数字孪生校园的架构、建模与应用

摘要：本文分析了数字孪生校园的研究现状，探讨了其在智慧校园建设中的重要性和技术集成特性，详细介绍了数字孪生校园的整体架构和模型建立，并重点讨论了数字孪生校园的应用场景等。通过这些应用场景，数字孪生校园不仅提升了校园管理和服务的智能化水平，还为教学、科研、安全管理等多个方面提供了有力支持。目前，数字孪生技术虽然在教育领域的应用还处于起步阶段，但却显示出了巨大的潜力，为未来的智慧校园建设提供了新方向。

关键词：数字孪生；虚拟空间；三维建模；智能分析

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2025）08-0074-06

随着人工智能（以下简称“AI”）的迅猛发展，数字孪生技术逐渐成为推动智慧校园建设的关键技术之一。2024年世界数字教育大会（WDEC 2024）在上海成功举办，大会以“数字教育：应用、共享、创新”为主题，展示了我国数字教育领域的最新成果，搭建了一个国际交流合作平台，共同探讨数字教育的实践与创新。大会特别关注数字孪生技术在教育领域的应用，可以看出，数字孪生技术将在未来的智慧校园建设中发挥越来越重要的作用。

数字孪生校园的研究现状

数字孪生校园的概念在不同研究者的理解中有所差异，但总体上都强调了其在智慧校园建设中的重要性和技术集成特性。数字孪生技术自2003年由Michael Grieves教授首次提出以来，已逐渐成为多个领域创新发展的驱动力。李俐等认为数字孪生校园是学校物理空间与网络虚拟空间相互映射、协同交互的复杂系统，它具备虚实交互、数据驱动、动态可视、开放参与、以人为本等典型特征。陈益均认为数字孪生校园通过“数据可视化”和“位置智能化”服务来加强部门间的协作配合，有效提升快速反应和指挥调度能力，实现信息展示动态化、系统应用集成化、现场监控实时化、远程指挥可视化、数据采集自动化、决策支持网格化，提升师生应用体验，形成基础设施共建和信息资源共享的新格局。施雯认为数字孪生技术通过实时数据采集、分析和可视化展示，实现对校园内的人、车、物、设备、设施和各业务系统的互联，承担着学校数字化运行、智慧化管理、集中化指挥的三层重要功能。王士贤等认为，数字孪生校园通过将“一张图”作为数字孪生底座，实现了数据驱动下的校园数据全景可视化展示和动态智能化管理，有效提升了校园的治理能力和服务水平。

当前，数字孪生技术的应用主要集中在智慧校园建设、校园治理、教学科研等领域。例如，通过形成孪生数字化建模构建虚拟校园空间，实现对校园建设进展的可视化展示，以及校园运营的智能化管理。郭晓东指出，数字孪生技术在校园建设阶段，依托园区信息模型平台（CIM）基础设施，把物理工程与智能化工程同步规划设计、同步建设实施，打造智慧基建能力，从而达到“规划设计一张图、建设监管一张网、学校治理一盘棋”的新格局。吴驰也提到，数字孪生技术在校园建设、运营管理、教学科研等方面具有显著的应用价值。例如，通过数据大屏监测和预警断网或教室设备问题，生成各项按日、按周、按月的统计数据，从而有效地辅助决策。

综上所述，不同研究者对数字孪生校园的理解虽各有侧重，但均强调了它的几个核心特征：①虚实结合，即数字孪生校园不仅是物理校园的虚拟镜像，更是与之实时互动、协同进化的智能生态系统；②技术集成，它融合了物联网、大数据、人工智能、虚拟现实等多领域的尖端技术；③应用场景广泛，不仅限于校园建设与运营管理，更在教学科研、安全管理、生活服务等多个维度展现出巨大价值；④智能化管理，通过数据驱动与智能分析，实现对校园各类场景的精确模拟与智能管理，从而提升了校园治理的科学性与精准度。这些共识为数字孪生校园的建设与实践奠定了坚实的理论与实践基础。

数字孪生校园的应用价值

笔者所在学校数字孪生校园的建设是基于对学校自身业务需求的深度分析，充分利用GIS信息、物联网传感器、业务子系统等数据，集成多学科、多物理、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟数字空间中完成映射，从而反映相对应的校园实体全生命周期过程。将整个校园情况通过三维建模1：1映射到虚拟空间，提供实体校园的全场景、沉浸式、交互式展现，实现实体校园在虚拟世界的数字化表达，使得校园管理者可通过系统直观快速地掌握校园总体运营情况。

1.构建校园三维地图，提升校园管理的直观性和交互性

传统的二维地图仅能展示平面位置信息，三维地图可真实还原学校空间关系和地形特征，可承载更多业务数据信息。通过三维地图可运用旋转、缩放、平移等交互方式浏览校园室内外场景，提升系统的交互性和用户体验，让校园管理变得更加直观和便捷。

2.打通跨系统数据，助力校园多业务场景的一体化管理

基于校园三维实景数据，并融合录播、监控、设备状态等多种业务数据，以身临其境的方式对数据进行调阅和业务应用，实现一体化业务管理，推动校园服务由被动响应向主动服务转变，校园决策由经验驱动向数据驱动转变。

3.融合AI智能分析，实现校园异常事件的闭环处置应用

当校园发生不安全行为或者存在物的不安全状态、环境的不安全因素等异常情况时能实时监测并预警，基于校园三维实景地图对校园全局资源进行整合调度，快速处理突发事件。数字孪生校园平台的建设帮助校园安全类事件处理效率提升35%，视频智能巡检效率提升30%，全方位提升校园安全管理水平。

数字孪生校园的整体架构

数字孪生校园的架构设计通常包括多个层次，确保从数据采集到应用服务的全过程覆盖。常见的架构设计包括基础设施层、数据资源层、平台能力层、服务应用层、实时交互层等。

笔者所在学校数字孪生校园的整体架构（如上页图1），分为基础设施、数据资源、支撑引擎和应用场景四个主要部分。基础设施部分主要包括摄像头、AR/VR/MR、5G融合网络等硬件和网络设施，为整个系统提供底层技术支持。数据资源模块分为基础数据、业务数据、位置数据、空间数据、场景模型数据和场景动态数据六类，涵盖校园内的各种静态和动态信息，为上层应用提供数据支持。支撑引擎主要包括多模态地图引擎和视频管理服务，负责数据的处理、存储和传输，保障系统的稳定运行。应用场景主要分为三维模型管理、教学空间管理和安防综合管理三个模块，其中，三维模型管理负责模型资源管理和激光点云全景地图模型构建，教学空间管理关注教室空间信息和录播巡课应用等，安防综合管理则涉及人脸识别与轨迹刻画、欺凌事件预警处置应用和异常事件预警、人员周界防范等方面。

此外，数字孪生校园还设有统一用户门户、统一身份认证、统一视角作业图等平台功能，以及多视角切换、多效果切换、地图工具集等多种基础工具，为用户提供便捷的操作界面和丰富的功能选项。

数字孪生校园的模型建立

许尔惟等通过结合倾斜摄影、三维激光扫描和人工建模技术，实现了多源数据的融合建模。具体方法包括利用无人机倾斜摄影获取高精度影像，通过三维激光扫描补充建筑底部和内部数据，以及通过人工建模精细还原建筑细节。最终，通过数据融合和可视化技术，构建真实、立体、实时的三维校园模型，为数字孪生智慧校园的建设提供有力支持。笔者所在学校亦采用此法完成校园三维建模。

1.校园倾斜摄影三维模型构建

倾斜摄影建模技术是一种高效的三维建模方法，它通过无人机搭载多台传感器，从一个垂直和四个倾斜的不同角度同步采集影像，从而获取丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。通过倾斜摄影技术，真实地反映校园的地物情况，高精度地获取物方纹理信息，为校园业务应用提供场景支撑。相比传统的三维建模方法，无人机倾斜摄影技术可以快速、高效地采集大量影像数据，缩短数据处理和建模的时间，从而降低校园三维建模的成本。

首先，针对校园区域规划航拍路线，确保高效覆盖整个目标区域。接着，使用搭载倾斜摄影系统的无人机进行多角度、多方向、多视角的拍摄，获取大量高清晰度、高精度的影像数据。然后，利用无人机进行航飞获取POS数据和原始影像数据，并对获取的影像数据进行质量检查，确保符合规范要求。最后，将图像数据、POS数据、相机参数、像控点坐标等导入自动化建模软件（如ContextCapture、PIX4D mapper、重建大师、瞰景），进行实景三维模型重建。还可以将实景三维模型导入修模软件（DP-modeler、魔方），对形成的三维实景模型进行修饰，如区域漏空、变形等，同时利用点位测量信息对模型进行质量检查。无人机倾斜摄影三维建模的技术流程如上页图2所示，效果如图3所示。

2.校园教室激光点云全景建模

激光点云全景相机建模技术，通过使用激光扫描仪LiDAR和全景相机同步获取校园教室区域的点云数据和全景图像，以生成高精度的教室空间三维模型。通过对教室空间进行实景建模复刻，为教室的空间规划、设施布局设计、教室设施设备管理以及后续的教学活动提供有价值的参考。激光点云全景建模技术流程如上页图4所示，效果如图5所示。

数字孪生校园的应用场景

数字孪生校园通过物联网、大数据、人工智能等技术，实现了物理校园与虚拟校园的深度融合，提供了全面、智能化的校园管理与服务。其实际应用主要包括实时维护与监测、智能化资源分配与调度、教学与科研支持、校园安全管理、能效管理等。笔者所在学校近两年着重对数字孪生校园的以下应用场景进行了实践研究。

1.三维建模，时空数据底座搭建

构建校园数字孪生虚拟空间，建立含室内室外、二三维一体化的全息、高清的数字空间底板，为校园精细化、可视化管理提供场景支撑。

2.校园总览，校园综情数据展示

数字孪生校园可以通过第一人称或第三人称视角进行身临其境的浏览参观，结合三维场景以可视化图表的方式介绍学校的整体情况，并对学校简介、教学力量、校园文化、学生情况、所获荣誉等进行数据展示。

3.安防监控，视频监控实景调阅

数字孪生校园融合接入全校所有的视频监控，并点对点映射到设备的实际位置，点击任一区域的视频标签，就可以对这个区域的监控进行实时调阅。通过视频地图投影技术，将特定角度的监控视频画面无缝融合到三维模型对应场景中，实现虚实结合场景的深度融合，极大地提升了监控视频调阅的效率和体验。

4.教学管理，课堂空间全景巡课

数字孪生校园融合室内外地图，对接教室内已有的录播摄像头多机位画面，支持以第一人称视角实现全校或班级的自动漫游巡课。支持调阅学生画面视频、教师画面视频、电子板书视频及收听教室声音，实时查看教学情况和课堂实况。

5.视觉分析，异常事件预警处置

当校园内发生异常事件时，将实时产生告警提醒，可第一时间在校园三维模型中定位到事发位置了解现场情况，围绕状态、位置、事件、资源等四大要素，实现对异常事件的全流程闭环处置。同时，提供告警历史详情查看及告警历史查询功能应用。

6.听觉分析，欺凌预警杜绝盲区

针对卫生间等监控无法覆盖的盲区，数字孪生校园融合声音监测防欺凌终端，设备24小时不间断开展声音巡逻，一旦识别到打斗、威胁、谩骂等异常情况将发出强光闪烁和警告声，第一时间以电话和短信等方式通知安保负责人，支持双向对讲通话，从而及时发现和主动干预校园欺凌事件。在事件处置后，会自动生成责任台账和安全事件报告，帮助学校管理者全面了解校园安全整体态势。

7.出入管理，人员出入统计分析

数字孪生校园通过对接校园出入口闸机系统可基于设备所在实景位置，远程查看和控制闸机的设备状态，实时记录学校的人员及车辆通行数据，并以可视化图表的方式进行呈现。

8.人员轨迹，活动轨迹刻画回溯

数字孪生校园通过对视频监控的位置与建筑空间、走廊、道路、场地的空间拓扑关系以及抓拍时间等数据进行分析，可在三维地图上生成自定义时间段内的人员基于三维空间的历史移动轨迹，实现人员轨迹在三维地图场景中的全息刻画，实现关注人员的精细化、可视化管理。

结语

数字孪生技术在教育领域的应用正处于起步和局部尝试阶段，但其巨大的潜力已经显现。数字孪生校园不仅代表了智慧校园建设的一个新方向，而且为提高校园管理服务水平、促进教育教学改革提供了新的可能。虽然现在还面临标准体系未统一、数据能力需完善等挑战，但笔者相信，随着相关技术的不断成熟和完善，以及各领域的应用与反馈，数字孪生校园将在教育领域发挥更加重要的作用。

参考文献：

[1]李俐，胡永斌.数字孪生校园的内涵、架构与推进路径[J].数字教育，2023（06）：22-29.

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作者简介：周娇蓉（1987—），女，浙江金华人，副高职称，研究方向为教育信息化建设、信息科技学科教学等。