Earth產品只是2.5D的圖像化表達，技術標準遠達不到實景三維的要求，新加坡城市建模做得較好，但是其國家規模是城市級的。這意味著大規模的實景三維建設，我們只能自己摸著石頭過河，沒有成熟的工程經驗可以借鑒。”

無論是技術領域，還是應用領域，新型基礎測繪、實景三維都不是剛剛誕生的新事物，部件級的個性化的實景三維建設和應用已經有了不少的行業案例。比如一些企業、單位自發地做過一些智慧園區的探索。

但是實際上，在城市治理乃至國家治理層面問題要復雜得多。所以2019年起，國家安排了10個省市作為新型基礎測繪試點，希望能夠系統地積累智慧城市治理的經驗。

“我們過去交通部門、環境部門、城市規劃部門往往有一些業務需要實景三維模型，但是這個模型建設成本高，重復建設就會導致資源浪費。”郭仁忠舉例道，“基礎設施是要為整個城市服務的，不能只為某個特定群體服務，我們把城市實景三維作為基礎設施，其道理跟修路相同，不能是公安局修一條路，教育局修一座橋，這樣城市就亂了；所以我們不能規劃部門建規劃部門的實景三維城市、交通部門有交通部門的實景三維城市，要建設一個能夠滿足各方需要的最大公約數的實景三維平臺。”

智慧城市治理需求復雜，“目前沒有一個專家能夠說清楚，一個城市的治理有哪些方向。不同群體有不同的需求，而且隨著城市的發展，這些需求還在不斷發生變化。”郭仁忠在城市治理、城市規劃領域深入研究多年，越發感覺到這是一個錯綜復雜的問題。

“新型基礎測繪試點就是從城市的視覺、整體的視覺來探索城市三維模型應該怎么建，現行標準是否合理，各部門怎么用，信息孤島怎樣打通等問題都要我們在實踐中積累經驗。共建共享、信息共享的前提就是信息要滿足各方面需求，所以我們就需要一個頂層設計，需要一個從全局出發的系統解決方案，把大家的需求調研清楚。”

摸著石頭過河，不妨邊做邊看邊想

“如果不計成本的話，肯定什么事都能做，關鍵是我們要盡可能地做得更好，周期更短，效率更高，這是測繪人的追求。”實際上，整個實景三維中國實踐中，工程的組織實施、技術的研發進步還有很多問題需要我們去探索完善。

他將《文件》與機動車駕駛 證考試標準做了比較，“過去我們只有手動檔的車，駕考的標準就是按照手動檔車的標準制定的，后來有了自動檔的車，相關的考核標準也隨之發生了變化，未來我們的車越來越智能，隨著自動駕駛技術的發展，倒車入庫、側方停車等項目可以由車輛自己完成，也許那時駕駛 證考核的標準可能還會發生變化。”

從這個角度來看，《文件》制定的分類、分級還是包含了一些先驗知識。未來這些分類、分級是否依然合理，猶未可知。“國內一個城市的智慧城市探索中曾有每一棵樹都賦一個二維碼的設想，這曾經引發是否過度數字化的討論。”郭仁忠說，“我們之所以建二維碼是為了對地理對象進行管理，是否應該建二維碼要看你的管理需求，一片樹林通常作為一個整體來管理，里面每棵樹不是獨立的管理對象，賦予二維碼的必要性就值得商榷了。”

從這個邏輯來說，是否對一個地理事物進行單獨表述，作為單獨的對象進行管理，精細化到什么程度，要跟城市管理需求、應用場景掛鉤。目前我們還沒有非常成熟的經驗，需要通過試點探索，邊做邊完善。

《文件》中提出“最大公約數”的說法，是說城市建設一個統一的實景三維基底，避免重復建設。如某一部門有定制化的、個性化的需求，又將實景三維延伸出了最小公倍數的問題。“實景三維城市的建設不能兼顧所有部門的所有需要，如果一項需求專業性特別強，且只有個別群體能夠使用，這就涉及到一個度的問題。”郭仁忠認為，這個度如何判定，還是需要邊實踐，邊探索。

此外，因為可能涉及到信息安全問題，關于實景三維產品的使用權，職能界限還不清晰，“在這方面過去的做法叫做負面清單，我們首先假設數據全社會共享，再列舉哪些人不能用，什么情況下不能用。而實景三維中國已經有點顛覆過去的思維和做法了，如果出現數據安全問題，保管人員和使用人員誰的責任更大，我們目前還說不清楚，需要法律、技術、工程部門共同探索，也需要有新的思維來看新問題。”

實景三維將越用越好

即便實景三維中國的建設之路難題重重，充滿不確定性，郭仁忠還是對它的未來充滿信心。“我相信，實景三維將在我們的探索和實踐中越來越好，應用場景越來越多。”他認為網購、在線會議等事物，也是我們在過去想不到、不敢想的。“實景三維中國不斷完善，會啟發我們拓展它應用的邊界，我們生活在城市中，社會經濟、生活學習、休閑娛樂……所有與地理空間相關的問題，都有可能在實景三維中國的數字空間去推演、簡化。”

郭仁忠說：“雖然實景三維中國的未來應用我們現在還看得不是很清楚，但是也不必心急，就像爬山一樣，我們爬得越高，就能看得越遠，我們位于了什么樣的高度就決定了我們有什么樣的視野。我相信，實景三維中國建設，是測繪面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康的重要路徑，是測繪發展的新藍海，值得每一個測繪人重視！”