實景三維技術(shù)在“智慧淮河”中的應(yīng)用探討

摘要：“智慧淮河”是全流域、全空間、全要素一體化智能感知畫面呈現(xiàn)，通過實景三維技術(shù)融合GIS、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、智能傳感器等新興技術(shù)搭建虛擬現(xiàn)實場景，從而有效提高水資源的利用率，提升淮河流域水利工程的管理水平與水旱災(zāi)害的治理與防御能力，促進淮河河道治理體系向智慧化、精細化、規(guī)范化、常態(tài)化轉(zhuǎn)變。本文主要就實景三維技術(shù)在智慧淮河建設(shè)中的應(yīng)用展開探討。

關(guān)鍵詞：實景三維；智慧淮河；大數(shù)據(jù)

簡單來說，實景三維是立體視覺系統(tǒng)，是對人們生活和生產(chǎn)生態(tài)空間真實的、立體的描述，是數(shù)字化虛擬空間的序列化體現(xiàn)與表現(xiàn)，是一種新的基礎(chǔ)地圖標(biāo)準產(chǎn)物，也是我國新一代基礎(chǔ)設(shè)施的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它能夠為我國社會經(jīng)濟發(fā)展，以及各個領(lǐng)域的信息化提供了統(tǒng)一的空間基點。這種虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以語義化、結(jié)構(gòu)化、支持人機交互、即時物理感知為基礎(chǔ)的立體空間實現(xiàn)的。在智慧淮河建設(shè)中，傳統(tǒng)的二維模型只能對數(shù)據(jù)進行籠統(tǒng)、粗略、宏觀的分析，在場景表達上比較單一、抽象，難以滿足淮河精細化、現(xiàn)代化的管理需求。

一、實景三維的工作原理

實景三維空間由空間數(shù)據(jù)體、物理感知數(shù)據(jù)和支持環(huán)境三部分組成，如圖1所示。

（一）空間數(shù)據(jù)體

空間數(shù)據(jù)體包括地理場景和地理實體兩部分。其中，地理場景包括數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）、真正射影像（TDOM）、矢量數(shù)據(jù)、傾斜模型三維模型等。地理場景主要包括基礎(chǔ)地理實體、三維模型構(gòu)件和其他實體。三維模型構(gòu)件主要有河道、堤防、涵閘、岸線、護堤地、灘地，以及沿淮行蓄洪區(qū)等。

（二）物聯(lián)感知數(shù)據(jù)

物聯(lián)感知數(shù)據(jù)包括大淮河實時感知數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)在線數(shù)據(jù)等。大淮河實時感知數(shù)據(jù)主要有實時視頻、圖形圖像、實時監(jiān)控等。物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)主要有水工程監(jiān)測、移動基站、車載導(dǎo)航、手機信令等實時影像?；ヂ?lián)網(wǎng)在線數(shù)據(jù)包括文字表格、地理位置等。

（三）支持環(huán)境

支持環(huán)境包括數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、建庫管理體系、應(yīng)用業(yè)務(wù)體系、軟件和硬件設(shè)施等。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是一個集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)融合為一體的系統(tǒng)。建庫管理是對各個數(shù)據(jù)庫進行整合和管理的體系。應(yīng)用服務(wù)是一個以應(yīng)用為導(dǎo)向的業(yè)務(wù)體系。軟件和硬件設(shè)施包括網(wǎng)絡(luò)的自主掌控、安全和存儲設(shè)備、計算機、顯示器、輔助軟件等。

二、實景三維技術(shù)優(yōu)勢

實景三維可以高精度還原淮河工程各實體構(gòu)件及全河道場景，為智慧淮河提供可視化、直觀化的環(huán)境信息和空間信息。以實景三維為基礎(chǔ)的智慧淮河平臺具有以下優(yōu)勢：

（一）全河道場景還原更真實

與市區(qū)智慧服務(wù)場景建模不同的是，智慧淮河建設(shè)需要對大尺度全河道進行可視化表達，而淮河流域區(qū)域分布廣、地形環(huán)境復(fù)雜、地勢落差較大，傳統(tǒng)的測量技術(shù)在實現(xiàn)流域可視化方面存在很大的困難。而實景三維技術(shù)可以高效率、低成本地還原不同流域的現(xiàn)實全景，為智慧淮河平臺建設(shè)提供真實的三維數(shù)據(jù)底版。

（二）智慧化數(shù)據(jù)分析更準確

智慧淮河建設(shè)的一項重要內(nèi)容是構(gòu)建數(shù)字孿生平臺。平臺采集不同時段的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維實景數(shù)據(jù)存儲，通過對不同時段三維實景數(shù)據(jù)對比，真實、直觀地反映河勢變化、險工險段變化及管理范圍障礙物增減情況，通過對比分析有效推動淮河的安全建設(shè)和管理，同時通過智慧淮河平臺建設(shè)支撐淮河工況預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的模擬仿真體系。

（三）輔助AI風(fēng)險預(yù)警更智能

智慧淮河平臺基于實景三維底圖數(shù)據(jù)，通過監(jiān)測集成數(shù)據(jù)、智能傳感器傳回的實時數(shù)據(jù)，并結(jié)合三維模型中的地形、高程、周邊環(huán)境等三維信息，輔助AI算法，能夠智能判斷淮河流域全區(qū)或重點監(jiān)測區(qū)正在發(fā)生的狀況及潛在風(fēng)險。

三、實景三維技術(shù)在“智慧淮河”中的應(yīng)用構(gòu)想

（一）建立險工險段實景三維可視化監(jiān)測平臺

建立系統(tǒng)的淮河干流及其支流的險工險段監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析平臺，以便隨時分析和把握險工險段演變狀況，對防洪安全十分重要。而建立險工險段實景三維孿生數(shù)據(jù)平臺是更直觀、更精準、更有效的防控監(jiān)測方法。而淮河干流及主要支流水下崩岸就是淮河中游險工險段的重要表現(xiàn)形式之一，如淮河干堤喬口子、啞巴渡等崩岸段，局部水下岸坡度僅為1.21：0.5，部分坡度為1：0.5，河岸線距干堤堤腳僅10～20m。目前，監(jiān)測方法大多是采用單波束測深儀獲取水下數(shù)據(jù)，然后按照不同年份或時段的資料繪成圖并做對比分析。實景三維可視化監(jiān)測平臺可以將二維變成三維、平面圖轉(zhuǎn)為立體，更直觀、更精準、更有效地提升監(jiān)測水平。利用多波束測深和水下側(cè)掃聲吶的共同作業(yè)，獲取逐年或不同時段的實景三維成果并入監(jiān)測平臺，通過不同年份的數(shù)據(jù)底版，在平臺中的可視化模型實景進行對比、演算和智能分析，為險情演變、搶險排險、除險加固設(shè)計等發(fā)揮更大的支撐作用。

（二）建立堤防管理三維實景數(shù)據(jù)模型平臺

堤防管理是河道日常管理的重要組成部分。目前，堤防巡查、實地攝像或者視頻監(jiān)控都具有即時性和短存性的特點。而利用車載或者機載三維激光掃描獲取數(shù)據(jù)，建立三維可視化堤防及其附屬設(shè)施可視化監(jiān)管平臺，在三維場景中可實現(xiàn)快速自動還原建筑、道路、堤防、護堤地、水塘以及地表植被等細節(jié)，對堤防及涉河項目的管理具有十分重要的意義。另外，通過數(shù)據(jù)入庫和查詢對比，對河道部門依法管理提供了重要的依據(jù)。

例如，淮河某管理單位就涉及過堤道路拆除賠償問題，歷史實況實景資料就是訴訟勝敗的重要證據(jù)之一。另外，通過三維實景的獲取和對比，就能對違章設(shè)施等涉河建設(shè)項目進行有效的管控，對河道綠化狀況和規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

（三）建立全河道實景三維可視模型

陸上數(shù)據(jù)采集以機載數(shù)碼傾斜攝影和三維激光掃描為主要獲取方式，水下部分數(shù)據(jù)采集以多波束測深儀及側(cè)掃聲吶為主要獲取方式。建立以淮河干流為軸線，構(gòu)建淮河全河道的三維模擬環(huán)境，可以對淮河流域水工程項目進行可視化瀏覽、查詢、分析和模擬。該系統(tǒng)以河流與堤壩兩側(cè)地形模型庫、淮河流域水工程模型庫、專題數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立了虛擬現(xiàn)實模型。與此同時，通過數(shù)據(jù)庫、GIS等現(xiàn)代技術(shù)，搭建淮河流域三維虛擬現(xiàn)實，實現(xiàn)淮河流域三維動態(tài)交互式瀏覽及水利工程項目成果的三維可視化。通過河道水利設(shè)施管理、綜合管理施工、運營等方面的信息，在模擬環(huán)境中靈活查詢、顯示堤防、水閘、危險工段等；通過空間分析、計算、查詢等功能，構(gòu)建了一個以真實場景為基礎(chǔ)的可視輔助決策的支撐系統(tǒng)；可使用二維、三維場景漫游，坐標(biāo)定位，工程查詢、工程分布，飛行路線，斷面分析，距離測量，專題圖管理、緩沖區(qū)分析、面積測量、圖層控制等功能。

（四）建立洪水預(yù)報及演進平臺

實景三維技術(shù)是一種實現(xiàn)空間動態(tài)、空間信息處理與分析的新技術(shù)。在一體化入庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)支撐的基礎(chǔ)上，為洪水預(yù)報與演進模擬提供一種全面的多元化空間信息，可以觀察、操作和分析三維虛擬平臺中的洪水演變規(guī)律，并根據(jù)不同的地形、不同的河道，確定洪水的上游和下坡率，并實時計算洪水的淹沒范圍和高度，從而更好地掌握洪水發(fā)生的全過程。

（五）建立氣象監(jiān)測預(yù)警平臺

利用實景三維技術(shù)，結(jié)合淮河流域氣象資料、區(qū)域地形、河網(wǎng)等資料，建立氣象監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。根據(jù)天氣因子的動態(tài)變化，科學(xué)預(yù)報其對淮河流域的水域、水利設(shè)施的影響程度。對于一些極端天氣，如臺風(fēng)等，氣象監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)會將臺風(fēng)的運行路線、時間信息等信息輸入實景三維模型中，實時顯示臺風(fēng)的登錄時間和位置，并及時發(fā)布警報。

（六）打造智慧淮河“一張圖”

智慧淮河“一張圖”以實景三維數(shù)據(jù)為基底，以智能感知、數(shù)據(jù)融合、智能應(yīng)用三大體系為支撐，實現(xiàn)淮河工況監(jiān)測、數(shù)據(jù)支撐、綜合監(jiān)督的一體化全過程管理。以日常狀態(tài)與應(yīng)急狀態(tài)為架構(gòu)維度。在日常狀態(tài)下，可對淮河整體流域?qū)崿F(xiàn)多源數(shù)據(jù)常態(tài)化監(jiān)測與記錄；在應(yīng)急狀態(tài)下，形成集預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案于一體的全過程淮河流域應(yīng)急管理解決方案，完美契合智慧淮河災(zāi)害管理與防治所需。在災(zāi)害發(fā)生之前，可基于實景三維模型，以災(zāi)害數(shù)據(jù)或案例為藍本，對災(zāi)害進行模擬、推演與判斷，力求在災(zāi)害發(fā)生之前完善應(yīng)對措施。在災(zāi)害發(fā)生之后，可通過實景三維模型融合監(jiān)測風(fēng)險數(shù)據(jù)、數(shù)字預(yù)案、協(xié)同救援、資源分配等內(nèi)容，提供精準、高效的應(yīng)急救援路線和應(yīng)急解決方案，最大限度地減少受災(zāi)面與受災(zāi)人群。

四、實景三維在具體應(yīng)用中存在的問題及處理措施

在具體施測和精度評估中，由于缺乏清晰的標(biāo)準，造成了在目標(biāo)精確度范圍之內(nèi)原始資料的冗余，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)的運行壓力增加，也會影響后續(xù)的工作效率。三維建模過程中存在著建模失真、空洞、不完整等問題，因此，在實際應(yīng)用前，往往需要進行大量的人工檢驗和修正，這與實景三維技術(shù)的高效率、低成本的優(yōu)勢相悖。

該項技術(shù)目前仍處于演示階段，并未實現(xiàn)真正的信息化，即以真實的三維模型為基礎(chǔ)進行智慧淮河的建設(shè)，其功能尚不健全。為此，打造“智慧淮河”的技術(shù)支撐硬件、軟件都在不斷探索、發(fā)展和更新中。

實景三維模型包含的信息主要有地理空間信息，而淮河流域的水系、水利設(shè)施、水利工程、水資源、水環(huán)境、氣象（預(yù)報、雷達、云圖）、水雨情信息、工情信息等數(shù)據(jù)尚需進一步融合在地理空間大信息平臺中。

結(jié)合實際情況，采取的措施如下：一是提高對孿生數(shù)字平臺建設(shè)的認識，為智慧淮河的高質(zhì)量發(fā)展提供有計劃、有針對性、系統(tǒng)性強的入庫數(shù)據(jù)庫。二是根據(jù)淮河流域地形的復(fù)雜性，在保證實際場景的三維建模精度的基礎(chǔ)上，采取不同的方法，通過改變飛行高度以及更換相機鏡頭、研究與實現(xiàn)自動化的三維建模數(shù)據(jù)修復(fù)功能等方式減少原始數(shù)據(jù)體量，縮減數(shù)據(jù)處理時間，輔助提高人工精修的工作效率，減少工作量。三是探索實景三維模型的可編輯性、可拓展性，使數(shù)據(jù)成果可以盡快地參與智慧淮河的建設(shè)中。四是研發(fā)新型數(shù)據(jù)融合技術(shù)，開展虛擬現(xiàn)實三維建模，有效支持各種應(yīng)用程序正常運行，與此同時，支持數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘工作，真正實現(xiàn)智慧淮河“一張圖”。五是在“智慧淮河”建設(shè)的框架基礎(chǔ)上，把統(tǒng)籌性、實物性、聯(lián)動性、智能性和保障性融合起來，統(tǒng)籌謀劃，以豐富平臺數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

五、結(jié)語

綜上所述，實景三維技術(shù)為“智慧淮河”提供了新的管理手段和管理模式，大幅度加快了“智慧淮河”的建設(shè)進程。實景三維技術(shù)可以高精度還原淮河工程各實體構(gòu)件及全河道場景，為“智慧淮河”提供可視化、直觀化的環(huán)境信息和空間信息?！爸腔刍春印逼脚_具有全河道場景還原更真實、智慧化數(shù)字分析更準確、輔助AI風(fēng)險預(yù)警更智能等優(yōu)勢，提升了全面提升河流治理能力。

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作者簡介：何亞（1987），女，工程師、注冊測繪師，研究方向為無人機、攝影測量、實景三維技術(shù)、GIS等在淮河管理、城市建設(shè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。