數字孿生流域可視化技術研究與實踐

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 流域水資源與生態環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展,推動著水利行業從數字化走向智慧化。當前,全國各地正大力開展智慧水利建設,智慧水利建設已經成為新階段水利高質量發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字孿生流域建設,通過數字孿生流域和數字孿生工程建設,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,實現水安全風險從被動應對向主動防控的轉變[3-5]。

無論是數字孿生流域還是數字孿生水利工程建設,其核心都在于“數字孿生”。“數字孿生”強調仿真、建模、分析和輔助決策,側重的是物理世界對象在數據世界的重現、分析、決策,而可視化通過圖形引擎,多層次實時渲染,實現場景全要素數據融合,為數字孿生提供了生動形象的可視表達,從而實現對物理世界的真實復現和決策支持。本文將以數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 數字孿生

一般認為,數字孿生是充分利用物理模型和物聯網傳感器采集全生命周期的運行歷史等數據,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、數據、連接和服務是數字孿生的核心要素。數字孿生作為實現虛實之間雙向映射、動態交互、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、物聯網、邊緣計算、云邊協同、大數據、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仿真,實現物理流域空間與數字虛擬流域空間交互映射、深度協同和融合,并借助歷史數據、實時數據、算法模型等,實現預報、預警、預演、預案等功能,提升感知監測、流域防洪、城市排澇等能力,推動水利治理能力現代化、智慧化發展[8-10]。

2 可視化與數字孿生

數據可視化的本質是視覺對話,將物理世界以圖像、數據傳輸到數字世界進行表達,并對海量數據邏輯進行分析、推演,增強數據結果的易讀性和靈活性,輔助管理者發現數據背后的規律和價值[11]。

數字孿生可視化是在數據可視化的基礎上實現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據,以更直觀、更真實的方式體現數據的價值,主要體現在以下3個方面。

(1) 多源數據融合展示。數字孿生的關鍵特征之一是多源異構數據融合,數據是其最核心的要素。可視化價值在于對多源異構數據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、引調水工程、監測站點等管理對象,整合水利業務領域相關數據、地理信息數據、視頻監控數據、實時監測數據及不同部門、行業、系統、數據格式之間的共享數據,為水利業務領域運行態勢感知研判提供全面的數據支撐,實現水利綜合運營態勢一屏管控。

(2) 數據實時動態模擬。數字孿生特性在于可以實現物理實體對象和數字世界模型對象之間的映射,包括模型、行為邏輯、業務流程以及參數調整所致的狀態變化等。可視化價值在于能夠超精細還原真實世界場景紋理細節,對數據進行多維度分析,同時可以快速地將實時數據轉化為動態圖形信息,為指揮決策提供直觀的數據分析,整體實現數字世界對物理實體的狀態和行為的精準表達、動態模擬和全面呈現。

(3) 專家知識智能可視。專家知識可為數字孿生提供智能內核,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據進行智能關聯和分析挖掘,并將全量數據歸一為業務人員理解熟悉的語言和圖形,最大化還原數據的本質,形象展示知識資源及其載體間的相互聯系,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、水資源調配等業務應用提供智能可視支撐。

3 關鍵技術

3.1 數據可視化

3.1.1 關系類

以可視化圖表的形式展示數據,以簡單的形式挖掘數據的深層價值,幫助用戶實現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字化表達,可整合水利工程全生命周期各環節的數據、過程和資源,完整描述工程對象。BIM工程數據源單一,可解決數據一致性問題,支持工程全生命周期中信息的動態創建、管理和全局共享,支持項目多方協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境,能讓用戶從多個角度觀察地物,更加真實地反映地理環境的實際情況,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果的綜合。知識圖譜可以集成大量的數據及其之間的關系,通過有效的加工、整合和處理,將其轉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]。

傳統的數據可視化側重于數據結果的展示和篩選,在設計上更多強調數據信息與圖像、色彩的信息傳達,較少涉及數據關系的干預。知識圖譜的可視化則更側重于數據關系構建和處理過程的可視化,通過知識圖譜可視化,獨立的數據就變成可描述的知識語意,用戶通過語義聯系可以洞察到不同的現象,分析得出不同的結論。

3.2 仿真引擎

3.2.1 Unreal Engine

Unreal Engine虛幻引擎是一款專業制作3D游戲的開發引擎,自誕生至今,歷經不斷發展和沉淀,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全局光照,可以打造精致豐富的場景細節,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,可在絕大多數支持WebGL的瀏覽器上運行。支持2D,2.5D,3D形式的地圖數據展示,可繪制各種幾何圖形,高亮區域。支持影像數據、地形數據、矢量數據及三維模型數據的可視化展示;支持基于時間軸的動態流式數據展示,可用于動態數據可視化。在空間分析方面,可實現剖面分析、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字場景空間分析能力較弱,三維GIS搭建的數字場景表現能力不足的問題,Cesium與Unreal Engine跨界融合,開發了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合起來,為游戲引擎打開了三維地理空間生態系統的大門,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、供水、河湖、水資源管理等數據,實現物聯感知網全域覆蓋,綜合態勢一屏掌握,可滿足水利數據可視化大屏展示的需求。圖1為基于ECharts實現的水利數據大屏可視化。

圖1 基于ECharts的水利數據大屏可視化

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進行三維可視化展示,結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整水面高度,從而實現動態洪水淹沒分析。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

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

5 結 語

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