2019年法國聖母院遭大火重創，所幸災前已完成的光達掃描數據(Lidar)，為重建帶來重大幫助。傳統上文化遺產之數位分身建置，其地上建物可應用光達掃描獲取數值資料，但對於埋藏於地底下之建物(空間分布及建物型態)則無法由光達掃描取得，常須仰賴歷史文件及建物圖說等資料推估。本文介紹義大利應用數位孿生建置文化遺產建築物模型，並轉化為具地理資訊(Georeferenced)的三維限制地圖(Constraint map，註)的創新方法；其以米蘭的斯福爾扎城堡(Castello Sforzesco, Milan)為例，藉由古籍資料、測量及現有數值資料等還原已毀損之構造物，建立包含地上及地下結構且具有地理參考資訊的三維模型，再將三維模型轉換至GIS系統環境的限制地圖，以有效管理地表及地下各部結構。限制地圖可展示文化遺產之位置和型態，並提醒已識別之資產結構物與城市化結構及周邊系統之關聯性，有助於提供未來在鄰近文化遺產區域規劃使用。

註：限制地圖(Constraint map)，依據IEMA網站之Improving EIA with constraints mapping資料 (https://www.iema.net/articles/improving-eia-with-constraints-mapping)，係用於整個設計開發及環境衝擊評估時，其功能如：1. 告知客戶專案潛在風險、2. 描述如何預測及擬定策略以處理潛在反對意見；3. 提供資訊以通知利害關係人討論；4. 幫助定義環境衝擊評估目標。因此，在本文中係指以圖形方式來描述某場址之開發與該場址區域環境與土地利用的限制，提供空間決策使用。

2010年NASA發布整合技術路線圖(Roadmap)提及數位孿生一詞，該技術為「一種以模擬系統為基礎的工程，NASA數位孿生是一種應用了實體模型、感測器即時偵測、以及歷史紀錄等數據為基礎，並在數位世界中映射出一個複製品。數位孿生為一種真實感極強的映射，其通過感測器上所獲得的數據，模擬出該機器/物件的實際運營狀況。」。此段文字內所指模擬並非建立數學模型，而是建立物體之數位分身，因此，數位孿生是將現實世界中的物體創造數位分身，呈現在數位世界，並藉由感測器與網路將現實世界即時資料傳送至數位世界中，再透過處理、分析、判斷後，使數位分身能產生回饋，進而優化產品並增加價值 (Shafto et al, 2010; 文獻9、10、11; 圖 2)。

Guzzetti等人進行斯福爾扎城堡(Castello Sforzesco)文化遺產數位模型建置與幾何空間(Geometric-spatial)地理資訊化 (圖 3)，以作為都市規劃管理及評估與其他各系統間之互相影響。其步驟說明如下：
1.　蒐集研究標的物資訊(包含現況、歷史、演變等)及地理資料：包括各研究單位之點雲、圖紙資料、歷史文件、圖像材料(iconographic material)、製圖資料 (Cartography)等相關數值及紙本等資料彙整。
2.　將前階段資料進行辨認及地理定位，以辨認出該城堡於不同階段之元件(Separate elements)。
3.　建置具地理定位之3D模型 (Georeferenced 3D model)，使其完整呈現不同時期結構物之3D模型特徵，並重現歷史中已毀壞之部件。此步驟在建置模型時，蒐集異質資訊 (Information of heterogeneous origin)並轉換成不同資料集，其地理資訊之正確程度仰賴於所蒐集之文件、製圖資料及點雲之數位地理資訊調查工作之完整性 (Digital geomatics survey; 圖 4)。
4.　將3D模型建置於GIS環境內，並簡化文化遺產建築物的複雜度以利幾何資料的查詢。同時生成限制地圖，利用GIS的詮釋資料工具來呈現地圖內構造物之相關高度等幾何資訊 (圖 5)。

其中，在三維模型轉換至GIS系統中，其坐標系統設定為義大利國家參考系統 ETRS89 (European Terrestrial Reference System 1989) ETRF2000 (在EPSG為 RDN2008)。在三維模型轉換至地理資訊系統之限制地圖時，需注意各文化遺產各部間之間隙、鉸接方式、幾何不確定空間 (Room for uncertainty)、地上物與地下物之安全偏移量 (Security offset)等資訊。Guzzetti等人以5米設定為LOGI2及LOGI3等級、10米作為LOGI1等級 (Levels of Geometric Information, LOGI; 圖 6)。各三維模型物件轉換為SHP檔案於QGIS展示(圖 7)，並依其特性資料執行各物件之過濾、選擇、展示等，其後藉由Google Earth 平台展示其三維可視化結果 (圖 8)。
由Guzzetti等人研究成果可知，藉由地理資訊系統所建置之文化遺產地理參考化地圖(Georeferenced)，不但便於查詢及展示關注地區所具有之地上和地下構造物的位置和型態，特別是在都市規劃時，可預防文化遺產建物破壞損失之風險；同時，藉由限制地圖提供該開發區環境與土地使用之限制資訊，有可效降低文化遺產與相鄰周邊系統之相互影響，對於鄰近文化遺產之地區開發與都市規劃等有相當大的助益。

隨著物聯網、雲端運算、人工智慧、GPU計算等快速發展，數位孿生已運用在許多領域中，除上述在文化遺產與地理資訊結合之應用外，如都市規劃、環境監測、建築營造、科學研究、公共服務等領域，均可透過數值模型和AI與雲端計算等工具，產生回饋並提供策略研擬之參據。以下就科學研究、古蹟修復、建築施工等為例說明，其中工程施工應用方面，可參考水土保持局技術研究發展平台電子報 第79期。
NVIDIA和Lockheed Martin曾合作打造整合AI與數位孿生的消防應變系統，用以加強火災預測和滅火成效，其藉由建立與實際環境相同之數位模型，並以真實森林火災資料進行模擬訓練，以即時物理技術調校相關參數，俾建立最佳化模型協助消防工作 (影 1)。此外，他們也建置了地球數位孿生原型(Global Earth Observation Digital Twin)，藉由蒐集溫度、濕度、海冰濃度、太陽風等數據，可加速環境監測、預測與即時查看全球陸地、海洋、冰凍圈、大氣等視覺化的氣候數據，以提供研究人員更快做出決策 (影 2)。
除科學研究之外，數位孿生對於文化保存與應用上，可提供文化古蹟完整的數位分身，以呈現文物樣貌，協助修補、重建、保護等工作。以2018年法國巴黎聖母院(Notre‑Dame de Paris)為例，其藉由數位孿生特性，以物理分析、反向工程、時空追蹤及操作研究等方式，為修復過程中施工監造、材質選用、安裝角度等提供重要參考依據 (Gros et al., 2023; 圖 9)。此外，中國四川旋螺殿(Xuan Luo Hall)因其特殊的梁柱結構 (斜拱結構，Xiegong element)極具保存價值，Tan 等人利用雷射掃描、攝影測量、BIM等進行建築考古研究，以數位孿生技術識別該建物歷史資訊，並建置數值資訊檔案以避免傳統書籍資訊遺失及散漏問題 (Tan et al., 2022; 圖 10)。
由前述可以知道，數位孿生有助於現實環境中的問題掌握與資源運用，利用數位分身進行模擬分析各種解決方案，其可對現況進行分析預先掌握風險，並以視覺化展示成果。

由以上數位孿生應用可知，目前數位模型之建置需仰賴現實世界之文獻資料、圖說資料、雷射描掃、攝影測量、CAD設計圖等資料進行3D模型之建置，但由於各領域所應用產出數位模型之格式不盡相同 (如GIS系統環境之CityGML、KML、I3S；如GLTF(Graphics Language Transmission Format)環境下的gltf、glb、3D-Tiles等；如BIM環境下的IFC、rvt；攝影測量常見的Mash model如COLLADA(Collaborative design activity)的DAE、OBJ等)，有必要對數位孿生模型進行規範及格式訂定，以利於跨平台或跨部門模型串接、更新、分析應用。再藉由3D編輯器，對模型格式、面數、材質與坐標進行轉換後，能賦予數位成果更好流通性，如用於歷史文物、重要地景的紀錄與呈現。
整體而言，數位孿生具有整合及視覺化特性，就目前水土保持局大規模崩塌及土石流潛勢區等治理區域而言，期待未來結合長期觀測資料、工程構造物、感測器之IoT資料等建置數位孿生模型，藉由結合模式進行情境模擬 (影 3、圖 11)，協助即時掌握關注坡面、優化設施管理、支援策略規劃，以達成智慧防災，並強化加速災害應變、管理、及災後復原等資訊整合，促進達成「建構科技、創新、智慧的坡地防災」之目標。
目前水保局技術研究發展小組已於技術研究發展平台之研究成果-UAV3D建模，蒐集建置水土保持局及各分局之構造物現勘調查、工程構造物施工後之3D模型 (https://tech.ardswc.gov.tw/Results/ResultsUAV3D)，期待未來透過建置物聯網、雲端計算、人工智慧、應用介面等結合觀測資料，發展數位孿生模型，朝向「強化坡地耐災能力，推動智慧防災警戒」之政策願景。

1.　Applications of 3D Digital Twins for Heritage and Archaeological Sites (資料來源：https://gogeomatics.ca/applications-of-3d-digital-twins-for-heritage-and-archaeological-sites/)
2.　Gros, A., Guillem, A., De Luca, L. et al. Faceting the post-disaster built heritage reconstruction process within the digital twin framework for Notre-Dame de Paris. Sci Rep 13, 5981 (2023). (資料來源：https://doi.org/10.1038/s41598-023-32504-9)
3.　Guzzetti, F., Anyabolu, K. L. N., Biolo, F., and D’Ambrosio, L.: FROM THE DIGITAL TWIN OF ARCHITECTURAL HERITAGE TO THE DEFINITION OF THE CONSTRAINT MAPS. THE CASE STUDY OF THE CASTELLO SFORZESCO IN MILAN, ISPRS Ann. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci., X-M-1-2023, 101–108, https://doi.org/10.5194/isprs-annals-X-M-1-2023-101-2023, 2023. (資料來源：https://isprs-annals.copernicus.org/articles/X-M-1-2023/101/2023/isprs-annals-X-M-1-2023-101-2023.html)
4.　How digital technology is aiding Notre Dame rebuild, two years since tragic blaze (資料來源：https://www.newcivilengineer.com/latest/how-digital-technology-is-aiding-notre-dame-rebuild-two-years-since-tragic-blaze-15-04-2021/)
5.　Improving EIA with constraints mapping (資料來源：https://www.iema.net/articles/improving-eia-with-constraints-mapping)
6.　Shafto, M., Conroy, M., Doyle, R., Glaessgen, E., Kemp, C., Lemoigne, J., Wang, L.: Draft Modeling, Simulation, Information, Technology and Processing Roadmap. Technology area11, National Aeronautics and Space Administration, 2010. (資料來源：https://www.nasa.gov/pdf/501321main_TA11-MSITP-DRAFT-Nov2010-A1.pdf)
7.　Tan, J.; Leng, J.; Zeng, X.; Feng, D.; Yu, P. Digital Twin for Xiegong’s Architectural Archaeological Research: A Case Study of Xuanluo Hall, Sichuan, China. Buildings 2022, 12, 1053. (資料來源：https://doi.org/10.3390/buildings12071053)
8.　The evolution of digital twins (資料來源：https://www.dpdhl.com/content/dam/dpdhl/en/media-center/media-relations/infographics/2019/03-digital-twins-evolution.jpg)
9.　連續三年被評為全球十大科技趨勢的「數位孿生」到底是什麼？(上) (資料來源：https://vivian-ku.medium.com/%E9%80%A3%E7%BA%8C%E4%B8%89%E5%B9%B4%E8%A2%AB%E8%A9%95%E7%82%BA%E5%85%A8%E7%90%83%E5%8D%81%E5%A4%A7%E7%A7%91%E6%8A%80%E8%B6%A8%E5%8B%A2%E7%9A%84-%E6%95%B8%E4%BD%8D%E5%AD%BF%E7%94%9F-%E5%88%B0%E5%BA%95%E6%98%AF%E4%BB%80%E9%BA%BC-%E4%B8%8A-419a34144529 )
10.　數位孿生（Digital Twin）的定義為何？(資料來源：https://zh.oosga.com/docs/digital-twin/)
11.　數位孿生與模擬（Simulation）的差異何在？(資料來源：https://zh.oosga.com/briefings/difference-between-digital-twin-and-simulation/)