【产品介绍】AES:快速生成数字孪生世界的秘密

数字孪生世界,要做到既“真实”又“准确”

 

AES(All Element Scene)全要素场景是 51WORLD 的核心产品。她是一种基于真实的地理信息,集合物理世界各种要素,通过计算机实时渲染而生成的可交互三维仿真场景,可以广泛应用于需要场景数字孪生的全行业领域,是一切与场景有关的数字孪生应用的基础。

 

根据数据源、使用环境及场景精细度不同,AES 又分为 AES1-AES5 五个级别,根据从宏观到微观的不同需求,级别越高,三维场景的还原精度越高 ( 从米级到亚米级 ),也越接近真实。目前,AES1 和 AES2 主要用于城市级宏观应用 , AES3 用于园区及楼宇级应用,AES4 和 AES5 用于道路模拟、无人驾驶仿真及 AI 训练。 基于 AES,我们就可以让一个栩栩如生的数字孪生世界,快速、真实、准确地呈现在眼前。真实”与“准确”真实的世界是由各种物理要素构成的,要素既包含可见的物理实体,又包含了不可见的内在物理规则。我们日常所见的道路、车辆、行人、建筑、河流以及地下的管廊,都是构成这个世界的可见实体要素,重力、光照、碰撞、时间、声音都是世界的内在物理要素。在这一认知基础上去评价一座数字孪生城市,会产生两个独立变化的维度:“真实”与“准确”。举个例子。美国游戏巨头 ROCKSTAR 在 GTA5( 侠盗猎车手5) 中营造了一个在真实世界中并不存在的城市——“Los Santos”。它以洛杉矶为原型,在虚拟城市中浓缩了洛杉矶 代表景观,包括了与真实世界高度相似的地标建筑和地区,看起来无比的“真实”,在真实性维度上几乎可以达到我们定义的数字孪生 L5 标准。但是对于原型城市洛杉矶来说,还原得并不“准确”。

 

以上海为例,如果在陆家嘴区域生成出大面积的居民楼,这是和实际情况相悖的,就不“像”了。同时,陆家嘴的东方明珠、上海中心、金茂大厦这些地标性建筑如果没有精准还原,那么会影响视觉的准确性。 光有准确也不行。数字孪生城市需要做到物理的真实,这决定了环境交互的真实性。上海中心是一个玻璃幕墙建筑,这种材质,决定了在不同的天气、光照条件下,建筑的反光和阴影是不同的。在准确还原的时候,这些物理上的真实交互都是需要加以考虑的。 总而言之,“真实”评价的是在数字孪生城市是否符合可见实体与内在物理规律,准确则衡量数字孪生城市与现实城市的相似度。视觉上只是第一步。随着城市自动生成技术的推 进,我们必须更加深入地思考和定义城市建模技术的标准,更准确地定义视觉以外的真实与准确,为今后城市的建模,特别是自动化建模中提供更好的标准指引。

 

基于 AES 搭建数字孪生世界

 

随着测绘、信息技术的发展,三维地理信息已然突破二维平面单调展示的束缚,进入时空变化的多维展示时代,为全空间全要素的综合管理创造了基础条件,也为一体化管理、精细化治理、科学化决策、现代化规划、立体化利用提供了强有力的技术支持。

 

传统的时空信息数据获取手段,主要是遥感、测绘等技术手段。在物联网飞速发展的今天,各种类别的传感器和带定位功能的智能终端越来越普及,真实时空数据的采集变得更加便捷。为了更高效地做到对世界的还原,我们正在定义出一套AES 行业数据标准及工作流,将 DEM\DOM 数据、OSGB 数据、BIM 数据、SHP 数据等测绘、设计类数据高效接入, 并转译为 AES 数据。

具体包括:

1. 多源数据处理:对不同来源数据均可进行兼容,转换为 AES 标准的数据

2. 统一坐标处理:多源数据经投影后配准,转换为统一的 SRID( 空间参考标识符 )

3. 属性一致处理:数据经清洗后,聚类到有限类全要素,不同要素的属性项根据实际需求进行定义。

 

在 AES 数据的基础上,我们就可以对数字孪生世界进行标准化生成,同时具备“所见即所得”的编辑能力。应用层 模块可以方便地根据空间坐标及时间轴,查询、检索在场景内的一切要素,包括但不限于:静态场景数据 ( 例如任何坐标高程、道路长度、建筑高度、点实体属性等等 )、动态场景数据 ( 例如移动的车辆轨迹、安保人员位置、某时间某坐标的气温等等 )。数据层模块则可以将最新的时空数据更新到全要素场景服务中去。全要素场景服务包含了如下几个子系统:

1. 城市骨架子系统

城市骨架子系统是一个时空数据引擎的访问接口中间件,它可以集成在目标程序中,为应用层系统提供全要素场景信息的访问能力。通过对数据的语义化识别,可以获取时空数据引擎中的信息,根据空间坐标将全要素信息进行分割,将全要素信息结构化成为更适应自动建模、场景渲染、动态数据显示的数据。

2. 场景分级组织子系统

针对不同的城市分块模型,需要有合理的层级组织,以达到理想的渲染效率。我们将每个城市分块模型分为 5 种不同的细节程度,以符合从近到远的渲染需求。每个细节程度的层级,需要分别设置不同的加载距离,构建基于场景的金字塔结构,实现数据的分层快速显示。

3. 场景二次编辑子系统

该系统可以结合城市静态场景模型自动生成服务,在自动生成的城市底板中,针对生成效果的不合理地区,进行全要素场景数据“所见即所得”编辑,并将信息在全要素场景服务中更新。为了更好地提供全要素场景服务,团队自主研发了 51UrbanDataBoard 数字孪生构建平台,快速生成城市数字底板,赋予各类智慧城市应用以数字孪生的能力,指数级提升城市信息模型 CIM 建设效率。

 

UrbanDataBoard 为用户提供两种操作的模式:

1. 在编辑器中可以通过一系列的编辑组件直接编辑城市骨架,结合城市自动生成系统可以进行所见即所得的编辑。

2. 在蓝图或者 C++ 中,通过接口访问城市骨架动态或者静态的任何数据。平台从技术上解决了大规模城市制作效率问题、大规模城市复用性问题、应用层制作无法获得底层数据支撑的问题,同时为全要素场景的扩展性做技术储备,为 AES 行业数据标准的定义做技术支撑。

 

理解城市,让数字孪生更高效

 

在 51WORLD 看来,每个城市有自己独有的城市语义。对上海而言,黄浦江将上海划分为浦东和浦西,沿岸荟萃了上海城市景观的精华,上海城市规划逐步形成“一主、两轴、四翼,多廊、多核、多圈”的空间结构和“主城区—新城—新市镇—乡村”的城乡体系。

 

目前,51WORLD 数字孪生城市生成已经形成了完整工作流。从上游获得数据后,我们通过卫星图、街景图、视频等资料,将数据与真实世界的匹配程度进行验证,遵循真实世界的实际情况,对数据进行整理,获取所需字段的信息。

以 L3 等级的自动生成为例,我们需要做到对指定区域的地形和道路进行误差不大于 0.5 米的还原,对主要建筑与设施进行精确还原,同时做到物理层面精确的环境反射、边缘柔和的阴影与环境光遮蔽效果。其中,对非重点区域做到高效仿真就是最需要解决的问题。

 

对于城市外围区域建筑群的生成,我们会预先对楼房建筑风格进行归纳总结,定义出生成所需字段,如楼房高度、底部类型、建筑材质、隔板类型、屋顶类型等。对数据缺乏的地区,在自动生成时,我们会依据空间关系进行模拟,以尽可能地贴合现实。此 外, 利 用 51UrbanDataBoard, 城市的编辑可“多人协作”,高效完成对数据的修改及重点建筑的还原。我们还给每个城市任命了一名“市长”,只依靠一名数据管理员即可高效地维护核心数据库,审查新提交的数据。

 

WDP 开发者生态计划及工具链来了 !

 

为了提供更丰富易用的工具,协助开发者完成数字孪生产品的快速搭建,2020 年起,我们开始打造一个全面平台化的开放产品集合——51WORLD 开发者平台 (51WDP)。这 个 平 台 围 绕 AES 这 一 数 字 孪 生 核 心 能 力, 提 供 了 包 括 SuperAPI、51Cloud、51DIP、51Chart、51AI 在内的五大平台工具,加速赋能各行业集成商和开发者享受数字孪生技术红利,快速提升现有产品及解决方案竞争力。

 

目前,SuperAPI 和 51Cloud 已经实现了 AES 全要素场景功能开放及云端轻量化访问。WDP 的其他平台能力也将于 2020 年逐步开放给开发者,其中: 51DIP(51Data Integration platform) 作为一个数据转换与集成的数据中台

产品,提供了从数据库到 web 接口的快速创建工具,同时预制了大量面向标准可视化需要的主题库,以加速可视化产品动态数据的接入。51Charts 则作为 web 端的数据可视化模板组件库,提供了大量的预制图表样式,通过直接拖拽式的编辑布局方式,让开发者可以快速完成图标层的搭建,并可以直接接入 51DIP 输出的动态数据,完成数据可视化功能的实现。 51AI 服务则提供了基于机器视觉的通用服务能力,可以实现对图片、视频等数据源的多维度分析,赋能开发者打造具备深度分析的应用程序。我们欢迎更多的开发者能够加入开发者行列中来,在 AES 全要素场景中,感受数字孪生世界的魅力。

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