徐 健,趙保成,魏思奇,李國忠,徐 堅,肖 瀟

(1.長江科學院 空間信息技術應用研究所,湖北 武漢 430010; 2.武漢市智慧流域工程技術研究中心,湖北 武漢 430010; 3.長江科學院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430010)

0 引 言

新一代信息技術不斷發(fā)展,推動著水利行業(yè)從數(shù)字化走向智慧化。當前,全國各地正大力開展智慧水利建設,智慧水利建設已經(jīng)成為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的實施路徑和最顯著標志之一[1-2]。智慧水利建設的核心與關鍵在于數(shù)字孿生流域建設,通過數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生工程建設,可強化預報、預警、預演、預案功能,提升水利科學化、精準化、智能化能力和決策管理水平,實現(xiàn)水安全風險從被動應對向主動防控的轉(zhuǎn)變[3-5]。

無論是數(shù)字孿生流域還是數(shù)字孿生水利工程建設,其核心都在于“數(shù)字孿生”?！皵?shù)字孿生”強調(diào)仿真、建模、分析和輔助決策,側(cè)重的是物理世界對象在數(shù)據(jù)世界的重現(xiàn)、分析、決策,而可視化通過圖形引擎,多層次實時渲染,實現(xiàn)場景全要素數(shù)據(jù)融合,為數(shù)字孿生提供了生動形象的可視表達,從而實現(xiàn)對物理世界的真實復現(xiàn)和決策支持。本文將以數(shù)字孿生可視化為研究對象,探討相關技術及視覺效果實踐。

1 數(shù)字孿生

一般認為,數(shù)字孿生是充分利用物理模型和物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集全生命周期的運行歷史等數(shù)據(jù),集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間完成映射,從而反映相對應的實體對象全生命周期過程[6-7]。

物理實體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接和服務是數(shù)字孿生的核心要素。數(shù)字孿生作為實現(xiàn)虛實之間雙向映射、動態(tài)交互、實時連接的關鍵途徑,為觀察、認識、理解、控制和改造物理世界提供了新的有效手段。

基于數(shù)字孿生的智慧水利,就是通過綜合運用全局流域特征感知、通信、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、云邊協(xié)同、大數(shù)據(jù)、人工智能及仿真建模等技術,對物理流域全要素進行虛擬動態(tài)仿真,實現(xiàn)物理流域空間與數(shù)字虛擬流域空間交互映射、深度協(xié)同和融合,并借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、算法模型等,實現(xiàn)預報、預警、預演、預案等功能,提升感知監(jiān)測、流域防洪、城市排澇等能力,推動水利治理能力現(xiàn)代化、智慧化發(fā)展[8-10]。

2 可視化與數(shù)字孿生

數(shù)據(jù)可視化的本質(zhì)是視覺對話,將物理世界以圖像、數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字世界進行表達,并對海量數(shù)據(jù)邏輯進行分析、推演,增強數(shù)據(jù)結(jié)果的易讀性和靈活性,輔助管理者發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和價值[11]。

數(shù)字孿生可視化是在數(shù)據(jù)可視化的基礎上實現(xiàn)對真實場景的三維仿真模擬,以更豐富的形式展示更多樣的數(shù)據(jù),以更直觀、更真實的方式體現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值,主要體現(xiàn)在以下3個方面。

(1) 多源數(shù)據(jù)融合展示。數(shù)字孿生的關鍵特征之一是多源異構數(shù)據(jù)融合,數(shù)據(jù)是其最核心的要素。可視化價值在于對多源異構數(shù)據(jù)的融合展示和綜合應用,通過匯聚江河湖泊流域、水庫、水電站、灌區(qū)、引調(diào)水工程、監(jiān)測站點等管理對象,整合水利業(yè)務領域相關數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及不同部門、行業(yè)、系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式之間的共享數(shù)據(jù),為水利業(yè)務領域運行態(tài)勢感知研判提供全面的數(shù)據(jù)支撐,實現(xiàn)水利綜合運營態(tài)勢一屏管控。

(2) 數(shù)據(jù)實時動態(tài)模擬。數(shù)字孿生特性在于可以實現(xiàn)物理實體對象和數(shù)字世界模型對象之間的映射,包括模型、行為邏輯、業(yè)務流程以及參數(shù)調(diào)整所致的狀態(tài)變化等?？梢暬瘍r值在于能夠超精細還原真實世界場景紋理細節(jié),對數(shù)據(jù)進行多維度分析,同時可以快速地將實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為動態(tài)圖形信息,為指揮決策提供直觀的數(shù)據(jù)分析,整體實現(xiàn)數(shù)字世界對物理實體的狀態(tài)和行為的精準表達、動態(tài)模擬和全面呈現(xiàn)。

(3) 專家知識智能可視。專家知識可為數(shù)字孿生提供智能內(nèi)核,支撐正向智能推理和反向溯因分析。可視化價值在于能夠快速將分散的海量多樣專家知識數(shù)據(jù)進行智能關聯(lián)和分析挖掘,并將全量數(shù)據(jù)歸一為業(yè)務人員理解熟悉的語言和圖形,最大化還原數(shù)據(jù)的本質(zhì),形象展示知識資源及其載體間的相互聯(lián)系,可實時進行關系挖掘、路徑推演、全文檢索、時空分析等操作,再輔以強大靈活的交互功能,為流域防汛抗旱、水資源調(diào)配等業(yè)務應用提供智能可視支撐。

3 關鍵技術

3.1 數(shù)據(jù)可視化

3.1.1 關系類

以可視化圖表的形式展示數(shù)據(jù),以簡單的形式挖掘數(shù)據(jù)的深層價值,幫助用戶實現(xiàn)管理和運營的智能化,讓用戶能夠快速、準確地理解所要表達的信息,從而提高管理效率[12]。

3.1.2 三維類

(1) BIM。BIM(Building Information Modeling)是對水利工程等建設項目設施實體與功能特性的數(shù)字化表達,可整合水利工程全生命周期各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)、過程和資源,完整描述工程對象。BIM工程數(shù)據(jù)源單一,可解決數(shù)據(jù)一致性問題,支持工程全生命周期中信息的動態(tài)創(chuàng)建、管理和全局共享,支持項目多方協(xié)同及施工過程可視化模擬[13-14]。

(2) 傾斜攝影建模。傾斜攝影測量技術能以大范圍、高精度、高清晰度的方式全面感知諸如水庫等復雜地理環(huán)境,能讓用戶從多個角度觀察地物,更加真實地反映地理環(huán)境的實際情況,極大地彌補了二維影像應用的不足。同時,基于傾斜攝影三維模型可進行包括高度、長度、面積、角度、坡度等多種量測分析,在實際應用中具有極大的優(yōu)勢[15]。

3.1.3 知識類

知識是人類對于客觀世界的認知,包括事實、信息描述或教育實踐中獲得結(jié)果的綜合。知識圖譜可以集成大量的數(shù)據(jù)及其之間的關系,通過有效的加工、整合和處理,將其轉(zhuǎn)化為易于計算和理解的語義知識庫,可用于描述客觀世界中的概念及相互關系[16]。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化側(cè)重于數(shù)據(jù)結(jié)果的展示和篩選,在設計上更多強調(diào)數(shù)據(jù)信息與圖像、色彩的信息傳達,較少涉及數(shù)據(jù)關系的干預。知識圖譜的可視化則更側(cè)重于數(shù)據(jù)關系構建和處理過程的可視化,通過知識圖譜可視化,獨立的數(shù)據(jù)就變成可描述的知識語意,用戶通過語義聯(lián)系可以洞察到不同的現(xiàn)象,分析得出不同的結(jié)論。

3.2 仿真引擎

3.2.1 Unreal Engine

Unreal Engine虛幻引擎是一款專業(yè)制作3D游戲的開發(fā)引擎,自誕生至今,歷經(jīng)不斷發(fā)展和沉淀,已成為游戲界運用范圍廣、精確度高、交互性好的一款引擎。該引擎支持DirectX 11渲染,擁有延遲著色、GPU 粒子模擬、全新地形和植被、后期效果處理、模擬與沉浸式視角等一系列全新特性,渲染效果強大,支持百億面的實時渲染與全動態(tài)全局光照,可以打造精致豐富的場景細節(jié),大大增強了三維場景的視覺觀感,為用戶提供極致的沉浸式漫游體驗[17]。適合大型游戲項目,更適合三維虛擬地理空間的大場景漫游。

3.2.2 Cesium

Cesium是一款基于JavaScript的地圖繪制引擎,使用WebGL來進行硬件加速圖形,可在絕大多數(shù)支持WebGL的瀏覽器上運行。支持2D,2.5D,3D形式的地圖數(shù)據(jù)展示,可繪制各種幾何圖形,高亮區(qū)域。支持影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)及三維模型數(shù)據(jù)的可視化展示;支持基于時間軸的動態(tài)流式數(shù)據(jù)展示,可用于動態(tài)數(shù)據(jù)可視化。在空間分析方面,可實現(xiàn)剖面分析、飛行路線模擬、可視域分析、淹沒分析等功能。

3.2.3 Cesium for Unreal

針對虛幻引擎搭建的數(shù)字場景空間分析能力較弱,三維GIS搭建的數(shù)字場景表現(xiàn)能力不足的問題,Cesium與Unreal Engine跨界融合,開發(fā)了Cesium for Unreal插件。Cesium for Unreal將Cesium的三維地理空間功能與Unreal Engine虛幻引擎的高保真渲染功能結(jié)合起來,為游戲引擎打開了三維地理空間生態(tài)系統(tǒng)的大門,帶來強大的視覺沖擊力和應用價值[18]。

4 應用實踐

4.1 大屏可視

采用輕量級的圖表框架ECharts,融合防汛、灌區(qū)、供水、河湖、水資源管理等數(shù)據(jù),實現(xiàn)物聯(lián)感知網(wǎng)全域覆蓋,綜合態(tài)勢一屏掌握,可滿足水利數(shù)據(jù)可視化大屏展示的需求。圖1為基于ECharts實現(xiàn)的水利數(shù)據(jù)大屏可視化。

圖1 基于ECharts的水利數(shù)據(jù)大屏可視化

4.2 BIM應用

通過應用BIM技術,可將工程所有的視圖、剖面、3D圖連接在一起,提高設計者對空間的把控能力,減少設計錯誤的可能性。通過對工程施工狀態(tài)進行三維可視化展示,結(jié)合施工進度進行多維度施工模擬,對整個施工流程進行深入的分析理解與應用。圖2為基于BIM技術建立的水廠仿真模型。

圖2 基于BIM技術建立的水廠仿真模型

4.3 三維仿真

基于Cesium for Unreal插件在UE4虛幻引擎中將水庫及周邊地形地貌以電子沙盤的形式呈現(xiàn)出來。圖3為加載的傾斜攝影實景三維水庫模型。

圖3 基于UE4加載的傾斜攝影模型

4.4 淹沒分析

通過模擬水面隨時間的變化調(diào)整水面高度,從而實現(xiàn)動態(tài)洪水淹沒分析。圖4為基于Cesium的洪水淹沒分析。

圖4 基于Cesium的洪水淹沒分析

4.5 知識圖譜

通過進一步梳理調(diào)度規(guī)則、專家經(jīng)驗等知識,構建水利綜合知識圖譜,可為水利工程安全運行、防洪調(diào)度和水資源優(yōu)化配置等提供輔助決策支持。

5 結(jié) 語

可視化是數(shù)字孿生落地應用的關鍵之一,其融合了多種技術手段,能夠為數(shù)字孿生提供直觀的數(shù)據(jù)或場景表達,降低對孿生實體管理的復雜度。隨著可視化領域的不斷發(fā)展,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式的不斷增加,表現(xiàn)方法也在不斷變化,如何通過數(shù)字孿生可視化將用戶對業(yè)務態(tài)勢的研判路徑縮至最短,節(jié)省數(shù)據(jù)管理成本,提高場景管理效率,呈現(xiàn)最具價值的可視化效果將是下一步研究的重點。