數(shù)字經(jīng)濟背景下“孿生海洋”信息模型設(shè)計

賈思洋 王春曉 王旭 劉長華

（中國科學(xué)院海洋研究所 山東省青島市 266071）

“孿生海洋”信息模型將充分利用海洋觀測的原始數(shù)據(jù)，構(gòu)建多尺度、多類型、多模態(tài)科研數(shù)據(jù)融合分析基礎(chǔ)，實現(xiàn)空間GIS、三維設(shè)計、多層水質(zhì)、視覺特效、BI 套件的“五合一”數(shù)據(jù)融合展示[1]。同時，“孿生海洋”信息模型將打破數(shù)據(jù)孤島，減少平臺構(gòu)建冗余，突破傳統(tǒng)多個基礎(chǔ)能力平臺需要配套多個可視化平臺的展示的模式，為未來5G/B5G 環(huán)境下的實時性“克隆海洋”提供技術(shù)支撐。

1 “孿生海洋”信息模型設(shè)計背景

近年來，我國提出“發(fā)展海洋經(jīng)濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，加強建設(shè)海洋強國”的總體目標(biāo)，世界各國紛紛加入到圍繞海洋的資源競爭當(dāng)中[2]。在此背景下，為推動海洋經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展，提升信息化服務(wù)能力與水平，加速重大創(chuàng)新成果產(chǎn)出，“孿生海洋”信息模型將基于大量的海洋觀測數(shù)據(jù)，為打造基于海洋信息模型的“數(shù)字孿生海洋”沉浸式科研平臺，形成先進的信息化技術(shù)應(yīng)用示范，為數(shù)字孿生技術(shù)在多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用探索路徑。

2 “孿生海洋”信息模型設(shè)計任務(wù)

（1）數(shù)據(jù)管理平臺建設(shè)?；谠己Ｑ髷?shù)據(jù)，構(gòu)建海洋全空間信息模型，匯聚海洋多源異構(gòu)數(shù)據(jù)（GIS/BIM/IOT），通過數(shù)據(jù)流程化處理工藝，將各類型數(shù)據(jù)有機關(guān)聯(lián)在一起，開展海洋大數(shù)據(jù)資源管理及分析、孿生場景構(gòu)建及編輯。

（2）應(yīng)用支撐平臺建設(shè)。在數(shù)據(jù)管理平臺基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)空間GIS、三維設(shè)計、多層、視覺特效、BI 套件的“五合一”數(shù)據(jù)融合，統(tǒng)一平臺支撐，滿足“海陸空”一體化的孿生數(shù)據(jù)融合展示。

（3）“孿生海洋”（XR）平臺建設(shè)。依托數(shù)據(jù)管理平臺、應(yīng)用支撐平臺，整合數(shù)字地圖、 BIM 數(shù)據(jù)、遙感影像、國土空間等空間類數(shù)據(jù)，接入浮標(biāo)原始數(shù)據(jù)、融合數(shù)據(jù)、可視數(shù)據(jù)，構(gòu)建能夠在數(shù)字大屏、智能終端、可穿戴設(shè)備等多平臺全方位展現(xiàn)的“孿生海洋”，提供沉浸式的臨場體驗。

3 “孿生海洋”信息模型設(shè)計內(nèi)容

通過數(shù)字孿生技術(shù)和XR 技術(shù)，搭建海洋3D 數(shù)字孿生海洋，基于Unity 開發(fā)，具有良好的平臺擴展性?！皩\生海洋”信息模型部署在PC 端，用戶可通過顯示器、大屏電視進行應(yīng)用體驗。

3.1 數(shù)字孿生模型處理

涉及模型主要包括：一套高精度海洋浮標(biāo)模組、海洋場景等。

3.1.1 孿生海洋3D 建模

（1）統(tǒng)一單位為厘米cm。模型導(dǎo)出前轉(zhuǎn)為Edit Poly 方式，導(dǎo)出格式為：FBX。

（2）三維模型底部中心點坐標(biāo)應(yīng)為（0, 0, 0）。

（3）模型布線合理，不得出現(xiàn)破面、共面、漏面和反面現(xiàn)象；合并斷開頂點，移除孤立頂點。

（4）不同紋理之間應(yīng)保持統(tǒng)一的色調(diào)、曝光度、對比度、飽和度。

（5）相同尺寸、外觀、輪廓的模型幾何應(yīng)采用復(fù)用方式建模。

（6）相同顏色、材質(zhì)、色調(diào)的模型紋理應(yīng)復(fù)用紋理貼圖。

（7）保持模型面與面之間的距離推薦最小間距為當(dāng)前場景最大尺度的l/2000。

（8）模型不能使用中文名，必須使用英文名；模型不允許岀現(xiàn)重名，必須按規(guī)范命名。

（9）模型比例正確，按實物標(biāo)準1:1 建模。

（10）模型結(jié)構(gòu)清晰，三維模型要結(jié)構(gòu)清楚。

（11）帶有鏤空物品模型，單獨拆分。

（12）交互的模型要獨立拆分岀來，模型軸心要對號交互中心。

3.1.2 模型貼圖處理

（1）紋理圖片的單位尺寸需滿足數(shù)額為2 的N 次方且不低于256×256。

（2）材質(zhì)貼圖輸岀格式：tga 文件格式。沒有透明通道24 位，有透明通道的32 位。

（3）材質(zhì)貼圖的底色采用整個建筑模型的大色，光影關(guān)系要統(tǒng)一。

（4）材質(zhì)貼圖命名規(guī)范：對應(yīng)模型的命名，不可使用中文名，不可重名。

（5）材質(zhì)貼圖紋理要清晰，比例合理。

（6）貼圖使用PBR 材質(zhì)，最終輸出三張貼圖，分別為：AlbedoTransparency map、 MetallicSmoothness map 和Normal map。

3.2 可視化場景渲染

3.2.1 可視化模型展示

（1）一套寫實風(fēng)格的高精度浮標(biāo)模組。

（2）零件模。

（3）海洋場景，包括滸苔、植被、島礁、海水、船體等。

3.2.2 海洋分層結(jié)構(gòu)展示

（1）在建模時對模型進行分類定義標(biāo)簽，對于不同的設(shè)備、流程、數(shù)據(jù)面板以及數(shù)據(jù)類型進行標(biāo)簽化。

（2）在虛擬場景搭建時，對模型標(biāo)簽進行抽象歸類設(shè)置顯示/隱藏選項。

（3）支持在體驗數(shù)字孿生漫游過程中，對顯示對象（標(biāo)簽項）進行單選、多選或全選。

4 實現(xiàn)路線

“孿生海洋”信息模型支持海洋基礎(chǔ)場景環(huán)境和三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的白天模式、黃昏和夜晚模式；支持降水、臺風(fēng)、洋流、環(huán)流等海洋氣象現(xiàn)象的沉浸展示；支持風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、相對濕度、能見度等氣象參數(shù)，水溫、電導(dǎo)率、波浪、波周期、波向、流速、流向等水文參數(shù)，以及葉綠素、濁度、溶解氧等水質(zhì)數(shù)據(jù)[3]。為滿足以上功能，“孿生海洋”信息模型在整體架構(gòu)設(shè)計和技術(shù)構(gòu)成方面有著一定的特殊性。

4.1 總體架構(gòu)

“孿生海洋”信息模型可實現(xiàn)超大場景基礎(chǔ)地理信息和三維數(shù)據(jù)統(tǒng)一承載，支持局部-億級三角面場景流程運行；支持對水體、滸苔、海洋垃圾及其他場景元素的動態(tài)展示；完成對異常數(shù)據(jù)和狀況的監(jiān)測和報警。結(jié)合各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，支持綜合大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)綜合查詢功能?！皩\生海洋”信息模型總體架構(gòu)如圖1 所示，總體分成數(shù)據(jù)層、工具層、應(yīng)用層三個層面。

圖1：“孿生海洋”信息模型總體架構(gòu)

4.1.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要和黃海站和東海站觀測的原始數(shù)據(jù)以及其他重要數(shù)據(jù)為原料實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理等基本功能。數(shù)據(jù)類型涵蓋GIS、BIM、IOT、海洋空間規(guī)劃數(shù)據(jù)、應(yīng)用設(shè)計數(shù)據(jù)等；數(shù)據(jù)處理的模塊包括不同類型數(shù)據(jù)之間的格式統(tǒng)一、輕量化處理、地質(zhì)數(shù)據(jù)處理、海洋設(shè)施空間化處理、時空數(shù)據(jù)空間化處理等；場景管理的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)資源管理與分析、孿生場景構(gòu)建工具、場景編輯工具等。

4.1.2 工具層

工具層中聚合了基于數(shù)據(jù)分析模型的中間件。總體上細分為海洋孿生可視引擎與控制管理工作臺兩個小層級。海洋孿生可視引擎中的內(nèi)容包含時空數(shù)據(jù)可視化、海洋模型可視化、多層地址可視化、多維屬性可視化、視覺特效和交互可視化特效等；模擬數(shù)據(jù)與分析模塊能夠完成漫游、GIS 量測、日照分析、挖填方分析、淹沒分析、視域分析等空間分析，災(zāi)害應(yīng)急模擬、職住分析、通勤分析、事件熱力分析、交通運行仿真、遙感影像對比分析等地理運行模擬，三維碰撞檢測等模擬計算。

4.1.3 應(yīng)用層

根據(jù)實際的業(yè)務(wù)需求，用戶可在應(yīng)用層使用底層的工具和接口按照需求搭建定制化的應(yīng)用程序，并且選擇數(shù)字孿生的體驗方式[4]。典型的應(yīng)用包括規(guī)劃成果管理、規(guī)劃審查等海洋規(guī)劃應(yīng)用，海洋體驗、數(shù)據(jù)大腦、水務(wù)環(huán)境及大陸架的建模、以及設(shè)計方案審查應(yīng)用。此類效果能夠在超大屏、個人電腦、智能手機、以及XR 設(shè)備上進行多方位的展示。

4.2 技術(shù)路線

“孿生海洋”信息模型設(shè)計整合“數(shù)字孿生場景”的流水線生產(chǎn)工具集，集聚數(shù)字化模擬全要素資源，快速構(gòu)建“數(shù)字孿生海洋”及應(yīng)用，并且使用云原生技術(shù)路線來實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯。

4.2.1 地理信息融合技術(shù)

通過自行開發(fā)的GIS 工具，完成對DOM/DEM、DLG、河道道路等矢量數(shù)據(jù)以及POI 興趣點數(shù)據(jù)的導(dǎo)入工作，實現(xiàn)地理信息的輸入；通過數(shù)據(jù)模型構(gòu)件工具復(fù)刻水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等完成基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)的融合；通過場景編輯工具完成精細場景的編輯，細化浮標(biāo)面數(shù)據(jù)、三維設(shè)計數(shù)據(jù)、三維激光掃描數(shù)據(jù)，完成最終的OIM成果展示。最后由系統(tǒng)集成接口實現(xiàn)對海洋業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、運營商數(shù)據(jù)、氣象站數(shù)據(jù)的信息整合工作。

構(gòu)建數(shù)字孿生海洋技術(shù)路線如圖2 所示。

圖2：構(gòu)建數(shù)字孿生海洋技術(shù)路線圖

4.2.2 高彈性云渲染技術(shù)

“孿生海洋”信息模型采用云渲染架構(gòu)，通過推流的方式將展示數(shù)據(jù)傳到終端。云原生應(yīng)用開發(fā)所構(gòu)建和運行的應(yīng)用，旨在充分利用基于四大原則的云計算模型：基于服務(wù)的架構(gòu)?；贏PI 的通信、基于容器的基礎(chǔ)架構(gòu)以及DevOps 流程見圖3 云原生應(yīng)用開發(fā)部署四大原則示意圖。

圖3：云原生應(yīng)用開發(fā)部署四大原則示意圖

結(jié)合大數(shù)據(jù)、云服務(wù)等三位渲染平臺，為海洋環(huán)境管理、海洋環(huán)境監(jiān)測信息化搭建多維感知、高效協(xié)同的智慧化平臺[5]。利用數(shù)字孿生技術(shù)為支撐體系，以海洋海量數(shù)據(jù)資源分析、計算機圖形學(xué)、多維傳感器、海洋分析為核心，統(tǒng)籌業(yè)務(wù)綜合多元價值理念[6]。將海洋數(shù)據(jù)動態(tài)可視化以“一張圖”的方式呈現(xiàn)，構(gòu)建海洋數(shù)字孿生體，通過平臺實現(xiàn)海洋時空動態(tài)，融合岸、海、空、天四大感知體系打通多部門網(wǎng)絡(luò)通道，支持智慧海洋數(shù)據(jù)匯聚共享。

5 總結(jié)

構(gòu)建“孿生海洋”信息模型是新時期海洋經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展的必然選擇，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬仿真技術(shù)在海洋領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，“孿生海洋”將通過對信息模型的不斷優(yōu)化，打造業(yè)務(wù)體系更加完善的海洋數(shù)據(jù)服務(wù)交互平臺。“孿生海洋”信息模型的構(gòu)建，將加快相關(guān)技術(shù)在多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的融合應(yīng)用，為構(gòu)建“孿生地球”奠定堅持的技術(shù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。