Translated by Dr. Mengyi Jin

数字孪生技术正越来越多地应用于模拟海平面上升所带来的影响，为城市规划、海岸管理和灾害应对等领域的决策者提供了宝贵的工具。这些虚拟模型整合了包括地理空间影像、人工智能和环境监测系统等不同来源的实时数据，可以详细模拟海平面上升对特定区域产生的影响。

通过准确绘制当前的土地覆盖特征，并不断用新数据更新这些模型，数字孪生使研究人员和政府部门能够在不同的气候变化条件下对未来的情景进行预测。这有助于识别脆弱区域、规划基础防护设施以及优化疏散策略。例如，高分辨率地理空间数据可以显示哪些区域面临洪水风险，而由人工智能驱动的模拟则可以预测海平面上升可能对当地生态系统和城市环境产生的长期影响。

通过将海平面上升纳入数字孪生模拟，城市规划者和环境科学家可以充分了解其对沿海地区的长期影响，从而为气候变化带来的挑战做好更加充分的准备。这项技术对于直观呈现和科学规划适应性应对措施，从而减缓海平面上升可能造成的损害具有重要意义。

汤加国家防灾备灾试点项目由UN-SPIDER和地球观测卫星委员会（CEOS）合作发起，旨在使用遥感技术来增强汤加的灾害应对能力。汤加国家灾害风险管理办公室领导该项目的实施，将利用卫星影像和先进的地球观测技术，大幅增强该国的灾害应对能力。

汤加是一个波利尼西亚国家，全称为汤加王国。它拥有171个火山岛、石灰岩岛、沙岛和混合岛屿，其中很多没有人居住。农业和旅游业是汤加主要的经济来源。汤加分为三个主要岛屿群：汤加塔布岛、哈阿派群岛和瓦瓦乌群岛。最近汤加附近的火山喷发引发海啸，淹没大片沿海地区，导致地下水系统盐度升高的风险增加（Sharan et al. 2023）。

CEOS指地球观测卫星委员会（Committee on Earth Observation Satellites）。它是一个国际协调组织，汇集了各国航天机构和其他相关组织，旨在优化地球观测数据的使用，从而造福社会。其核心目标是推动合作、改善数据获取方式，并应对与环境、气候和灾害相关的全球性挑战。

为了创建来自卫星影像的数字孪生产品，Airbus Defence and Space提供了来自Pleiades Neo的超高分辨率光学卫星数据，分辨率分别为15厘米和30厘米，并提供了更高分辨率的数字表面模型。Space Data Inc.使用人工智能技术结合该超高分辨率影像，创建了数字孪生产品。

通过卫星影像创建基于现实的三维产品

当数字孪生技术应用于卫星影像时，它代表了一种创建现实世界实时动态模型的顶尖方法。通过使用来自卫星的高分辨率地理空间数据，这种方法能够以前所未有的精度重新构建城市环境、气候模式和自然现象。该系统整合了多个数据层，包括卫星图像、地形信息和环境条件，为用户提供高度详细的、可交互的数字孪生。

在获取来自卫星的多种地理空间数据集后，使用人工智能算法和机器学习模型对图像进行处理，可以辨识和归类自然与人为构筑物，如建筑物、道路、河流和植被。随后，由人工智能生成三维模型，这些模型构成了数字孪生环境的基础，可用于城市发展监测、灾害影响评估以及环境变化分析等任务。

下文所描述的流程利用了先进的人工智能算法和最前沿的三维渲染软件，基于实时卫星数据，创建高度真实且动态的物理世界三维表示。

1. 获取高分辨率地理空间影像：第一步是获取高分辨率的卫星影像。这些影像能够精确覆盖广阔的区域，提供关于地表覆盖、建筑物以及其他物理特征的关键数据。卫星图像的分辨率和清晰度对于创建准确的三维模型至关重要。现代卫星配备了先进的传感器，可以捕捉有关地形、结构和其他环境特征的详细信息，构成了三维建模的基础。
2.  使用人工智能和机器学习进行数据处理：影像数据采集完成后，将通过人工智能算法（如NeRF神经辐射场或高斯散点技术）进行处理。这些算法（图3）可以高精度地检测建筑高度、地表覆盖和表面材料等特征。使用人工智能系统提取到的关于形状、颜色和纹理等关键信息，将为下一阶段的模型生成做准备。相比于人工提取数据，这个全自动的过程显著降低了时间和人力成本。
3. 三维模型生成：处理后的数据将被导入专门的三维建模软件，如Houdini、Blender，以及其他能够在数字环境中重建物理世界的平台。这些软件能利用卫星数据创建准确、有纹理的三维模型，以呈现现实世界的环境。在此步骤中，建筑立面、屋顶结构和城市特征等元素被重新建构，以尽可能贴近现实世界。
4. 增强视觉真实感：为了进一步提升三维模型的真实感，会加入材料、光照和环境效果等额外细节。例如，图4中墙面、窗户和屋顶的纹理都是基于卫星数据添加的。借助Unreal Engine（UE5）、Unity等渲染引擎，可实现对光照、阴影和反射的精细模拟，使三维模型更具视觉真实感和表现力。
5. 模型的完成与更新：三维模型会持续通过最新的卫星影像进行更新，以反映现实环境的实时变化。随着新数据的获取，基于人工智能的系统可以自动检测环境的变化（如新建建筑、地貌变化等），并相应地调整三维模型。此步骤有助于确保数字孪生的准确性和实时性。

如何在灾害风险管理背景下应用基于现实的三维数字孪生产品？

CEOS汤加国家防灾备灾试点项目使用了上述先进技术，构建了高度还原的建筑物、道路、船只、汽车以及其他物理组件。借助这些高度还原的特征，基于超高分辨率光学卫星影像生成的海平面上升模拟结果如图5所示。

海平面上升模拟可以为评估海平面上升对汤加塔布岛沿海地区造成的长期风险提供重要信息。该模拟有助于识别易受影响的区域，从而支持规划疏散路线、加强海岸防御，以及建设具备抗灾能力的基础设施。该模拟使用预测模型，帮助汤加为未来可能出现的海平面上升情景做好充分的准备，并减轻洪水和海岸侵蚀带来的影响。模拟示例见图6。

如果基于现实的数字孪生系统能够整合空间和时间数据，动态且详细地呈现现实世界，协助提升公众意识，那么它将是灾害预防系统中非常有效的工具。汤加项目应用ArcGIS Pro进行数据处理与空间分析。GIS 软件（例如 ArcGIS Pro 和 QGIS）的强大之处在于它们能够整合大量地理空间数据集，包括卫星影像、地形模型和气象数据等，从而构建出灾害易发区域的数字复制体。这种数字孪生的应用不仅限于海平面上升模拟，还可用于多种灾害情景，评估其对基础设施、生态环境和人类社会的潜在影响。例如，GIS 软件可以凸显被淹没的建筑物，正如图 7 中的红色部分。

GIS 软件的关键优势之一在于其突出的可视化和分析能力，通过创建洪水风险地图，识别易受灾区域、模拟灾害发展过程以及评估减灾策略变得更加容易。来自传感器或卫星的数据流的持续更新，使数字孪生系统进一步完善，能够实时监测如海平面上升、风暴增强等环境变化。这有助于汤加王国的相关决策者提前预判风险，并主动采取应对措施，以在灾害预防规划中最大限度地减少损失。

此外，数字孪生还可以作为国家政府机构、地方社区和灾害响应团队的协作平台。通过各方使用相同的数据和模型，利益相关者能够更高效地计划和执行灾害响应策略。数字孪生还可以结合预测性分析，根据当前趋势和历史数据来预测未来风险，使其成为灾害韧性长期规划中的关键工具。

总之，使用 GIS 软件创建数字孪生，就是充分利用其完整的制图、模拟和分析工具套件，并持续整合实时数据以反映现实环境的状态，确保了决策者能够及时有效地利用数字孪生来应对和准备各种灾害情景。

结论

综上所述，得益于高分辨率卫星影像和先进的人工智能算法，数字孪生技术的应用为我们提供了一个动态且细节化的现实世界模拟，使用户更容易理解海平面上升所带来的影响。此外，该技术通过模拟潜在的由海平面上升造成的灾害，为决策者在灾害的准备和响应方面提供了重要支持。对于汤加王国的汤加塔布岛而言，这些数字孪生产品有助于识别易受影响的沿海区域，并支持疏散路线规划、海岸防御加固以及抗灾基础设施的建设。实时数据的持续整合保证了数字孪生的实时性和相关性，使其成为应对突发灾害和进行长期韧性规划的关键工具。