彭 忠，王長波，劉 利，呂振華，朱學(xué)明，何 青，李 武，宋德海，周 烜，武 文，柴 扉0，彭 偉，彭 偉，WANG Zhengbing，，YE Qinghua

（1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，上海 200241；2.華東師范大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 200062；3.清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系，北京 100084；4.華東師范大學(xué)軟件工程學(xué)院，上海 200062；5.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗室（珠海），廣東 珠海 519085；6.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032；7.中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，山東 青島 266100；8.華東師范大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200062；9.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100；10.廈門大學(xué)近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，福建 廈門 361102；11.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；12.華東師范大學(xué)信息化治理辦公室，上海 200062；13.Delft University of Technology，Delft 2628CJ，Netherlands；14.Deltares，Delft 2628CJ，Netherlands）

河口海岸是地球系統(tǒng)中典型的多圈層多界面地帶，也是人類生存和發(fā)展的重要區(qū)域。然而，在氣候變化和人類活動的雙重脅迫下，河口海岸面臨環(huán)境惡化、濕地生態(tài)受損和災(zāi)害風(fēng)險增加等多重問題。解決這些問題需要一個基礎(chǔ)工具和平臺，它必須具備無限接近真實(shí)、快速高效和系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，從而能夠降低復(fù)雜系統(tǒng)的分析成本，并幫助我們識別潛在問題、預(yù)測系統(tǒng)性能、優(yōu)化應(yīng)對方案和進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，提高應(yīng)對效果和管理效率。然而，現(xiàn)有的觀測手段和數(shù)值模型等工具無法同時滿足這3 個核心要求，已成為制約河口海岸帶可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的瓶頸。近年來，國際上高新技術(shù)發(fā)展迅猛，例如聊天機(jī)器人（Chat Generative Pre-trained Transformer-4，ChatGPT-4） 實(shí)現(xiàn)了生成式人工智能，超級計算機(jī)“神威·太湖之光”等為大型模型系統(tǒng)提供了充足的算力支持，數(shù)字孿生技術(shù)也自2003 年提出以來成為世界十大戰(zhàn)略性科技趨勢之一。據(jù)艾瑞咨詢研究院指出，2022 年中國數(shù)字孿生市場規(guī)模超過100 億元，并預(yù)計2025 年將達(dá)到375 億元[1]。正因為如此，國際社會為了應(yīng)對全球環(huán)境變化的重大挑戰(zhàn)，提出了“數(shù)字地球”的概念，并發(fā)起了歐盟“地球終點(diǎn)”項目和聯(lián)合國“海洋數(shù)字孿生”大科學(xué)計劃?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》則提出“加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體驅(qū)動生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革”的目標(biāo)。結(jié)合數(shù)字孿生和人工智能等前沿科技的發(fā)展演進(jìn)，構(gòu)建一個無限逼近真實(shí)、快速高效、系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)，能夠提供預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演和預(yù)案（簡稱“四預(yù)”）服務(wù)的數(shù)字孿生已成為河口海岸可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的歷史選擇。

1 數(shù)字孿生的概念

數(shù)字孿生的概念有一個演變過程。從最開始無法進(jìn)行數(shù)據(jù)自動交換的數(shù)字模型（Digital Model），到能夠自動同化物理數(shù)據(jù)的數(shù)字影子（Digital Shadow），再到如今能夠進(jìn)行物理世界和虛擬空間雙向信息交互反饋的數(shù)字孿生（Digital Twin）[2]（圖1）。數(shù)字孿生的概念模型最早是由Grieves 教授在2003年美國舉行的制造工程師學(xué)會會議上公開介紹的[3]，當(dāng)時被稱作“鏡像空間模型（Digital Mirror and Digital Mapping）”。2010 年，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在技術(shù)路線圖中正式提出數(shù)字孿生，標(biāo)志著數(shù)字孿生的正式誕生[4]。GRIEVES M[5]在2011 年給出了數(shù)字孿生的三個組成部分：物理空間的實(shí)體產(chǎn)品、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品、物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口。2012 年，NASA 給出的數(shù)字孿生概念描述如下：充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，作為虛擬空間中對實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應(yīng)物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過程[6]。相比較Grieves教授的數(shù)字孿生定義，NASA 給出的定義包括仿真或模型，能得到有實(shí)際意義的真實(shí)世界實(shí)體或系統(tǒng)的數(shù)字表示。莊存波等[7]認(rèn)為數(shù)字孿生是采用信息技術(shù)對物理實(shí)體的組成、特征、功能和性能進(jìn)行數(shù)字化定義和建模的過程。DUAN H B 等[8]識別了概念系統(tǒng)、參考架構(gòu)、應(yīng)用框架和數(shù)字孿生成熟度模型之間的關(guān)系，并提出了一套統(tǒng)一的模型。陶飛等[9]在2022 年提出了另一種數(shù)字孿生成熟度模型，將數(shù)字孿生成熟度分為“以虛仿實(shí)（L0）、以虛映實(shí)（L1）、以虛控實(shí)（L2）、以虛預(yù)實(shí)（L3）、以虛優(yōu)實(shí)（L4）、虛實(shí)共生（L5）”6 個等級。

圖1 數(shù)字孿生概念的演變過程[2]

盡管數(shù)字孿生這一概念比較新，但是自從2003年提出以來，其發(fā)展極其迅速。NASA 在2010 年的太空技術(shù)路線中引入數(shù)字孿生的概念來實(shí)現(xiàn)飛行系統(tǒng)的全面診斷和預(yù)測功能，以保障在整個系統(tǒng)使用壽命期間實(shí)現(xiàn)持續(xù)安全地操作[10]；美國空軍研究實(shí)驗室（Air Force Research Laboratory，AFRL）于2011年將數(shù)字孿生技術(shù)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測的概念模型中[11]。2013 年，AFRL 正式啟動了耗資龐大的工程驗證項目——機(jī)身數(shù)字孿生計劃的第一階段工作，項目使用了真實(shí)的F15 戰(zhàn)機(jī)全尺寸的外機(jī)翼作為驗證對象[12]。由于通用電氣、西門子等公司的推廣，數(shù)字孿生技術(shù)近年在工業(yè)制造領(lǐng)域同樣發(fā)展迅速。世界著名咨詢公司Gartner 連續(xù)兩年將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略性科技趨勢之一[13-14]，并預(yù)估2027年前40%的世界大公司會使用數(shù)字孿生來增加項目的盈利[15]?！吨袊鴶?shù)字孿生行業(yè)現(xiàn)狀深度研究與投資趨勢分析報告（2022—2029 年）》顯示，數(shù)字孿生已經(jīng)成為全球多個國家重點(diǎn)布局行業(yè)。例如，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)盟將數(shù)字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心和關(guān)鍵，德國工業(yè)4.0 參考架構(gòu)將數(shù)字孿生作為重要內(nèi)容?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》也強(qiáng)調(diào)“加快數(shù)字化發(fā)展，建設(shè)數(shù)字中國”的國家需求。然而，當(dāng)前數(shù)字孿生的一個關(guān)鍵問題是它們未能完整地表示物理原理、過程和系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，比如，CALDRELLI G 等[16]指出傳統(tǒng)的數(shù)字孿生城市往往過分強(qiáng)調(diào)城市的物理組成部分，從而極大地簡化了人類的互動，這可能導(dǎo)致以數(shù)據(jù)驅(qū)動的治理和規(guī)劃出現(xiàn)不足之處。

目前數(shù)字孿生主要集中在航空航天、智能制造、數(shù)字化城市、地球系統(tǒng)等領(lǐng)域[17-21]，而關(guān)于海洋數(shù)字孿生方面的研究較少。海洋數(shù)字孿生就是用虛擬手段將真實(shí)的海洋呈現(xiàn)出來，能夠幫助領(lǐng)域?qū)＜液陀脩羯踔琳麄€社會回答某些具體情景發(fā)生時海洋會如何變化的相關(guān)問題，諸如發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、開發(fā)利用海洋資源、設(shè)立海洋保護(hù)區(qū)、應(yīng)對氣候變化、減少海洋污染等相關(guān)活動。海洋數(shù)字孿生不僅有助于規(guī)劃海洋空間、制定海洋治理政策，還可以有效推動科學(xué)家、政策制定者和公眾參與海洋相關(guān)的經(jīng)濟(jì)活動。因此，國際社會為應(yīng)對全球海洋環(huán)境變化重大挑戰(zhàn)，2020 年9 月，歐盟委員會發(fā)布了“構(gòu)建透明和可觸及的海洋”倡議，旨在幫助歐盟委員會實(shí)現(xiàn)在綠色協(xié)議和數(shù)字化方面做出的承諾，開發(fā)非常高精度的地球數(shù)字模型。2021 年，聯(lián)合國“海洋十年”計劃將創(chuàng)建海洋的綜合數(shù)字化孿生體列為十大挑戰(zhàn)之一，并啟動了海洋數(shù)字孿生行動計劃（Digital Twin of the Ocean Program）[22]，助力聯(lián)合國《2030 年可持續(xù)發(fā)展議程》。

2 河口海岸數(shù)字孿生必要性

河口海岸作為陸地與海洋的分界線，是海陸相互作用最強(qiáng)烈的地帶，也是一個非常復(fù)雜的多圈層、多界面、多過程系統(tǒng)[23]。其中，海陸界面主要包括了由上游流域帶來的水通量、泥沙、營養(yǎng)鹽、陸源碳和污染物等因素的影響，以及由下游海洋帶來的波浪、潮汐、海流、高鹽等因素的影響（圖2）；海氣界面包括蒸發(fā)、凝結(jié)、熱交換，氣體和溶解物質(zhì)的交換等過程；海底或流固界面則體現(xiàn)在海床泥沙運(yùn)動、動力沉積地貌過程等。這些因素不僅影響著河口海岸的生態(tài)環(huán)境，還可能對漁業(yè)、海洋交通和旅游等產(chǎn)業(yè)造成不利影響。河口海岸帶還是人類生存的重要空間、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵區(qū)域[24]。全球約有40%的人口生活在離海岸線100 km 以內(nèi)的陸地上，約有10%的人口生活在低于10 m 的區(qū)域。近年來，全球氣候變化導(dǎo)致海平面上升和風(fēng)暴強(qiáng)度加大，沿岸地區(qū)洪水災(zāi)害風(fēng)險日趨增大。與此同時，劇烈的人類活動給海岸環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)帶來了前所未有的威脅。在過去幾十年里，近海漁業(yè)資源減少了近30%，有接近50%的濕地消失，60%的珊瑚礁嚴(yán)重退化[25]，大型港口航道和圍墾工程等頻繁上馬，河流入海泥沙銳減，環(huán)境和淡水資源被不斷污染，河口海岸可持續(xù)發(fā)展正面臨著極大的挑戰(zhàn)[26]。

圖2 河口海岸多圈層、多界面和多過程系統(tǒng)[27]

目前，河口海岸的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀還不足以從監(jiān)測、預(yù)報和情景分析等方面應(yīng)對河口海岸可持續(xù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。第一，現(xiàn)有野外觀測數(shù)據(jù)缺少時效性，歷史觀測資料缺少聚融性，遙感產(chǎn)品缺少連續(xù)性，因此在代表真實(shí)世界狀態(tài)時有諸多局限性；第二，目前學(xué)術(shù)界和政府業(yè)務(wù)單位運(yùn)行的河口海岸模型盡管比較成熟，如風(fēng)暴潮模型等，但大都缺少系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性和多維度數(shù)據(jù)同化算法，因此無法逼近真實(shí)；第三，河口海岸數(shù)據(jù)大型、多源和異構(gòu)，缺少基于人工智能技術(shù)的數(shù)據(jù)聚融和數(shù)據(jù)挖掘；第四，河口海岸相關(guān)的應(yīng)用服務(wù)有效性不足，以臺風(fēng)事件為例，除了洪水災(zāi)害預(yù)報預(yù)警等問題，臺風(fēng)事件中濱海城市應(yīng)急管理系統(tǒng)等往往被忽略；第五，長期以來我國河口海岸科學(xué)研究和工程應(yīng)用普遍依賴于國外相關(guān)的專業(yè)模型，包括海洋波浪模型Wavewatch 芋[28]、海浪數(shù)值模式（Simulating Waves Nearshore，SWAN）[29]，海洋、海岸、河口水動力數(shù)學(xué)模型（An Advanced Circulation Model For Oceanic，Coastal and Estuarine Waters，ADCIRC）[30]，動力與地貌模型Delft3D[31]，有限體積海岸海洋模型（Finite-Volume Coastal Ocean Model，F(xiàn)VCOM）[32]、颶風(fēng)氣象預(yù)報模型（Hurricane Weather Research and Forecasting model，HWRF）[33]，洪澇模型LISFLOOD[34]等，缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專業(yè)模型系統(tǒng)。

近年來，在以智能化為主要特征的第四次技術(shù)革命的背景下，“空天地?！币惑w化立體觀測、遙感反演、數(shù)值模擬等技術(shù)在河口海岸研究和應(yīng)用中陸續(xù)普及，河口海岸大數(shù)據(jù)呈指數(shù)式增長，數(shù)字化和智能挖掘技術(shù)在經(jīng)略海洋中的作用日益凸顯。結(jié)合數(shù)字孿生和人工智能等前沿科技發(fā)展，河口海岸數(shù)字孿生采用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)同化技術(shù)，將河口海岸綜合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與河口海岸專業(yè)模型相結(jié)合，生成高精度精細(xì)化的預(yù)報和再分析大數(shù)據(jù)產(chǎn)品，通過構(gòu)建專業(yè)知識庫和研發(fā)深度學(xué)習(xí)等人工智能算法服務(wù)災(zāi)害防控、生態(tài)修復(fù)、環(huán)境管控和海洋資源利用等應(yīng)用場景，預(yù)期能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化、“四預(yù)”和情景分析等功能（圖3）。由于具有“實(shí)時同步、忠實(shí)映射、高保真度”的特點(diǎn)[35]，河口海岸數(shù)字孿生將使廣泛的用戶能夠與河口海岸數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行互動，以增強(qiáng)理解并為決策提供參考，使用戶能夠探索河口海岸在不斷變化的條件下將如何響應(yīng)。不僅如此，河口海岸數(shù)字孿生還有助于推動河口海岸學(xué)科群的發(fā)展，從技術(shù)角度影響濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)和人類活動，提升海岸帶風(fēng)險防控、綜合管理水平，為陸海統(tǒng)籌、資源安全、災(zāi)害防控、生態(tài)環(huán)保等國家需求提供科技支撐。

圖3 河口海岸數(shù)字孿生概念

3 河口海岸數(shù)字孿生系統(tǒng)

河口海岸數(shù)字孿生旨在提高對河口海岸復(fù)雜系統(tǒng)演變機(jī)制、趨勢預(yù)測和全球變化應(yīng)對的研究與應(yīng)用能力。因此，河口海岸數(shù)字孿生強(qiáng)調(diào)基于全面且準(zhǔn)確的感知數(shù)據(jù)，進(jìn)行精準(zhǔn)建模，達(dá)成虛實(shí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時交互，利用跨時空數(shù)值模擬和人工智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)，為河口海岸的災(zāi)害防控、環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)等應(yīng)用場景提供預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演和預(yù)案等服務(wù)（圖4）。河口海岸數(shù)字孿生系統(tǒng)主要包括以下幾方面。

圖4 河口海岸數(shù)字孿生系統(tǒng)

3.1 河口海岸立體監(jiān)測和數(shù)據(jù)聚融

現(xiàn)實(shí)世界的感知數(shù)據(jù)是河口海岸數(shù)字孿生的基石和保障。河口海岸是一個具有多過程、多界面和多圈層的區(qū)域。為了全面、精確地監(jiān)測和研究自然環(huán)境，需要進(jìn)行跨學(xué)科合作和交叉研究，構(gòu)建多學(xué)科交叉綜合觀測網(wǎng)絡(luò)，以綜合觀測大氣、水文、地理等各個領(lǐng)域的數(shù)據(jù)。這需要發(fā)展綜合傳感器、衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、雷達(dá)等多元感知技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對多種環(huán)境因素的實(shí)時“空天地?！绷Ⅲw監(jiān)測（圖5）。同時，需要具備主動觀測能力，即根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果、數(shù)據(jù)分析與場景服務(wù)的需求，實(shí)時動態(tài)調(diào)整觀測要素、位置、頻次等，以獲取最優(yōu)觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的質(zhì)量和一致性對于數(shù)據(jù)聚融至關(guān)重要，因此需要對不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行有效的整合和清洗。這包括數(shù)據(jù)采集、校準(zhǔn)、修正和插值等預(yù)處理手段，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)融合方法也應(yīng)該被采用，如卡爾曼濾波、粒子濾波、最優(yōu)插值和格點(diǎn)統(tǒng)計等。

圖5 河口海岸“空天地海”立體監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)

3.2 河口海岸多過程耦合模型系統(tǒng)

流域-河口-近海多過程耦合模型系統(tǒng)是河口海岸數(shù)字孿生的核心。河口海岸過程受流域和近海影響巨大，要科學(xué)合理揭示河口海岸過程，必須綜合考慮流域和近海的影響。同時，河口海岸人類活動頻繁，有必要建立自然過程與人文社會經(jīng)濟(jì)的有機(jī)聯(lián)系。這要求河口海岸模型系統(tǒng)能夠關(guān)聯(lián)流域-河口-近海不同尺度不同區(qū)域大氣、海洋、陸面、水文水動力、城市和社會經(jīng)濟(jì)等模式（圖6），以更好地模擬和預(yù)測流域-河口-近海系統(tǒng)的演變。在建立模型系統(tǒng)時，需要考慮到不同領(lǐng)域中主要物理和生化過程和機(jī)理之間的相互作用，例如，流域中的水文過程對河口海岸的影響，城市活動對水環(huán)境的影響等。通過系統(tǒng)關(guān)聯(lián)不同領(lǐng)域的模型，抽象化不同尺度多種模式，更好地模擬和預(yù)測系統(tǒng)的響應(yīng)和變化。這種關(guān)聯(lián)需要實(shí)現(xiàn)多模式與多過程之間的模塊化耦合，提出多尺度時空數(shù)據(jù)同化算法，融合不同時空尺度的數(shù)據(jù)，以提高模型的準(zhǔn)確性。另外，河口海岸多過程耦合模型系統(tǒng)還應(yīng)借助目前迅速發(fā)展的人工智能技術(shù)，突破傳統(tǒng)數(shù)值模型在數(shù)值差分離散、參數(shù)化方案等方面的瓶頸，建立新型智能化數(shù)值模型，以期更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，在提升不同情景下系統(tǒng)預(yù)測能力的同時可接受人為動態(tài)控制并進(jìn)行智能調(diào)整。

圖6 河口海岸多過程耦合模型系統(tǒng)

3.3 河口海岸數(shù)字孿生體

河口海岸數(shù)字孿生需要對河口海岸大數(shù)據(jù)的特征與規(guī)律進(jìn)行分析，這就需要構(gòu)建一個“有血有肉”的河口海岸數(shù)字孿生體。基于環(huán)境的模型重建就是孿生體的“骨架”，河口海岸專業(yè)知識圖譜則是孿生體的“血液”，而觀測和模型生成的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)則是孿生體的“肌肉”。結(jié)合深度學(xué)習(xí)的重構(gòu)方法，可以將二維場景中的數(shù)據(jù)特征經(jīng)過模型的學(xué)習(xí)，迅速獲得對應(yīng)的三維場景，發(fā)展新的基于視頻、圖像、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的多源數(shù)據(jù)的河口海岸環(huán)境重建技術(shù)；創(chuàng)建河口海岸專業(yè)知識圖譜，包括水文、地貌、生態(tài)、環(huán)境、工程等歷史數(shù)據(jù)、風(fēng)險防控手冊、污染治理手冊、生態(tài)修復(fù)技術(shù)指南等，并利用圖譜檢索推理技術(shù)，基于知識圖譜智能生成并推送優(yōu)化方案；研發(fā)一種基于專用云平臺的河口海岸科學(xué)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)河口海岸大規(guī)模數(shù)據(jù)的集成和管理，以及數(shù)據(jù)的有效組織和高效訪問；著力研發(fā)快速搜索算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠存儲、快速訪問、計算和共享，確保數(shù)據(jù)服務(wù)的真實(shí)性、時效性和安全性；提出基于視覺感知的時空關(guān)聯(lián)可視化方法，建立人機(jī)交互的河口海岸大數(shù)據(jù)可視化環(huán)境，在數(shù)字孿生系統(tǒng)、環(huán)境數(shù)據(jù)和用戶之間構(gòu)建良好的接口。

3.4 河口海岸智能服務(wù)平臺

河口海岸數(shù)字孿生的目標(biāo)是為河口海岸情景提供智能服務(wù)。利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)開發(fā)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對數(shù)據(jù)采用時間序列分析、關(guān)聯(lián)規(guī)則分析、預(yù)測模型、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行大數(shù)據(jù)智能挖掘；針對河口海岸災(zāi)害防控、水沙和航道資源利用、環(huán)境污染治理和濕地生態(tài)修復(fù)等應(yīng)用場景，河口海岸數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠利用海岸帶污染風(fēng)險評估與管控、濱海濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)和海岸帶水沙航運(yùn)資源安全與可持續(xù)利用等情景模塊，提供精準(zhǔn)化預(yù)報、精細(xì)化預(yù)警和系統(tǒng)化預(yù)演等智能服務(wù)。比如，通過實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)測河口海岸風(fēng)暴潮、巨浪和洪澇等災(zāi)害的發(fā)生，并針對可能發(fā)生的情況做出緊急應(yīng)對措施。河口海岸智能服務(wù)平臺將為相關(guān)領(lǐng)域人員提供更加便捷的協(xié)作和決策平臺，在河口海岸的水土和航運(yùn)資源安全、水環(huán)境管治和濕地生態(tài)保護(hù)等方面發(fā)揮重要作用。

4 河口海岸數(shù)字孿生的核心技術(shù)

河口海岸數(shù)字孿生是一個聚焦河口海岸物理、環(huán)境、生態(tài)和人文社會經(jīng)濟(jì)等學(xué)科專業(yè)知識，借助人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等大量新一代信息技術(shù)搭建而成，為河口海岸應(yīng)用場景提供“四預(yù)”服務(wù)的基礎(chǔ)工具和平臺。因此，河口海岸監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、流域-河口-近海模型耦合技術(shù)、數(shù)據(jù)管理和智能分析技術(shù)，以及知識圖譜技術(shù)成為河口海岸數(shù)字孿生的四大核心技術(shù)。

4.1 河口海岸監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

河口海岸監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的核心任務(wù)是設(shè)計“空天地?！绷Ⅲw監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)河口海岸現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和傳輸；利用人工智能進(jìn)行圖像識別、數(shù)據(jù)清洗和質(zhì)量控制，開發(fā)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的聚融算法，以完成河口海岸全要素智能監(jiān)測和數(shù)據(jù)聚融的目標(biāo)。河口海岸多學(xué)科監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)包括：淤現(xiàn)場組網(wǎng)和實(shí)時傳輸技術(shù)?，F(xiàn)場觀測設(shè)備組網(wǎng)是一種將多個觀測設(shè)備連接在一起的技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)北斗和5G 之間的無縫切換，以便在地球科學(xué)、氣象學(xué)、環(huán)境監(jiān)測和其他領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測；于全域標(biāo)識技術(shù)。觀測設(shè)備之間相互協(xié)作或相互作用需要明確物體在全域的空間位置及唯一標(biāo)識，全域標(biāo)識為物理對象賦予數(shù)字身份信息，實(shí)現(xiàn)孿生映射，為各類部件賦予獨(dú)一無二的數(shù)字編碼，從而實(shí)現(xiàn)虛實(shí)精準(zhǔn)映射和一一對應(yīng)；盂多源數(shù)據(jù)的信息提取技術(shù)。使用文字和圖像檢測和識別算法從采集到的數(shù)據(jù)中進(jìn)一步識別并提取樣本信息，分類有聯(lián)系的語義和詞句，進(jìn)行文檔關(guān)鍵句生成和事件檢測，并結(jié)合海洋環(huán)境下的時空數(shù)據(jù)關(guān)系來進(jìn)行標(biāo)簽和關(guān)聯(lián)；榆異構(gòu)數(shù)據(jù)的聚融技術(shù)。通過數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)共享等技術(shù)，相應(yīng)抽取不同數(shù)據(jù)的特性值，清理數(shù)據(jù)噪聲，重新構(gòu)建統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)形式。

4.2 流域-河口-近海模型耦合技術(shù)

流域-河口-近海模型耦合需要基于自適應(yīng)計算網(wǎng)格、隨機(jī)-確定過程耦合等技術(shù)，在空間尺度上采用動態(tài)降尺度耦合流域模型、區(qū)域海洋模型和河口海岸-工程結(jié)構(gòu)高分辨率模型，在動力上兼容較大尺度的靜力近似運(yùn)動和較小尺度的非靜力近似運(yùn)動，在過程上采用典型場景耦合水動力、泥沙、地貌、生物地球化學(xué)和生態(tài)等關(guān)鍵過程，以及人文社會經(jīng)濟(jì)模式，并兼具自主知識產(chǎn)權(quán)、可移植和可擴(kuò)展等特點(diǎn)。由于每個子模型針對不同對象或過程進(jìn)行模擬，具有不同空間區(qū)域或不同時空離散方法，在程序?qū)崿F(xiàn)上的程序語言、輸入輸出接口、并行計算剖分方法、運(yùn)行速度等不盡相同，這導(dǎo)致流域-河口-近海多過程耦合模型在開發(fā)過程中常面臨耦合實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難題。地球系統(tǒng)模式領(lǐng)域已有能便捷實(shí)現(xiàn)大氣模式、海洋模式、陸面模式、海冰模式等模塊化并行耦合的耦合器，包括法國的通用耦合軟件（Ocean Atmosphere Sea Ice Soil，OASIS），美國的模型耦合工具包（Model Coupling Toolkit，MCT）、地球系統(tǒng)模型框架 （Earth System Modeling Framework，ESMF）、靈活模型系統(tǒng)（the Flexible Modelling Sys-tem，F(xiàn)MS），德國的耦合器（Yet Another Coupler，YAC），中國的C-Coupler[36]等?，F(xiàn)有耦合器有望為河口海岸多過程耦合模型的研發(fā)提供基礎(chǔ)支撐，但仍需要面向河口海岸特定需求做進(jìn)一步改進(jìn)，特別是水沙快過程和地貌生態(tài)慢過程耦合時需要動態(tài)改變網(wǎng)格區(qū)域的范圍和精度?；谕ㄓ媚Ｊ今詈掀鏖_發(fā)的河口海岸多過程耦合模型需要實(shí)時地獲取多源數(shù)據(jù)，并將其集成到模型中，以提高預(yù)測和模擬的準(zhǔn)確性，這離不開數(shù)據(jù)同化技術(shù)。常用的數(shù)據(jù)同化算法包括基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)同化、基于貝葉斯推斷的數(shù)據(jù)同化和基于群集算法的數(shù)據(jù)同化等。為了充分利用觀測信息，需要選擇合適的同化算法，以將不同來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和融合，動態(tài)提高模型的預(yù)測能力。

4.3 河口海岸大數(shù)據(jù)管理和智能分析技術(shù)

人工智能在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、聚融算法、時序異常檢測、時空關(guān)聯(lián)分析、指標(biāo)集合擬定和分層綜合評價等方面有廣泛應(yīng)用。它可以評估和校驗數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高可信度，分析融合多源數(shù)據(jù)，實(shí)時監(jiān)測和預(yù)測海岸情況，分析時空關(guān)聯(lián)關(guān)系，篩選指標(biāo)和建模，以及進(jìn)行綜合評價。人工智能識別技術(shù)包括計算機(jī)視覺、深度學(xué)習(xí)和自然語言處理等，其中，計算機(jī)視覺技術(shù)可以對海洋環(huán)境進(jìn)行可視化監(jiān)測，如水位遠(yuǎn)程監(jiān)測、霧天海洋圖像增強(qiáng)與復(fù)原等；深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以從河口海岸數(shù)據(jù)中自動提取特征并進(jìn)行分類和預(yù)測，如預(yù)測海水溫度和海平面變化趨勢、監(jiān)測海洋生態(tài)系統(tǒng)的變化等；自然語言處理技術(shù)可以幫助處理文本數(shù)據(jù)，從專業(yè)知識平臺中提取知識來設(shè)計河口海岸應(yīng)用場景的預(yù)案。這些應(yīng)用為河口海岸的數(shù)字孿生和可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)和決策支持。在三維建模可視化方面，人工智能提高了建模效率和準(zhǔn)確性。新型測繪技術(shù)創(chuàng)建數(shù)字孿生河口海岸的三維模型，深度學(xué)習(xí)可將2D 圖像轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的3D 模型，并增強(qiáng)可視化效果。它還生成高質(zhì)量的渲染圖像和動畫，支持人機(jī)交互，提高建模效率、質(zhì)量和用戶體驗。在河口海岸過程預(yù)測中，人工智能具有快速高效的特點(diǎn)。當(dāng)前需求包括即時和長期態(tài)勢化的預(yù)測。傳統(tǒng)數(shù)值模型受計算量和時效性限制，而人工智能可以從觀測數(shù)據(jù)和模型模擬數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)過程規(guī)律，提供更快速、準(zhǔn)確的預(yù)報和預(yù)警，彌補(bǔ)了數(shù)值模型的時間尺度的不足。

4.4 河口海岸知識圖譜技術(shù)

河口海岸知識圖譜的構(gòu)建需要針對具體的應(yīng)用場景。通過分析和提煉具體應(yīng)用場景的問題和需求，從歷史數(shù)據(jù)中提取規(guī)律、實(shí)體及其之間的關(guān)系，進(jìn)行知識圖譜設(shè)計和存儲。專業(yè)知識圖譜的建設(shè)主要包含對象關(guān)系圖譜構(gòu)建、規(guī)則識別和智能推薦框架的構(gòu)建。首先，在遵循既有河口海岸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，利用信息化存量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建對象關(guān)系圖譜。對象關(guān)系圖譜是一種表征對象、屬性、關(guān)系、基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與文獻(xiàn)資料的圖譜，主要通過關(guān)系的設(shè)計、抽取、表示、融合、存儲和更新等功能，從不同來源、不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中提取知識并存入知識庫中，并形成一系列高質(zhì)量的事實(shí)表達(dá)，為上層智能推薦框架的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。其次，需要根據(jù)場景方案需要，在對象關(guān)系圖譜的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)充規(guī)則要素，形成場景方案規(guī)則圖譜。具體實(shí)現(xiàn)方法是通過關(guān)鍵詞和短文本的規(guī)則抽取，利用詞向量判斷相似詞距離，從而跟知識圖譜三元組件（實(shí)體1-關(guān)系-實(shí)體2）進(jìn)行正則模板的匹配；基于方案的結(jié)構(gòu)化表示，完成規(guī)則圖譜與對象關(guān)系圖譜中對象及其屬性的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用中，不同知識庫之間、數(shù)據(jù)底板與知識平臺之間的互聯(lián)互通。最后，基于業(yè)務(wù)流程，開展河口海岸態(tài)勢感知、規(guī)則匹配、知識推薦等業(yè)務(wù)流程的設(shè)計，形成面向數(shù)字孿生河口海岸的知識推薦框架。根據(jù)常態(tài)化感知結(jié)果，實(shí)現(xiàn)流程的自主觸發(fā)，依據(jù)規(guī)則圖譜，開展基于目標(biāo)確定、分析、規(guī)則匹配流程的演算分析，自動化匹配和推薦出適用于當(dāng)前情形的知識圖譜規(guī)則語句、建議等知識。

5 河口海岸數(shù)字孿生面臨的挑戰(zhàn)

5.1 多學(xué)科全要素綜合監(jiān)測

河口海岸系統(tǒng)復(fù)雜，有著學(xué)科交叉和不可控的監(jiān)測環(huán)境，因此，河口海岸數(shù)字孿生面臨的最大挑戰(zhàn)是多學(xué)科全要素綜合監(jiān)測。第一，多學(xué)科觀測變量的時間尺度不一致，水沙動力是在一個或多個潮汐周期內(nèi)以分鐘頻率連續(xù)獲取，水質(zhì)污染以天為單位，海岸生態(tài)植被特征季節(jié)性明顯，地貌變化往往以年際來考量，而海岸動力沉積則以百年甚至以上尺度做比較。第二，多學(xué)科觀測變量的空間尺度也不一致，潮灘地形復(fù)雜，水沙動力、水質(zhì)污染或海岸生態(tài)植被觀測需要多點(diǎn)測量，從而提高空間分辨率，海岸地形變化往往采用無人機(jī)進(jìn)行大面積觀測，而生物多樣性和海岸動力地貌則以有限的采樣點(diǎn)為主。第三，多學(xué)科數(shù)據(jù)采集和分析方法也不一致。水沙動力和海岸地形特征往往能夠在現(xiàn)場直接獲??；生態(tài)植被特征則需要基于現(xiàn)場量取數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析獲得；而水質(zhì)污染和生物群落的特征都依賴室內(nèi)分析儀器。第四，多學(xué)科多要素數(shù)據(jù)采集涉及傳感器和儀器種類多，目前能滿足長期運(yùn)行要求的傳感器和儀器種類還比較少，運(yùn)行成本較高。綜上所述，河口海岸數(shù)字孿生需要對河口海岸現(xiàn)場觀測進(jìn)行頂層設(shè)計，提前協(xié)調(diào)好各個學(xué)科的采集需求，共同制定和執(zhí)行數(shù)據(jù)共享的政策和標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全和知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，綜合應(yīng)用多種技術(shù)手段，提前預(yù)判不可控因素的存在和影響，才能為數(shù)字孿生的建設(shè)和應(yīng)用提供準(zhǔn)確、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)支持。

5.2 人地海耦合模擬

河口海岸系統(tǒng)涉及多個尺度和多個層次的復(fù)雜性，包括物理、生態(tài)、環(huán)境、人文社會經(jīng)濟(jì)等因素，將這些因素整合到一個模型系統(tǒng)中是非常復(fù)雜的。理解不同組分之間的相互作用和反饋效應(yīng)也是極富挑戰(zhàn)的，例如，河流的污染可能會影響海岸生態(tài)系統(tǒng)，反之亦然。建立準(zhǔn)確的耦合模型需要深入了解這些效應(yīng)。河口海岸人地海耦合模型系統(tǒng)還必須考慮到人類活動在河口海岸地區(qū)的影響，模型需要包括社會經(jīng)濟(jì)因素，如人口增長、城市化、漁業(yè)和旅游等。這些因素的評估和核定需要獲取大量且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)以輸入模型，而許多河口海岸地區(qū)缺乏高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)的不確定性可能會導(dǎo)致模型參數(shù)和結(jié)果的不確定性。在建立好自然過程和人文社會經(jīng)濟(jì)等子模型系統(tǒng)后，多過程耦合模型還需要制定輸入和輸出標(biāo)準(zhǔn)、基準(zhǔn)測試、耦合、網(wǎng)格和驗證標(biāo)準(zhǔn)。考慮到物理模型的巨大計算量和成本，人工智能等技術(shù)逐漸被引入到耦合模型系統(tǒng)里面，智能化模型通常更復(fù)雜且可解釋性更低，同時，訓(xùn)練出的模型通常在特定條件下表現(xiàn)良好，但河口海岸環(huán)境的多樣性可能導(dǎo)致模型泛化能力的問題。解決這些挑戰(zhàn)需要自然科學(xué)家、社會科學(xué)家和工程師之間開展廣泛的多學(xué)科交叉。

5.3 跨領(lǐng)域跨行業(yè)協(xié)同

河口海岸數(shù)字孿生是一個系統(tǒng)工程，除了河口海岸相關(guān)學(xué)科前沿知識和應(yīng)用場景，還涉及測繪、遙感、電子、通信、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等大量新一代信息技術(shù)。因此它需要不同領(lǐng)域和行業(yè)之間的協(xié)作，以便數(shù)字孿生能夠準(zhǔn)確地反演和預(yù)測這些要素。政府部門也需要參與到河口海岸數(shù)字孿生的建立和應(yīng)用中來，為數(shù)字孿生模型提供政策依據(jù)和支持。政府還需要確保數(shù)字孿生模型是公開透明的，使所有利益相關(guān)者都能夠獲得和理解數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)和信息。由于河口海岸數(shù)字孿生涉及政府、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和社會組織等多個領(lǐng)域的專家和利益相關(guān)者的參與，需要建立協(xié)作機(jī)制和溝通渠道，以促進(jìn)信息共享和技術(shù)交流。只有通過持續(xù)的技術(shù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施投資，以及不同領(lǐng)域?qū)＜液屠嫦嚓P(guān)者之間的協(xié)作，才能建立一個準(zhǔn)確可靠的數(shù)字孿生模型，為河口海岸管理和保護(hù)提供有效的決策支持。

5.4 信息安全保障

河口海岸數(shù)字孿生關(guān)聯(lián)大量的河口海岸數(shù)據(jù)、模型和算法，其中可能包含地理信息、環(huán)境數(shù)據(jù)、國家安全等信息，因此網(wǎng)絡(luò)安全是河口海岸數(shù)字孿生面臨的一個重要挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生需要從不同的數(shù)據(jù)源和觀測系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，并在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行處理和共享。這使得數(shù)字孿生容易成為網(wǎng)絡(luò)攻擊的目標(biāo)，包括黑客攻擊、網(wǎng)絡(luò)釣魚、勒索軟件、惡意軟件等等。這些攻擊可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露、系統(tǒng)崩潰、服務(wù)中斷等問題，對數(shù)字孿生的建立和應(yīng)用造成嚴(yán)重的影響。另外，數(shù)字孿生也需要考慮隱私和數(shù)據(jù)保護(hù)的問題。河口海岸數(shù)據(jù)可能包含個人隱私、商業(yè)機(jī)密和知識產(chǎn)權(quán)等重要信息，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀Ｗo(hù)這些信息。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，亟須建立安全的數(shù)據(jù)共享和存儲機(jī)制、采用加密技術(shù)來保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸和存儲、加強(qiáng)身份認(rèn)證和授權(quán)管理等等；同時，還需要對數(shù)字孿生的網(wǎng)絡(luò)安全進(jìn)行定期的評估和檢查，發(fā)現(xiàn)并解決可能存在的安全漏洞和風(fēng)險。

5.5 服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)制定

河口海岸數(shù)字孿生目前缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范（數(shù)據(jù)采集、共享、處理、分析和服務(wù)），導(dǎo)致不同數(shù)字孿生項目之間存在著數(shù)據(jù)格式、處理方法、算法模型等方面的差異。缺乏技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不僅增加了數(shù)字孿生開發(fā)的復(fù)雜度和難度，也降低了數(shù)字孿生模型的可重復(fù)性和可復(fù)制性。此外，不同數(shù)字孿生項目之間的數(shù)據(jù)和技術(shù)差異也會增加數(shù)字孿生的集成和共享難度，限制數(shù)字孿生在河口海岸管理和保護(hù)方面的應(yīng)用和推廣。因此，為了促進(jìn)河口海岸數(shù)字孿生的發(fā)展和應(yīng)用，需要加強(qiáng)頂層設(shè)計，匯聚產(chǎn)學(xué)研等各方力量設(shè)計數(shù)字孿生總體架構(gòu)，搶占數(shù)字孿生國際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范制定權(quán)，這包括數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集和傳輸標(biāo)準(zhǔn)、算法模型標(biāo)準(zhǔn)等，以及數(shù)字孿生開發(fā)和應(yīng)用的最佳實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)等。這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可以為數(shù)字孿生開發(fā)提供指導(dǎo)和支持，提高數(shù)字孿生模型的可重復(fù)性、可復(fù)制性、可移植性，同時也有助于數(shù)字孿生的集成和共享，促進(jìn)數(shù)字孿生在河口海岸管理和保護(hù)方面的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。

6 河口海岸數(shù)字孿生的應(yīng)用場景

河口海岸數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用場景廣泛，以下是其中幾個主要的應(yīng)用場景。

6.1 河口海岸防災(zāi)減災(zāi)

河口海岸防災(zāi)減災(zāi)的核心在于準(zhǔn)確預(yù)報和實(shí)時發(fā)布預(yù)警、快速預(yù)演方案，并制定應(yīng)急管理措施。數(shù)字孿生技術(shù)可預(yù)測自然災(zāi)害，如風(fēng)暴潮、海浪和海嘯，以及生態(tài)災(zāi)害，如滸苔、綠潮、赤潮和外來物種入侵。它可以評估各子系統(tǒng)的風(fēng)險指數(shù)，構(gòu)建預(yù)警系統(tǒng)，并通過場景預(yù)演實(shí)時評估各種預(yù)案的可行性。此外，數(shù)字孿生技術(shù)還可提供災(zāi)害應(yīng)急管理實(shí)施方案和發(fā)布信息。通過建立精確的數(shù)字模型，數(shù)字孿生技術(shù)能夠模擬、分析和評估海岸侵蝕的程度和趨勢，預(yù)測海岸侵蝕可能帶來的影響和風(fēng)險。這樣可以更好地了解河口海岸線的變化規(guī)律和生態(tài)環(huán)境，為淤泥質(zhì)、沙質(zhì)和珊瑚礁海岸侵蝕管理提供決策支持，并制定有效的防護(hù)和治理方案。此外，數(shù)字孿生技術(shù)還能為沿海城市和社區(qū)，以及島礁的海岸線管理與利用提供可持續(xù)發(fā)展的指導(dǎo)和決策支持。

6.2 河口海岸環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)

河口海岸環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵在于通過系統(tǒng)模擬進(jìn)行方案評估和優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)可以通過對河口海岸水沙動力和植被相互作用的模擬，提供植被定植的最佳區(qū)域、水動力閾值和定植時間窗口。它能夠模擬和評估河口海岸的生態(tài)環(huán)境，評估生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況和生態(tài)風(fēng)險，為海岸帶和島礁生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。同時，數(shù)字孿生技術(shù)還可以為海岸和島礁環(huán)境監(jiān)測提供準(zhǔn)確的海洋環(huán)境和生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)，幫助監(jiān)測和預(yù)測海洋環(huán)境的變化趨勢。它能夠獲取突發(fā)事件中河口海岸污染物的擴(kuò)散時間和濃度，并模擬不同方案對生態(tài)環(huán)境的影響。通過預(yù)演污染物治理方案，實(shí)時評估預(yù)案的有效程度，為海洋環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

6.3 河口海岸資源可持續(xù)利用

河口海岸資源可持續(xù)利用亟需利用數(shù)字孿生技術(shù)來增加資源開發(fā)效益和縮減成本。數(shù)字孿生技術(shù)采用可視化交互方式，通過輸入工程設(shè)計的參數(shù)，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以預(yù)演防護(hù)工程和港口航道工程的設(shè)計施工，評估各子系統(tǒng)對人類工程的響應(yīng)程度，以及工程設(shè)施未來維護(hù)的成本和挑戰(zhàn)。這為海岸防護(hù)工程的設(shè)計和施工提供優(yōu)化方案，降低工程建設(shè)成本，提高工程質(zhì)量。此外，數(shù)字孿生技術(shù)還可以模擬淡水和泥沙資源的分布和開發(fā)潛力，預(yù)測徑流、波浪、海流、潮汐等因素對資源開發(fā)的影響，從而優(yōu)化設(shè)計和運(yùn)營方案，進(jìn)一步提高河口海岸資源開發(fā)的效率和可持續(xù)性。

7 結(jié) 論

本文基于數(shù)字孿生的理念，結(jié)合河口海岸多圈層多界面的系統(tǒng)特征，提出了立體觀測和數(shù)據(jù)聚融、多過程耦合模型、數(shù)字孿生體和智能服務(wù)平臺等河口海岸數(shù)字孿生關(guān)鍵要素；并介紹了河口海岸數(shù)字孿生的核心技術(shù)，包括監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)、模型耦合、大數(shù)據(jù)管理和分析、專業(yè)知識圖譜等。盡管面臨著多學(xué)科全要素監(jiān)測、人地海耦合模擬、跨領(lǐng)域跨行業(yè)協(xié)同、信息安全保障、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)制定等困難和挑戰(zhàn)，河口海岸數(shù)字孿生具有逼近真實(shí)、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)和提供智能服務(wù)等特點(diǎn)，能夠提供監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演和預(yù)案等智能服務(wù)，其構(gòu)建預(yù)期能夠增強(qiáng)對河口海岸系統(tǒng)的理解，有效保護(hù)和管理河口海岸生態(tài)系統(tǒng)，支持河口海岸可持續(xù)發(fā)展。