Translated by Marina Agarkova

Технология цифровых двойников все чаще используется для моделирования последствий повышения уровня моря, предоставляя ценные инструменты для лиц, принимающих решения в таких областях, как городское планирование, управление прибрежными районами и готовность к стихийным бедствиям. Эти виртуальные модели интегрируют данные в режиме реального времени из различных источников, включая геопространственные изображения, искусственный интеллект и системы мониторинга окружающей среды, для создания подробных симуляций того, как повышение уровня моря может повлиять на конкретные регионы.

Точно отображая текущие особенности почвенно-растительного покрова и постоянно обновляя эти модели новыми данными, цифровые двойники позволяют исследователям и правительствам прогнозировать будущие сценарии в различных условиях изменения климата. Это помогает выявлять уязвимые зоны, планировать защитную инфраструктуру и оптимизировать стратегии эвакуации. Например, геопространственные данные с высоким разрешением могут показать, какие районы подвержены риску затопления, в то время как моделирование на основе искусственного интеллекта предсказывает, как повышение уровня моря может повлиять на местные экосистемы и городскую среду с течением времени.

Включение повышения уровня моря в моделирование цифровых двойников может помочь градостроителям и ученым-экологам понять долгосрочные последствия для прибрежных регионов, обеспечивая лучшую готовность к проблемам, связанным с изменением климата. Эта технология имеет решающее значение для визуализации и планирования адаптивных мер реагирования для смягчения потенциального ущерба от повышения уровня моря.

Пилотный проект по обеспечению готовности Тонга повышает готовность к стихийным бедствиям с использованием дистанционного зондирования в Тонга и является совместной инициативой СПАЙДЕР-ООН и Комитета по спутникам наблюдения Земли (CEOS). Национальное управление по управлению рисками стихийных бедствий возглавляет эту инициативу в Тонга и будет использовать спутниковые снимки и передовые технологии наблюдения Земли для значительного повышения нашей готовности к стихийным бедствиям.

Тонга – полинезийская страна, известная как Королевство Тонга. Тонга состоит из 171 вулканического, известнякового, песчаного и смешанного острова, многие из которых необитаемы. Сельское хозяйство и туризм являются основными источниками экономического дохода. Тонга разделена на три крупных острова: Тонгатапу, Хаапай и Вавау. Недавнее извержение вулкана в окрестностях Тонга повысило риск широкомасштабного и серьезного повышения солености системы подземных вод из-за цунами, затопившего большие прибрежные районы (Sharan et al., 2023).

CEOS расшифровывается как Комитет по спутникам наблюдения Земли. Это международный координационный механизм, объединяющий космические агентства и другие организации для оптимизации использования спутниковых данных наблюдения Земли на благо общества. Он направлен на укрепление сотрудничества, улучшение доступа к данным и решение глобальных проблем, связанных с окружающей средой, климатом и стихийными бедствиями.

Для создания цифрового двойника, полученного на основе спутниковых снимков, компания Airbus Defence and Space предоставила оптические спутниковые данные с очень высоким разрешением с Pleiades Neo с разрешением 15 см и 30 см с более высоким разрешением цифровой модели поверхности. Space Data Inc. создала цифровые двойники с использованием технологии искусственного интеллекта в сочетании с предоставленными изображениями с очень высоким разрешением.

Создание реалистичных 3D-продуктов по спутниковым снимкам

Технология цифровых двойников, применяемая к спутниковым снимкам, представляет собой передовой подход к созданию динамических моделей физического мира в режиме реального времени. Используя геопространственные данные высокого разрешения со спутников, этот метод позволяет реконструировать городскую среду, климатические модели и природные явления с беспрецедентной точностью. Система интегрирует различные слои данных, включая спутниковые снимки, информацию о местности и условиях окружающей среды, чтобы предоставить пользователям высокодетализированный интерактивный цифровой двойник.

После получения различных геопространственных наборов данных со спутников изображения были обработаны с использованием алгоритмов искусственного интеллекта и моделей машинного обучения для идентификации и категоризации природных и искусственных структур, таких как здания, дороги, реки и растительность. Затем искусственный интеллект генерирует 3D-модели, которые составляют основу среды цифровых двойников. Эти модели можно использовать для таких задач, как мониторинг городского развития, оценка воздействия стихийных бедствий и анализ изменений окружающей среды.

Описанный ниже процесс использует возможности передовых алгоритмов искусственного интеллекта и современного программного обеспечения для 3D-рендеринга для создания высокореалистичных и динамичных 3D-моделей физического мира на основе спутниковых данных в реальном времени.

1. Получение геопространственных снимков с высоким разрешением: Первым шагом является получение спутниковых снимков с высоким разрешением. Эти снимки с высокой точностью захватывают обширные территории, предоставляя важные данные о почвенно-растительном покрове, зданиях и других физических объектах. Разрешение и четкость этих изображений имеют решающее значение для создания точных 3D-моделей. Современные спутники, оснащенные передовыми датчиками, могут захватывать подробную информацию о местности, конструкциях и других особенностях окружающей среды, которые служат основой для 3D-моделирования. 
    
2. Обработка данных с помощью искусственного интеллекта и машинного обучения: После получения изображений для обработки данных изображения применяются алгоритмы искусственного интеллекта, такие как NeRF (нейронные поля излучения) или Gaussian Splatting. Эти алгоритмы (см. рис. 3) помогают с высокой точностью обнаруживать такие объекты, как высота зданий, почвенно-растительный покров и материалы поверхности. Системы искусственного интеллекта извлекают критически важные детали о формах, цветах и текстурах, чтобы подготовиться к следующему этапу создания моделей. Этот автоматизированный шаг значительно сокращает время и трудозатраты, необходимые для ручного извлечения данных. 
    
3. Генерация 3D-моделей: Обработанные данные затем подаются в специализированное программное обеспечение для создания 3D-моделей, такое как Houdini, Blender или другие платформы, способные реконструировать физический мир в цифровой среде. Программное обеспечение использует спутниковые данные для создания точных, текстурированных 3D-моделей, которые представляют реальную окружающую среду. На этом этапе такие элементы, как фасады зданий, конструкции крыши и городские объекты, воссоздаются, чтобы точно соответствовать реальному миру. 
    
4. Повышение визуальной точности: Для дальнейшего повышения реалистичности 3D-моделей применяются дополнительные детали, такие как материалы, освещение и эффекты окружающей среды. Например, текстуры для стен, окон и крыш добавляются на основе спутниковых данных (см. рис. 4). Такие инструменты, как Unreal Engine (UE5), Unity или другие движки, используются для моделирования 3D-миров, включая реалистичное освещение, тени и отражения, чтобы сделать 3D-модели визуально привлекательными и реалистичными. 
    
5. Доработка и обновление модели: 3D-модель постоянно обновляется с учетом последних спутниковых снимков, отражающих изменения окружающей среды в режиме реального времени. По мере поступления новых данных, системы на основе искусственного интеллекта могут автоматически обнаруживать изменения (например, новые здания, измененные ландшафты) и соответствующим образом корректировать 3D-модель. Этот шаг гарантирует, что цифровой двойник остается точным и актуальным.

Как применять реалистичные 3D-продукты цифровых двойников в контексте управления рисками стихийных бедствий?

В рамках пилотного проекта CEOS по обеспечению готовности Тонга, используя вышеупомянутые передовые технологии, были созданы реалистичные здания, дороги, корабли, автомобили или другие физические компоненты. В частности, с учетом этих реалистичных особенностей модели повышения уровня моря, полученные на основе оптического спутникового изображения с очень высоким разрешением, показаны ниже на рисунке 5.

Моделирование повышения уровня моря может предоставить важную информацию о долгосрочных рисках, связанных с повышением уровня моря в прибрежных районах острова Тонгатапу. Это позволяет выявлять уязвимые зоны, помогать в планировании маршрутов эвакуации, укреплять береговую оборону и развивать инфраструктуру, устойчивую к стихийным бедствиям. Используя прогностические модели, моделирование помогает Тонга подготовиться к будущим сценариям повышения уровня моря и смягчить последствия наводнений и береговой эрозии. Примеры моделирования показаны на рисунке 6.

Реалистичный цифровой двойник для систем предупреждения стихийных бедствий может быть очень эффективным инструментом, если он объединяет как пространственные, так и временные данные для динамического представления реальных условий в динамических деталях для повышения социальной осведомленности. В контексте проекта Тонга использовался ArcGIS Pro. Мощь программного обеспечения ГИС, такого как ArcGIS Pro и QGIS, заключается в его способности объединять обширные наборы геопространственных данных, включая спутниковые снимки, модели местности и данные о погоде, для создания цифровой копии районов, подверженных стихийным бедствиям. Этот цифровой двойник обладает возможностями, выходящими за рамки моделирования повышения уровня моря. Он используется для моделирования различных сценариев стихийных бедствий, что позволяет получить представление о потенциальном воздействии на инфраструктуру, окружающую среду и население. Например, можно использовать программное обеспечение ГИС для выделения затопленных зданий, как показано на рисунке 7, где они визуализированы красным цветом.

Одним из ключевых преимуществ использования программного обеспечения ГИС является его способность к расширенной визуализации и анализу, что облегчает выявление уязвимых зон, моделирование развития опасности и оценку эффективности стратегий смягчения последствий путем создания карты рисков наводнений. Потоки данных в режиме реального времени с датчиков или спутников могут еще больше улучшить цифровой двойник, постоянно обновляя его, что позволяет в режиме реального времени отслеживать меняющиеся условия, такие как повышение уровня моря или усиление штормов. Это позволяет лицам, принимающим решения, связанным с Королевством Тонга, предвидеть риски и принимать упреждающие меры для минимизации ущерба при планировании предотвращения стихийных бедствий.

Кроме того, цифровой двойник может служить платформой для совместной работы национальных государственных органов, местных сообществ и групп реагирования на стихийные бедствия. Предоставляя им возможность взаимодействовать с одними и теми же данными и моделями, заинтересованные стороны могут более эффективно планировать и реализовывать стратегии реагирования на стихийные бедствия. Цифровой двойник также может включать в себя прогнозную аналитику, помогающую прогнозировать будущие риски на основе текущих тенденций и исторических данных, что делает его жизненно важным инструментом в долгосрочном планировании устойчивости к стихийным бедствиям.

По сути, создание цифрового двойника с помощью программного обеспечения ГИС включает в себя использование полного набора инструментов для картографирования, моделирования и анализа, а также непрерывную интеграцию данных в режиме реального времени для отражения текущего состояния окружающей среды. Это гарантирует, что лица, принимающие решения, могут использовать цифровой двойник как для своевременной и эффективной подготовки к сценариям стихийных бедствий, так и для реагирования на них. Ниже приведены примеры использования инструмента моделирования наводнения.

Заключение

В заключение следует отметить, что внедрение технологии цифровых двойников, в частности, с помощью спутниковых снимков с высоким разрешением и передовых алгоритмов искусственного интеллекта, обеспечивает динамичное и подробное представление реального мира, что позволяет пользователям легко понять влияние повышения уровня моря. Кроме того, эта технология может значительно помочь лицам, принимающим решения, в обеспечении готовности к стихийным бедствиям и реагировании на них путем моделирования потенциального бедствия, связанного с повышением уровня моря. На острове Тонгатапу, Королевство Тонга, эти цифровые двойники позволяют выявлять уязвимые прибрежные районы и способствуют планированию маршрутов эвакуации, укреплению береговой обороны и развитию инфраструктуры, устойчивой к стихийным бедствиям. Непрерывная интеграция данных в режиме реального времени гарантирует, что цифровой двойник остается обновленным и актуальным, что делает его критически важным инструментом как для немедленного реагирования на стихийные бедствия, так и для долгосрочного планирования устойчивости.