基于数字孪生的四维地质环境信息系统建设探索

想象力是第一生产力，远比知识重要。如何发挥想象力，为创新提供源泉，数字孪生就是最好的抓手。2018年第一次在电台中听到工业领域的数字孪生，觉得非常新奇，就想象在地质环境领域的数字孪生怎么构建，也从此与数字孪生结下了不解之缘。

一百个人眼中有一百个哈姆雷特。什么是数字孪生？我认为最好理解的解释就是从字面意思入手，“孪生”即双胞胎，最大的特点就是身体相像、共同成长和反应相似。对应数字孪生的特征是：过去维度的映射模型，现在维度的更新变化，未来维度的模拟预测。对应数字孪生的建设框架是：基于大数据的结构与属性模型，基于物联网的监测和规律研究，基于人工智能的预测和模拟。

这里面，常常被忽略的就是双胞胎的生长规律，对应属性模型、基础理论与规律研究、数值模拟分析，确实是最难做的一部分，当然也是数字孪生最有价值的打开“智慧”之门的方法。人的智慧，就是理解判断与行动，对应数字孪生的方法论，就是模拟预测与物联。反过来看，缺了哪一块都很难讲是真正的“智慧”平台。

四维地质信息平台济南地铁4号线规划应用示例

乔布斯曾说：“我愿意用我所有的科技去换取和苏格拉底相处的一个下午。”数字孪生可以引导我们进行哲学层面的思考，目前，现实世界、数字世界、认知世界共同存在，当意识也可以数字孪生了，文明可不可以，宇宙可不可以。从这个层面，数字孪生必将是人类未来不断探索的方向，那将会回答我们是谁，从哪来到哪去的问题。

欧盟提出了数字孪生地球计划，未来国家级的数字孪生，人类活动与自然资源的数字孪生，海陆融合的数字孪生等，必将被建设出来。数字孪生能力也必将成为国家在各行业中竞争力的最大体现。

大地是人类的母亲，地质环境的数字孪生是城市、海洋和自然资源的基础。

数字孪生体联盟成员日拟分享济南以轨道交通为抓手打破行业间信息孤岛，建设棕地型城市地下空间数字孪生的经验。分享如何用数字孪生的方法论实现“智慧”之路。

济南因泉享誉世界，实现地下水保护与轨道交通建设双赢，是济南轨道交通发展中亟需破解的关键难题。依托“济南城市地质”“济南城区四维地质环境可视化信息系统平台建设”“数字孪生城市四维可视化信息系统及其在济南城区的应用”等项目，集成了多部门60余年来的各类勘探数据，历经十余年科技攻关与实践，进行了以下方面的探索：

经十路实景与四维耦合模型的数字孪生

（一）突破了可更新高精度的四维地质环境耦合模型建模的关键技术难题。揭示了水文地质边界属性对趵突泉泉域地下水均衡的影响规律，创新了“半自动-交互-自动”三维地质建模方法，实现了水流与地质模型的多模型多平台深度融合，首次构建了2008平方公里的可更新高精度四维地质环境耦合模型。

济南2000平方公里四维地质环境耦合模型

（二）攻克了地铁建设与泉水保护共融共生的技术难题。建立了首个轨道交通多参数、分层监测的水文地质动态监测预警网；定量评价了济南泉域地下水补给的影响因素；揭示了济南地下水水质时空响应规律，指导轨道交通建设全生命周期的泉水保护评价工作，建设了增强现实泉城平台，实现了城市实景与地下空间模型融合查看与互动。

增强现实泉城AR平台实现透视地下

（三）突破了大数据归一化组织管理、BIM+GIS融合分析、三维时空大数据高效共享等关键技术难题。基于数字孪生理论，建设了济南数字孪生城市系统平台，实现了四维、多源地质环境大数据的应用与共享。

项目成果服务于国内多家地勘单位及政府机构，已成功借鉴应用于轨道交通建设、水资源开发利用、泉水保护等诸多领域。该平台的顺利实施有效推动了城市地质的产学研和成果转化，为“透视山东”建设提供了示范，可在国内其它城市推广应用。

项目组拟申报2022年“世界经济论坛”数字孪生城市典型案例。拟联合大家撰写“城市地下空间数字孪生白皮书”。感谢数字孪生体联盟提供交流分享平台，希望联盟各位专家、领导多多指导，一起探索数字孪生之路。

作者：尚浩，山东省地质调查院高级工程师