數(shù)字孿生流域三維數(shù)據(jù)底板建設(shè)研究及應(yīng)用

侯毅 華陸韜 王文杰 舒全英 胡軍偉

摘要：三維數(shù)據(jù)底板是流域數(shù)字化映射的成果，更是數(shù)字化場景構(gòu)建、智慧化模擬迭代的基礎(chǔ)。為厘清三維數(shù)據(jù)底板建設(shè)的技術(shù)邏輯，系統(tǒng)性地闡述了三維數(shù)據(jù)底板的定位、建設(shè)任務(wù)和技術(shù)路線圖，重點(diǎn)對(duì)建設(shè)過程中的海量數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)輕量處理、場景渲染發(fā)布、數(shù)據(jù)可視可算、數(shù)據(jù)共享共建等關(guān)鍵技術(shù)問題展開深入全面的論述，分析技術(shù)難點(diǎn)、解決路徑和具體方法。基于以上研究，以浙江省曹娥江數(shù)字孿生流域?yàn)槔?，運(yùn)用BIM+GIS等技術(shù)構(gòu)建L2、L3三維數(shù)據(jù)底板，以三維數(shù)字化場景支撐流域“四預(yù)”可視化模型應(yīng)用。相關(guān)成果對(duì)類似數(shù)據(jù)底板建設(shè)具有借鑒意義。

關(guān) 鍵 詞：數(shù)字孿生流域；三維數(shù)據(jù)底板；海量數(shù)據(jù)融合；場景渲染發(fā)布；共享共建

中圖法分類號(hào)：TP399

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.05.031

0 引 言

數(shù)據(jù)底板是數(shù)字孿生流域中的“算據(jù)”部分，也是支撐模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)和“四預(yù)”業(yè)務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)基底^［1］?！稊?shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱》（下簡稱“《大綱》”）明確了數(shù)據(jù)底板建設(shè)中基礎(chǔ)、監(jiān)測、業(yè)務(wù)管理、跨行業(yè)共享、地理空間5類數(shù)據(jù)時(shí)空基準(zhǔn)和內(nèi)容要求。由于地理空間數(shù)據(jù)能夠提供統(tǒng)一的空間基底，是其他數(shù)據(jù)聯(lián)接和傳遞的中樞，《大綱》進(jìn)一步指出地理空間數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)底板建設(shè)的重點(diǎn)。地理空間數(shù)據(jù)主要包括各類GIS和BIM數(shù)據(jù)，天然具備三維屬性。

由于人們生活在真實(shí)的三維空間中，因此在三維數(shù)字空間觀察、量測、分析、研判是數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢^［2］。三維數(shù)據(jù)底板在數(shù)字孿生流域中的定位如圖1所示，其建設(shè)的主要任務(wù)包含通過挖掘、匯聚地理空間數(shù)據(jù)，構(gòu)建精準(zhǔn)映射的數(shù)字化場景，在此基礎(chǔ)上，整合治理社會(huì)經(jīng)濟(jì)、IOT等非空間數(shù)據(jù)，形成“形神兼?zhèn)洹钡奈锢砹饔驍?shù)字孿生體，提供數(shù)據(jù)服務(wù)，支撐流域智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策。

三維數(shù)據(jù)底板建設(shè)是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)設(shè)施工作，目前已有不少單位和個(gè)人在數(shù)據(jù)生產(chǎn)、輕量化處理、場景融合、仿真模擬等方面開展了研究。馬玉婷等^［3］以烏東德水庫為例，研究了基于機(jī)載LiDAR的山區(qū)型水庫數(shù)據(jù)底板獲取技術(shù)，為數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供了技術(shù)參考。趙杏英等^［4］提出了一種多尺度流域三維空間地理信息模型構(gòu)建方法，以空間地理信息模型為載體，整合信息資源，支撐流域管理。孫源等^［5］對(duì)比了不同的輕量化方法在BIM模型加載與瀏覽中的局限、優(yōu)勢，搭建BIM輕量化體系。張光偉等^［6］通過探索改進(jìn)三維數(shù)據(jù)的空間精度匹配與數(shù)據(jù)接邊方法，提升了實(shí)景三維場景調(diào)度顯示效率。張力等^［7］對(duì)數(shù)據(jù)底板的模擬仿真技術(shù)框架和功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

總體來看，上述研究以專項(xiàng)應(yīng)用為主，缺乏三維數(shù)據(jù)底板的整體表述。因此，本文以數(shù)字孿生流域三維數(shù)據(jù)底板為研究對(duì)象，系統(tǒng)性地闡述三維數(shù)據(jù)底板的定位、建設(shè)任務(wù)和技術(shù)路線圖，重點(diǎn)對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)展開深入全面地論述。

1 三維數(shù)據(jù)底板建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

地理空間數(shù)據(jù)具體包括DEM（數(shù)字高程模型）、DOM（數(shù)字正射影像）、DLG（數(shù)字線劃地圖）、BIM（建筑信息模型）等類別。數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化程度低、數(shù)據(jù)體量巨大，是三維數(shù)據(jù)底板建設(shè)的難點(diǎn)所在。借鑒《實(shí)景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱（2021版）》，數(shù)字孿生流域三維數(shù)據(jù)底板建設(shè)技術(shù)路線如圖2所示，需突破海量數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)輕量處理、數(shù)據(jù)渲染發(fā)布、數(shù)據(jù)可視可算、數(shù)據(jù)共享共建等關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 多源數(shù)據(jù)融合

三維數(shù)據(jù)底板建設(shè)首先要解決數(shù)據(jù)源的問題，并對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。BIM數(shù)據(jù)一般是利用工程設(shè)計(jì)施工圖紙結(jié)合三維激光掃描等技術(shù)建模生成；對(duì)于設(shè)計(jì)圖紙缺失等情況，可采集適宜分辨率的傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行單體化修模處理，或者利用3ds、skp等效果圖模型，實(shí)現(xiàn)工程外觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)化建模。BIM模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)主要包括模型完整度和精細(xì)度兩個(gè)方面，對(duì)BIM模型的分級(jí)評(píng)價(jià)見表1。

GIS數(shù)據(jù)一般通過測繪采集而來，《大綱》附表對(duì)DEM、DSM、DOM、傾斜攝影、激光點(diǎn)云等GIS數(shù)據(jù)的采集范圍、分辨率和更新頻率等做出了詳細(xì)規(guī)定，形成了明確的指標(biāo)要求，本文不再贅述。需要注意的是，由于流域與城市范圍常有重疊，水利數(shù)字孿生底板的建設(shè)可充分利用自然與規(guī)劃部門采集的通用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如傾斜攝影、DLG等數(shù)據(jù)，以節(jié)約建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)的數(shù)據(jù)復(fù)用。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是地理空間數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要課題。以BIM為例，目前國內(nèi)外常見的BIM文件有十余種格式。為了使各BIM系統(tǒng)有一個(gè)信息交換的標(biāo)準(zhǔn)，1997年，IAI（International Alliance for Interoperability，國際互操作性聯(lián)盟）提出IFC（industry foundation class，工業(yè)基礎(chǔ)類），這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、公開的數(shù)據(jù)表達(dá)和存儲(chǔ)方法，不同的BIM軟件都能導(dǎo)入導(dǎo)出IFC格式的數(shù)據(jù)文件。通過將多種格式的BIM模型統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為IFC格式，實(shí)現(xiàn)BIM的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化。目前，IFC標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，缺少水利工程領(lǐng)域特有構(gòu)件和屬性描述^［8］。解決方法是IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展，參考《水利水電工程設(shè)計(jì)信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》，借助 Revit API開發(fā) IFC定義設(shè)置功能，進(jìn)行水利工程構(gòu)件對(duì)象的 IFC定義，同時(shí)建立構(gòu)件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，支持多格式水利BIM數(shù)據(jù)融合。

上述數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)問題在GIS類的空間地理數(shù)據(jù)中也存在。航空攝影測量、衛(wèi)星遙感技術(shù)是流域數(shù)據(jù)的一種重要獲取手段，是流域數(shù)字化的重要支撐技術(shù)。L2 級(jí)數(shù)據(jù)底板要求大江大河及主要支流采用水下地形（含大斷面）和傾斜攝影測量數(shù)據(jù)。由于這些數(shù)據(jù)的獲取方式、處理方法不同，往往格式各異、分辨率不統(tǒng)一。在3DGIS領(lǐng)域，目前通用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是CityGML，由德國的SIG 3D（special interest group 3D，地理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目特別工作組）于2002年開發(fā)。2007年，CityGML被OGC（open geospatial consortium，開放地理空間聯(lián)盟）認(rèn)定為數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，成為第一個(gè)支持豐富語義信息的三維GIS數(shù)據(jù)格式^［9］。CityGML使用FME軟件生成相應(yīng)文件，使用專業(yè)工具實(shí)現(xiàn)可視化，為3DGIS數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化集成提供了基礎(chǔ)。

近年來，在數(shù)字電網(wǎng)、智慧城市領(lǐng)域，基于IFC與CityGML標(biāo)準(zhǔn)的BIM+GIS集成技術(shù)研究進(jìn)展較快，主要聚焦IFC與CityGML數(shù)據(jù)解析、基于圖的映射框架^［10］、幾何信息轉(zhuǎn)換^［11］、語義屬性映射^［12］等方面，也出現(xiàn)一些IFC模型到CityGML模型的轉(zhuǎn)換方法。這些研究夯實(shí)了BIM、GIS數(shù)據(jù)融合的理論基礎(chǔ)，其中的理念、框架對(duì)水利數(shù)字孿生多源地理空間數(shù)據(jù)融合具有參考意義，但仍需結(jié)合數(shù)字孿生流域的特點(diǎn)，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)、具體方法進(jìn)行更加深入廣泛的實(shí)踐論證。

除了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)問題，各類地理空間數(shù)據(jù)在對(duì)象的幾何特征、屬性特點(diǎn)和空間關(guān)系方面可能存在偏差^［13］，需進(jìn)行一致性處理。比如常見的矢量與影像數(shù)據(jù)無法套合問題，需通過專業(yè)工具進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以保證各歸其位、無縫融合。此外，還包括多類數(shù)據(jù)之間的接邊處理。比如，通常DEM數(shù)據(jù)為大范圍公共原始地形，當(dāng)建筑物BIM模型與DEM融合后，尚需對(duì)DEM進(jìn)行局部開挖和坡面銜接，以避免地形將部分BIM模型遮蓋，即物理世界的工程開挖在數(shù)據(jù)底板中也需完成。這一過程一般借助ArcGIS、Supermap idesktop等專業(yè)GIS軟件來可視化操作完成。

綜上所述，多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)融合是數(shù)據(jù)底板建設(shè)中不可回避的關(guān)鍵問題，解決此問題的關(guān)鍵在于地理空間數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和一致性處理，具體技術(shù)路徑為開發(fā)或者應(yīng)用專業(yè)軟件首先將各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的通用格式，然后完成坐標(biāo)配準(zhǔn)、開挖接邊等復(fù)雜操作。

1.2 數(shù)據(jù)輕量處理

BIM模型由于結(jié)構(gòu)精細(xì)、信息豐富，其三角面片數(shù)多，數(shù)據(jù)體量大。一個(gè)常規(guī)的水工建筑物BIM模型數(shù)據(jù)量在100 MB左右；一個(gè)水位計(jì)1 a累積的監(jiān)測數(shù)據(jù)量約為8 MB（按每小時(shí)采集一條數(shù)據(jù)計(jì)算），可見與監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，BIM模型在數(shù)據(jù)量上存在數(shù)量級(jí)的差別。另外，隨著新型測繪技術(shù)的發(fā)展，測繪的準(zhǔn)確性得到有效提升，能夠通過數(shù)字化等多種形式更加直觀地呈現(xiàn)采集對(duì)象，同時(shí)也使得測繪成果的數(shù)據(jù)體量迅速增長。以傾斜攝影數(shù)據(jù)為例，通常傾斜攝影數(shù)據(jù)量約為1.5 G/km²（5 cm精度）。可以預(yù)見，當(dāng)數(shù)據(jù)底板范圍拓展到全流域，多源、多維、多分辨率的地理空間數(shù)據(jù)總量可達(dá)TB級(jí)，輕量化是必然需求。

地理空間數(shù)據(jù)輕量化主要指模型幾何簡化和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式的優(yōu)化。從數(shù)據(jù)維度看，地理空間數(shù)據(jù)可分為幾何信息和非幾何信息兩部分。幾何信息即直觀看到的三維體型，是輕量化難度所在。模型幾何簡化是指對(duì)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)、面等刪除抽稀，在不影響實(shí)體完整性的前提下，減少三角面片、壓縮數(shù)據(jù)體量。邊折疊算法是一種比較常用的幾何輕量方法^［14］，通過計(jì)算每條邊折疊所需的代價(jià)，并對(duì)其進(jìn)行排序，從代價(jià)最小的邊開始依次折疊，并對(duì)幾何模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行重組，直至所有邊不能折疊為止。除了刪除幾何元素之外，還可以對(duì)模型實(shí)例化，即一個(gè)構(gòu)件只留一個(gè)實(shí)例，其他相同構(gòu)件用符號(hào)代替，從而使數(shù)據(jù)體量進(jìn)一步減小。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式的優(yōu)化原理類似二維地圖中的地圖瓦片，將地理空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為瓦片集和配置文件。瓦片集為批處理3D模型，包含了具體的模型信息；配置文件是一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)的瓦片空間索引，通過JSON文件記錄其所有的節(jié)點(diǎn)信息，通過遍歷得到所有瓦片的信息。瓦片空間索引結(jié)構(gòu)通常有k-d樹、四叉樹、八叉樹、網(wǎng)格等形式^［15］，如圖3所示。本文對(duì)應(yīng)用較多的八叉樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡述。

八叉樹數(shù)據(jù)模型可以看成是四叉樹方法在三維空間的推廣^［16］，通過循環(huán)遞歸的劃分方法對(duì)大小為2n×2n×2n三維空間的幾何對(duì)象進(jìn)行體元剖分（每個(gè)體元具有相同的時(shí)間和空間的復(fù)雜度），構(gòu)成一個(gè)具有根節(jié)點(diǎn)的方向圖。借助公式（1）所示編碼，將三維坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)換成一維表示，一個(gè)碼蘊(yùn)涵空間一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。若三維數(shù)據(jù)總數(shù)是N，{x，y，z}三向坐標(biāo)信息需要一個(gè)3×N的矩陣來存儲(chǔ)，而編碼后只需要一個(gè)長度為N的一維數(shù)組，從而提升數(shù)據(jù)檢索效率。

Q=q_n-18^n-1+…+q_l8^l+…+q₀8⁰（1）

式中：q_l=e_l2²+d_l2¹+c_l2⁰，（e_l，d_l，c_l）∈0，1；l=n-1，n-2，…，0，Q為八進(jìn)制碼。

應(yīng)用以上原理，地理空間數(shù)據(jù)的輕量化首先應(yīng)對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行模型幾何簡化，然后建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，獲取幾何信息、屬性信息和紋理貼圖等信息，并存儲(chǔ)為3Dtiles、S3M等通用格式；最后解析為Web支持的結(jié)構(gòu)化信息，在保證關(guān)鍵信息不丟失的前提下，最終把模型完整渲染到瀏覽器端。合理的瓦片數(shù)據(jù)空間索引結(jié)構(gòu)和LOD層級(jí)劃分，能夠?qū)⒌乩砜臻g數(shù)據(jù)“化整為零、分布存儲(chǔ)”，大幅提高讀取和加載速度。

1.3 數(shù)據(jù)渲染發(fā)布

數(shù)據(jù)渲染發(fā)布是數(shù)據(jù)從本地走到線上，從融合走向應(yīng)用的必經(jīng)環(huán)節(jié)。地理空間數(shù)據(jù)的發(fā)布要求適用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和離線環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸、交換和高性能可視化，同時(shí)需具備服務(wù)的聚合、管理和擴(kuò)展開發(fā)能力^［17］，支持桌面、瀏覽器等多端應(yīng)用。渲染發(fā)布屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)范疇，底層集成WebGL和OpenGL等技術(shù)，關(guān)鍵在于三維圖形引擎^［18］的深度應(yīng)用。圖形引擎應(yīng)具備以下能力：

（1）數(shù)據(jù)治理能力。支持通用空間數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)融合；模型幾何、材質(zhì)、屬性信息完好保留；性能足夠支撐海量復(fù)雜數(shù)據(jù)。

（2）空間分析能力。二三維一體化、支持時(shí)空屬全要素查詢；滿足剖切、漫游、測量等各種BIM+GIS應(yīng)用。

（3）可視化交互能力。在高保真虛擬場景中，提供流暢友好的交互方式，適用桌面端、移動(dòng)端、大屏多終端應(yīng)用。

（4）二次開發(fā)能力。根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活定制功能。

目前，國內(nèi)滿足以上要求的主流三維圖形引擎主要包括三大類，對(duì)比分析見表2。

由于三維數(shù)據(jù)底板的基礎(chǔ)性作用，應(yīng)用需求多樣，單一的三維圖形引擎難以滿足所有要求^［19］。實(shí)際項(xiàng)目中根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求，往往需要多引擎的組合運(yùn)用和拓展開發(fā)，以揚(yáng)長避短，發(fā)揮WebGL和云渲染各自的特性，滿足多場景應(yīng)用需求。

水利數(shù)字孿生的推進(jìn)帶動(dòng)了BIM+GIS應(yīng)用的快速發(fā)展。許多具備三維場景建模、應(yīng)用能力的企業(yè)，與研究院、設(shè)計(jì)院合作，開辟水利行業(yè)的三維可視化業(yè)務(wù)，在數(shù)字孿生三維可視化這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域加大投入、搶占先機(jī)。目前這是一個(gè)新興市場，百家爭鳴，但應(yīng)用普遍偏初級(jí)、偏表層。要真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域和物理流域的同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互，還需進(jìn)行深入研究積累，拓展出適應(yīng)范圍更廣、渲染效率更高的數(shù)字化場景技術(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)可視可算

數(shù)字孿生平臺(tái)主要由數(shù)據(jù)底板、模型平臺(tái)、知識(shí)平臺(tái)等構(gòu)成，數(shù)據(jù)底板與兩個(gè)平臺(tái)的關(guān)聯(lián)關(guān)系為：數(shù)據(jù)底板匯聚水利信息網(wǎng)傳輸?shù)母黝悢?shù)據(jù)，經(jīng)處理后為模型平臺(tái)和知識(shí)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

區(qū)別于以往側(cè)重于可視化效果的數(shù)字場景，數(shù)字孿生流域中水旱災(zāi)害“四預(yù)”協(xié)同、水資源精準(zhǔn)調(diào)控、幸福河湖智能監(jiān)管等專業(yè)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)要求較高，這就要求三維數(shù)據(jù)底板不僅“可視好看”還要“可算好用”。三維數(shù)據(jù)底板從“可視”到“可算”的突破，需要與水利專業(yè)模型、業(yè)務(wù)規(guī)則深度融合，著重做到以下3點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)“雙向”映射。在流域自然基底、水流要素、工程設(shè)備等物理實(shí)體與水文、水動(dòng)力、水工程調(diào)度等專業(yè)模型間構(gòu)建數(shù)據(jù)映射通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)底板從單一方向數(shù)據(jù)流向多要素雙向數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)變。以洪水演進(jìn)場景為例，如圖4所示，單向數(shù)據(jù)流下，數(shù)據(jù)底板與專業(yè)模型相互獨(dú)立，各類GIS數(shù)據(jù)融合渲染為基礎(chǔ)三維實(shí)景，再將流場流態(tài)等渲染為靜態(tài)圖像后作為圖層疊加，并僅作坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等簡單校正，這種模式易因基底數(shù)據(jù)來源和尺度不一導(dǎo)致專業(yè)模型結(jié)果難以在數(shù)據(jù)底板中準(zhǔn)確表達(dá)，“孿生”效果不佳。雙向數(shù)據(jù)流下，數(shù)據(jù)底板通過空間關(guān)系掛接、對(duì)象編碼、屬性掛接等方式與模型直接交互。一方面為模型計(jì)算提供必要算據(jù)，高精度DEM直接用于二維水動(dòng)力計(jì)算網(wǎng)格插值；另一方面通過計(jì)算引擎和渲染引擎等接收模型結(jié)果回傳，將水深、流速等原始數(shù)值以粒子特效等形式轉(zhuǎn)化為可視的動(dòng)態(tài)流場，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理流域的高精度仿真。

（2）數(shù)據(jù)治理的標(biāo)準(zhǔn)化。融合物理實(shí)體的屬性、功能、行為等特性，開展BIM、傾斜攝影等模型數(shù)據(jù)的治理融合。如圖5所示，建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的目錄組織、對(duì)象編碼和空間標(biāo)定，支持后續(xù)知識(shí)表示、知識(shí)抽取和知識(shí)存儲(chǔ)等方面的統(tǒng)一架構(gòu)。

（3）數(shù)據(jù)服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化。針對(duì)數(shù)據(jù)底板中發(fā)布的各類數(shù)據(jù)API、空間數(shù)據(jù)服務(wù)等進(jìn)行全面的管理，實(shí)現(xiàn)從服務(wù)發(fā)布、服務(wù)管理、服務(wù)目錄到服務(wù)鑒權(quán)的全過程。為水利知識(shí)引擎提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)服務(wù)，經(jīng)引擎處理形成知識(shí)圖譜服務(wù)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用。

1.5 數(shù)據(jù)共享共建

數(shù)據(jù)底板采用水利部本級(jí)、流域管理機(jī)構(gòu)和省級(jí)水利部門、工程管理單位三級(jí)布局，以及內(nèi)容互補(bǔ)、共享共用的建設(shè)模式。共建共享是數(shù)字孿生流域建設(shè)和運(yùn)行的重中之重。

由于三級(jí)底板責(zé)任主體不同，“共享共建”可以避免建設(shè)低水平重復(fù)和缺漏。目前“共享共建”的原則明確，即各級(jí)建設(shè)主體按照統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，確保共享數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性、時(shí)效性和同步性，保障各單位建設(shè)成果能夠集成為有機(jī)整體。但成果如何共享尚無應(yīng)用示范。從技術(shù)角度出發(fā)，可根據(jù)實(shí)際情況選用數(shù)據(jù)交換、調(diào)用服務(wù)、離線拷貝等方式^［20］，其科學(xué)性和適用性有待實(shí)踐檢驗(yàn)。

2 應(yīng)用實(shí)踐

曹娥江位于浙江省東部，流域面積6 080 km²，流域內(nèi)的主要水利工程包括4個(gè)大型水庫、兩個(gè)滯洪區(qū)、主要干支流、河口大閘，形成蓄、分、堤、擋的防洪布局。聚焦流域防洪，以浙江水利一張圖為基礎(chǔ)，融合自然資源、氣象、應(yīng)急等部門數(shù)據(jù)，建立粗細(xì)適宜的曹娥江流域三維數(shù)據(jù)底板，包括干流L2級(jí)、曹娥江大閘等重點(diǎn)工程區(qū)域L3級(jí)底板。

曹娥江流域三維數(shù)據(jù)底板部分空間地理數(shù)據(jù)如表3所列。從地理對(duì)象角度看，涵蓋流域內(nèi)的影像、地形、河流、道路、建筑等完整要素；從數(shù)據(jù)分類角度，包括DEM、DOM、BIM、傾斜攝影等多種類型，源數(shù)據(jù)總量約700GB。采用國產(chǎn)主流的GIS軟件，對(duì)上述多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)完成復(fù)雜細(xì)致的配準(zhǔn)、開挖、接邊等融合操作。對(duì)曹娥江大閘等重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，制作Max模型和激光點(diǎn)云兩套模型，并設(shè)置不同的可見距離，當(dāng)視野由遠(yuǎn)及近時(shí)，能夠由粗略模型自動(dòng)切換到精細(xì)模型，部分局部場景如圖6所示。在BIM+GIS三維場景搭建完成后，將場景數(shù)據(jù)統(tǒng)一導(dǎo)出為S3M緩存文件，其中金字塔剖分類型選擇八叉樹方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輕量壓縮，解決流域三維“拖不動(dòng)，看不了”的問題。

將輕量壓縮數(shù)據(jù)上傳至高性能圖形服務(wù)器進(jìn)行渲染發(fā)布，使三維數(shù)據(jù)底板從線下創(chuàng)建走向了線上應(yīng)用；進(jìn)而支撐流域管理范圍內(nèi)的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)、專業(yè)模型和業(yè)務(wù)流程，成為數(shù)據(jù)交互、業(yè)務(wù)協(xié)同的紐帶?；谌S數(shù)據(jù)底板，集成流域態(tài)勢感知、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)演和多方案比選等功能模塊，實(shí)時(shí)推送預(yù)報(bào)調(diào)度一體化工作平臺(tái)中水文水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，并依托GIS引擎疊加運(yùn)用等值線、熱力圖、粒子運(yùn)動(dòng)等方式在三維環(huán)境中渲染展示，如圖7所示，達(dá)到洪水預(yù)演“看得見，看得真”的效果。

三維數(shù)據(jù)底板為水利業(yè)務(wù)工作提供數(shù)字化場景，同時(shí)構(gòu)成數(shù)字孿生流域建設(shè)成果展示窗口?；谌S數(shù)據(jù)底板打造流域防洪應(yīng)用駕駛艙，如圖8所示。面向決策者展示關(guān)鍵信息和成果，通過動(dòng)態(tài)預(yù)演“降雨在哪里—洪水在哪里—風(fēng)險(xiǎn)在哪里”，實(shí)現(xiàn)“預(yù)報(bào)科學(xué)化、預(yù)警超前化、預(yù)演數(shù)字化、預(yù)案科學(xué)化”。數(shù)字孿生曹娥江流域防洪應(yīng)用入選水利部2022年《數(shù)字孿生流域建設(shè)先行先試應(yīng)用案例推薦名錄》。

3 結(jié)論與展望

本文對(duì)數(shù)字孿生流域三維數(shù)據(jù)底板展開研究與實(shí)踐應(yīng)用，提出三維數(shù)據(jù)底板建設(shè)的總體技術(shù)路線，對(duì)海量數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)輕量處理、數(shù)據(jù)渲染發(fā)布、數(shù)據(jù)可視可算、數(shù)據(jù)共享共建等關(guān)鍵問題深入分析技術(shù)難點(diǎn)與解決方向。主要得到以下結(jié)論：

（1）三維數(shù)據(jù)底板建設(shè)涉及BIM、GIS、IOT等技術(shù)的融合應(yīng)用，核心內(nèi)涵是構(gòu)建數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施以適應(yīng)信息時(shí)代業(yè)務(wù)智能化轉(zhuǎn)型的需求。

（2）水利業(yè)務(wù)應(yīng)用是數(shù)據(jù)底板的最終目標(biāo)和價(jià)值所在?；谌S數(shù)據(jù)底板，構(gòu)建豐富多樣的應(yīng)用場景，支持?jǐn)?shù)字孿生流域的預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演和預(yù)案，需要前沿信息技術(shù)與傳統(tǒng)水利知識(shí)的交叉研究。

水利行業(yè)作為一種傳統(tǒng)行業(yè)，數(shù)據(jù)底板建設(shè)面臨透徹感知不夠、信息基礎(chǔ)設(shè)施不強(qiáng)、保障體系建設(shè)不夠健全等問題。具體存在以下挑戰(zhàn)，需進(jìn)一步研究。

（1）數(shù)據(jù)安全問題。按照自然資源部頒布的《測繪地理信息管理工作國家秘密范圍的規(guī)定》，DEM、DOM、DLG等地理數(shù)據(jù)必須經(jīng)過專業(yè)部門脫敏后才能在系統(tǒng)中使用，保障其數(shù)據(jù)安全，需與自規(guī)部門協(xié)作配合。

（2）數(shù)據(jù)更新成本。為保證數(shù)據(jù)時(shí)效性，數(shù)據(jù)底座建設(shè)還需要建立數(shù)據(jù)更新和應(yīng)用機(jī)制。數(shù)據(jù)更新資金如何落實(shí)，在實(shí)際工作中面臨考驗(yàn)。

（3）加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)?；谌湕l的國產(chǎn)軟硬件開展數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)是必然趨勢，需進(jìn)一步研究GIS、BIM平臺(tái)軟件國產(chǎn)化、信創(chuàng)環(huán)境建設(shè)、信創(chuàng)環(huán)境下工控網(wǎng)和業(yè)務(wù)平臺(tái)建設(shè)等問題。

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（編輯：鄭 毅）

Study and application of 3D data baseboard construction in digital twin basin

HOU Yi，HUA Lutao，WANG Wenjie，SHU Quanying，HU Junwei

（Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power Co.，Ltd.，Hangzhou 310002，China）

Abstract：As a result of basin digital mapping，3D data baseboard is the basis of digital scene construction and intelligent simulation iteration.In order to clarify the technical logic，this article systematically elaborates on the positioning，construction tasks，and technical roadmap of the 3D data Baseboard.We elaborate key technologies such as massive data fusion，lightweight data processing，scene rendering and publishing，data visualization and calculation，and data sharing and co construction during the construction process，during which we focus on the technical difficulties，solutions，and specific methods.Based on the above research，taking Cao′e River digital twin basin as an example，we construct 3D data baseboard （ L2 and L3）based on BIM+GIS and other technologies，and use 3D digital scenes to support the application of visualization models such as "four presets" in the basin.The results have reference significance for similar data baseboard construction.

Key words：digital twin basin；3D data baseboard；massive data fusion；scene rendering and posting；co-construction and co-sharing