李德仁院士：时空智能开启数字孪生智慧城市新纪元

李德仁院士：

时空智能开启数字孪生智慧城市新纪元

在万物互联、数据奔涌的智能时代，如何让承载着亿万人生活的城市变得更聪明、更高效、更宜居？这已成为全球城市化进程中的核心命题。中国科学院院士、中国工程院院士李德仁在第十八届中国智慧城市大会上指出，世界是物质的，物质是运动的，运动的物质世界中，城市是最活跃的区域。时空智能开启数字孪生智慧城市新纪元，让城市更聪明、更智慧，推动智慧城市蓬勃发展。他从时空大数据与时空智能的崛起、数字孪生智慧城市的本质特征、应用实践3个维度，勾勒了智慧城市发展的清晰图景和可循路径。

时空大数据与时空智能的兴起

李德仁院士表示，大数据时代已然到来。无处不在的亿万传感器正产生爆炸性增长的数据，量级从GB、TB级向PB、EB乃至ZB级跃进。面对结构复杂、体量庞大的数据，迫切需要通过云端计算整合分析，将其快速转化为有价值的信息，进而探索和挖掘自然与社会的演变规律。一个利用大数据有效进行预测建模、可视化并发现新规律的时代正在开启。大数据与人工智能的结合，标志着全球进入了大数据人工智能时代。在数据产生、分析与应用的链条中，时空智能的地位日益凸显，其重要性甚至超越了对互联网数据的挖掘。时空信息技术正加速迈向泛在、精准感知的时空智能新纪元，主要体现在：基础定位能力的重大突破、空天地海一体化感知网络的构建、关键技术的创新深化与应用拓展。

一是基础定位能力得到突破，高精度泛在定位技术日趋成熟。音频定位系统实现了从定位信号设计、芯片、模组、标签到基站的全链条硬件解决方案，以及跨系统、跨平台的软件方案。该系统已在南京南站为公安民警提供实时位置服务，支撑警勤调配、联防联控应用，覆盖面积55万平方米。在鄂州顺丰机场，可为机场工作人员、车辆和物品提供精确的定位服务，覆盖面积46万平方米。在杭州东站，能够为室内定位导航、位置共享、网约车等提供精准定位。此外，商用5G多波束智能定位具备高可用、高精度、广覆盖的特点，基于现有5G信号体制，无需额外基站，测距精度达0.32米。这些基础定位能力的突破，为构建全域覆盖的感知网络奠定了坚实的技术底座，支持无所不在的定位、导航、授时服务。

二是构建起空天地海一体化的时空大数据感知网络。空天地海一体化传感器网络构成了时空大数据的强大基础。天基方面，全球在轨遥感卫星超1000颗；空基方面，有人/无人机得到普及；地基方面，地面移动测量系统与智能驾驶车辆持续增长；海基方面，海上移动测量系统（光学、激光雷达、声呐）广泛应用；城市感知方面，各类智能传感器（摄像头）遍布城市各个角落；个人终端方面，几乎人手一部智能手机、智能手表。这张强大的感知网络源源不断地产生着海量、多维的时空大数据，这是时空大数据的优势。

三是关键技术实现创新与应用深化。激光扫描技术已广泛用于三维点云地图构建、智能巡检机器人、精细化三维建模与三维运维监控平台建设，有效解决复杂城市环境的三维建模难题。卫星在轨智能处理技术，如搭载于“吉林一号”光谱01/02星的“在轨智能森林火灾监测系统”，具备火点自动识别、搜寻、定位功能，结合北斗短报文通信，实现秒级“从传感器到用户”的信息传递，将火点位置（精度10米）在17秒内送达消防队员，极大提升了应急响应时效。“卫星+AI实时目标监测”技术可对移动目标进行实时监测。如珞珈三号01星可获取城市三维视频数据，清晰呈现高层建筑、交通流量甚至单个车辆，服务城市治理、交通管理及国防。珞珈二号01星是世界上首颗ka毫米波雷达卫星，其丰富的纹理信息超越光学影像，可测量地表径流面积与流速，在抗洪救灾中发挥关键作用。珞珈三号02星具备高光谱成像、高精度立体测绘、夜光成像及在轨智能处理能力，夜光遥感通过捕捉地表夜间灯光、火源等辐射源，结合数据挖掘与反演，可应用于经济发展、人口分析，电力能耗、碳排放、城市扩张、贫困、环境健康、战争损失等评估及夜间军事活动侦察等，开创了卫星遥感从“对地观测”迈向“对人观测”的新纪元。通导遥一体化技术融合持续定位、导航通信、静态/动态成像、临时视频成像能力，实现全球分钟级数据获取。如“东方慧眼”星座计划部署258颗卫星，包括150颗0.5米分辨率光学卫星（5颗卫星一组，多角度同步扫描成像，支持城市三维建模）、100颗雷达卫星（监测地表地形与形变）、4颗高光谱卫星（5天全球覆盖扫描两次，22个谱段，5米分辨率），还有4颗红外卫星（每天扫描地球4次，对森林火灾、热敏目标和矿产资源进行监测），从而构建全球“一张图”基础，研究山水林田湖草沙冰的状态与变化。星座建成后可实现全球目标的“快、清、准、全”感知，构建通导遥一体化的智能化解决方案。遥感影像自动化处理与应用技术支撑“空天地海网”态势感知一体化、实时化、精准化，如自动驾驶与移动机器人，面向建筑物遮挡、隧道、地下车库等复杂场景，可解决“最后一公里”问题，L4级智能驾驶车能够实现在城市峡谷、地下车库等条件下的自动驾驶，物流机器人可精确执行路径规划、停靠与作业。

总而言之，时空大数据与时空智能是构建智慧城市不可或缺的基石，是实现强军、富国、利民，推动人与自然协同可持续发展目标的坚强后盾。

数字孪生智慧城市的特点

李德仁院士强调，智慧城市的最高形态是数字孪生，即通过全域感知，将物理世界的城市实体映射到数字空间，构建数字孪生城市。在此虚拟模型中，运用大数据、云计算、人工智能进行深度分析，可实现态势洞察、趋势预测和科学决策，从而优化城市运营与发展。

数字孪生智慧城市具备四大核心特点：

一是精准映射。通过空、天、地、地下、河道等多层面传感器部署，对城市基础设施（道路、桥梁、井盖、建筑等）进行全面数字化建模，并实时感知和动态监测城市运行状态，在信息维度上实现虚拟城市对实体城市的精准表达与映射。

二是虚实交互。城市基础设施建设和居民活动均在实体空间留下痕迹，在虚拟空间产生信息。数字孪生城市中，实体空间可观察痕迹，虚拟空间可搜索信息。城市规划、建设及民众活动在虚实两域同时扩展，虚实融合与协同将定义城市未来新模式。

三是软件定义。为物理城市建立虚拟模型，利用软件模拟人、事、物在真实环境中的行为。通过云端与边缘计算，软性指引和调控交通信号、能源、重大项目管理和基础设施建设。

四是智能反馈。在数字孪生体上进行规划设计、模拟仿真，对潜在的不良影响、冲突矛盾、危险进行智能预警，并提供可行对策建议。以未来视角智能干预城市发展轨迹与运行，优化实体城市规划管理，改善市民服务，赋予城市智慧。

“我们倡导全域数字孪生，通过巧妙组合多种技术手段，实现模型的轻量化、准确化与精细化，这才是真正的基于数字孪生时空智能的新一代的智慧城市。”李德仁院士说，“智慧城市运营大脑是核心支撑，涵盖数据采集、加工、存储、清洗、挖掘、决策、控制与利用服务。其运作模式是，智能化采集加工城市动态数据（如出行数据、电动汽车充电状态、停车场温度等），接入实时地理信息平台，通过实时数据分析、推理与认知，驱动行动（如智能交通管理、无人值守停车场管理）。”

数字孪生智慧城市的典型应用

正如习近平总书记强调的“城市管理要像绣花一样精细”，城市治理需注重科学化、精细化、智能化。据李德仁院士介绍，目前数字孪生智慧城市的应用已在多个领域落地。

一是智慧社区。如深圳市某社区采用时空大数据、人工智能、物联网等高新技术手段，发挥实景三维多尺度全空间的技术优势，建设数字孪生城市社会基层管理平台，实现城市治理实时感知、全面刻画、精准决策、智能服务。通过房屋实景三维模型，实现分层分户管理，关联人、房等信息，结合智能传感器监测的水、电、燃气等数据，构建住户标准画像。通过发现数据突增异常，进行及时预警处理，实现精细化管控。基于实景三维地图，通过人工智能识别消防通道占道行为，获取精准位置，推送信息至管理人员，及时杜绝消防通道占道行为。基于实景三维地图，关联垃圾桶精确点位数据，结合传感器和摄像头，实现及时感知，对垃圾桶满溢、异味进行监测预警，通知相关人员及时精准处理，降低环卫工作量，提升城市形象。对孤寡老人分发健康手环，实时监测生命体征，结合高精度定位信息和实景三维地图，对异常情况实时预警，实现精准救助关怀。对社区综合事件进行统计分析，通过实景三维立体化展示社区综合态势，辅助政府部门和社区管理人员直观、全面了解社区情况，做好重点事件、重点区域精准防控。

二是智慧电网。融合电力系统物理模型、在线量测数据、无人机/机器人巡检数据、历史数据，并集成电气、计算机、通信、气候、经济等多学科知识，进行多物理量、多尺度仿真，在虚拟空间映射电网全生命周期。电力巡检机器人能实现变电站、输电和配电设备全天时、全方位、全自主智能巡检与安防（巡逻、读表、图像识别、红外测温、视频回传），替代人工，降低风险。通过建立集多要素精准定位、识别建模与三维空间关系计算于一体的软硬件系统，实现安全风险定位预警、无人值守智能管理、错峰按需用电，提升安全与效率。

三是石油天然气工厂智能化管理。通过建立石油天然气工厂数字孪生平台，精准描述石油天然气工厂物理资产的位置、机械特性、工艺特性、组成等属性，对工厂主要资产、设施进行仿真级三维建模，对重点设备建立可拆解的模型，对厂区生产活动涉及的要素进行模拟仿真，解决生产、能源、工艺、安全、环保等各专业在指标颗粒、空间属性、时间属性、数据层次不一致的问题。平台和每一个测点都与传感器连接，实时获取各类型传感器的数据，显示环境温度、湿度、易燃易爆物气体浓度等信息。平台可接入第三方视频监控系统，并集成摄像头的三维空间属性，用户可以方便地找到需要查询的摄像头位置、实时监控画面。平台还可模拟出火灾发生时的情景，并提供最佳逃生路线与应急措施。石油天然气工厂数字孪生平台的应用，大幅提升了资产管理、生产管理、运维管理效率，能够智能分析预警故障，预计每年降低运维成本约2亿元。

四是长江流域生态环境与灾害智能化管理。成功构建了天空地观测平台，通过水流泥沙浓度测量分析，服务于长江上游水库群防洪调度、中游航道安全监测与应急响应、上游梯级水电综合管理。此外，部署了上万个传感器，积累了亿万条观测记录。通过运用洪水演进模拟系统，实现长江上游各大型水库信息、预报调度信息、流域内水雨情信息实时共享，效率由原来的小时级提高到20分钟到达长江防总、30分钟到达国家防总。通过航道维护辅助分析系统，浅水航道尺度发布周期由10天缩短至7天；航标异常发现时间由最长1天缩短至10分钟，恢复时间由8小时缩短至2小时；水位测报由一天1次或3次人工读尺提升至每小时1次。

数字孪生在其他领域的应用还包括，支持城市开发全过程仿真模拟、设计方案对比与选型；智慧农业方面实现灌溉、施肥、施药精细控制，减少浪费；智慧水利方面实现黄孝河流域污水处理厂、水坝、水闸等设施的智能化管理及泵站智能调度等。

李德仁院士强调，空天地时空智能是数字孪生城市的基础，数字孪生城市是数字城市的高级阶段，也是智慧城市的新高度。要建设好基于数字孪生的智慧城市、智慧能源、智慧交通、智慧物流、智慧工厂等，推进基于数字孪生智慧城市的各种智能化应用，实现善政、促产、利民，建设人民满意的城市。

（来源：《中国测绘》2025年第9期）