流域三維可視化與全景化管理研究與應(yīng)用

邱皓廷，秦挺峰，楊曉丹，張耀華

（1.無(wú)錫市水利局，江蘇 無(wú)錫 214000；2.無(wú)錫市河湖治理和水資源管理中心，江蘇 無(wú)錫 214000）

1 流域數(shù)字化管理研究現(xiàn)狀

流域管理涉及領(lǐng)域復(fù)雜，橫向可能涉及多省市、上下游；縱向涉及水利、生態(tài)環(huán)境、交通等多個(gè)部門；管理對(duì)象可能涉及泵站、閘站、河道、管網(wǎng)、景觀、道路、橋梁、岸線等，管理難度較大。當(dāng)前數(shù)字技術(shù)引領(lǐng)的新技術(shù)革命和新產(chǎn)業(yè)革命加速推進(jìn)，人類正加速進(jìn)入數(shù)字時(shí)代。將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用到流域管理工作中，能夠顯著提升流域管理的科學(xué)性和效率，使管理更細(xì)化充分，真正實(shí)現(xiàn)智慧管理。

數(shù)字化流域管理是水利信息化發(fā)展的必然方向，是實(shí)現(xiàn)流域管理與決策支持信息化的重要途徑，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。國(guó)內(nèi)對(duì)流域數(shù)字化工程研究也廣泛開展，華中科技大學(xué)張王乘等，主要致力于數(shù)字流域的開發(fā)與研究，開發(fā)了流域水情分析及模擬系統(tǒng)，可為防洪提供水文水情數(shù)據(jù)和洪水過(guò)程預(yù)演。清華大學(xué)張尚弘等，實(shí)現(xiàn)了流域的三維可視化功能，可結(jié)合水文水情信息和地理信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。當(dāng)前水利部已啟動(dòng)數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試項(xiàng)目，黃河、長(zhǎng)江、淮河等主要江河流域的數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)陸續(xù)實(shí)施，構(gòu)建了流域及工程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)資源庫(kù)。

但當(dāng)前常用流域可視化系統(tǒng)主要是基于GIS 實(shí)現(xiàn)水利模型和水情參數(shù)的可視化，正在推進(jìn)建設(shè)的數(shù)字孿生流域主要是基于3D+GIS、BIM 等技術(shù)，對(duì)流域內(nèi)地形、河流、道路、工程、模擬結(jié)果等進(jìn)行三維可視化渲染。以上系統(tǒng)可對(duì)河流水體、岸線利用情況和水利工程等提供演示和模擬仿真，但仍存在以下不足：一是現(xiàn)有的水動(dòng)力學(xué)模型及洪水模擬方法不能很好地滿足實(shí)時(shí)性要求；二是流域三維模擬展示的效果不好，尤其是對(duì)水運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真，如潰壩過(guò)程演進(jìn)、地表淹沒過(guò)程演進(jìn)、河道洪水過(guò)程等，還存在提升空間；三是缺少對(duì)流域歷史演變情況的儲(chǔ)存和模擬；四是由于傳統(tǒng)的攝像頭采集模式效率偏低，可視化系統(tǒng)可展示的流域內(nèi)特定位置的實(shí)景偏少。

2 流域可視化全景化基本概念

2.1 流域三維可視化顯示

“十四五”期間水利系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展的主要目標(biāo)是建設(shè)數(shù)字孿生流域，建設(shè)“2+N”水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用體系，建成智慧水利體系。借助數(shù)字孿生技術(shù)、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，可以對(duì)水利工程這類實(shí)體對(duì)象在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)仿真，即三維可視化。三維可視化是虛擬流域環(huán)境的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。過(guò)去由于GPU 算力有限，要使計(jì)算機(jī)中的數(shù)字孿生模型轉(zhuǎn)化為顯示器上的圖像，需要耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。但當(dāng)前GPU 性能的大幅度提高及云渲染圖傳效能的提升，以及虛擬現(xiàn)實(shí)和三維仿真技術(shù)的發(fā)展，使得虛擬流域的三維可視化仿真成為可能，并可在VR 頭戴設(shè)備上實(shí)現(xiàn)第一人稱視角的沉浸式體驗(yàn)。

流域三維可視化不但包括流域地形、地物以及河流水體的建模與場(chǎng)景實(shí)時(shí)漫游，而且可以與水文水情數(shù)學(xué)模型計(jì)算相結(jié)合，進(jìn)行方案論證、工程運(yùn)行管理等方面的模擬仿真，把水利計(jì)算中所涉及和產(chǎn)生的水文水情數(shù)值信息轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的、以圖形或圖像表示的、隨時(shí)間和空間變化的信息呈現(xiàn)在用戶面前，使用戶能夠觀察到數(shù)值計(jì)算和模擬的過(guò)程和結(jié)果，既有精確的數(shù)值分析結(jié)果，同時(shí)還提供了與計(jì)算和模擬過(guò)程的視覺交互手段，并可以對(duì)數(shù)學(xué)模型的合理性進(jìn)行有效性分析，從而更加科學(xué)地對(duì)流域開發(fā)規(guī)劃、防洪減災(zāi)和提供輔助決策支持。

2.2 流域全景化顯示

三維可視化實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)流域的虛擬再現(xiàn)，但是其所構(gòu)筑的三維流域場(chǎng)景缺乏真實(shí)感，無(wú)法與實(shí)景照片媲美。如谷歌地球、微軟必應(yīng)街景等運(yùn)用全景技術(shù)，將全景圖像與地圖相結(jié)合，可在較高密度的觀察視點(diǎn)上全方位還原該處場(chǎng)景的全景圖像信息，相較于模擬場(chǎng)景，更加真實(shí)、準(zhǔn)確、直觀；相較于單張全景圖片，觀察視點(diǎn)多，全局可瀏覽。鑒于此，本文將全景技術(shù)運(yùn)用于流域，借助混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)、無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)、圖像合成拼接技術(shù)等，通過(guò)文字、圖像、三維交互、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用等多元形式，借助各類電子終端，包括頭戴顯示器設(shè)備，可以全面和立體地展示流域相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，更為直觀、高效地把握流域整體特征。

3 主要數(shù)字技術(shù)在流域管理中的應(yīng)用

3.1 流域?qū)嵕盎膊?/h3>

3.1.1 非實(shí)時(shí)實(shí)景化展示

目前一些民用導(dǎo)航軟件已實(shí)現(xiàn)查看道路全景圖像的功能，該功能是通過(guò)裝有全景相機(jī)的采集車拍攝照片，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行合成，最終制作出路段各點(diǎn)位的全景圖像。但類似技術(shù)還未在水利領(lǐng)域規(guī)模應(yīng)用。對(duì)于河道、湖泊及相關(guān)水利工程，可以通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍等方式，合成水利全景圖像，還可在該三維實(shí)景中嵌入有關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)在數(shù)字三維實(shí)景中，對(duì)河道、湖泊及相關(guān)水利工程進(jìn)行巡查，工作人員遠(yuǎn)程即可直觀地了解流域內(nèi)全局景象，實(shí)景查看特定區(qū)域水利設(shè)施和實(shí)際建設(shè)情況，減少實(shí)地勘察頻次，提高工程設(shè)計(jì)建造效率。

3.1.2 實(shí)時(shí)實(shí)景化巡查

前述非實(shí)時(shí)實(shí)景數(shù)字化展示存在數(shù)據(jù)和影像資料更新不及時(shí)的問(wèn)題。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)還可實(shí)現(xiàn)水利工程的實(shí)時(shí)實(shí)景巡查?？稍谔囟ㄎ恢迷O(shè)置載有全景攝像機(jī)、具備通信功能的無(wú)人機(jī)，巡查人員佩戴VR 頭戴顯示器設(shè)備，遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)航行，并利用全景攝像機(jī)實(shí)時(shí)將拍攝到的畫面發(fā)送到VR 頭戴顯示器設(shè)備上，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全景勘查特定區(qū)域水利設(shè)施和實(shí)際建設(shè)情況的功能。對(duì)全時(shí)段的涉水工作而言，無(wú)人機(jī)必須具備防水性能。目前已有相關(guān)公司研發(fā)出防雨水、甚至可潛入水下的無(wú)人機(jī)設(shè)備，使水下實(shí)時(shí)實(shí)景巡查成為可能。

3.2 流域可視化演示

3.2.1 歷史文化遺產(chǎn)三維展示

綜合利用視頻、三維交互、虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用等多元形式的數(shù)字技術(shù)，通過(guò)場(chǎng)景構(gòu)建、動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)水利遺產(chǎn)在多種電子終端（手機(jī)、電腦、VR 頭戴設(shè)備等）上的數(shù)字化重現(xiàn)，并可實(shí)現(xiàn)第一人稱視角的沉浸式體驗(yàn)。將歷史水利遺產(chǎn)資料進(jìn)行立體化建模和數(shù)字化呈現(xiàn)，有利于全面把握水利遺產(chǎn)真實(shí)特征，對(duì)其進(jìn)行更為直觀的展示。在水利開發(fā)過(guò)程中對(duì)遺產(chǎn)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，也有利于形成遺產(chǎn)的數(shù)字化生命周期，提高文化遺產(chǎn)的保護(hù)效率和質(zhì)量。

以運(yùn)河文化遺產(chǎn)為例，當(dāng)前運(yùn)河文化遺產(chǎn)展示中存在展示效率低下、展示內(nèi)容局限、用戶體驗(yàn)不真實(shí)的問(wèn)題?！吨袊?guó)大運(yùn)河發(fā)展報(bào)告（2020）》中對(duì)《大運(yùn)河文化保護(hù)傳承利用規(guī)劃綱要》進(jìn)行的解讀中也指出，數(shù)字大運(yùn)河文化建設(shè)應(yīng)“從無(wú)形到有形，從外延到內(nèi)涵”。通過(guò)對(duì)大運(yùn)河文化遺產(chǎn)的數(shù)字化沉浸式展示和重現(xiàn)，可有效挖掘和拓展大運(yùn)河的文化空間，提高運(yùn)河文化資源的展出率和能見度。

3.2.2 工程三維展示

對(duì)于待建工程，該技術(shù)可取代傳統(tǒng)效果圖，利用該工程的設(shè)計(jì)圖紙等資料，結(jié)合BIM、GIS 等多元數(shù)據(jù)，建立三維數(shù)字模型，對(duì)該工程在不同天氣條件、不同植物類型和狀態(tài)、不同光照角度等下的三維動(dòng)態(tài)場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)字化仿真展示，并可演示水利工程的各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（如閘站、泵站等）的數(shù)字孿生控制流程，實(shí)現(xiàn)水利工程的全時(shí)、全域、全態(tài)的孿生圖像模擬，還可采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將工程設(shè)計(jì)效果與真實(shí)環(huán)境場(chǎng)景融合，便于工作人員更加直觀、沉浸地體驗(yàn)工程完工后的實(shí)地狀況和工程運(yùn)行狀態(tài)。該工程的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)還可以應(yīng)用到后期的工程虛擬仿真管理和遠(yuǎn)程調(diào)度中，實(shí)現(xiàn)水利工程數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的高效利用和統(tǒng)一管理。

對(duì)于建成工程，采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的文字、圖像等輔助信息與真實(shí)的水利工程場(chǎng)景融合，構(gòu)建交互式演示系統(tǒng)，產(chǎn)生出一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的水利工程演示圖像。對(duì)于工作人員而言，嵌入真實(shí)場(chǎng)景更多工程資料，便于全面和直觀地掌握該工程情況。對(duì)游客而言，水利景觀場(chǎng)景增加了更多圖文媒體信息，從視覺角度提升了水利景觀特色，豐富了視覺趣味和體驗(yàn)感。

3.3 實(shí)時(shí)交互虛擬仿真管理

3.3.1 遠(yuǎn)程調(diào)度

通過(guò)數(shù)字孿生等技術(shù)，可以將水利工程及相關(guān)機(jī)電設(shè)施設(shè)備的調(diào)度虛擬化到數(shù)字流域中，構(gòu)建水利工程運(yùn)行管理中的物理實(shí)體與虛擬空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素的相互映射、實(shí)時(shí)交互、高效協(xié)同的管理系統(tǒng)，從而更加直觀、全面地反映水利工程運(yùn)行管理過(guò)程全生命周期狀態(tài)，更加有效地對(duì)水利工程中建筑物各部位、閘門、機(jī)電設(shè)備、觀測(cè)設(shè)施、通訊設(shè)施等進(jìn)行全面的監(jiān)管和檢查[13]。

工作人員在數(shù)字化場(chǎng)景中進(jìn)行操作，如操作機(jī)電設(shè)備的開關(guān)按鈕、控制旋鈕等，再將操作轉(zhuǎn)換為一定接口標(biāo)準(zhǔn)的控制指令，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)端控制設(shè)備，由控制設(shè)備來(lái)操作具體的機(jī)電設(shè)備達(dá)到調(diào)度的目的。遠(yuǎn)端設(shè)備操作的結(jié)果、機(jī)電設(shè)施和設(shè)備狀態(tài)，以及遠(yuǎn)端傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至數(shù)字流域，在數(shù)字流域中映射對(duì)應(yīng)設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)和物理流域的實(shí)際情況，通過(guò)數(shù)字化場(chǎng)景展示給工作人員，實(shí)現(xiàn)物理流域和數(shù)字流域的“雙向映射”，提升流域防洪安全保障能力。

3.3.2 實(shí)時(shí)模擬和輔助決策

把物理流域數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)映射到數(shù)字流域中，融合多源信息，實(shí)時(shí)構(gòu)建流域產(chǎn)匯流、土壤侵蝕、水沙輸移、工程調(diào)度等數(shù)字模型，將極大助力流域防洪抗旱、水資源調(diào)配等業(yè)務(wù)。

以防洪模擬為例，在數(shù)字流域中，根據(jù)實(shí)時(shí)水文數(shù)據(jù)及降雨預(yù)報(bào)等預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，利用對(duì)抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)值模擬等方法，實(shí)時(shí)模擬分析不同調(diào)度控制條件下的洪水影響情況（如淹沒面積、影響人口等），并通過(guò)動(dòng)態(tài)圖像反映到數(shù)字化場(chǎng)景中，以進(jìn)行超前的洪水推演。通過(guò)對(duì)比不同調(diào)度下的影響情況，并借助計(jì)算機(jī)智能分析選擇最優(yōu)的調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)流域洪水調(diào)度“虛擬模擬先行，決策調(diào)度在后”，以盡早對(duì)洪澇災(zāi)害采取有效應(yīng)對(duì)措施。該技術(shù)將顯著提高決策的科學(xué)性和時(shí)效性，最大限度地避免洪災(zāi)帶來(lái)的損失。

隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)有望進(jìn)一步打通從數(shù)字流域到物理流域的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)從預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)、模擬推演和智能決策的全程智能托管，以在設(shè)定工況下自動(dòng)執(zhí)行最優(yōu)化的水利工程調(diào)度，從而在物理流域中實(shí)現(xiàn)部分或全部的自主管理。

4 結(jié)語(yǔ)

流域管理的需求是復(fù)雜的，隨著流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展而發(fā)展，流域管理涉及的數(shù)據(jù)量也較為龐大，且處在加速增長(zhǎng)中，而三維可視化和全景化管理系統(tǒng)必然為處理龐大的流域管理數(shù)據(jù)帶來(lái)更加便捷高效的用戶體驗(yàn)，用戶可以利用多種顯示設(shè)備自如查看所關(guān)注的流域細(xì)節(jié)，并調(diào)用相關(guān)信息，更好地滿足業(yè)務(wù)處理、監(jiān)督管理與決策指揮方面的需要。此類技術(shù)的應(yīng)用是流域管理的必然趨勢(shì)。伴隨著數(shù)字技術(shù)的更新迭代，流域管理數(shù)字化系統(tǒng)的研究和建設(shè)將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，流域管理各業(yè)務(wù)單位和部門應(yīng)持之以恒并密切配合，保證數(shù)字化系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展并發(fā)揮實(shí)效，扎實(shí)提升我國(guó)流域管理水平■