徐 偉，管莉莉，李登富，王之順，馬萬(wàn)泉

（1.江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇揚(yáng)州 225002；2.江蘇省太湖水利設(shè)計(jì)研究院有限公司揚(yáng)州分公司，江蘇揚(yáng)州 225002）

1 概 述

隨著衛(wèi)星遙感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，智慧水利不斷推進(jìn)，通過(guò)信息基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)字孿生平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與物理流域同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化，數(shù)字孿生在水利領(lǐng)域正處于探索和推進(jìn)階段［1-3］。

數(shù)據(jù)是智慧水利建設(shè)不可或缺的一部分，數(shù)據(jù)底板是數(shù)字孿生流域建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)之一［4］。本項(xiàng)目以古運(yùn)河揚(yáng)州段為研究示范點(diǎn)，為推動(dòng)古運(yùn)河揚(yáng)州段數(shù)字孿生建設(shè)，建設(shè)數(shù)據(jù)底板并構(gòu)建古運(yùn)河揚(yáng)州段水陸一體三維數(shù)字化場(chǎng)景。測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展提升對(duì)水利數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板的采集和建設(shè)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(guò)RTK、航空攝影測(cè)量、三維激光掃描、水下多波束探測(cè)等方式獲取。基于“空天地水”一體化采集手段獲取的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，匯聚融合處理并進(jìn)行挖掘服務(wù)，從而構(gòu)建覆蓋古運(yùn)河揚(yáng)州段的數(shù)據(jù)底板，為古運(yùn)河揚(yáng)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(yùn)河揚(yáng)州段數(shù)字孿生三維應(yīng)用展示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)古運(yùn)河揚(yáng)州段的水陸一體三維可視化、三維實(shí)景數(shù)字場(chǎng)景展示、水位監(jiān)測(cè)和雨量風(fēng)險(xiǎn)預(yù)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(yùn)河揚(yáng)州段是整個(gè)運(yùn)河中最古老的一段，也是揚(yáng)州市13 條直管河道之一，從灣頭黃金壩、大水灣、寶塔灣、揚(yáng)子橋至瓜洲入長(zhǎng)江，總長(zhǎng)29.3 km，構(gòu)成著名的“揚(yáng)州三灣”。

2.2 數(shù)據(jù)底板組成

在水利一張圖基礎(chǔ)上，收集地理空間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)，充分整合現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)信息資源，構(gòu)建古運(yùn)河揚(yáng)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(diǎn)云、多波束掃測(cè)水下地形等。

2.2.2 水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

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

2.2.3 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

包含古運(yùn)河揚(yáng)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(cè)數(shù)據(jù)

監(jiān)測(cè)信息主要包括水位、流量、雨量等數(shù)據(jù)；古運(yùn)河揚(yáng)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(yùn)河揚(yáng)州段關(guān)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(gòu)建

3.1 技術(shù)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(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)應(yīng)用等環(huán)節(jié)［5］。數(shù)據(jù)底板的建設(shè)目標(biāo)是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)共享體系的基礎(chǔ)上，基于全省水利一張圖，收集古運(yùn)河揚(yáng)州段范圍的水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)“空天地水”一體化基礎(chǔ)感知體系的采集、監(jiān)測(cè)手段獲取地理空間數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并匯聚業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、治理與挖掘，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)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(wù)的古運(yùn)河揚(yáng)州段數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板。數(shù)據(jù)底板構(gòu)建技術(shù)路線，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)底板構(gòu)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(guò)不同采集手段獲取的數(shù)據(jù)。如無(wú)人機(jī)傾斜攝影采集構(gòu)建三維傾斜攝影模型，機(jī)載雷達(dá)點(diǎn)云、多波束掃測(cè)獲取地面及水下數(shù)字高程數(shù)據(jù)，全景720°相機(jī)拍攝實(shí)景影像等。

3.1.2 數(shù)據(jù)匯聚

按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、清洗，依托數(shù)據(jù)匯聚引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)各類結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)與歷史數(shù)據(jù)、其他行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，實(shí)現(xiàn)古運(yùn)河揚(yáng)州段數(shù)據(jù)資源匯集調(diào)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(diǎn)云數(shù)據(jù)、河道及閘站傾斜攝影模型等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)尺度不同，需對(duì)不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行空間配準(zhǔn)及融合，解決多源數(shù)據(jù)一致性、空間數(shù)據(jù)一致性、對(duì)象邏輯一致性等問(wèn)題。

對(duì)各類數(shù)據(jù)按照相關(guān)要求和規(guī)范建立項(xiàng)目數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合和存儲(chǔ)。通過(guò)建立項(xiàng)目數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建完整的數(shù)據(jù)管理體系，對(duì)治理匯集后的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)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(wù)

基于治理后的數(shù)據(jù)，構(gòu)建對(duì)象基礎(chǔ)屬性、空間屬性一體化存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)屬空一體化高速檢索，全面支撐數(shù)字孿生應(yīng)用所需的屬空一體化查詢、統(tǒng)計(jì)和分析功能。以資源整合成果為基礎(chǔ)，治理形成統(tǒng)一語(yǔ)義、相互關(guān)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(chǔ)，為雨量預(yù)警、水位監(jiān)測(cè)提供算據(jù)支撐。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 三維模型輕量化技術(shù)

數(shù)據(jù)底板中的傾斜攝影三維模型作為實(shí)景場(chǎng)景構(gòu)建的主要數(shù)據(jù)源，由于數(shù)據(jù)量大造成平臺(tái)加載速度和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的壓力，解決這一問(wèn)題的途徑是對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理。

通過(guò)基于向量夾角和邊緣檢測(cè)方法，設(shè)置合理閾值刪除冗余頂點(diǎn)和重復(fù)頂點(diǎn)，最后利用三角網(wǎng)生長(zhǎng)法等方法將三角網(wǎng)優(yōu)化產(chǎn)生的空洞進(jìn)行補(bǔ)填，減少了數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)從而簡(jiǎn)化三角網(wǎng)。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(jiǎn)化后三角網(wǎng)數(shù)據(jù)重構(gòu)新的OSGB 文件，實(shí)現(xiàn)海量三維模型數(shù)據(jù)壓縮優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)降低數(shù)據(jù)加載對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和硬件設(shè)備的要求，提升渲染效率和在三維可視化平臺(tái)運(yùn)行的流暢性。傾斜攝影三維模型輕量化的技術(shù)方法，如圖2 所示。輕量化處理后，三維場(chǎng)景模型文件存儲(chǔ)大小降低35%；實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景模型在三維可視化平臺(tái)中的加載效率提升45%。

圖2 三維模型輕量化的技術(shù)流程

3.2.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合

對(duì)采集匯聚的原始數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及“四預(yù)”業(yè)務(wù)應(yīng)用需求進(jìn)行多維多尺度數(shù)據(jù)融合處理。由于數(shù)據(jù)分辨率、時(shí)相、格式、空間參考不一致等存在沖突，需要通過(guò)字段映射、空間投影變換、疊加、人工核實(shí)等方式進(jìn)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(wú)法套合，需要通過(guò)空間數(shù)據(jù)處理工具進(jìn)行一致性處理。空間數(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(jī)載雷達(dá)獲取地面高程與多波束水下掃測(cè)方式分別獲取的高程數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)縫隙。通過(guò)多技術(shù)手段采集補(bǔ)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(shí)現(xiàn)一體化集成。

3.2.3 三維實(shí)景數(shù)字場(chǎng)景構(gòu)建

古運(yùn)河揚(yáng)州段數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板構(gòu)建的首要任務(wù)是建設(shè)由地理空間數(shù)據(jù)、水文在線監(jiān)測(cè)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(chǎng)景。

利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，構(gòu)建古運(yùn)河揚(yáng)州段29.3 km、河口線外150 m 范圍內(nèi)的三維實(shí)景模型，通過(guò)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(guò)貼近攝影測(cè)量技術(shù)采用無(wú)人機(jī)三維航拍+手持相機(jī)補(bǔ)拍方式實(shí)現(xiàn)閘站的精細(xì)單體化建模。綜合加載機(jī)載雷達(dá)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(jí)地名、街景、POI 等地理信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部要素的數(shù)字化映射、加載、渲染和展示。

古運(yùn)河揚(yáng)州段三維數(shù)字化場(chǎng)景建設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字河道的虛擬空間與物理空間真實(shí)對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字場(chǎng)景的精細(xì)化高仿真呈現(xiàn)，場(chǎng)景式城市河道數(shù)據(jù)底板專題圖依托3D+GIS、VR/AR等技術(shù)的可視化引擎進(jìn)行呈現(xiàn)，結(jié)合城市河道洪水聯(lián)合調(diào)度等業(yè)務(wù)特點(diǎn)，以及定制開發(fā)的可視化模型的處理、集成，實(shí)現(xiàn)空間分析結(jié)果、仿真結(jié)果等可視化。

3.2.4 在線監(jiān)測(cè)

利用衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感技術(shù)，無(wú)人機(jī)、無(wú)人船、機(jī)器人等監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)大尺度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警。運(yùn)用智能視頻監(jiān)控和720°全景圖像采集，通過(guò)圖像智能分析軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別場(chǎng)景中的異常；通過(guò)傳感器及5G、物聯(lián)網(wǎng)等手段結(jié)合算法實(shí)現(xiàn)雨量自動(dòng)監(jiān)測(cè)、水位自動(dòng)預(yù)警。通過(guò)高分辨率航天、航空遙感技術(shù)和地面水文監(jiān)測(cè)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，推進(jìn)建立洪水“空天地”一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高城市河道洪水監(jiān)測(cè)體系的覆蓋度和精度。

4 應(yīng)用平臺(tái)研究

研發(fā)基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市河道數(shù)據(jù)底板應(yīng)用平臺(tái)，采用WebGL 技術(shù)和Cesium 三維渲染引擎，處理海量三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成，通過(guò)三維模型數(shù)據(jù)輕量化處理技術(shù)、可視化表達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化場(chǎng)景快速渲染查詢。構(gòu)建水利基礎(chǔ)信息與業(yè)務(wù)深度融合的平臺(tái)，滿足城市水利工程管理要求。平臺(tái)接入古運(yùn)河揚(yáng)州段視頻監(jiān)控、視頻硬件等設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查看古運(yùn)河揚(yáng)州段周邊景觀和生態(tài)環(huán)境的功能。通過(guò)水雨情傳感器實(shí)現(xiàn)水位和雨量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，平臺(tái)調(diào)用算法實(shí)現(xiàn)模擬、分析、預(yù)演預(yù)警等功能。古運(yùn)河揚(yáng)州段數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板應(yīng)用平臺(tái)總體架構(gòu)見圖3。

圖3 古運(yùn)河揚(yáng)州段數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板應(yīng)用平臺(tái)總體架構(gòu)

4.1 基礎(chǔ)設(shè)施

基礎(chǔ)設(shè)施層是整個(gè)數(shù)字孿生體系的基礎(chǔ)支撐，包含智能測(cè)繪“空天地水”一體化感知設(shè)備，負(fù)責(zé)信息采集與安全傳輸。本項(xiàng)目是通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影，機(jī)載雷達(dá)點(diǎn)云獲取地面高程，多波束側(cè)掃水下采集水下高程，720°全景相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝河道重要節(jié)點(diǎn)及閘站的環(huán)境監(jiān)測(cè)影像，雨量、水位監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、融合、存儲(chǔ)、處理等，為水利數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板平臺(tái)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括古運(yùn)河揚(yáng)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(jī)載雷達(dá)點(diǎn)云及水下多波束掃測(cè)的高程數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)環(huán)境信息圖像及視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。

4.3 應(yīng)用層

借助WebGIS和多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)等實(shí)現(xiàn)古運(yùn)河揚(yáng)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(cè)和洪水預(yù)演預(yù)警仿真模擬等，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間的信息實(shí)時(shí)互動(dòng)等，如圖4所示。

圖4 古運(yùn)河揚(yáng)州段洪水預(yù)演預(yù)警與雨情監(jiān)測(cè)預(yù)警

4.4 用戶層

包括揚(yáng)州市水利局各業(yè)務(wù)主管部門、相關(guān)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(dòng)端的形式，體驗(yàn)多場(chǎng)景的業(yè)務(wù)管理和交互界面。

5 結(jié) 語(yǔ)

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(xì)論述了古運(yùn)河揚(yáng)州段數(shù)據(jù)底板的建設(shè)方法。采用Cesium 三維地球引擎和WebGL 技術(shù)研發(fā)的古運(yùn)河揚(yáng)州段數(shù)據(jù)底板展示應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維數(shù)字場(chǎng)景構(gòu)建、陸上水下三維一體化查詢、洪水預(yù)演預(yù)警可視化表達(dá)，展示了基于WebGL 的古運(yùn)河揚(yáng)州段數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板分析應(yīng)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(gòu)建相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀，為探索城市河道數(shù)字孿生建設(shè)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(shù)進(jìn)展，需要在下一步實(shí)踐中進(jìn)一步完善。