3 新型智慧城市建设的主要技术支撑
从数字城市到智慧城市的演变过程中，强大的信息基础设施建设是实现智能城市管理的关键性前提。因而，智慧城市从"智能化"向"智慧化"升级，会愈加依赖于能够更高效、全面且系统地获取并管理城市信息的技术作为支撑，从而实现关于人与城市各种要素的互联共通。
图2 新型智慧城市建设的主要技术支撑
3.1 三维建模技术
为满足城市空间规划和系统化管理等智慧城市的关键信息需求，传统数字城市建设通过组织和管理二维GIS数据和瓦片式地形景观数据，实现对城市的基本描述和可视化。但传统二维建模方式在支撑城市智慧化管理中面临诸多局限，如信息量不足、不同维度之间信息分散、直观性不足等等，难以满足城市管理和服务的多维度、多层次、多场景的需求。
对此，能实现城市三维信息获取、可视化以及管理的城市三维建模技术愈发重要，并成为支撑城市建设和智慧化管理的关键基础。在城市三维信息高效获取与可视化方面，实景三维技术通过有效联合无人机航测、全景相机、激光雷达、高精度GPS等先进测绘技术手段，对城市三维地理信息进行高精度、高分辨率的实时采集、处理和展示。而该技术以及三维计算机辅助建模（Computer-Aided Design，CAD）等技术与三维地理信息系统（Geographic Information System，GIS）技术的集成与融合,能得到描述城市各类地理要素具体结构和材质特征的三维数据和可视化结果。得益于这些技术的发展，更加直观且丰富的城市实景信息得以充分参与到城市规划、设计和运营的全过程中，这很大程度上为城市管理者"看得多、看得懂"提供了基本保障。
图3 三维建模技术体系
在城市三维信息管理方面，三维建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）作为存储建筑信息的数据库，能够高效组织和管理城市建设项目整个生命周期内的所有信息。通过以面向对象的方法来描述每个建筑的特征（语义和几何形状）、行为及其关系，BIM技术能在交通、水利、市政、电力等各个方面发挥重要价值，并凭借着直观性、协调性、模拟性、优化性、可出图性等优点，在智慧城市建设中承担重要角色。但除了建筑以外，城市还包含了大量的基础设施和地理信息，为实现这些信息的全面和系统的管理，城市信息模型（City Information Modeling，CIM）应运而生。以城市建筑信息为基础，CIM能有效建立起三维城市空间模型和城市信息的有机综合体。从狭义上的数据类型上讲，CIM是由BIM和GIS共同组成，并为智慧城市建设提供更全面的基础数据。基于CIM技术，城市三维信息能够被精准到城市建筑物内部的单独模块，将静态的传统式数字城市模型提升为可感知的、实时动态的、虚实交互的智慧城市模型，为城市综合管理和精细化治理提供关键的数据支撑。
3.2 数字孪生技术
数字孪生（Digital Twin）是指构建与物理实体完全对应的数字化对象的技术、过程和方法。城市作为最复杂的人造系统，在技术上实现真实状态的实时跟踪几乎不可能，而数字孪生技术为智慧城市提供了技术支持，即构建与城市物理世界一一对应、相互映射、协同交互的复杂的数字孪生城市。数字孪生城市关注城市整体的建模和仿真，涉及城市的各个方面，包括基础设施、建筑物、交通、能源等，依赖物联网、大数据、人工智能等智能技术。
图4 数字孪生城市建设的关键技术
我国政府将数字孪生城市作为实现新型智慧城市的必要途径和有效手段。2021年我国"十四五"规划纲要明确"探索建设数字孪生城市"，2023年《数字中国建设整体布局规划》再次提出"全面提升数字中国建设的整体性、系统性、协同性"以及"探索建设数字孪生城市"等要求。经过6年探索与城市实践，我国发达地区陆续开展了数字孪生平台的整体性建设。如苏州工业园区的数字孪生公共服务平台，雄安新区初步形成"云上一座城"，上海临港新片区"数字孪生城"等等。
在技术层面，数字孪生城市需要人工智能、机器学习、大数据、区块链以及云计算等技术支撑，将数据、算法和决策统筹在一起。当前，数字孪生一体化平台能够通过时空大数据平台进行深度挖掘、模拟与推算，结合现实城市运行状态，推演城市的运行机制，提前主动发掘问题，并给出相应解决方案。但它仅仅依靠物理实体的实际数据预测未来可能的变化，无法评估未来复杂环境下多场景的变化情况，且其多数建模仿真方法还存在灵活性差、配置复杂、易出错等缺陷，也无法实现高置信度的数字孪生模型。
数字孪生城市是新型智慧城市的基础。未来，通过更先进的传感器和数据采集技术来实时获取物理系统的数据，提高数据获取的效率和准确性。借助人工智能和机器学习等技术，优化数字模型的建立过程，减少人力成本和时间消耗。通过改进模型算法和增加模型参数，提高模拟结果的精度和可靠性。同时，加强数据的质量管理和数据验证，减少数据不确定性对模拟结果的影响。数字孪生一体化平台已不再仅仅是一个可视化工具，而是一个分析、模拟、决策、管理平台。
3.3 元宇宙技术
元宇宙的出现，为新型智慧城市治理开启了新的大门。元宇宙是人类运用数字技术构建的、由现实世界映射或超越现实世界的、可与现实世界交互的虚拟世界，人们通过终端连接以"数字化身"在虚拟城市中开启真实的感官沉浸体验和交互，包括社交、娱乐和创造等内容。具体到技术层面，元宇宙集合了互联网、人工智能、大数据、云计算、区块链、机器视觉、可穿戴设备、非同质化权益、非同质化代币、虚拟现实、增强现实、脑机接口等一系列革新性技术。
图5 元宇宙技术体系
其中，区块链（Blockchain）技术、交互（Interaction）技术、游戏引擎和空间计算（Game Engine and Spatial Computing）、人工智能（Artificial Intelligence）、网络（Network）技术和物联网（Internet of Things）技术，简称BIGANT（大蚂蚁）被认为是元宇宙的六大底层技术。
元宇宙下的新型智慧城市的实现依赖于其核心技术的迭代更新与多重配合。目前，区块链技术的突破引领了数字货币、非同质化代币（Non-Fungible Token，NFT）的构建，交互技术的开展引领虚拟现实、增强现实等技术的发展，网络及运算技术的发展引领了5G技术的变革。此外，生成式人工智能（Artificial Intelligence Generated Content，AIGC）技术的迅猛发展已极大提升了内容生产的效率，但如何利用其进行元宇宙内容搭建仍有待进一步实践。
随着元宇宙热度降温、元宇宙技术升级，拓展现实（Extended Reality，XR）等硬件设备作为元宇宙重要"入口"未能取得预期成效，互联网巨头重新调整方向，减少甚至放弃元宇宙相关硬件设备投入，转而加大对人工智能的投入。2023年3月15日，OpenAI推出了大型语言模型GPT-4，推动人工智能在技术上迎来新的里程碑，仿佛让人们看到元宇宙的另一重要"入口"。生成式人工智能将完成在文本、音频、图片、视频等方面的内容产出，实现在游戏、代码编码、生命科学等多元场景中带来的颠覆式生产升级。AIGC在多元应用场景的内容生产有助于元宇宙内容生成与元宇宙建设的落实。
