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地球數位分身:達梭系統與Airbus攜手應對未來氣候挑戰
結合衛星成像、3D建模和人類活動模擬
[作者 馮升華]   2023年11月26日 星期日 瀏覽人次: [1739]

本文敘述達梭系統專案團隊如何與Airbus防務、航空公司合作打造「地球數位分身」,透過結合衛星成像、3D建模和地球上人類活動模擬的數位分身體驗,以應對未來的氣候問題和環境挑戰。


如何讓產品給消費者帶來最佳體驗?如何建造一條安全舒適、綠色環保的高鐵?如何讓城市的居民生活更便利?如何解決全球的氣候問題?為了給最終消費者帶來最佳體驗的產品,達梭系統的製造業客戶在3DEXPERIENCE平台上創造虛擬世界,通過創建產品的數位分身來解決產品問題。


達梭系統專案團隊與空中客車防務、航空公司合作創建「地球數位分身」:結合衛星成像、3D建模和地球上人類活動模擬的數位分身體驗,應對未來的氣候問題和環境挑戰。


對人類活動進行建模是瞭解其對地球的影響並尋找改善生活條件方法的關鍵。這就是為什麼建模和模擬專家達梭系統以及衛星圖像專家空中客車防務與航空公司等先進企業決定共同創建地球數位分身的原因所在。


通過數位分身的地球,我們在虛擬世界中理解人類的行為將如何影響環境。地球的數位分身類比具有大規模的陸地應用,可以產生真正的社會影響,從而應對未來的氣候和環境挑戰,例如提前模擬水位上升有助於建設安全的基礎設施,並在緊急情況下快速做出反應。


數位分身地球專案的前世今生

數位分身地球專案誕生於2020年,達梭系統的模擬專家Frederic Gille與法國國家太空研究中心(Centre National d'Etudes Spatiales;CNES) 聯繫,以確定在France Relance計畫下具有公共融資潛力的創新專案。人們很快就看到了地球數位分身的巨大潛力。CNES同意與空中客車防務與航空公司合作開展該專案,建立了由Frederic Gille等組成的達梭系統團隊。


數位分身地球專案榮獲3DS INNOVATION FORWARDS獎,這是達梭系統的內部競賽獎,旨在獎勵年度最具創新性的團隊專案。作為 France Relance(法國復甦計畫)計畫的一部分,該專案由政府提供資助。


France Relance是法國政府啟動的一項1000億歐元的歷史性復甦計畫,主旨在可持續地恢復法國經濟並創造新的就業機會。France Relance的目標是通過主要投資於最有前途的領域來實現經濟轉型,並確保法國能夠在兩年內恢復到新冠疫情前的經濟水準。


France Relance計畫圍繞生態、競爭力和凝聚力三個優先事項構建。主旨在於加強政府自危機爆發以來立即、持續的動員。這是自2020年3月以來已動員的4700億歐元的延續,旨在為受到冠狀病毒COVID-19健康危機影響的公司和員工提供緊急資金支援。



圖一 : 衛星圖像為使用者提供了制定準確的資料驅動型決策所需的資訊。(source:Dassault Systémes)
圖一 : 衛星圖像為使用者提供了制定準確的資料驅動型決策所需的資訊。(source:Dassault Systémes)

作為空中客車集團(Airbus)的一個分支,空中客車集團防務與航空公司是歐洲防務與航空業解決方案和服務供應商。它是全球第二大航空企業以及全球排名前十位的防務企業。空中客車集團防務與航空公司負責歸檔不斷從歐洲太空總署(ESA)Sentinel衛星不斷採集的大量資料。


空中客車集團防務與航空公司對採集自ESA Sentinel地球觀測衛星的資料進行歸檔以供商用。正如空中客車集團防務與航空公司技術設計權威Mark Curtis所言:「企業可能要使用衛星圖像來確定某一區域是否易於發生洪水或者識別適合建造手機基站的位置。在許多情況下,使用者要通過對比某一階段和另一階段的圖像來跟蹤一段時間的變化。衛星圖像為他們提供了制定準確的資料驅動型決策所需的資訊。」



圖二 : 以數位分身融合來自衛星的資料,所有這些模型和資料都被放入具有協作機制的人工智慧平台。(source:Dassault Systémes)
圖二 : 以數位分身融合來自衛星的資料,所有這些模型和資料都被放入具有協作機制的人工智慧平台。(source:Dassault Systémes)

在新的太空生態系統中,如何加速創新,讓地球生活更美好?衛星數量預計在未來十年內將增加十倍,將為地理空間資料和分析提供前所未有的途徑,徹底改變了地球監測的各個方面,並促成新服務的出現。衛星將繼續繞地球運行並觀測地球的不同方面,並全天候(7×24小時)提供地球的所有監測資料。


未來將會有更多的衛星繞地球運行,而我們頭頂的空間資源是有限的。我們已經看到超過4,000顆衛星。這意味著新的服務將會出現,以改善地球上的生活。例如城市規劃、交通和出行、氣候變化預測等。


達梭系統解決方案改變了產品的設計、類比、生產、行銷和支援方式,利用虛擬世界改善現實世界,通過3D設計、3D數位模型(DMU)、3D產品生命週期管理(PLM)及3DEXPERIENCE,?明製造商顛覆了產品的設計和生產方式。


雙方基於3DEXPERIENCE平台,對不斷變化的複雜現象進行建模。一方面,可以利用來自衛星的所有資料,重建城市的數位分身,將模擬組合用於數位分身模型。另一方面,我們有數位分身,融合來自衛星的資料,所有這些模型和資料都被放入具有協作機制的人工智慧平台中。通過應用3DEXPERIENCE平台的模擬應用,可以實踐非常有趣的用例。


擁有有效創建數位分身地球的能力

當我們觀察一座城市時,我們可以決定如何更精確地佈置5G天線、監測輻射,可以非常精確地監測工業現場發生中斷時可能產生的影響,污染對城市的影響。或者在城市內進行雜訊分析。如果我們擁有城市的數位分身,來自衛星的資料可以使所有資料保持最新,並對環境進行建模。一切皆有可能,借助3DEXPERIENCE平台提供的協作和模擬能力,做出明智的決策。


使用哨兵衛星資料構建虛擬模型設計

空中客車公司和歐洲太空總署哨兵(Sentinel)衛星通過使用衛星星座提供覆蓋全球的衛星圖像。這意味著有多個衛星繞地球運行,每顆衛星分別負責採集地球特定部分的圖像。這些衛星也被間隔開,以便每隔幾天就可以拍攝一次地球圖像。


哨兵衛星使用各種感測器來識別、採集圖像。這些感測器包括在可見光和近紅外光下採集圖像的光學感測器,以及可以穿透雲層和黑暗來採集圖像的雷達感測器。


哨兵衛星採集的圖像可用於多種目的,包括:


‧ 地球觀測:監測地球環境,例如森林、海洋和冰川。


‧ 氣候變化研究:研究氣候變化對地球表面的影響。


‧ 自然災害監測:監測自然災害,如洪水、地震、火山爆發等。


‧ 安全和防禦:監控邊界和追蹤非法活動。


‧ 城市規劃:規劃和發展城市。


Sentinel衛星是提供全球衛星圖像覆蓋的寶貴資源重要天基設施。衛星採集的圖像被用於支援從地球觀測到氣候變化研究的廣泛應用。隨著衛星繼續收集資料的持續在軌運行,它們將提供更全面的地球及其環境視圖。


以下是如何使用哨兵衛星提供全球衛星圖像覆蓋的一些具體示例:


Sentinel-1A和Sentinel-1B衛星用於採集地球表面的雷達圖像。這些圖像可用於穿透雲層和黑暗,使其成為監測自然災害以及安全和防禦應用的理想選擇。


Sentinel-2A和Sentinel-2B衛星用於採集13個光譜帶的地球陸地表面圖像,用於監測植被、水質和土地利用;同時可用於採集地球海洋和大氣的圖像,用於監測海面溫度、洋流和大氣成分。



圖三 : 使用Sentinel衛星資料可以構建虛擬模型設計,建立更詳細、更準確的圖像。(source:France Relance;Dassault Syst é mes)
圖三 : 使用Sentinel衛星資料可以構建虛擬模型設計,建立更詳細、更準確的圖像。(source:France Relance;Dassault Syst é mes)

空中客車公司使用Sentinel衛星資料通過以下幾種方式構建虛擬模型設計:


‧ 圖像融合:空中客車公司結合來自不同哨兵衛星的資料,建立更詳細、更準確的圖像。例如他們可以將Sentinel-2(擷取植被資訊)的資料與Sentinel-1(擷取土地利用資訊)的資料結合起來,以創建更全面的地球表面視圖。


‧ 3D建模:空中客車公司使用Sentinel資料創建地球表面的3D模型。這些模型可用於視覺化土地覆蓋的變化、追蹤城市的發展並評估自然災害的影響。


‧ 變化檢測:空中客車公司使用哨兵資料來識別地球表面隨時間的變化。這可用於跟蹤氣候變化的影響、監測森林砍伐並識別非法採礦活動。


‧ 機器學習:空中客車公司使用機器學習來分析Sentinel資料並識別模式和趨勢。 這可用於提高3D模型的準確性、自動檢測變化以及為Sentinel資料開發新的應用程式。


那麼空中客車公司具體是如何使用Sentinel衛星資料來構建虛擬模型設計的呢?


空中客車公司正在使用Sentinel資料創建亞馬遜雨林的3D模型,該模型將用於追蹤森林砍伐的影響,並且監測雨林的健康狀況。


空中客車公司正在利用Sentinel資料開發一套用於檢測非洲非法採礦活動的系統。 該系統將使用機器學習來識別顯示採礦活動的土地覆蓋變化。


空中客車公司正在使用Sentinel資料來追蹤東南亞城市的發展。這些資料將用於規劃這些不斷發展的城市的基礎設施需求。


空中客車公司不斷探索使用Sentinel衛星資料構建虛擬模型設計的新方法。隨著哨兵衛星資料量的增加,空中客車公司將能夠創建更詳細、更準確的地球表面模型。


達梭-空客3DEXPERIENCE地球資料中心

空中客車公司和達梭系統合作使用空中客車哨兵衛星資料來構建模擬模型,雙方共同開發一個名為3DEXPERIENCE地球資料中心(3DEXPERIENCE Earth Data Hub)的平台,該平台允許使用者造訪和視覺化Sentinel資料。該平台還提供用於創建3D模型和地球表面類比的工具。


3DEXPERIENCE地球資料中心是一個強大的工具,可用於構建多種狀況下的地表模擬模型。通過將Sentinel資料與3DEXPERIENCE平台相結合,用戶可以創建詳細且準確的地球表面模型,這些模型可用於類比各種場景,例如氣候變化的影響或自然災害的影響。


以下是如何使用3DEXPERIENCE地球資料中心構建模擬模型的一些具體示例,例如土木工程師可以使用該平台模擬洪水對城市的影響;地質學家可以使用該平台模擬山體滑坡的運動;氣候科學家可以使用該平台類比氣候變化對某個地區的影響;以及災害管理機構可以使用該平台模擬對自然災害的回應。


對於任何需要創建詳細而準確的地球表面模型的人來說,3DEXPERIENCE地球資料中心是一個寶貴的工具。該平台易於使用,並提供多種用於視覺化和類比資料的工具。隨著Sentinel衛星不斷收集資料,3DEXPERIENCE地球資料中心將成為構建類比模型的更強大工具。


(本文作者馮升華為達梭系統大中華區技術總監)


@刊頭圖(source:Dassault Systemes)


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