乡村景观全要素数字化模型构建研究——以福建省将乐县常口村为例

 

摘要：数字乡村建设背景下，乡村景观全要素数字化模型能够实现信息的识别、集成与融合，提升乡村景观保护、规划与管控的科学化、精准化与高效化。乡村景观全要素数字化模型依托数字孪生技术构建，数据的多源异构与空间融合是其特征，也是构建难点。从“数据采集、数据处理、数据库构建、数据融合”4个主要环节，阐述了乡村景观全要素数字化模型的构建方法；以福建省三明市将乐县常口村为例，开展了乡村景观全要素数字化模型的构建实践。实现了乡村景观生态数据和形态数据的空间融合与动态可视，解决了以往数字化模型中乡村景观要素彼此游离、各类数据缺乏关联的问题。该模型不但能够支持乡村景观全生命周期、全流程信息化管理，而且可支撑规划、设计、建设、管控等各类场景应用。

 

人与自然和谐共生是美丽中国的本质内涵，也是生态文明建设的核心。新时期美丽乡村建设应将乡村作为一个有机的整体，构建全要素、多层级的乡村生命共同体，重塑和谐美好的乡村人地关系，实现乡村社会经济的可持续发展。党的十八大以来，强调统筹“山水林田湖草”系统治理，加快推进国土空间基础平台的建设，建立全国国土空间规划“一张图”，通过坐标一致、边界吻合、上下贯通的多层级数字化信息，实现规划成果的管理及国土空间的管控[1]。

乡村占中国国土面积94%以上[2]，是国土空间管控的重要主体。在数字中国建设和乡村振兴背景下，乡村的建设与发展趋于数字化与智慧化。2018年1月2日，《关于实施乡村振兴战略的意见》提出了实施数字乡村战略。整合乡村景观多源数据，实现数字化特征识别、空间管控与生态治理是数字乡村建设的重要内容。

 

现有的多源数据融合与数字化模型构建多属于城市领域，如依据特定目标进行信息挖掘和融合分析[3-4]，或涉及城市管理运维、城市空间评价等[5-7]。围绕乡村的研究集中于建筑信息模型(BuildingInformationModel，BIM)在居住建筑中的应用[8-10]，而针对乡村景观的研究与应用较少。在技术层面，乡村领域的研究大多关于数字孪生技术，聚焦于倾斜摄影、三维扫描在古建筑、古村落等乡村聚落建模中的应用[11-12]，面向乡村景观全要素的研究有待拓展，针对性的技术与方法也需要厘清。乡村与城市类似，具有复杂的人工要素与自然要素。我国乡村面积广袤，对应于生产、生活与生态空间的乡村景观信息丰富、数据量庞大，全要素数字化模型的构建研究亟待开展，以实现乡村景观信息的识别、集成与融合，提升保护、规划与管控乡村景观的科学化、精准化与高效化。

 

 

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程[13]。数字孪生的概念最早可以追溯至2002年，出现于产品全生命周期管理(ProductLifecycleManagement，PLM)之中[14]。随着数字孪生技术的兴起与发展，各行业各领域都已开展相关的理论和应用探索。在建筑行业中，基于既有建筑信息模型的理论与技术，将数字孪生作为一种未来场景，参与建筑管理运维[15-16]。BIM技术为实现数字孪生奠定了良好基础，也将数字孪生的研究引入城市建设与管理领域[17]。数字孪生在我国的城市规划实践中率先开展了探索，通常以交互平台的方式呈现实时3D和4D数据，反映城市环境及其变化，展现了广泛的应用前景[18]。

一方面，从国家层面确定了数字孪生是构建城市信息模型(CityInformationModel，CIM)的基本技术，全国各地积极开展了CIM基础平台的研发[19-21]；另一方面，数字孪生也从纯粹的城市形态模仿转向参与基础设施建设管理、人口管控、交通组织、市民互动等多类城市运维和治理环节[22-24]。

 

虚实映射是数字孪生的基本特征，表现为物理实体和数字孪生体的双向映射。数字孪生体是实现数字孪生的重要基础，具有交互性、动态性、实时性和历时性的特点。交互性体现于数据在物理实体与数字孪生体间的双向流动；动态性是指数字孪生体不仅仅是对物理实体的高保真虚拟化，更重要的是反映其实时更新和动态演化过程[25]；实时性是由于数字孪生体是物理实体现实状态的同步映射，物理实体的所有变化过程均通过数据“投射”于“孪生体”；历时性表现数字孪生体对应于物理实体全生命周期的过程记录，从理论上看即使物理实体消亡，数字孪生体仍可在数字虚体中实现长久的存在。

 

 

数字孪生体建构于数字空间中，是对物理实体全要素信息的映射。乡村的数字孪生体即为乡村的物理实体在数字空间的虚拟映射。它能够支持规划、建设与管控等多类乡村景观服务，影响乡村物理实体的更新、变化与发展，并产生新的动态服务数据映射于全要素数字化模型(图1)。乡村景观全要素数字化模型是乡村数字孪生体的重要组成部分。

其中，“全要素”体现为“所有”的信息，是乡村景观本身固有的以及能为外界感知的所有信息的总和[26]；“数字化”指的是对乡村景观物理实体的全生命周期中一切信息的数据化管理与数字化呈现。基于数字孪生技术构建的乡村景观全要素数字化模型是针对乡村景观的“孪生体”，作为“基础模型”不但可支持乡村景观全生命周期、全流程信息化管理，而且能够面向乡村景观规划、设计、建设、管控等各类应用场景。