摘要：元宇宙是描述未來互聯網迭代發展的一個概念，是一個將現實世界和虛擬世界相互融合的一個可感知的持久、共享的3D虛擬空間組成的世界。
本文分享自華爲雲社區《【雲駐共創】元宇宙漫遊指南-新一代GIS技術構建元宇宙》，作者： liuzhen007。
一、什麼是元宇宙？
引用維基百科中的概念，元宇宙是描述未來互聯網迭代的概念，由連接到一個可感知的虛擬宇宙的持久、共享的3D虛擬空間組成。廣義上的元宇宙不僅指虛擬世界，還指整個互聯網，包括增強現實的整個範圍。
《需崩》這本小說中爲我們描述了一個平行於現實世界的虛擬數字世界，在這裏，人們用數字化身來控制並互相競爭以提高自己的地位。只要帶上耳機和目鏡，找到一個終端，就可以通過連接進入由計算機虛擬的另一個三維現實世界，每個人都可以在這個與真實世界平行的虛擬空間中擁有自己的分身。這個虛擬空間，就是我們說的“元宇宙”。目前看來，小說裏描述的依然是超前的未來世界場景。
1. 從電影角度理解“元宇宙”
元宇宙的概念因人而異，一千個人眼中，就有一千種“元宇宙”。《阿凡達》和《頭號玩家》兩部電影都描述未來元宇宙的應用場景。比如《頭號玩家》中，現實世界中的韋德沃茲通過VR設備就可以從現實世界進入到綠洲世界，變身成帕西法爾這個人物，然後和其他一些一樣進入遊戲的小夥伴去爭奪三把鑰匙和綠洲的統治權。《阿凡達》中的男主通過鏈接艙從現實世界進入到阿凡達世界進行採礦作業和戰爭搏殺，也是同樣的道理，在一定程度上實現了人類羣體和阿凡達羣體的共生形態。
2. 從遊戲角度（Reblox）理解元宇宙遊戲
現在火熱的 Reblox 遊戲中也涉及到現實世界到在線虛擬世界的關聯關係，在線遊戲的小夥伴通過Web客戶端進行虛擬世界的遊戲體驗，大家遵守一定的社區和遊戲規則，在這個過程中也會涉及到一些經濟因素，比如遊戲貨幣Rebux。Reblox 的 CEO ：Metaverse 歸納總結了元宇宙的8個特點是：身份、朋友、沉浸感、低延遲、多元化、隨地、經濟系統和文明。
二、元宇宙生態系統
元宇宙生態系統，由各種投資者、軟件開發者、硬件開發商、服務運營商、系統集成商、產品生產商組成。而生態系統中又包含很多基礎概念，下面具體介紹一下這些概念的基礎情況。
梯次產業變革涉及到非常多的行業，包括遊戲、展覽、教育、旅遊、設計、醫療、工業製造、政府公共業務。認知，我心即宇宙、宇宙即我心。基本價值觀，共創、共享、公治。經濟要素，數字身份、數字資產、數字市場、數字貨幣、數字消費。基本特徵，沉浸體驗、自由創造、社交網絡、經濟系統、文明形態。技術基礎，區塊鏈、交互技術、遊戲、人工智能、網絡、物聯網。
1. 元宇宙的領軍企業
英偉達是元宇宙概念的引爆者，強大的GPU系列產品、基礎三維圖形軟件和Omniverse平臺爲元宇宙奠定了技術基礎。
華爲利用鴻蒙系統也創造了很多元宇宙的應用設備和軟件，比如 AR 眼鏡、XRKit 等。
2. 元宇宙的七層要素
構成元宇宙需要七層要素，接下來按照從下到上的順序進行介紹，最底層的是基礎設施，比如5G網絡，wifi 6，6G，Cloud，7nm to 1.4nm工藝，MEMS，GPUs，芯片材料等。第二層是人機交互，人類可以通過移動設備、智能眼鏡、可穿戴設備、觸覺、手勢、聲音識別系統、神經接口等與元宇宙進行連接。第三層是去中心化，依賴邊緣計算、AI代理、微服務、區塊鏈等技術作爲支撐。第四層是空間計算，基於 3D 引擎、VR、AR、XR、多任務處理UI、地理信息映射等模塊。第五層是創作者經濟，依賴設計工具、資產市場、工作流、商業等內容。第六層是渠道，比如廣告網絡、社交、內容分發、評級系統、應用商店、中介系統等。第七層是體驗，用戶可以在遊戲、社交、電子競技、劇院、購物時進行元宇宙的真實體驗。
三、GIS是什麼？
GIS 主要是空間相關的技術，通過地圖的形式展現空間位置和空間數據，比如我們定外賣、查看物流、打車等。
不僅是對普通用戶，GIS 更多是行業應用，在整個產業鏈中，都有自己的角色用途。比如在產業鏈上游，GIS 可以應用到GNSS（全球導航衛星系統）、RS（遙感）、工程測繪（新型基礎測繪）、IoT、移動互聯網等衆多場景中。再比如在產業鏈下游，GIS 可以應用到軍事（軍委、戰區、軍種）、企業（石油、銀行、保險、菸草、水務、燃氣、機場、物流、廠區、礦區、電信、電力等）、政務（公安、消防、應急、安監、地震、交通、農業、郵政、衛生、教育、文化、旅遊、考古等）。
1. 新一代 GIS 技術
早起的 GIS 技術，包括數據接入、處理、存儲、編輯、製圖、分析、出圖等流程，但是隨着時代的發展和技術的迭代，GIS 在原生技術的基礎之上又融合了很多先進技術，比如雲計算GIS、大數據GIS、AI GIS、三維GIS、AR GIS、區塊鏈GIS、5G GIS。
元宇宙六大技術（BIGANT，大螞蟻）全景圖，包括 BlockChain（區塊鏈）、Interactivity（交互技術）、GIS和Game（地理信息和遊戲技術）、AI（人工智能）、Network（網絡技術）、IoT（物聯網技術）。今天的主要內容就是 GIS 如何爲元宇宙未來發展提供技術支撐。
2. 數字孿生
數字孿生是通過地理數據、空間參考允許人們在真實世界和數字世界之間進行移動。現在大多數城市已經具備了全空間、全要素的虛擬城市的三維模型基礎。
如何實現從現實世界向虛擬世界的進化？首先，現實世界通過航天攝影測量、航空拍攝測量、激光雷達測量、建模軟件、設計軟件等技術，構建成三維模型數據，進而形成虛擬世界的基礎數據。從宏觀視角來看，構建自然資源體系，比如耕地數據、環保指數等；從中觀視角來看，通過數字建模、無人機航拍等技術，傾斜攝影表達孿生城市，並且基本上大多數城市已經具備了這樣的能力；從微觀視角來看，基於BIM的建築內部表達，讓我們可以更加精細化的展示建築物的內部佈局，比如把手、貼圖等非常細微的細節。
3. 空間計算
空間計算的概念是指通過算法、算力提升驅動渲染模式升級，提升孿生世界的可觸達性。然而，GIS 最核心的內容就是空間計算。
空間計算的發展進程，第一階段是常規計算，然後發展爲並行計算-內存計算-分佈式計算，再到CPU計算，也可以從維度上進行劃分，從二維分析，利用面向矢量空間分析、面向柵格空間分析到三維分析，再到多維分析，利用時空大數據和AI進行分析。
如何利用矢量數據呢？可以進行緩衝區分析、合規性分析、差異性分析、專題圖製作、疊加分析、OD分析，比如我們可以根據矢量數據信息判斷五公里範圍內，有沒有咖啡館供我們去聊天和商務洽談。
面向柵格影像分析的具體用途有鄰域統計、等值面分析、坡向分析、可視性分析、坡度分析、NDVI等，比如我們依據坡度分析可以判斷地質災害發生時的預防策略。時空大數據分析也在實際生活中有廣泛的應用，比如疫情發生時，總是會找出病例的時空伴隨者，進行跟蹤防護，甚至隔離。
不僅僅在二維數據方面存在應用，在三維數據中也有非常多的應用場景，比如通視分析、三維體空間分析（陰影體）、坡度坡向分析、街廊比動態計算、紅線檢測、控高分析、地下建築範圍分析、天際線分析、開敞度分析、沿街建築貼現率、分戶日照市場分析、容積率動態計算。
4. 人機交互
人機交互，通過XR等交互技術提升數字世界的沉浸感，其中會涉及三維可視化技術的應用。接下來，介紹一下三維可視化技術的發展，從最初的貼圖、紋理、烘培，衍生出紋理動畫、高動態光照、OIT、泛光、PBR、粒子特效，這些都屬於 GIS 引擎的範疇。後來，GIS 引擎結合遊戲引擎，融合進化出了更多的內容，比如着色器品質、天氣特效、虛光效果、光影效果、環境光遮蔽、場景邊紋、實時光線追蹤、鏡頭眩光、環境光立方體貼圖。
大概在2019年，GIS 引擎和遊戲引擎進行了正式融合，在遊戲中 GIS 引擎可以展現地理和位置信息，但是天氣和光照等信息無法進行滿足，此時就需要遊戲引擎進行補充融合，起到錦上添花的效果。
5. 去“中心化”
在元宇宙的概念中，也存在去“中心化”的說法，一般認爲通過5G/6G、雲計算技術支撐大規模用戶同時在線，提升數字世界的可進入性。這裏的去“中心化”更多的是利用區塊鏈技術，比如在遊戲中，涉及到土地的買賣。現實生活中房屋的不動產登記，利用區塊鏈技術也能非常方便的完成在線登記和受理。
除此之外，還會涉及到高併發和低延時的問題，不管是 to B，還是 to C，服務雲原生化也在助力區塊鏈技術和雲原生的發展。
四、GIS 賦能 Metaverse
GIS 最新的一些技術，元宇宙代表 SandBox 遊戲，GIS 可以爲元宇宙提供技術、數據和模型，還有虛擬地址空間和地理資源信息。
現實世界如何轉化成元宇宙世界，一般可以分爲三種模式，第一種模式是孿生現實世界，也就是完全複製現實世界，以現實物理世界爲數字框架構架一個一摸一樣的虛擬世界；第二種模式是虛擬混合實現世界，也就是一種平行連接的世界，現實世界和虛擬世界相互結合疊加，衍生出一個虛實混合的元宇宙世界；第三種模式是完全虛擬次元空間，構建一個幾乎和現實世界沒有關係的全新的理念數字世界，創造一個全新的元宇宙世界。
基於Web地址空間3D可視化、高精地圖、激光點雲、BIM、基礎測繪、遙感影像等地理信息數據等融合物聯網、定位軌跡、業務專題、社交媒體、文字文檔等時空動態數據等信息構建一個高保真、高聚合的“數字孿生”時空環境，同時，通過實時映射現實世界進程，模擬與耦合事件與場景，可以實現全真數字世界管理城市與業務，將催生全新的數字化轉型。
不僅僅是遊戲娛樂，元宇宙也可以應用到其他場景，比如疫情下，大家可以虛擬現實進入到其他城市的景點進行觀光瀏覽，而不用親自到達目的地。儘管如此，元宇宙也存在一些現實的問題，一般有一下幾點。
1. 地理信息數據的安全性、保密性；
2. 地理信息數據獲取的成本；
3. 地理信息數據從獲取到應用需要一系列流程操作；
4. 地理信息數據具備5V特徵，如何高效管理。
除此之外，元宇宙還涉及到算法問題，其算法也有一些現實問題。
1. 當前算法多面向傳統需求設計；
2. 空間計算算法門檻比較高；
3. 空間計算算法依賴數據；
4. 模擬仿真需要更多專業知識。
另外，還有 XR 設備問題。
1. 可穿戴設備價格比較貴，體驗時可能存在眩暈問題，目前更多的是手機設備，眼鏡設備比較少；
2. 用戶習慣和應用場景，更多的時候 XR 設備對用戶而言可有可無，只能算是錦上添花，還有就是從數據到應用到打通。
五、Metaverse 賦能 GIS
元宇宙也可以爲 GIS 的發展做一些助力，元宇宙交互設備創新，比如一體式VR頭顯、腕帶式AR傳感器、觸覺手套、電子皮膚等；元宇宙也可以推動地理設計，讓地理從業人員可以像設計師一樣製作地理效果圖；元宇宙推動VR/MR/AR等設備和三維技術快速發展，有利於GIS應用構建，比如微軟的風場實驗，模擬洋流的變化。元宇宙還可以應用到很多其他的場景中，比如應急救災、仿真培訓、虛擬現場。
六、總結
創新應用，從天地圖到元宇宙，基於天地圖中國、天地圖河南、天地圖湖南出現元宇宙中國、元宇宙河南、元宇宙湖南，在元宇宙技術的催生下，GIS 迎來更多發展機遇和創新，產生更多新的業態。
