古運河揚州段數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板建設關鍵技術研究

徐 偉，管莉莉，李登富，王之順，馬萬泉

（1.江蘇省工程勘測研究院有限責任公司，江蘇揚州 225002；2.江蘇省太湖水利設計研究院有限公司揚州分公司，江蘇揚州 225002）

1 概 述

隨著衛(wèi)星遙感、物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、虛擬仿真技術的飛速發(fā)展，智慧水利不斷推進，通過信息基礎設施和數(shù)字孿生平臺實現(xiàn)與物理流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化，數(shù)字孿生在水利領域正處于探索和推進階段［1-3］。

數(shù)據(jù)是智慧水利建設不可或缺的一部分，數(shù)據(jù)底板是數(shù)字孿生流域建設的重點任務之一［4］。本項目以古運河揚州段為研究示范點，為推動古運河揚州段數(shù)字孿生建設，建設數(shù)據(jù)底板并構建古運河揚州段水陸一體三維數(shù)字化場景。測繪技術的發(fā)展提升對水利數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板的采集和建設具有重要意義。

目前，數(shù)字孿生河道數(shù)據(jù)底板主要是通過RTK、航空攝影測量、三維激光掃描、水下多波束探測等方式獲取?；凇翱仗斓厮币惑w化采集手段獲取的多源異構數(shù)據(jù)，匯聚融合處理并進行挖掘服務，從而構建覆蓋古運河揚州段的數(shù)據(jù)底板，為古運河揚州段數(shù)字孿生提供“算據(jù)”支撐。基于數(shù)據(jù)底板搭建古運河揚州段數(shù)字孿生三維應用展示系統(tǒng)，實現(xiàn)古運河揚州段的水陸一體三維可視化、三維實景數(shù)字場景展示、水位監(jiān)測和雨量風險預警等模擬分析。

2 數(shù)據(jù)底板分析

2.1 研究區(qū)概況

古運河揚州段是整個運河中最古老的一段，也是揚州市13 條直管河道之一，從灣頭黃金壩、大水灣、寶塔灣、揚子橋至瓜洲入長江，總長29.3 km，構成著名的“揚州三灣”。

2.2 數(shù)據(jù)底板組成

在水利一張圖基礎上，收集地理空間數(shù)據(jù)、基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務管理數(shù)據(jù)，充分整合現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫信息資源，構建古運河揚州段數(shù)據(jù)底板。

2.2.1 地理空間數(shù)據(jù)

地理空間數(shù)據(jù)主要包括DOM（數(shù)字正射影像）、陸上和水下的DEM（數(shù)字高程模型）、河道斷面數(shù)據(jù)、河道河口線外150 m 范圍和閘站的傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)、三維激光點云、多波束掃測水下地形等。

2.2.2 水利基礎數(shù)據(jù)

從江蘇省第一次全國水利普查成果中獲取了河道基本情況、水利工程的相關數(shù)據(jù)。河道基礎數(shù)據(jù)包含水利對象數(shù)據(jù)、工程屬性數(shù)據(jù)。

2.2.3 業(yè)務數(shù)據(jù)

包含古運河揚州段和施橋船閘的水利工程特征數(shù)據(jù)，防汛防旱、河湖管理、工程管理等數(shù)據(jù)。

2.2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)

監(jiān)測信息主要包括水位、流量、雨量等數(shù)據(jù)；古運河揚州段及閘站工程已建水文站的雨情、水位、流量等數(shù)據(jù)；還包含古運河揚州段關鍵部位、管理區(qū)出入口、閘室前后的視頻監(jiān)視數(shù)據(jù)等。

3 數(shù)據(jù)底板構建

3.1 技術路線

數(shù)據(jù)底板作為信息化的重要組成部分，涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合治理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務應用等環(huán)節(jié)［5］。數(shù)據(jù)底板的建設目標是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)共享體系的基礎上，基于全省水利一張圖，收集古運河揚州段范圍的水利基礎數(shù)據(jù)，通過“空天地水”一體化基礎感知體系的采集、監(jiān)測手段獲取地理空間數(shù)據(jù)、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并匯聚業(yè)務管理數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)引擎進行數(shù)據(jù)融合、治理與挖掘，實現(xiàn)基礎數(shù)據(jù)統(tǒng)一、全要素的數(shù)字化映射，二三維一體化、跨業(yè)務的古運河揚州段數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板。數(shù)據(jù)底板構建技術路線，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)底板構建的總體思路

3.1.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)底板所需融合匯聚的各種數(shù)據(jù)源，通過不同采集手段獲取的數(shù)據(jù)。如無人機傾斜攝影采集構建三維傾斜攝影模型，機載雷達點云、多波束掃測獲取地面及水下數(shù)字高程數(shù)據(jù)，全景720°相機拍攝實景影像等。

3.1.2 數(shù)據(jù)匯聚

按照統(tǒng)一的標準進行數(shù)據(jù)整理、清洗，依托數(shù)據(jù)匯聚引擎來實現(xiàn)，對各類結構化與非結構化數(shù)據(jù)、實時與歷史數(shù)據(jù)、其他行業(yè)數(shù)據(jù)進行匯集，實現(xiàn)古運河揚州段數(shù)據(jù)資源匯集調度的統(tǒng)一管控。

3.1.3 數(shù)據(jù)融合治理

數(shù)據(jù)底板中包括衛(wèi)星遙感影像、高分辨率DOM、水陸DEM、激光點云數(shù)據(jù)、河道及閘站傾斜攝影模型等多源異構數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)尺度不同，需對不同數(shù)據(jù)源進行空間配準及融合，解決多源數(shù)據(jù)一致性、空間數(shù)據(jù)一致性、對象邏輯一致性等問題。

對各類數(shù)據(jù)按照相關要求和規(guī)范建立項目數(shù)據(jù)標準，實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合和存儲。通過建立項目數(shù)據(jù)標準，構建完整的數(shù)據(jù)管理體系，對治理匯集后的多源異構數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一規(guī)范管理，避免數(shù)據(jù)冗余或沖突。

3.1.4 數(shù)據(jù)挖掘與服務

基于治理后的數(shù)據(jù)，構建對象基礎屬性、空間屬性一體化存儲，實現(xiàn)屬空一體化高速檢索，全面支撐數(shù)字孿生應用所需的屬空一體化查詢、統(tǒng)計和分析功能。以資源整合成果為基礎，治理形成統(tǒng)一語義、相互關聯(lián)的數(shù)據(jù)底板，為數(shù)據(jù)分析和模型分析提供基礎，為雨量預警、水位監(jiān)測提供算據(jù)支撐。

3.2 關鍵技術

3.2.1 三維模型輕量化技術

數(shù)據(jù)底板中的傾斜攝影三維模型作為實景場景構建的主要數(shù)據(jù)源，由于數(shù)據(jù)量大造成平臺加載速度和數(shù)據(jù)存儲的壓力，解決這一問題的途徑是對模型進行輕量化處理。

通過基于向量夾角和邊緣檢測方法，設置合理閾值刪除冗余頂點和重復頂點，最后利用三角網生長法等方法將三角網優(yōu)化產生的空洞進行補填，減少了數(shù)據(jù)節(jié)點數(shù)從而簡化三角網。最大程度壓縮紋理，有效控制紋理圖片大小。

根據(jù)壓縮后紋理數(shù)據(jù)和簡化后三角網數(shù)據(jù)重構新的OSGB 文件，實現(xiàn)海量三維模型數(shù)據(jù)壓縮優(yōu)化，從而實現(xiàn)降低數(shù)據(jù)加載對網絡環(huán)境和硬件設備的要求，提升渲染效率和在三維可視化平臺運行的流暢性。傾斜攝影三維模型輕量化的技術方法，如圖2 所示。輕量化處理后，三維場景模型文件存儲大小降低35%；實現(xiàn)場景模型在三維可視化平臺中的加載效率提升45%。

圖2 三維模型輕量化的技術流程

3.2.2 多源異構數(shù)據(jù)融合

對采集匯聚的原始數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準及“四預”業(yè)務應用需求進行多維多尺度數(shù)據(jù)融合處理。由于數(shù)據(jù)分辨率、時相、格式、空間參考不一致等存在沖突，需要通過字段映射、空間投影變換、疊加、人工核實等方式進行融合處理?？臻g數(shù)據(jù)存在空間、矢量與影像數(shù)據(jù)無法套合，需要通過空間數(shù)據(jù)處理工具進行一致性處理?？臻g數(shù)據(jù)融合包括水陸地形一體化集成、地形與傾斜攝影數(shù)據(jù)融合等。

機載雷達獲取地面高程與多波束水下掃測方式分別獲取的高程數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)縫隙。通過多技術手段采集補充岸邊高程數(shù)據(jù)，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法，提高數(shù)據(jù)精度，陸上水下高程數(shù)據(jù)縫合后實現(xiàn)一體化集成。

3.2.3 三維實景數(shù)字場景構建

古運河揚州段數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板構建的首要任務是建設由地理空間數(shù)據(jù)、水文在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻等物聯(lián)感知數(shù)據(jù)以及信息支撐環(huán)境組成的數(shù)字化場景。

利用無人機傾斜攝影技術，構建古運河揚州段29.3 km、河口線外150 m 范圍內的三維實景模型，通過數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)輔助地形高度校正，模型數(shù)據(jù)地面分辨率精度優(yōu)于5 cm，高程精度優(yōu)于4 cm。通過貼近攝影測量技術采用無人機三維航拍+手持相機補拍方式實現(xiàn)閘站的精細單體化建模。綜合加載機載雷達和多波束獲取的高精度的陸上水下一體化的數(shù)字地形數(shù)據(jù)和DOM、多級地名、街景、POI 等地理信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對全部要素的數(shù)字化映射、加載、渲染和展示。

古運河揚州段三維數(shù)字化場景建設，實現(xiàn)數(shù)字河道的虛擬空間與物理空間真實對應，實現(xiàn)對數(shù)字場景的精細化高仿真呈現(xiàn)，場景式城市河道數(shù)據(jù)底板專題圖依托3D+GIS、VR/AR等技術的可視化引擎進行呈現(xiàn)，結合城市河道洪水聯(lián)合調度等業(yè)務特點，以及定制開發(fā)的可視化模型的處理、集成，實現(xiàn)空間分析結果、仿真結果等可視化。

3.2.4 在線監(jiān)測

利用衛(wèi)星、雷達等遙感技術，無人機、無人船、機器人等監(jiān)測手段實現(xiàn)大尺度的動態(tài)監(jiān)測預警。運用智能視頻監(jiān)控和720°全景圖像采集，通過圖像智能分析軟件實現(xiàn)自動識別場景中的異常；通過傳感器及5G、物聯(lián)網等手段結合算法實現(xiàn)雨量自動監(jiān)測、水位自動預警。通過高分辨率航天、航空遙感技術和地面水文監(jiān)測技術的有機結合，推進建立洪水“空天地”一體化監(jiān)測系統(tǒng)，提高城市河道洪水監(jiān)測體系的覆蓋度和精度。

4 應用平臺研究

研發(fā)基于數(shù)字孿生技術的城市河道數(shù)據(jù)底板應用平臺，采用WebGL 技術和Cesium 三維渲染引擎，處理海量三維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多源異構數(shù)據(jù)的集成，通過三維模型數(shù)據(jù)輕量化處理技術、可視化表達技術實現(xiàn)數(shù)字化場景快速渲染查詢。構建水利基礎信息與業(yè)務深度融合的平臺，滿足城市水利工程管理要求。平臺接入古運河揚州段視頻監(jiān)控、視頻硬件等設備數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時查看古運河揚州段周邊景觀和生態(tài)環(huán)境的功能。通過水雨情傳感器實現(xiàn)水位和雨量的實時監(jiān)測，平臺調用算法實現(xiàn)模擬、分析、預演預警等功能。古運河揚州段數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板應用平臺總體架構見圖3。

圖3 古運河揚州段數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板應用平臺總體架構

4.1 基礎設施

基礎設施層是整個數(shù)字孿生體系的基礎支撐，包含智能測繪“空天地水”一體化感知設備，負責信息采集與安全傳輸。本項目是通過多旋翼無人機進行傾斜攝影，機載雷達點云獲取地面高程，多波束側掃水下采集水下高程，720°全景相機實時拍攝河道重要節(jié)點及閘站的環(huán)境監(jiān)測影像，雨量、水位監(jiān)測傳感器實時監(jiān)測。

4.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、融合、存儲、處理等，為水利數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板平臺提供基礎數(shù)據(jù)支撐，基礎數(shù)據(jù)包括古運河揚州段周邊高分辨率數(shù)字正射影像、傾斜攝影模型數(shù)據(jù)、機載雷達點云及水下多波束掃測的高程數(shù)據(jù)、實時環(huán)境信息圖像及視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

4.3 應用層

借助WebGIS和多源數(shù)據(jù)融合技術等實現(xiàn)古運河揚州段數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板數(shù)據(jù)融合與集成、三維可視化查詢、綜合展示查詢、雨量水位監(jiān)測和洪水預演預警仿真模擬等，實現(xiàn)虛實之間的信息實時互動等，如圖4所示。

圖4 古運河揚州段洪水預演預警與雨情監(jiān)測預警

4.4 用戶層

包括揚州市水利局各業(yè)務主管部門、相關閘站管理單位以及數(shù)據(jù)共享需求單位等部門，以Web門戶終端、移動端的形式，體驗多場景的業(yè)務管理和交互界面。

5 結 語

本文從三維地理空間數(shù)據(jù)處理、三維模型輕量化及傾斜攝影、遙感影像、水下地形等多源數(shù)據(jù)融合、集成等方面，詳細論述了古運河揚州段數(shù)據(jù)底板的建設方法。采用Cesium 三維地球引擎和WebGL 技術研發(fā)的古運河揚州段數(shù)據(jù)底板展示應用平臺，實現(xiàn)實景三維數(shù)字場景構建、陸上水下三維一體化查詢、洪水預演預警可視化表達，展示了基于WebGL 的古運河揚州段數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板分析應用效果。

本文研究了城市河道數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)底板構建相關技術現(xiàn)狀，為探索城市河道數(shù)字孿生建設提供借鑒，但難以全面反映數(shù)字孿生流域數(shù)據(jù)底板技術進展，需要在下一步實踐中進一步完善。