實景三維技術在“智慧淮河”中的應用探討

摘要：“智慧淮河”是全流域、全空間、全要素一體化智能感知畫面呈現，通過實景三維技術融合GIS、大數據、物聯網、云計算、智能傳感器等新興技術搭建虛擬現實場景，從而有效提高水資源的利用率，提升淮河流域水利工程的管理水平與水旱災害的治理與防御能力，促進淮河河道治理體系向智慧化、精細化、規范化、常態化轉變。本文主要就實景三維技術在智慧淮河建設中的應用展開探討。

關鍵詞：實景三維；智慧淮河；大數據

簡單來說，實景三維是立體視覺系統，是對人們生活和生產生態空間真實的、立體的描述，是數字化虛擬空間的序列化體現與表現，是一種新的基礎地圖標準產物，也是我國新一代基礎設施的一個關鍵環節。它能夠為我國社會經濟發展，以及各個領域的信息化提供了統一的空間基點。這種虛擬現實技術是以語義化、結構化、支持人機交互、即時物理感知為基礎的立體空間實現的。在智慧淮河建設中，傳統的二維模型只能對數據進行籠統、粗略、宏觀的分析，在場景表達上比較單一、抽象，難以滿足淮河精細化、現代化的管理需求。

一、實景三維的工作原理

實景三維空間由空間數據體、物理感知數據和支持環境三部分組成，如圖1所示。

（一）空間數據體

空間數據體包括地理場景和地理實體兩部分。其中，地理場景包括數字高程模型（DEM）、數字正射影像（DOM）、數字表面模型（DSM）、真正射影像（TDOM）、矢量數據、傾斜模型三維模型等。地理場景主要包括基礎地理實體、三維模型構件和其他實體。三維模型構件主要有河道、堤防、涵閘、岸線、護堤地、灘地，以及沿淮行蓄洪區等。

（二）物聯感知數據

物聯感知數據包括大淮河實時感知數據、物聯網感知數據、互聯網在線數據等。大淮河實時感知數據主要有實時視頻、圖形圖像、實時監控等。物聯網感知數據主要有水工程監測、移動基站、車載導航、手機信令等實時影像。互聯網在線數據包括文字表格、地理位置等。

（三）支持環境

支持環境包括數據采集處理系統、建庫管理體系、應用業務體系、軟件和硬件設施等。數據采集處理系統是一個集數據采集、數據處理和數據融合為一體的系統。建庫管理是對各個數據庫進行整合和管理的體系。應用服務是一個以應用為導向的業務體系。軟件和硬件設施包括網絡的自主掌控、安全和存儲設備、計算機、顯示器、輔助軟件等。

二、實景三維技術優勢

實景三維可以高精度還原淮河工程各實體構件及全河道場景，為智慧淮河提供可視化、直觀化的環境信息和空間信息。以實景三維為基礎的智慧淮河平臺具有以下優勢：

（一）全河道場景還原更真實

與市區智慧服務場景建模不同的是，智慧淮河建設需要對大尺度全河道進行可視化表達，而淮河流域區域分布廣、地形環境復雜、地勢落差較大，傳統的測量技術在實現流域可視化方面存在很大的困難。而實景三維技術可以高效率、低成本地還原不同流域的現實全景，為智慧淮河平臺建設提供真實的三維數據底版。

（二）智慧化數據分析更準確

智慧淮河建設的一項重要內容是構建數字孿生平臺。平臺采集不同時段的數據，實現三維實景數據存儲，通過對不同時段三維實景數據對比，真實、直觀地反映河勢變化、險工險段變化及管理范圍障礙物增減情況，通過對比分析有效推動淮河的安全建設和管理，同時通過智慧淮河平臺建設支撐淮河工況預報、預警、預演、預案的模擬仿真體系。

（三）輔助AI風險預警更智能

智慧淮河平臺基于實景三維底圖數據，通過監測集成數據、智能傳感器傳回的實時數據，并結合三維模型中的地形、高程、周邊環境等三維信息，輔助AI算法，能夠智能判斷淮河流域全區或重點監測區正在發生的狀況及潛在風險。

三、實景三維技術在“智慧淮河”中的應用構想

（一）建立險工險段實景三維可視化監測平臺

建立系統的淮河干流及其支流的險工險段監測數據對比分析平臺，以便隨時分析和把握險工險段演變狀況，對防洪安全十分重要。而建立險工險段實景三維孿生數據平臺是更直觀、更精準、更有效的防控監測方法。而淮河干流及主要支流水下崩岸就是淮河中游險工險段的重要表現形式之一，如淮河干堤喬口子、啞巴渡等崩岸段，局部水下岸坡度僅為1.21：0.5，部分坡度為1：0.5，河岸線距干堤堤腳僅10～20m。目前，監測方法大多是采用單波束測深儀獲取水下數據，然后按照不同年份或時段的資料繪成圖并做對比分析。實景三維可視化監測平臺可以將二維變成三維、平面圖轉為立體，更直觀、更精準、更有效地提升監測水平。利用多波束測深和水下側掃聲吶的共同作業，獲取逐年或不同時段的實景三維成果并入監測平臺，通過不同年份的數據底版，在平臺中的可視化模型實景進行對比、演算和智能分析，為險情演變、搶險排險、除險加固設計等發揮更大的支撐作用。

（二）建立堤防管理三維實景數據模型平臺

堤防管理是河道日常管理的重要組成部分。目前，堤防巡查、實地攝像或者視頻監控都具有即時性和短存性的特點。而利用車載或者機載三維激光掃描獲取數據，建立三維可視化堤防及其附屬設施可視化監管平臺，在三維場景中可實現快速自動還原建筑、道路、堤防、護堤地、水塘以及地表植被等細節，對堤防及涉河項目的管理具有十分重要的意義。另外，通過數據入庫和查詢對比，對河道部門依法管理提供了重要的依據。

例如，淮河某管理單位就涉及過堤道路拆除賠償問題，歷史實況實景資料就是訴訟勝敗的重要證據之一。另外，通過三維實景的獲取和對比，就能對違章設施等涉河建設項目進行有效的管控，對河道綠化狀況和規劃提供基礎數據支撐。

（三）建立全河道實景三維可視模型

陸上數據采集以機載數碼傾斜攝影和三維激光掃描為主要獲取方式，水下部分數據采集以多波束測深儀及側掃聲吶為主要獲取方式。建立以淮河干流為軸線，構建淮河全河道的三維模擬環境，可以對淮河流域水工程項目進行可視化瀏覽、查詢、分析和模擬。該系統以河流與堤壩兩側地形模型庫、淮河流域水工程模型庫、專題數據庫為基礎，采用虛擬現實技術建立了虛擬現實模型。與此同時，通過數據庫、GIS等現代技術，搭建淮河流域三維虛擬現實，實現淮河流域三維動態交互式瀏覽及水利工程項目成果的三維可視化。通過河道水利設施管理、綜合管理施工、運營等方面的信息，在模擬環境中靈活查詢、顯示堤防、水閘、危險工段等；通過空間分析、計算、查詢等功能，構建了一個以真實場景為基礎的可視輔助決策的支撐系統；可使用二維、三維場景漫游，坐標定位，工程查詢、工程分布，飛行路線，斷面分析，距離測量，專題圖管理、緩沖區分析、面積測量、圖層控制等功能。

（四）建立洪水預報及演進平臺

實景三維技術是一種實現空間動態、空間信息處理與分析的新技術。在一體化入庫系統數據支撐的基礎上，為洪水預報與演進模擬提供一種全面的多元化空間信息，可以觀察、操作和分析三維虛擬平臺中的洪水演變規律，并根據不同的地形、不同的河道，確定洪水的上游和下坡率，并實時計算洪水的淹沒范圍和高度，從而更好地掌握洪水發生的全過程。

（五）建立氣象監測預警平臺

利用實景三維技術，結合淮河流域氣象資料、區域地形、河網等資料，建立氣象監測預警系統。根據天氣因子的動態變化，科學預報其對淮河流域的水域、水利設施的影響程度。對于一些極端天氣，如臺風等，氣象監測預警系統會將臺風的運行路線、時間信息等信息輸入實景三維模型中，實時顯示臺風的登錄時間和位置，并及時發布警報。

（六）打造智慧淮河“一張圖”

智慧淮河“一張圖”以實景三維數據為基底，以智能感知、數據融合、智能應用三大體系為支撐，實現淮河工況監測、數據支撐、綜合監督的一體化全過程管理。以日常狀態與應急狀態為架構維度。在日常狀態下，可對淮河整體流域實現多源數據常態化監測與記錄；在應急狀態下，形成集預報、預警、預演、預案于一體的全過程淮河流域應急管理解決方案，完美契合智慧淮河災害管理與防治所需。在災害發生之前，可基于實景三維模型，以災害數據或案例為藍本，對災害進行模擬、推演與判斷，力求在災害發生之前完善應對措施。在災害發生之后，可通過實景三維模型融合監測風險數據、數字預案、協同救援、資源分配等內容，提供精準、高效的應急救援路線和應急解決方案，最大限度地減少受災面與受災人群。

四、實景三維在具體應用中存在的問題及處理措施

在具體施測和精度評估中，由于缺乏清晰的標準，造成了在目標精確度范圍之內原始資料的冗余，從而導致了系統的運行壓力增加，也會影響后續的工作效率。三維建模過程中存在著建模失真、空洞、不完整等問題，因此，在實際應用前，往往需要進行大量的人工檢驗和修正，這與實景三維技術的高效率、低成本的優勢相悖。

該項技術目前仍處于演示階段，并未實現真正的信息化，即以真實的三維模型為基礎進行智慧淮河的建設，其功能尚不健全。為此，打造“智慧淮河”的技術支撐硬件、軟件都在不斷探索、發展和更新中。

實景三維模型包含的信息主要有地理空間信息，而淮河流域的水系、水利設施、水利工程、水資源、水環境、氣象（預報、雷達、云圖）、水雨情信息、工情信息等數據尚需進一步融合在地理空間大信息平臺中。

結合實際情況，采取的措施如下：一是提高對孿生數字平臺建設的認識，為智慧淮河的高質量發展提供有計劃、有針對性、系統性強的入庫數據庫。二是根據淮河流域地形的復雜性，在保證實際場景的三維建模精度的基礎上，采取不同的方法，通過改變飛行高度以及更換相機鏡頭、研究與實現自動化的三維建模數據修復功能等方式減少原始數據體量，縮減數據處理時間，輔助提高人工精修的工作效率，減少工作量。三是探索實景三維模型的可編輯性、可拓展性，使數據成果可以盡快地參與智慧淮河的建設中。四是研發新型數據融合技術，開展虛擬現實三維建模，有效支持各種應用程序正常運行，與此同時，支持數據分析和數據挖掘工作，真正實現智慧淮河“一張圖”。五是在“智慧淮河”建設的框架基礎上，把統籌性、實物性、聯動性、智能性和保障性融合起來，統籌謀劃，以豐富平臺數據支撐，實現數據共享。

五、結語

綜上所述，實景三維技術為“智慧淮河”提供了新的管理手段和管理模式，大幅度加快了“智慧淮河”的建設進程。實景三維技術可以高精度還原淮河工程各實體構件及全河道場景，為“智慧淮河”提供可視化、直觀化的環境信息和空間信息。“智慧淮河”平臺具有全河道場景還原更真實、智慧化數字分析更準確、輔助AI風險預警更智能等優勢，提升了全面提升河流治理能力。

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作者簡介：何亞（1987），女，工程師、注冊測繪師，研究方向為無人機、攝影測量、實景三維技術、GIS等在淮河管理、城市建設等領域的應用。