数字孪生人文地理环境概念模型

在人文地理学领域，专家引入数字孪生方法，构建了依实驱虚、依虚控实、虚实协同演进的新模式，为避免扰乱现实环境、深度探索复杂问题、优化现实地理问题调控方案等提供了解决方案。

江西师范大学的林珲和肖昕、陆军装甲兵学院的徐丙立和北京大学深圳研究生院陈宇婷共同撰写的《数字孪生人文地理环境》（Digital twin human geographic environment）一文，对数字孪生人文地理环境概念做了介绍。

数字孪生地球公众号摘编部分内容，以便读者参考。

基于Grieves对于数字孪生的定义，针对人文地理环境的内涵与特点，数字孪生人文地理环境的基本概念概括为：数字孪生人文地理环境是由现实人文地理环境、虚拟人文地理环境，以及二者之间数据和信息的交互等3部分组成。

现实人文地理环境通过数字化映射形成虚拟人文地理环境，虚拟人文地理环境通过数据和信息反馈调控现实人文地理环境，数据和信息的交互通道搭建虚拟元与现实两个系统之间的通道（图3）。

虚拟人文地理环境是现实人文地理环境的数字孪生体，内容涵盖受人类活动影响而形成的有形地理环境，因人类活动而产生的历史、文化、风俗习惯、生产生活方式等无形环境，以及人类活动与地理环境之间的相互作用3个部分。

另外，虚拟人文地理环境接收现实人文地理环境的数据和信息输入，对数字孪生体更新并驱动数字孪生体进行计算与模拟。虚拟人文地理环境突出“人—地”关系的孪生，包括有形地理环境数字孪生、人类活动数字孪生，以及人地交互作用过程数字孪生3个部分。

现实人文地理环境接受虚拟人文地理环境实的反馈，并实施优化与调控。通过依实驱虚、依虚控实的循环往复，实现现实人文地理环境与虚拟人文地理环境之间的虚实协同、共同演化。

（1）有形地理环境数字孪生。

本文将有形人文地理环境界定为除人以外的所有具有外在形态的地理实体，是承载人文活动的现实有形地理环境。有形地理环境数字孪生体包括地形孪生体、道路孪生体、建筑孪生体、植被孪生体、水体孪生体等。

描述这些孪生体，需要从属性特征、几何分布特征、物理过程等多个方面入手。

属性特征是孪生体的外在形态，主要通过三维几何模型进行刻画和表达。

空间分布是孪生体在地理空间环境中的分布。

物理过程是孪生体动态变化或与外界的作用过程，通过物理过程模型进行刻画和表达。

（2）人类活动数字孪生。

人是人文地理环境中的核心要素之一，人类活动是塑造人文地理环境形态与场景的关键驱动因素。人类活动数字孪生包括人的外形数字孪生和行为数字孪生两个方面。人的外形数字孪生包含个体数字外形数字孪生和群体外形数字孪生。

个体外形数字孪生主要针对个体的几何外形构建三维模型，以及对个体的外在动作构建动作建模。群体外形数字孪生通过个体外形数字孪生体的群聚实现。个体人的行为包含个体行为和群体行为。

个体行为孪生主要针对个体的感知、决策、行动等3个方面进行刻画。将个体聚集在一起，并通过群体行为控制约束，形成对群体行为的数字孪生。

（3）人地交互数字孪生。

人地交互是人文地理学研究的核心内容，也是形成人文地理环境的关键要素。

“人”即人类，包括上文提到的个体和群体。“地”即地理环境，是人类活动所涉及到的有形地理环境。人地交互主要反映人类活动对地理环境的改变以及地理环境对人类活动的影响和约束两个方面。

人地交互数字孪生需要同时解决人类活动对地理环境的改变以及地理环境对人的行为影响两个方面的数字孪生构建。人地交互数字孪生主要通过一系列无形的过程模型进行刻画，同时利用时空过程模拟与可视化的方法进行表达。

（4）虚实交互。

虚实交互是现实人文地理环境与虚拟人文地理环境之间的数据和信息的交互，包括从现实到虚拟以及从虚拟到现实两个方向。从现实到虚拟的交互通道，主要用于将现实人文地理环境实体、人类活动以及人地交互过程等现实数据和信息进行采集，并将其传递给虚拟人文地理环境更新数字孪生体的状态以及驱动过程模拟。

从现实到虚拟的通道有多种实现方法和手段，如卫星遥感、无人机、传感器、物联网、调查、人工采集等。

从虚拟到现实的方法和有段主要有两类，即反馈控制链路以及决策部门政策引导干预。

反馈控制链路主要用于对可实施自动控制的实体，比如用于调控洪水的水闸开关控制链路、用于引导车流的红绿灯控制链路等。

决策部门政策引导干预是指决策部门根据虚拟人文地理环境的过程模拟结果，做出相应的政策调整，引导现实人类活动发生改变，从而实现对现实人文地理环境的调控。

（5）专业人文地理环境数字孪生。

人类活动的目的差异，会产生不同的人文地理环境。

针对不同的人文地理环境的数字孪生，就形成了各个专业领域的数字孪生，比如经济地理环境数字孪生、政治地理环境数字孪生、文化地理环境数字孪生、历史地理环境数字孪生、城市地理环境数字孪生等。

专业人文地理环境数字孪生基于数字孪生人文地理环境通用理论方法和技术架构构建，同时需耦合本专业领域的数据、模型、知识等。

针对数字孪生人文地理环境的建设，论文作者提出了一套数字孪生人文地理环境技术路径。

作者认为，虚拟人文地理环境基于真实人文地理信息不断迭代进化而产生智能属性，能够建立承载经济、政治、历史、社会、城市等多元环境的统一场域。

现实人文地理环境在场域中经过揉变与延展，可以形成与虚拟数字环境交融一体、共同演化的新环境。

研究数字孪生人文地理环境，构建依实驱虚、依虚控实、虚实协同演进的人文地理学问题研究新模式，对避免扰乱现实环境、深度探索复杂问题、优化现实地理问题调控方案等，具有重大的学科意义和应用价值。

对该论文感兴趣的读者，可以在数字孪生地球平台微信群索取该文件。