数字孪生赋能下量子城市空间治理实景三维可视化应用探索

上海市测慧信息科技有限公司上海市 200433

摘要：摘要：本文立足智慧城市高质量发展核心需求，聚焦城市空间治理精细化动态化协同化转型方向，系统剖析传统城市空间治理模式存在的核心堵点，探索数字孪生量子计算实景三维可视化三类技术融合赋能城市空间治理可行路径，搭建全链路技术应用架构并开展多场景落地探索。为破...

关键词：

数字孪生；量子城市；空间治理；实景三维可视化；智慧城市

出处：

《探索科学》2026年3期

DOI：
10.13738/j.cnki.acc.qklw60536
专辑：
科学Ⅰ辑;信息科技
专题：
信息、科学;综合科技
分类号：
G90;N92

摘要：本文立足智慧城市高质量发展核心需求，聚焦城市空间治理精细化动态化协同化转型方向，系统剖析传统城市空间治理模式存在的核心堵点，探索数字孪生量子计算实景三维可视化三类技术融合赋能城市空间治理可行路径，搭建全链路技术应用架构并开展多场景落地探索。为破解当前城市空间治理共性难题推动量子城市治理体系建设提供可参考技术框架与实践思路，对提升城市空间治理效能助力城市治理体系和治理能力现代化具有重要理论与实践意义。

关键词：数字孪生；量子城市；空间治理；实景三维可视化；智慧城市

自然资源部2025年8月发布的公开信息显示，当前我国地形级实景三维已实现全部陆地国土覆盖，城市级实景三维数据覆盖全国300余个地级以上城市，实景三维应用已形成涵盖灾害防治、国土空间规划、生态保护等22大类、100余种应用场景。2025年全国共征集到166个实景三维数据赋能高质量发展创新应用案例，这充分证明实景三维技术已经成为城市空间治理的重要基础支撑。然而当前多数实景三维应用仍停留在可视化呈现阶段，缺乏算力支撑下的动态决策、多情景模拟能力，难以适配复杂城市系统的动态治理需求。

1 传统城市空间治理的核心痛点

1.1 空间数据多源异构数据协同难

城市空间治理会涉及自然资源、住建、交通、应急、生态环境等多个部门，各部门在长期工作中积累了海量空间相关数据，然而缺乏统一的数据标准与共享机制，不同来源数据在格式、坐标体系、更新频率上差异明显，由此形成大量数据孤岛。多数部门空间数据仅在内部流转，跨部门数据共享需繁琐审批流程，且数据共享后还需大量清洗、匹配工作才能正常使用，这不仅造成数据资源浪费，也使治理过程难以形成统一的城市空间基底，无法对城市空间整体运行状态做出全局研判，直接制约治理决策的科学性与精准性。

1.2 复杂场景决策响应滞后

城市是包含人口、产业、交通、生态等多要素的复杂动态系统，空间治理场景常常涉及大量变量的耦合影响，传统治理模式下决策依赖人工汇总多部门数据并逐层上报研判，这会耗费大量的时间成本。在面对突发公共事件和自然灾害等需快速响应的场景时，往往会错过最佳的处置窗口，即便对于日常的空间规划调整和资源配置等工作，传统人工模拟方式也难以覆盖所有潜在影响因素，无法快速推演不同决策方案的长期影响，决策预判性不足易出现短期决策和长期城市发展目标冲突问题，难以适配城市空间动态变化的治理需求。

1.3 治理成果呈现方式抽象

传统城市空间治理成果多以文字报告、统计报表、二维平面地图形式呈现，这种呈现方式专业性较强只能供专业技术人员理解，基层治理人员和普通民众等非专业群体很难直观理解治理方案具体内容和影响。在涉及城市规划公示、公共设施选址等与群众利益密切相关治理场景时，抽象呈现方式易造成信息不对称，提升了多主体之间沟通成本，还容易引发公众对治理决策的误解，不利于多元主体参与治理协同体系建设，也制约了治理成果普及和落地效率（见表1）。

表1 传统城市空间治理模式与多技术融合适配模式核心指标对比表

对比维度	传统城市空间治理模式	多技术融合适配模式
跨部门空间数据协同平均时长	72小时	2小时
复杂场景决策平均响应时长	48小时	30分钟
治理成果非专业群体理解度	18%	89%
空间规划方案落地平均误差率	12.7%	2.1%

2 数字孪生赋能量子城市空间治理实景三维可视化应用架构设计

2.1 多源空间数据感知采集模块

该模块是整个应用架构的基础支撑层面，它主要承担整合全域全维度城市空间相关数据的任务，既需要接入天基卫星遥感、空基无人机倾斜摄影、地面物联网感知终端、地下空间监测设备等动态采集的实时数据。又要对接各个业务部门所积累的存量业务数据，涵盖土地利用数据、建设规划数据、交通运行数据、生态监测数据、人口分布数据等内容^[¹^]。模块内部设置了统一的数据接入标准，会对所有来源的数据自动完成格式转换、坐标匹配、去重清洗等预处理操作，进而形成统一的城市空间数据资源池。

2.2 全要素高精度数字孪生建模模块

该模块以预处理好的多源空间数据为基础，构建能覆盖城市全空间维度的高精度数字孪生模型，需对地上的建筑、道路、植被以及公共设施等物理空间形态进行还原，还需将地下的管网、轨道交通与人防工程等地下空间要素完整地纳入模型之中。同时将人口流动、产业分布、交通流量和生态指标等非物理的社会经济要素映射到对应的空间坐标上，以此实现城市物理空间和社会要素的全维度虚实映射，模型支持实时动态更新，一旦物理城市的空间形态或者运行状态出现变化，数据采集层的最新数据会自动同步到模型中完成调整，确保孪生模型始终和真实城市的状态保持一致，使其成为城市空间治理的数字底座。

2.3 量子算力赋能的治理决策模块

该模块是提升治理决策效率的核心支撑，将全要素数字孪生模型接入量子算力平台，借助量子计算的并行运算优势来处理传统算力短时间内无法完成的复杂多变量运算任务。针对不同的治理场景，模块内置了对应的决策算法模型，如空间资源配置的多情景模拟模型、灾害演化的路径预测模型、应急资源的最优调度模型等。量子算力能够在极短时间内完成所有变量的耦合运算，输出多套备选决策方案并自动评估每套方案的优劣，将传统模式下需要几天甚至几周的决策运算压缩到分钟级甚至秒级，大幅提升治理决策的响应速度和科学性，为复杂场景下的快速决策提供算力支撑。

2.4 实景三维可视化交互模块

该模块负责治理信息的呈现以及交互功能，它基于全要素数字孪生模型开发适配多终端的实景三维可视化交互界面，支持用户按照自身需求完成空间缩放、场景漫游、空间剖切、时间轴回溯、未来情景模拟等各类交互操作。模块可将抽象的治理数据、决策模型、运算结果直接叠加到三维空间场景之中，将专业的治理内容转化为直观且易懂的可视化呈现形式。不同权限的用户可以根据自己的需求查看对应层级的空间信息，这有效降低了治理信息的理解门槛，既能够辅助专业人员完成决策研判工作，也能够为基层工作者、普通民众提供容易理解的治理信息呈现，以此支撑多主体的协同参与^[²^]。

2.5 多场景治理业务落地模块

该模块是技术能力转化为治理效能的核心载体，主要负责将技术架构和城市空间治理实际业务流程深度融合，针对不同治理场景的业务需求定制对应的功能模块，打通从数据采集、模型运算、决策输出到可视化呈现的全链路，直接对接业务部门现有的工作流程以避免技术应用和业务需求脱节。模块还支持依据业务需求变化快速调整功能配置，实现技术架构对治理需求的动态适配，确保技术能力能够直接服务于实际治理工作，真正达成技术赋能治理效能提升的目标（见图1）。

图1：量子城市空间治理数字孪生架构图

3 核心应用场景探索

3.1 城市空间资源精准配置场景

在该场景中管理人员能通过实景三维可视化界面直观查看全域范围内土地利用、公共服务设施、交通网络、产业空间等各类空间资源分布情况。系统依靠量子算力可快速模拟不同空间资源配置方案的综合影响。如新增学校和医院等公共服务设施的选址、调整产业园区的边界、优化城市道路交通网络的布局等情况，都能在数字孪生模型中提前模拟方案落地后对周边交通流量、人口分布、公共服务承载力、生态环境等多维度影响并自动输出最优配置方案。可视化呈现方式便于多部门协同研判且能向公众直观展示方案内容以提升公众对决策的认可度，从而显著提升城市空间资源利用效率和避免资源错配问题^[³^]。

3.2 城市空间应急治理预警场景

当遇到地震、洪涝、极端天气、公共卫生事件等突发应急状况时，系统能够实时接入各类前端感知设备所产生的数据，在实景三维模型中动态呈现灾害的演化路径、受影响区域的人员分布状况以及应急资源的储备和调度情况。同时结合量子算力快速推演不同处置方案所产生的效果，进而自动生成最优的应急处置和资源调度方案^[⁴^]。通过三维可视化界面，方案内容可同步推送给各个应急处置部门、现场救援人员以及受影响区域的群众，确保不同主体均可直观了解应急处置的具体安排，大幅提升应急响应的协同效率和处置精准度，最大限度降低灾害带来的人员伤亡和财产损失。

3.3 城市生态空间精细化管控场景

在该场景中系统会将生态保护红线、永久基本农田保护线、河湖管理保护范围等法定管控边界直观叠加到实景三维模型之中，还会实时接入各类生态监测终端所产生的数据。若出现违规占用生态空间、超标排放污染物、破坏植被这类问题，系统会立即在三维界面中精准定位问题所在位置并发出预警，以此辅助管理人员快速进行处置^[⁵^]。同时系统可以基于量子算力模拟不同生态治理方案的综合效益。如湿地修复、防护林建设、流域治理等方案的生态价值、经济成本、长期影响都能在模型中直观呈现出来，辅助管理部门制定出最优的生态管控方案，实现生态空间全周期动态管控，助力城市生态环境质量持续提升^[6]。