元宇宙会给城市规划带来变革吗？兼论元宇宙与数字城市规划

本文梳理了元宇宙概念的来源，并提请城市规划行业认识并给予高度关注。作为下一代产业互联网，元宇宙会很有可能给我们城市规划的技术、方法带来全新的变革。

当然，元宇宙全面进入数字生活的各个领域尚需时日，但我们应主动运用具有元宇宙概念范畴的技术，特别是数字孪生城市，无论在概念还是方法上，皆需要讨论、研究和实践。

另外，数字孪生城市仅是数字城市的一个底层基座，庞大的城市规划系统需要无数的政务机关、社区单元共同支撑。所幸的是元宇宙带来的数字化技术革命使得这些过程变得更加容易。

全文约8800字，阅读需要25分钟。

最近，元宇宙概念被炒得大火，被认为是新的产业风口，也是下一代互联网web3.0的主要形态。那么，它究竟是一个互联网巨头给予的概念炒作？还是真的会带来产业机会？对于我们的城市规划，有没有影响？

本文就此做一个梳理，并提出一些可以进一步讨论的观点。

什么是元宇宙

按照维基百科给出的解释，元宇宙是：“A metaverse is a network of 3D virtual worlds focused on social connection”，翻译过来即为“一种聚焦于社交链接的3D虚拟世界网络”，有时也称为后设宇宙、形上宇宙、元界、超感空间、虚空间。

这里有两个极为重要的属性：一个是3D虚拟世界，一个是社交链接。

前者是可以通过虚拟现实设备如VR眼镜、增强现实设备如AR眼镜，以及手机、个人电脑和电子游戏机等进入，是一个完全人造的虚拟世界。

后者是指基于真实的人的数字身份，这样就形成了在虚拟世界中的社交关系，只不过这种社交关系可以不需要自己亲自出马，而是可以通过设置一个个人的数字化身，称为avatar(阿凡达)来实现的。

借助于虚拟设备，人们就进入了一个亦真亦幻、虚实相生的数字世界。电影《黑客帝国》、《阿凡达》、《头号玩家》等都对此类虚拟世界进行了生动的描述。

电影《黑客帝国》，角色可以在虚拟世界和真实世界中来回切换，并且二者之间可以相互影响作用

这样的(Virtual world)虚拟世界不同于3D游戏，因为它有基于真实的人的社交关系在内，这样就与现实世界是仅仅绑定在一起的。例如，你可以在数字餐厅中预定一个座位，然后进入到真实的餐厅中去使用，这就是一个最简单的虚实共生的状态。

这里需要引入的一个新概念就是“沉浸”式体验，就是通过穿戴式的数字设备并借助于仿生和材料科技，可以营造出来视觉上的真实三维立体效果，听觉上的现场音质，身体皮肤的触感，嗅觉、温度以及湿度，甚至连同舌头的味觉也可以模拟。

Meta公司的3D眼镜Oculus quest

沉浸式体验作为一种全新的人机交互方式，因为超越了文本、图像、视频等传统的信息媒介，它带来的信息类型是更多维的，包括通过传感器来，可以在瞬间产生更多的数据内容，并产生更大的数据价值。

下图这个通过3D阵列相机对虚拟的人物或物体进行建模和视觉追踪，可以完美的在动态视频中，将现实世界的物体与虚拟的景象很好的融合起来。

作为传统计算机，输入和输出设备都是受到很多限制的，但是一旦克服了技术障碍，就会产生新的交互媒介。例如手机视频功能被普及后，才有了短视频这种视频内容被大量的制作出来，并同时诞生了一系列基于短视频的新商业。

最早提出元宇宙概念的美国上市公司Roblox的CEO David Baszucki，提出了“元宇宙”的八个基本特征：

—身份(Identity)

—朋友(Friends)

—沉浸感(Immersive)

—低延迟(Low Friction)

—多元化(Variety)

—随地(Anywhere)

—经济系统(Economy) 

—文明(Civility)

基于Baszucki的标准，“元宇宙”= 创造 + 娱乐 + 展示 + 社交 + 交易，人们在“元宇宙”中可以实现深度体验。

究其上述特性我们还可以简化为两个重要的基本特征：

沉浸式体验所造就的虚实共生、亦真亦幻的应用场景

虽然沉浸式体验来自于游戏，但是元宇宙却没有停留在游戏层面上，元宇宙要将人们的生活、学习、创作、娱乐、经济活动等全部映射到数字世界中，是实体物理空间与虚拟网络空间的叠加。

沉浸式体验多少包含了游戏的要素，互联网中游戏化生存是一种常态。受到尼尔·斯蒂芬森的启发，林登实验室(Linden Lab)于2003年推出游戏《第二人生》(Second life)，这是一个开创性的现象级虚拟世界，人们可以在其中社交、购物、建造、经商；它不是单纯的游戏，没有故意制造的冲突和明确设定的目标，而是拥有更强大的世界编辑功能与更发达的虚拟经济系统。

《模拟城市》(Sim City)可以让玩家获得真实的城市管理体验。玩家可以将物理世界中城市的布局、交通、能源等数据输入游戏系统，在游戏中进行低成本的优化测试，再将测试的成果反馈到现实城市的管理实践中，因此这款游戏在热心城市管理和规划的人群中非常流行。

基于真实身份的社交网络。

每个人在元宇宙中都有一个真实身份，这一点至关重要！这是数字经济与实体经济相互融合的根本基础。人们使用自己的数字化身来参与虚拟世界中的许多活动，会产生许多虚拟的社区，如果没有真实身份，就无法切换回到真实世界中。

社交主要方式是信息的交换，借助于通讯设备人们可以在不在场(不见面)的情况下进行信息交流，这大大提高了信息传播的效率。传统的电话是最早的通讯工具，但至少要求信息交换的双方必须处于同一时间。

在计算机通讯刚发展的阶段，人们就创造了在线社区这样的新的社交方式，与电话通讯相比，人们可以既不在场也不同时在线的情况下，进行信息交流。如早期的电子公告栏，后来的微博以及各种社区论坛等。

不在场就是信息交流的双方不在同一时空内，信息交换的效率就比较低。例如微信可以不用马上回复，这就是因为不在场的缘故，但如果你接一个电话，就必须马上回复，不能拖延，这就是在场效应。

由于元宇宙的沉浸式体验可以创造出来极强的场所感，这就营造出一种强社交场景，对于信息反馈的要求几乎是同步的。

互联网技术发展到今天，人们对数据资源的价值认识越来越清楚，同时，获取用户的数据的难度越来越大。在强社交场景以及个人数字化身的代理下，会轻松产生各种有价值的数据，这才是元宇宙在信息采集方面所具有的最大优势。

元宇宙是在什么背景下诞生的

元宇宙不是凭空出现的，而是在数字化的浪潮之下，各种先进科技发展到今天，有了完全汇集在一起的必要，元宇宙是被设计出来应用这些科技进步的最佳的技术合集。

第一是5G网络提供了信息通讯的基础设施，并实现了万物互联。5G网让低延时、大容量、高速率、低功耗的信息传输不再是问题，网络成为泛在的，即随时随地在线。

没有5G网络，就无法保证VR这样的实时在线三维世界被呈现出来，例如远程医疗或者其它复杂、危险的操作，如果借助于实时的信息传输的话，没有高性能的5G网是实现不了的。

第二是AI人工智能技术的发展，也包括cpu、图形卡这样的专用芯片。人工智能的算力对于硬件性能要求极高。今天，人们已经可以生产5纳米甚至更低的高性能芯片了。

第三是场景建模技术。这种技术大多来自于游戏引擎，但它们确实可以完成实时状态下的三维模型的渲染，如果对环境体验要求很高的话，就离不开这种基础的计算。

在场景建模技术的基础之上，现在有了更加先进的数字孪生(Digital twin)技术，或译作数字映射、数字分身、数位双生等，指在信息化平台内模拟物理实体、流程或者系统，类似实体系统在信息化平台中的双胞胎。借助于数字映射，可以在信息化平台上了解物理实体的状态，甚至可以对物理实体里面预定义的接口组件进行控制。

数字映射是物联网里面的概念，它指通过集成物理反馈数据，并辅以人工智能、机器学习和软件分析，在信息化平台内创建一个数字化模拟。这个模拟会根据反馈，随着物理实体的变化而自动做出相应的变化。

理想状态下，数字映射可以根据多重的反馈源数据进行自我学习，从而几乎实时地在数字世界里呈现物理实体的真实状况。

数字映射的反馈源主要依赖于各种传感器，如压力、角度、速度传感器等。数字映射的自我学习(或称机器学习)除了可以依赖于传感器的反馈信息，也可以是通过历史数据，或者是集成网络的数据学习。数字孪生技术用于军事上非常多，但今后将全面进入民用领域。

区块链技术，以及NFT这种用于虚拟货币和数字资产的技术，目前也被认为是属于元宇宙里的要素了。因为在数字世界里创作内容，如果不解决知识产权的问题，就很容易被拷贝粘贴走了。有了NFT(Non Fungible Token)这种“非同质化代币”，就可以证明某个数字作品的产权是唯一并且为某人所有的，这样才能很好地保护内容创作人的权益。

第四是硬件设备，这一块是最复杂也是最重要的部分。在硬件层面，“元宇宙”是以“硬技术”为坚实基础的，除了强大的计算机和网络设备外，对通信组件、新型显示系统、混合现实设备、精密自由曲面光学系统、高像素高清晰摄像头等设备的要求很高。更加先进、自然和直接的输入和输出方式，依赖于与人体相连的外设，是鼠标和键盘无法比拟的。

元宇宙会带来哪些应用场景

还是基于前文所说的“沉浸”式体验所带来的虚实共生场景，可以预期将有许多新的应用和人机交互方式。

（1）个人虚拟数字助理。也称为个人的数字化身，可以有你的面貌、表情、皮肤、语音、服饰，还可以使用你的口音讲话。形成虚拟社区的基础是你有一个代表你个人意愿的数字化身，你可以设计、改变你的数字化身的形象，但是在这个虚拟空间里，他将代表你出现。

此图为美国著名图形卡生产商NVIDIA的总裁黄仁勋在发布产品，但这是一个虚拟的数字人物，与真人具有一样的外观和服饰，无法分辨真假。

未来我们每个人都将有一个自己的数字化身，它本身就会成为一个新的交互界面，因为它可以接收你发出的任何手势、表情和语音，并由于在场效应，能够立即做出反馈无需等待。

通过人工智能服务，会产生智能数字助理。个人数字助理会装载很多应用和个人数据，能够在需要的场合来“播放”这些数据。比如朋友想要我分享一个去年生日聚会的场景，数字助理就可以自动调取并上传给朋友，他通过VR眼镜就可以观看。现在已经产生了虚拟主播。

（2）虚拟会议以及类似的应用场景，如在线课程，可以通过沉浸式场景营造出在场的感觉。

（3）多人在线游戏社群，这个已经很成熟了，这是游戏+社交的属性。但是未来会有许多基于游戏和真实身份的社交应用出现。

（4）沉浸式互动展示空间+社交。用数字博物馆对展品进行三维展示已经不是新鲜事了，很多珍贵馆藏文物已经有了数字化的虚拟空间形态了。三维动画、摄影、虚拟现实等技术出现后，使更多展品得以用数字化的形式呈现并实现永久保留，为文物保护和文化传承作出了贡献，也可以使博物馆展览或展品的触角延伸至更多地区。

沉浸式体验是可以产生许多互动的，一些数字化的虚拟物体，是可以载有许多数据信息，可以互动操作，这就再次延展了虚拟现实的范围。但是元宇宙的数字展示空间除去传统的虚拟文物展示之外，还有社交互动的环节。如虚拟课堂在线知识，沉浸式科普，除了用户体验外，还可以直接向专业人员请教咨询。

（5）各种实体经济单位在虚拟空间业务接洽。创造了沉浸式体验环境后，就会给众多的观察者带来虚拟空间的真实感受。人们不再访问网站，而是把网站与线下体验结合起来，涌进虚拟的商城购物，还可以与同时处于该空间中的其他人物社交互动。假如把商城替换为博物馆或者音乐厅，马上也可以感受到人流和活动的变化，你在虚拟社区里就会碰见带着孩子来参观的家长，而这些人物都是具有真实身份的现实人物。

依靠于信息技术的发展，如果能够不用进入物理空间而方便地获得许多在场交互的效果，这应该是更大的进步。在虚拟空间的业务接洽可以由机构的人工数字助理来完成大部分业务接待。购物、餐厅这些消费型服务可以通过在虚拟空间完成预定，在实体空间消费的过程。对于如音乐厅、博物馆这样的空间，完全可以进行线上消费。

（6）远程办公，远程医疗，以及所有可以利用虚拟现实进行远程操控的应用场景。

（7）社交网络与娱乐。如虚拟演唱会，人们进入到同一空间场所，产生共同的体验并交流。每个人都可以设定游戏式的娱乐社交场景，通过参与别人设计的游戏来进行社交。这会导致人们更加沉迷于虚拟世界，过去，我们一直担心这个问题会成为社会问题。但是随着互联网的发展，技术进步的本质也被逐步呈现出来，或许现实社会中的社交才是低效的，因为真实社交还是受制于时空限制，但是利用虚拟化身avatar，每个人的数字代理可以更高效地完成多个社交场景，获得更多的社会资源，那为什么还要以现实社会的社交为主要形式呢？

（8）艺术创作。开发出来具有沉浸观赏性、互动性、艺术性和数字知识版权的艺术作品，成为继音乐、书法、绘画、雕塑之后的数字艺术形态。

元宇宙的应用场景绝不止上述这些范围。总而言之，在元宇宙要有设计和创造场景的能力，包括业务场景、游戏场景、娱乐场景、教育场景等。

元宇宙给城市规划带来哪些改变

无论是元宇宙的游戏还是工业制造，第一步是先构建出来一个虚拟世界。对于城市规划也是如此，只不过构建出来的是虚拟城市，但这个虚拟城市不仅仅是形态上的，而是通过数字孪生技术所仿真出来的城市，它是与现实世界许多实体互联的。

元宇宙计算所使用的输入输出设备转为“全真模拟”后，使得建立在平面基础上传统城市规划和城市设计发生改变。传统的城市规划和城市设计虽然也使用3D技术，但这是非常有限的，观察者只是借助于动画或者鸟瞰图的视角，无法在真实尺度上的城市空间进行操控。在空间的尺度、实体建模的精度以及动态性、虚拟世界和真实世界的无缝融合，在沉浸式体验程度上与元宇宙是无法相提并论的。

元宇宙所代表的所谓“后数字化时代”，区块链、量子计算、边缘计算、脑机接口、立体显示、数字孪生等新技术接踵而来，所谓“计算无处不在，软件定义一切，网络承载文明”，定将定义一个规模更大、更复杂的智能产品——“未来数字城市”。

这里重点阐述一下数字孪生技术将给城市规划带来许多可能的创新空间。

数字孪生诞生于军事和工业领域，是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段构建一个在数字世界中一模一样的实体，借此来实现对物理实体的了解、分析和优化。从更加专业的角度来说，数字孪生集成了人工智能(AI)和机器学习(ML)等技术，将数据、算法和决策分析结合在一起，建立模拟，即物理对象的虚拟映射，在问题发生之前先发现问题，监控物理对象在虚拟模型中的变化，诊断基于人工智能的多维数据复杂处理与异常分析，并预测潜在风险，合理有效地规划或对相关设备进行维护。

数字孪生技术正在向各个领域渗透，构建数字孪生城市，使之成为一个平行于现实城市的虚拟世界，这个虚拟的城市在空间形态和构造上是全真的，在物理性质上也能够反映真实环境。例如通过遍布城市的各种传感器实时采集各种数据，模拟真实城市所处的气候环境、温度和湿度、交通状况，让观察者有身临其境的感受。

这样的“全真空间”完全可以创造出虚拟世界的空间上的场所感和社交上的领域感，物理空间与社区空间都存在边界，空间的属性信息是与真实城市关联在一起的，我们就创造出来一个真实与虚幻并存的城市空间，这就得以让许多行为可以发生在虚拟空间而不必一定在物理空间中。假定你走进数字孪生城市中的一所学校，你的数字化身所处的空间边界就发生改变，进入学校就会触发学校的安保系统，自动核实你的数字身份，看你是还是学生，或者是家长还是老师，如果你是访客，也许学校的保安(当然也是数字化身)就会向你询问登记等。

数字孪生城市是由许多实体空间构成的，在现实中，这些实体空间必然联系了许多社会关系，如实体空间的主体、客户、相关人员等。虚拟的实体空间就是现实实体空间的数字孪生，必然要接入相应的数字社区。也可以直接进入到数字社区进行各种活动。

在数字孪生城市构建出一个现实和虚拟无缝融合的世界，这样就可以把规划所构建出来的虚拟空间置于其中。例如柯布西耶所提出的光辉城市，完全可以作为虚拟空间再生出来，让人们模拟在其中真实的感受，而不仅仅是制作一个鸟瞰图。

《光辉城市》是法国-瑞士建筑师勒·柯布西耶于1930年设计，但是未能落成的方案。它代表了一个用井然有序的环境将人们联合起来的乌托邦式的梦想。设计维持了高层住宅街区、自由的交通和丰富的绿色空间，住宅街区布置在穿梭其间的线路上。和巴黎国际大学城瑞士馆类似，其南侧是玻璃，从底层的柱子开始升起。建筑屋顶有平台，平台上有跑道。

再例如假定现在重新讨论北京城市规划的梁陈方案，就可以通过建立两个空间场景规划来进行比较，一个是完全保留老城的方案，另一个是改造老城的方案，并动员社区居民参与讨论。

数字孪生城市可以首先改变当前的房地产开发的方式，也许会产生数字房地产开发的形式，可以在真实房屋建成销售之前，先通过预定方式来试探房屋受欢迎的程度，这样可以更有利于房产开发商降低成本，开发出更受市场欢迎的商品住宅。新的地块开发方案以全真虚拟的方式展示出来，如果有人感兴趣，就可以先预定这种虚拟空间，当然任何空间规划方案都可以接受这种来自于数字社区的检验和评价，通过竞争决定在现实中真的应采用哪种方案最好。

通过模拟建设，数字城市对各种建设项目的试错成本很低，这也是数字基建的一种优势。

元宇宙在虚拟世界中的行为，是一样具有现实经济系统的支持的。在虚拟空间中一样可以有公共服务、物业管理、不动产交易等这些现实中的经济行为的，只不过现在可以通过一种称为NFT(非同质化通证)的技术，可以对数字化的对象进行唯一化的数字标识，以确保数字化的对象具有资产价值。这个数字化对象可以是艺术作品、设计方案，同样，虚拟出来的城市物业一样可以被NFT所标识。

例如对国土空间中的土地规划可以进行数字模拟，数字城市类似于一种装备，通过经营能够产生资产价值，数字世界的土地拍卖对应真实世界的土地拍卖。

通过沉浸式体验，可以模拟街道空间体验。就像城市规划学者雅各布斯在《大城市的死与生》中所描述的街道空间在于视线的保护一样，可以在虚拟空间中创建虚拟空间的城市社区。未来城市以技术为基座，随着新基建在各行各业及人居生活的渗透，将成为未来智慧城市的基座，实现万物互联状态。

数字孪生城市还用于防灾，可以对受灾现场进行快速的全面分析，模拟各种灾害对城市造成的影响。

元宇宙可以突破时空限制，通过数字历史文化街区和传统建筑的复现，让人们更好地认识历史文化建筑。可以在数字城市中直接建立起来城市的历史博物馆，还原不同历史时期的城市，可以利用AR技术来参观历史建筑的原真样貌。

附：埃森哲公司提出的数字城市理念

埃森哲公司提出未来数字城市的发展方向在于“产业升级、空间重构、人本设计、开发创新、无界融合”，数字城市的应用不局限于市政管理和公共服务，更在于民生服务、产业使能。相较于传统的智慧政务仅服务于政府政务管理，未来数字城市更加“以人为本”，以公民为用户，强调数智技术与生活、产业的融合，顺其自然的沉浸体验。

一些有待进一步讨论的观点

元宇宙给城市规划带来的不仅是技术上的创新，而且同时也包含了规划形式上的创新，最后规划形式上的创新必然也会要求规划制度上的创新。

未来将出现一种职业叫做数字城市规划师，通过创造虚拟城市空间和数字孪生城市来寻找合理的规划方案。规划师可以任意控制数字城市空间的模型，既可以以1：1的真实尺度体验虚拟空间，也可以缩小比例尺，用鸟瞰的视角俯瞰全局，来观察建筑乃至从里面进出的人流。在一些多人参加的VR游戏中，这种场景是经常出现的。

数字孪生城市不可能只由一两家公司或机构创建起来，而应该是一个开放的平台，例如要先完成地表建模，对地表空间进行基于高精度地图技术支持的数字化。地表模型包括了地表和地下的所有信息，不仅包括了真实的河流山川等地形地貌，还包括了土地利用、地籍产权信息、地表建筑、地下管线的信息，它是得以作为数字孪生城市的基础数据。

数字孪生城市还需要与BIM技术融合，通过BIM技术生成的单体建筑可以自动“粘贴”到数字城市中。在平台开放且统一的标准下，数字孪生城市可以接入任何专业的应用。

存在两种展示方式的数字城市，一种是基于VR虚拟现实技术的展示方式，这种是完全虚拟的数字空间；另外一种是基于AR增强现实的数字城市空间，在现实的物理空间中，通过戴上一副眼镜来外接到服务器，获得叠加在现实场景之上的虚拟场景，并且进行信息互动。这些统称为XR技术。

将数字城市完整地创制出来，达到虚实相生，自由切换的程度，无论所需要的硬件资源，还是处理时刻所产生的大数据所需要的巨大算力，都是难以想象的。总的来说，数字孪生城市的发展至少需要：3D真实场景的数字城市建模和实时动态渲染引擎+基于VR、AR的虚拟现实技术+虚拟人物数字代理技术。这样的技术走向成熟尚需时日。

数字孪生城市是否就是智慧城市？不，数字孪生城市会进一步拓展智慧城市的空间，放大智慧城市的能力，但它本身不能取代智慧城市。

2010年，IBM正式提出了“智慧城市”愿景。

IBM经过研究认为，城市由关系到城市主要功能的不同类型的网络、基础设施和环境六个核心系统组成：组织(人)、业务/政务、交通、通讯、水和能源。这些系统不是零散的，而是以一种协作的方式相互衔接。而城市本身，则是由这些系统所组成的宏观系统。

21世纪的“智慧城市”，能够充分运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对于包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能的响应，为人类创造更美好的城市生活。

社交网络与的社会组织方式创新：相较于与虚拟的数字城市，人们的社会网络关系如何在数字城市的虚拟空间中进行映射，显得更加重要。在元宇宙，人们可以以虚拟的方式来模拟新的社会组织。特别是有了区块链技术后，将会更有利于快速建立各种新的社区组织，今后的规划师可能是各种数字化社区的协调者和组织者。

数字城市规划师也要做出多种方案，并且把每一种方案都通过建模，放置在城市之中。通过与空间规划参与者的互动来综合评价每一种方案的优劣和经济性。所以数字建模工作以及社群评议组织工作将会是主要的两种工作方式。

虚拟空间必须与社区融合才能焕发活力，数字技术可以很快地把各种模拟场景带入到社区里面，产生很强的反馈，这些反馈就成为大数据，其价值终将被放大。

在这种情况下，规划师的工作将不再是作为传统精英来完成所有的规划决策，而是一种职业的组织者，众多的角色都将会介入到规划过程中来。甚至可以设计各种互动游戏，通过程序进入到虚拟社区中。例如设计出来许多景观、雕塑的模板，让社区居民自己选择并放置在哪里。让社区居民对某个空间贴上喜欢或不喜欢的评价和标签。

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