最好的渲染引擎（数字孪生城市需要什么样的渲染引擎）

• 数字孪生城市的构建，必须基于精准的地理数据从“数字孪生城市”概念刚兴起时，行业内只需要用游戏引擎渲染几个手工精模，就可以包装一款“智慧城市应用”了。随着客户不断接受新技术的熏陶，行业对“数字孪生城市”的述求也越来越贴近真实业务。为了实现对数字孪生城市的实际运营管理，整个数字城市的构建必须基于精准的地理数据也逐渐达成了行业共识。从数据角度出发，整个数字城市可用剖分成逐层叠加的数据层，包括地形、水系、道路、建筑、IOT设备等，每一层次数据都可以由精准的时空数据支持。

智慧城市

近期兴起的CIM概念，也从数据上给出了数字孪生城市的定义：CIM = BIM GIS IoT。BIM代表了建筑体的精准表达，GIS数据（包括矢量数据、倾斜摄影、高精地图、卫星影像等）提供了建筑体之外整个城市的数据表达，而IOT设备好比是整个城市的神经网络，为整个数据孪生城市的全域感知提供了信息来源。

BIM-GIS

• 任何一个完整的数字孪生应用，都包含数据采集、数据融合、场景构建、应用构建四个阶段，每个阶段都涉及渲染引擎对数据的约束，因此对多源多分辨率空间数据的解析、融合与渲染的支持，是一个合格的数字孪生渲染引擎的基础能力。
• 数字孪生城市的呈现，必须尽量还原真实世界如何定义三维引擎对场景的真实还原能力？对场景的真实还原能力，一直是数字孪生城市的核心述求之一。如何定义三维引擎对场景的真实还原能力，不仅仅是一个技术问题，更是一个需求定义问题。当前数字孪生城市常用的游戏和GIS两类引擎方案，对三维引擎场景的真实还原能力相差巨大，而对于真实还原能力的定义也存在一定的争议。

虚拟现实和数字孪生

如图上所示，游戏引擎渲染的场景，一般是对三维模型精雕细琢，同时辅于丰富的光照、阴影、花草树木等细节；而传统的GIS引擎的渲染画面，通常是游戏引擎二十年前的国产游戏画质水平，让人直观的感受上无法想象具备数字孪生城市应有的科技感。

从真实还原度上看，游戏引擎通常能够还原视觉上的真实，然而通常忽略空间数据上的真实，手工制作的各类三维模型与真实世界有巨大差异，而且局部的花草树木细节美化也通常是通过美术加工而脱离实际的；GIS引擎通常在数据上是精准还原了真实世界的数据抽象结果，然而在视觉上忽略了对真实世界的表达。传统的两类引擎方案都无法很好满足数字孪生场景的真实还原述求。

游戏引擎与元宇宙

• 一个合格的数字孪生渲染引擎，需要事先真实世界的视觉还原和数据还原度的动态合理平衡。从视觉还原度看，真实世界的构成是无穷尽的细节。一沙一世界、一页一天堂，单单一个细胞的三维还原可能就可以耗尽当前最高档显卡的渲染能力，盲目追求局部的场景细节，尤其是通过手工非数据精准的还原，往往会拖累整体的信息承载能力。从数据还原度看，数字孪生渲染引擎应该具备对真实世界多源异构多尺度数据的还原能力。数字孪生渲染引擎应该具备在真实数据广泛支持的基础上，对真实世界的抽象化表达能力，在具备充分精确数据的情况下可以精细还原局部视觉，也可以通过抽象化支撑海量时空场景的还原。
• 数字孪生城市应该是一项技术普惠，尽可能降低中小企业的参与门槛数字孪生城市作为一项新的技术，对于卫星遥感、GIS数据的综合运用，快速构建大规模城市级模型的效率、细节等要求，具有很高的技术与资金投入门槛。来自众多的系统海量数据集成整合需求，形成了很大的工程挑战。这两大痛点也从根本上将一些中小企业排除在了“数字孪生城市”的技术红利之外，因此除了在一些政府重点项目中进行过尝试之外，“数字孪生城市”目前还没有很好的落地。

数据可视化

• 数字孪生城市其实是带有强烈的数字化公共基础设施属性的，具有前期投入巨大，建成后可以低成本服务众多客户的典型公共基础设施特征。因此迫切需要区分“数字孪生城市”中公共数字基础设施与个体场景的属性区分，降低公共数字基础设施重复建设，提高“城市基座”的利用率，在满足重大项目的同时，让中小企业也能很便利地满足局部场景需求。一个合格的数字孪生渲染引擎，应该具备自带“数字孪生资产”装备库和应用快速搭建能力，让中小企业也能很快地低成本跨入“数字孪生”时代。

当前行业主流引擎方案比较盘点常见的引擎技术方案从当前主流的数字孪生产品看，主要还是GIS引擎和游戏引擎为主，目前市场上场景的有mapbox、cesium、UE4、Unity、Ventuz等几类。

三维渲染引擎

• mapbox：极受欢迎的2.5D GIS引擎，地图样式功能尤其强大，GPU渲染的方案在渲染速度上远远甩开了leaflet等老牌对手，在mapbox衍生出了很多数字城市应用。缺点是对三维渲染的效果和自由度不是很高。
• cesium：二三维一体化的web GIS引擎，GIS数据支持能力异常强大，很多大厂商如超图等也是才有cesium方案。缺点是三维视觉效果较差，开发比较复杂。
• UE4：目前是业内比较公认的No.1商用游戏引擎，视觉效果非常出色。缺点是对GIS支持不佳，而且开发成本非常高。
• Unity：与UE4相比能输出web适配的应用，缺点是对GIS支持不佳，而且开发成本比较高。
• Ventuz：是一款制作三维特效的软件，基于该引擎的产品视效比较突出。缺点是对数据支持、交互开发等极其不友好。

智慧城市构建工具

• 其他还有零星使用deck.gl、threejs等渲染方案的，此类引擎通常以开源类库提供，距离产品级方案还有太大的开发成本。
• 主流引擎的应用比较对地理数据的支持与真实世界的还原是数字孪生城市对渲染引擎的核心述求。当前主流的数字孪生城市渲染引擎，从地理能力和视觉效果两个维度，可以通过一个象限图来比较。

三维维度分析

• 地理引擎分布在第四象限：地理支持好、视觉效果差。
• 传统地理引擎是一个准实时渲染系统，对于数字孪生城市应用场景体验较差。
• 传统地理引擎对地理数据的解析与管理非常专业，分析能力强大。
• 传统地理引擎对三维场景的真实还原支持不佳。
• 普遍缺乏良好的渲染管线、光影效果、后期系统。
• 传统地理引擎的三维场景还原能力，基本上还停留在二十年前的图形学发展水平。
• 在数据大屏等数字孪生城市常见应用场景，因为与原本应用场景差异巨大，很难满足客户需求。
• 游戏引擎与三维设计软件分布在第二象限：地理支持差、视觉效果好。

地理引擎分布在第四象限：地理支持好、视觉效果差。

• 游戏引擎的渲染效果登峰造极，目前仅次于基于物理渲染原理的离线渲染软件，但是渲染效果好的同时也带来了开发成本高、门槛高等缺点。
• 地理数据的接入是游戏引擎显著短板；地理数据种类非常多样，矢量数据、栅格数据、扫描数据、倾斜摄影等，不同种类的数据如何导入UE并互相配准是一个难题，一般都要先经过一个甚至多个第三方软件的加工处理，导出为模型文件后再导入引擎，并进行手动配准地理位置，过程非常繁琐。
• 数字孪生业务经常有二三维一体化的全球视角可视化需求，游戏引擎的数据精度导致了很难在真实地理尺度下面进行数据投影与配准。

数字孪生需要的引擎，应该是分布在第一象限：既能很好地支持地理数据的空间展示，又能很好地对真实世界进行还原。这就需要数字孪生引擎内建地理空间支持系统，同时提供高视效渲染管线、编辑器，以及同时支持这两者需要的海量数据渲染能力。

元宇宙生态

数字孪生渲染引擎需要面向上层业务应用，对引擎GIS能力、三维图形能力进行高度模块化抽象与封装，让交付合作伙伴、终端用户可以没有GIS、游戏专业背景的情况下，完成数字孪生城市应用构建。