李春俊

（青島市水文中心 青島 266000）

1 引言

隨著三維建模、工程仿真、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、邊緣計算、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人類社會進(jìn)入三維體驗時代。對于產(chǎn)品、裝備、產(chǎn)線、工廠、建筑、道路、橋梁，乃至整個城市，都可以建立三維數(shù)字化模型。數(shù)字模型不僅可以與物理對象形態(tài)高度相似，還可以實現(xiàn)性能仿真，幾乎做到全要素映射，這種打通物理世界和數(shù)字世界，實現(xiàn)虛實融合的復(fù)合技術(shù)，被稱為數(shù)字孿生（DigitalTwin）。

水利部多次召開會議部署數(shù)字孿生流域建設(shè)工作，指出要以時不我待的緊迫感、責(zé)任感、使命感，攻堅克難、扎實工作，大力推進(jìn)數(shù)字孿生流域建設(shè)，積極推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展。國家“十四五”規(guī)劃綱提出要構(gòu)建智慧水利體系，要以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力。以流域為單元治水管水就決定了智慧水利必須以數(shù)字孿生流域為核心。本次研究以嶗山水庫流域為研究區(qū)域，從數(shù)字化場景構(gòu)建、三維支撐平臺建設(shè)、智慧化模擬功能開發(fā)三個方面展開。

2 區(qū)域概況

嶗山水庫位于青島市城陽區(qū)夏莊村白沙河中游，流域面積99.6km2，干流長度21.6km，干流平均坡度17.8‰。嶗山水庫流域面積較小，預(yù)報方案成熟，為三維模型構(gòu)建和精準(zhǔn)化決策提供了較好的條件。

3 數(shù)字化場景建設(shè)

三維數(shù)字化場景采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建設(shè)，通過無人機(jī)在空中某個高度從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的三維數(shù)字化場景。

本次研究采用大疆精靈4RTK 無人機(jī)進(jìn)行航拍，精靈4RTK 是一款小型多旋翼高精度航測無人機(jī)，面向低空攝影測量應(yīng)用，具備厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)。由于本次研究區(qū)域范圍大、山體多，需要對測區(qū)進(jìn)行分割，通過地圖軟件對區(qū)域進(jìn)行分割后，導(dǎo)出每個分區(qū)邊界的KML 數(shù)據(jù)。在無人機(jī)系統(tǒng)中導(dǎo)入分割后的測區(qū)KML 數(shù)據(jù)，選擇傾斜攝影測量“五向飛行”或“井字飛行”，設(shè)置飛行高度100m，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，系統(tǒng)自動生成航線。執(zhí)行任務(wù)后，無人機(jī)自動起飛進(jìn)行作業(yè)任務(wù)，電量不足時，作業(yè)任務(wù)自動保存，更換電池后，可繼續(xù)作業(yè)。通過連續(xù)多日的外業(yè)操作，共獲取航拍照片2 萬多張。

目前采用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行三維建模的處理軟件很多，如ContextCapture、PIX4D、大疆智圖等。本次采用ContextCapture 軟件進(jìn)行三維建模。主要操作包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、空三加密、三維重建、模型修飾和成果輸出。由于照片數(shù)量比較大，空三計算過程中出現(xiàn)了結(jié)果斷裂、分層交叉、彎曲、水域接壤處分層等情況，經(jīng)過研究，采用“先分塊空三再合并”解決。空三完成后，可以進(jìn)行模型重建，輸出的三維模型格式很多，包括3MX、3DTiles、OSGB、OBJ、FBX 和KML 等等，根據(jù)具體需求來進(jìn)行選擇，這里選擇3DTiles 格式。經(jīng)過漫長的模型渲染過程后，發(fā)現(xiàn)輸出的三維模型成果里面的水域部分存在支離破碎、起伏不平的問題，經(jīng)過研究，通過水面約束功能，將水域范圍的KML 文件導(dǎo)入后重新建模，三維模型構(gòu)建成功。

4 三維支撐平臺建設(shè)

目前三維支撐平臺很多，如ArcGIS、Skyline、SuperMap、Cesium 等。本次選用開源三維平臺Cesium。Cesium 是一款面向三維地球和地圖的JavaScript 開源產(chǎn)品。它提供了基于JavaScript 語言的開發(fā)包，方便用戶快速搭建一款零插件的虛擬地球Web 應(yīng)用，并在性能、精度、渲染質(zhì)量以及易用性上都有高質(zhì)量的保證。平臺支持影像、高程、矢量、實景、三維模型等各類數(shù)據(jù)的疊加融合，三維底圖采用天地圖，疊加上3DTiles 格式的三維模型，完成了三維場景可視化。提取流域內(nèi)的雨量、水位、流量、視頻等水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，在三維場景中展示監(jiān)測站點的位置及數(shù)據(jù)信息。

5 智慧化模擬功能開發(fā)

數(shù)字孿生流域系統(tǒng)的重要功能是對區(qū)域內(nèi)水文要素的變化過程進(jìn)行模擬仿真和推演，為流域防汛調(diào)度提供精準(zhǔn)化決策服務(wù)。三維數(shù)字化場景中每一個點有經(jīng)緯度和高程信息，通過二次開發(fā)可實現(xiàn)空間分析功能，包括距離、面積、高度、剖面、體積、淹沒范圍等多種分析功能，進(jìn)一步實現(xiàn)水文要素的智慧化模擬。

系統(tǒng)內(nèi)集成了水文預(yù)報功能，嶗山水庫預(yù)報方案較為成熟，從以往的應(yīng)用經(jīng)驗來看，預(yù)報精度較高，采用降雨徑流經(jīng)驗相關(guān)法，根據(jù)P+Pa～R 曲線進(jìn)行產(chǎn)流計算，根據(jù)時段單位線進(jìn)行匯流計算，得出入庫水量、洪峰流量和峰現(xiàn)時間，根據(jù)水位庫容曲線查詢預(yù)報水位。結(jié)合預(yù)報成果，對水庫的水位進(jìn)行模擬仿真，直觀展示水位的漲落及狀態(tài)，為防汛調(diào)度決策提供可視化支撐。

6 結(jié)論

本文以嶗山水庫流域為例，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)建設(shè)的流程。該系統(tǒng)目前已上線運(yùn)行，效果良好。由于時間所限，系統(tǒng)還有許多不完善的地方，主要體現(xiàn)在：一是數(shù)字化場景范圍不夠大，目前只是水庫庫區(qū)至上游烏衣巷水文站；二是預(yù)報方案單一，只采用了經(jīng)驗法，不支持多方案優(yōu)選，未達(dá)到“四預(yù)”功能要求；三是未能實現(xiàn)與物理流域的同步仿真運(yùn)行。本次研究為數(shù)字孿生流域系統(tǒng)建設(shè)提供了一種思路，同時為系統(tǒng)的進(jìn)一步改造提升奠定了基礎(chǔ)■