水利數字孿生平臺三維模擬仿真技術研究與應用

張力 張航 劉成堃 祝憲章

摘要：

三維模擬仿真技術是水利數字孿生平臺建設的重要基礎，為水利要素及水利治理管理過程的數字化映射、智能化模擬提供關鍵支撐。為進一步驅動各類水利模型的協同高效運算，推進對流域和水利工程管理活動的智慧化模擬，需對水利三維模擬仿真的流程框架和關鍵技術進行研究和應用。其中，基于IFC、CityGML等標準，將多種主流BIM平臺數據模型與水利GIS場景數據進行深度對接融合，并實現融合數據與不同尺度數字化場景的關聯映射，構建形成GIS+BIM多源融合、多維度、多尺度的水利數字孿生場景。基于基礎空間分析功能，進一步接入水利專業模型，實現各種定制水利業務的三維模擬仿真，并結合云渲染技術提升三維可視化的保真度和質量。研究成果初步形成了水利數字孿生三維模擬仿真全鏈條解決方案，并通過多個數字孿生項目實例展示了其應用效果。結果表明，所提出的水利三維模擬仿真技術能夠為智慧水利建設提供有力支撐與技術驅動。

關 鍵 詞：

數字孿生； 模擬仿真； 三維可視化； 智慧水利； GIS； 流域管理

中圖法分類號： P208

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.002

0 引 言

自中國“十四五”規劃綱要發布以來，構建智慧水利體系已成為水利行業的主要任務之一。數字孿生技術充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中反映相對應實體裝備的全生命周期過程［1］。數字孿生技術實現了物理空間與數字空間的實時雙向同步映射和虛實交互，成為智慧水利體系構建的重要技術手段。《“十四五”智慧水利建設規劃》明確了數字孿生流域的建設任務，其主要內容就是構建由數據底板、模型平臺和知識平臺組成的水利數字孿生平臺［2］。其中，模型平臺不僅要建設水利專業模型、智能模型和可視化模型，還要求建設包括模型管理、場景配置、仿真設計等功能的數字模擬仿真引擎，從而實現對各項水利業務的同步模擬仿真運行。改進和完善數字孿生仿真引擎，打造專用的水利數字孿生三維模擬仿真技術體系，對于進一步驅動各類水利模型的協同高效運算，推進對流域和水利工程治理管理活動的智慧化模擬，以及智慧水利體系的構建都至關重要。

數字孿生平臺是實現數字化轉型和數字經濟發展的重要技術手段，模擬仿真引擎作為其模型平臺的主要構成部分，已經在交通［3］、電力［4］、智慧城市［5］等諸多行業領域中得到了廣泛應用和高速發展。在水利行業中，模擬仿真引擎以及三維可視化技術被用來對流域和水利工程中各涉水要素進行虛擬仿真模擬，從而為水資源調度、工程安全監測、防汛抗旱、水生態保護等提供高效且準確的分析和決策支持。黃艷［6］闡述了數字孿生長江建設的總體架構，利用模擬仿真技術在數字孿生長江建設成果中實現了洪水預報、預警、預演、預案以及工程智能調度全過程模擬。周超等［7］構建了水利業務問題與決策流程的數字孿生建模平臺，對長江流域的水工程預報調度業務體系進行了模擬運行。喻杉等［8］研究了流域全要素建模、高保真高性能渲染、地形數據加工處理等模擬仿真關鍵技術，通過這些關鍵技術在全域、全過程實時準確再現流域物理世界中各要素之間的關系，從而實現流域水流、信息流、業務流、價值流的全過程實時鏡像。杜壯壯等［9］通過融合智能預測和可視化管理，建立起了一種面向河道工程管理的數字孿生可視化智能管理平臺。

總體而言，目前三維模擬仿真技術在水利行業中的應用仍處于初級階段，與其他行業相比其成熟度和專用程度還有一定的差距。現有的水利數字孿生平臺三維模擬仿真應用在面對新時代智慧水利體系建設的需求時，在水利數據集成、發布、分析、可視等核心環節中仍存在諸多不足，主要可以歸納為以下幾點：

（1） 在數據接入與集成方面，多元數據融合以及迭代更新能力不足，數據冗余度高，對水利業務分析和決策的實時性和時效性造成了影響；

（2） 在數據存儲與發布方面，海量三維數據的存儲、管理和應用給平臺的運行效率帶來了極大的挑戰；

（3） 在數據模擬與分析方面，對水利業務中涉水要素空間分析和專業建模模塊的集成不夠深入，模擬仿真以及智慧應用水平亟待提升；

（4） 在數據可視與應用方面，缺乏高性能的云渲染可視化，三維數字孿生場景保真度不足。

基于以上問題，本文對水利數字孿生平臺三維模擬仿真的可視化模型需求和仿真功能需求進行分析，并對模擬仿真技術框架和功能模塊進行詳細設計，深入研究三維模擬仿真諸項關鍵技術，最后通過多項應用實例展示了基于該技術的實際應用效果。

1 水利數字孿生三維模擬仿真的需求與技術框架

1.1 三維模擬仿真的可視化模型需求

可視化模型是實現三維模擬仿真的重要模型支撐，為模擬仿真提供實時渲染和可視化呈現。水利三維模擬仿真所需的可視化模型應包括水利工程周邊的自然背景（如不同季節白天黑夜、不同量級風雨雪霧、日照變化、光影、水體等背景）可視化渲染模型，庫區流場動態可視化擬態模型，水利工程監測與安全運行模型，庫區典型地質災害體形變模型等，能夠基于真實數據，實現對水利樞紐、庫區的真實可視化仿真模擬。

1.1.1 三維實體可視化

（1） 具有流域級仿真能力。通過對接上級系統，調用流域數據，對水利工程附近水域乃至整個流域的實時狀態進行大場景可視化展示，滿足在防洪、水資源調度運用等方面的需求。

（2） 具有無縫融合的細節表現能力。可視化模型既可以渲染宏大開闊的流域場景，又可以展示設備零部件的局部細節，而所有級別的要素均應可在同一個場景下進行表現，即整個工程僅包含一個數字孿生環境，所有的模擬仿真均在這一個環境下進行。通過運用多層次實時渲染技術，實現流域全貌大場景到設備細節的無縫融合渲染。

（3） 具有真實感的水體表現能力。構建多數據因子聯合驅動的水體可視化模型，精確控制水體關鍵位置的流速、流向、水位、色彩、透明度等屬性，并構建相應的逼真渲染算法，可實現數據驅動的逼真水體渲染。

（4） 具有物理特性的材質模型。構建基于物理的材質著色模型，對水利工程等物理實體，根據其幾何、顏色、紋理、材質等本體屬性，以及光照、溫度、濕度等環境屬性，進行光照計算，模擬出物體的視覺特征。

1.1.2 抽象信息可視化

對實體屬性、概要信息等抽象數據，應根據其數據特點，實現直觀數據可視化，應支持點、線、面等基礎矢量元素可視化，動態圖標、動態流場線等動態效果可視化。

1.1.3 業務場景可視化

針對業務應用場景，實現相應的可視化仿真。例如，針對庫區安全場景，根據監測數據及相關數學模型計算結果，實現滑坡體變形等過程的模擬仿真；針對水質安全場景，根據水質模型計算結果，實現不同來水條件下庫區水質變化仿真等；針對工程安全場景，根據大壩安全分析計算結果，實現不同工況下大壩變形仿真等。

1.2 三維模擬仿真的應用功能需求

水利三維模擬仿真應用應以數字化場景、智慧化模擬和精準化決策為路徑，為“四預”專業功能提供實時渲染和可視化呈現支撐，為物理流域、各項水利工程等提供多維度、多時空尺度的高保真數字化映射，提供實時的交互響應、低延遲且穩定的圖像質量和逼真的場景效果。

“四預”仿真應以“四預”專業分析結果為基礎，分別從宏觀、中觀和微觀三個層面支撐動態數字模擬仿真。宏觀層面主要對流域天氣、雨情等預報信息進行模擬仿真支撐，中觀層面主要對蓄滯洪區和水庫的攔蓄水、泄洪等進行模擬仿真支撐，微觀層面主要對大壩內部結構以及水利水電設施運行進行動態模擬仿真支撐。

因此，水利三維模擬仿真應結合“四預”業務的具體需求，基于不同的應用場景不斷完善仿真模擬支撐功能，包括針對洪水調度模型的時間過程模擬仿真，針對事故推演的“情景-應對”模擬仿真，針對提升場景真實感的環境天氣模擬仿真等。

在三維模擬仿真應用中，應實現三維實體的可視化渲染、應用場景可視化渲染以及業務數據可視化渲染。其中，三維實體的可視化渲染即根據物理實體的幾何、顏色、紋理、材質等本體屬性，以及光照、溫度、濕度等環境屬性，實現實體的三維可視化渲染;應用場景可視化渲染根據應用需求、場景范圍等條件，呈現具體場景渲染效果，主要包括超大場景動態縮放和加載渲染、自然現象的效果渲染等，其中動態縮放加載渲染可以根據距離加載不同層級的場景，以控制整體的渲染效果，每個場景區域可以獨立動態加載；業務數據可視化渲染則以三維空間網格模型為數字底座，根據應用場景和業務數據特定屬性，將業務數據定位、疊加在統一的三維空間之中，對管理對象的各種屬性信息、業務狀態信息進行多維集成顯示。

1.3 三維模擬仿真總體技術框架

水利三維模擬仿真技術應為水利業務提供數據集成、發布、分析、可視全鏈條支撐框架，以實現三維實體—應用場景—業務數據多個維度的可視化模擬呈現，技術框架如圖1所示。

水利模擬仿真技術框架以基礎數據、監測數據、業務管理數據、跨行業共享數據等多源異構數據為數據資源，融合和形成數字孿生場景；通過分布式存儲技術解決海量三維數據的存儲管理問題，并以服務形式進行高效發布與調用；實時接入包括空間分析和仿真服務在內的模型平臺來為數字孿生應用提供算法支撐；最后通過云渲染技術實現高保真數字孿生場景的離屏渲染與像素流送，并利用多平臺高性能數字孿生引擎實現統一數字孿生場景在多端上的呈現與展示。

2 水利三維模擬仿真關鍵技術

水利數字孿生建設主要完成數字孿生流域和物理流域在數字空間的映射，通過數字孿生模擬仿真應用和信息基礎設施實現與物理流域的同步仿真運行、虛實交互、迭代優化［2］。該過程涉及水利信息的集成、發布、分析、可視全鏈條技術體系。本文針對水利信息時空范圍跨度大、數據量大、內容復雜、模擬困難等特點，重點突破水利三維模擬仿真技術在多元數據融合與輕量化、數據分布式存儲與高效服務發布、空間分析與專業模型接入、云渲染高保真數字孿生場景可視化等方面的技術難點，為水利數字孿生應用提供堅實的底層技術支撐。

2.1 GIS+BIM多元數據融合與輕量化

數字化場景是數字孿生應用的基礎，水利數字化場景以自然地理、干支流水系、水利工程、經濟社會信息等多元數據為主要內容，對物理流域進行全要素數字化映射。水利數字化場景按照地理空間數據精度被分為L1、L2、L3三級［2］，其中，L1、L2級主要表達宏觀、中觀尺度數字孿生流域信息，以遙感影像、地形、矢量、傾斜攝影等GIS數據為主;L3級主要表達微觀尺度的數字孿生工程信息，以水利工程模型數據、水利工程設計圖等BIM數據為主。因此，在水利模擬仿真應用中，為實現大范圍水利數字化場景的構建與調用，需要解決跨尺度多元GIS與BIM數據的深度融合以及流域海量數據的輕量化集成等核心問題。

2.1.1 GIS+BIM多元數據融合

水利數字孿生建設以宏觀GIS地理空間數據為基礎，根據業務需要接入設計數據、監測數據、業務管理數據、跨行業共享數據等微觀BIM數據，構成數據底板，融合形成數字化場景。為實現GIS、BIM從底層數據模型到整體功能架構的有機結合，在模擬仿真場景構建時，使用面向GIS場景轉換BIM模型的模式，完成Revit、3DE、Bentley等主流BIM平臺數據模型與水利GIS場景的融合，具體如圖2所示。

在BIM向GIS場景轉換融合過程中，GIS、BIM、水利水電工程業務信息基于統一的數據定義，實現從地理場景—空間實體—業務等不同的維度數據整合。針對不同BIM模型，可采用傳統基于數據交換格式進行轉換，也可以基于主流BIM平臺二次開發插件，進行BIM平臺與GIS平臺的數據直接對接，實現BIM圖元信息和屬性信息的抽取。

空間信息融合是對BIM平臺中的參數化模型進行幾何、紋理、材質抽取，并記錄和重構BIM模型中的唯一標識符、模型層次結構、共享關系，實現BIM模型向GIS場景模型的轉換。屬性信息融合則根據各BIM交換格式的屬性數據標準，提取不同實體對象、不同階段、不同模型層次等的屬性信息，并通過屬性的唯一標識符與圖元信息進行關聯，從而完成BIM模型向GIS場景的轉換，完成時間、空間、業務維度等多維度信息集成。

2.1.2 GIS+BIM模型輕量化

水利數字化場景既包含時空范圍跨度大、海量規模的GIS模型，又涉及細節精細、結構復雜的BIM模型，在進行場景搭建與集成時需要解決模型輕量化問題，以實現海量數據資源的高效調用。模擬仿真場景中參考CityGML標準［10］對模型進行層次細節（Levels of Detail，LOD）劃分，實現GIS+BIM模型與不同尺度數字化場景的關聯映射，滿足大范圍、高精細度數字場景應用需求（見圖3）。

CityGML通過LOD0到LOD4五個層次對三維場景進行表達。對于BIM建筑模型，除了描述地形的LOD0外，其它層級可分別與CityGML建立對應關系，并從BIM模型中抽取和過濾對應的部件信息，實現模型關聯轉換。LOD1對建筑物對象進行簡單的幾何體量建模，可從BIM中抽取不帶紋理的建筑外殼，對應BIM的LOD100的概念化模型；LOD2在LOD1的基礎上添加詳細的墻體和屋頂信息，賦予其紋理等元素，對應BIM的LOD200初設階段模型；LOD3對LOD2進行更深層次的精細化補充，包括建筑物的附屬結構和附屬設施，對應BIM中簡化的LOD300細部設計階段模型；LOD4增加了對室內空間的詳細描述，與最終交付的LOD400或LOD500完整BIM模型對應。

在GIS、BIM模型信息的抽取和分層后，利用模型幾何簡化和紋理壓縮方法對各級LOD模型進行簡化處理，并進一步構建場景根節點，生成各級LOD模型分頁調度邏輯，完成水利GIS+BIM場景輕量化集成。

2.2 三維數據分布式存儲與高效服務

為實現水利數字孿生應用中物理流域與數字流域之間的動態、實時信息交互，保持兩者的同步性、孿生性，三維模擬仿真利用三維數據分布式存儲與服務機制，將應用層與數據資源層相互分離，以滿足三維場景數據的高效接入、動態調用、修改、更新等業務需求。

2.2.1 模型共享與分布式存儲

水利數字化場景中，大量模型部件被重復使用，筆者采用模型共享的方式，通過樹形層級關系的解析將共享部件的旋轉、平移、縮放信息抽離，重新組織矩陣變換的連接關系。重建后的層級關系消除了同類部件的重復存儲，通過從根節至模型部件的矩陣運算還原出部件對象的空間坐標，以減輕模型的存儲、傳輸、渲染和顯示壓力。同時，對共享模型對象進行分布式存儲與調用，提升后續數據服務的并發能力與安全性（見圖4）。

2.2.2 三維數據服務發布

水利三維數據的服務發布為水利數字孿生平臺的三維模擬仿真提供靈活、可動態更新、可配置修改的數字底板服務支持。在實現GIS+BIM數據集成融合與分布式存儲的基礎上，將GIS、BIM、水利業務等相關信息，基于統一框架進行數據服務發布與接入，如圖5所示。

三維數據服務的構建分為數據、模型、服務、應用四個層次，其中，數據層包括分布式存儲的元數據、專題數據、三維地形、三維模型數據、BIM數據、水利業務數據等；模型層包括面向GIS數據標準的GML、CityGML數據，針對BIM應用的GeoBIM數據，以及水利業務專題數據；服務層涵蓋OGC元數據服務、網絡地圖服務（WMS）、網絡要素服務（WFS）、網絡覆蓋服務（WCS）、BIM數據服務、水利數據服務等；應用層以GIS的集成管理為基礎，提供服務發現、數據存儲、讀取、分析、應用、可視化等功能，并在此基礎上構建水利信息服務能力。三維模擬仿真應用中，通過對上述數據服務的按需空間索引、實時加載與釋放，實現海量數據高效調用。

2.3 空間分析與專業模型模擬仿真

水利數字孿生模擬仿真應具備多樣化的空間分析與專業模型模擬仿真能力，從而支撐各類專業應用，包括：三維基礎空間分析、專業模型接入、業務仿真服務定制，如圖6所示。

在基礎三維空間分析方面，模擬仿真過程充分融入GIS在空間分析領域的優勢，提供基于三維場景的通用三維分析工具，為各種業務場景提供空間分析算法支撐，主要包括：通視分析、可視域分析、剖面分析、緩沖區分析、方量分析、日照分析、坡度坡向分析、淹沒分析等。這些三維分析工具功能相互獨立，耦合性較低，用戶可針對業務場景的分析需求進行工具的自由組合，挖掘數據內在的信息與價值。

在業務仿真服務定制方面，針對水工程調度、監測檢測、工程管理等領域的業務特點，定制了常用的三維可視化方法并進行封裝，實現專業計算結果的模擬、推演與動態三維可視化展示。主要包括：監測檢測預警，實現監測檢測預警可視化、預警狀態動態聯動更新等功能；變形仿真，實現變形位置點獲取與整備、變形動態模擬仿真；淹沒仿真，實現水文站點間基于河道比降的高程插值，疊加高精度地形獲取淹沒范圍并計算淹沒損失；原因量效應量仿真，完成原因量效應量數據獲取與整備、原因量效應量模擬仿真等。

2.4 云渲染高保真數字孿生應用

隨著渲染技術的快速發展，三維可視化效果越來越“真實”，對資源的消耗也將增加，若將所有渲染都放在客戶端，將會造成硬件資源的浪費。云渲染技術將原本在單機上進行的三維圖形渲染過程轉移到由多臺渲染節點構成的強大集群體系的服務器端（云端），由此實現多任務同時加速渲染，效率更高，質量更佳，能讓客戶終端功能更加便捷簡化，從而解放本地資源。用戶終端只需要發送請求，然后等待實時渲染結果返回即可，除了必備的網絡互聯和承接圖形渲染繪制結果的顯示功能外，用戶終端就等同于獲得了強大的圖形處理能力。

水利數字孿生仿真應用中基于云渲染技術，以像素流送的方式為任意終端提供高保真、高質量的三維應用服務，通過接入云渲染平臺生成的URL鏈接，即可便捷獲取高精度、強交互、高沉浸感的數字孿生體驗。數字孿生模擬仿真云渲染技術方案如圖8所示，該技術既實現了將復雜渲染邏輯從客戶端抽離，降低了用戶終端的性能要求，擴展了數字孿生應用的適用場景，又實現了服務與應用終端相互隔離，保障了數據的安全性。

水利數字孿生模擬仿真云渲染方案包含三維場景服務、云渲染服務、用戶終端三個組成部分。用戶終端借助高速互聯網接入訪問資源，指令從用戶終端發出，云渲染服務器根據指令獲取對應的三維場景要素，并調用GPU渲染服務集群執行對應的渲染任務，最終將渲染結果以像素流的形式實時推送到用戶終端，滿足各類用戶跨終端、可交互、超高清、沉浸式的訪問需求。

3 應用實例

3.1 GIS+BIM多元數據融合與輕量化——深圳“公清連通”工程數字孿生

基于水利數字孿生GIS+BIM多元數據融合與輕量化技術，可針對工程的規劃、設計、施工、運維等各階段GIS與BIM數據成果快速搭建形成數字孿生場景，并提供數據融合、方案比選分析、施工進度模擬、屬性掛接與更新等實用功能，支撐水利工程的全生命期應用。以深圳“公清連通”工程為例，該工程連通公明水庫、清林徑水庫和東深供水工程，通過東江、西江水源聯合調配，增強深圳市應急供水保障能力，提高深圳市生活和工業供水保證率，實現龍崗區雙水源的要求，并為向香港應急供水創造條件。

在項目實施過程中，基于水利數字孿生模擬仿真技術體系搭建了“公清勘察設計信息化系統”，以貫穿工程全生命期的GIS與BIM數據為核心開展數據融合、輕量化與業務應用，為工程全生命期提供支撐。

在規劃階段，除了提供數字孿生場景作為規劃的底圖外，系統還可基于空間分析功能，針對不同方案穿越的土地規劃、道路、環境敏感區進行疊加分析，并進一步結合工程量等信息進行方案比選，如圖9所示。

在設計階段，可快速接入工程設計成果的BIM模型，并與周邊區域的實景三維數據進行疊加和無縫鑲嵌融合，從而直觀呈現工程建成前后的效果，見圖10。

在施工階段，可沿著工程線路走向對三維地質模型進行剖切，直觀呈現巖層穩定性分布、斷裂帶、與交叉建筑物關系等，并提供BIM模型的部件信息查詢和單獨查看等功能，為工程施工涉及的復雜地質狀況提供支持。

在運維階段，可針對不同工況下的供水規模、水流走向、流量等信息進行直觀呈現，并可在閥室、工作井等重點BIM模型部件上掛接維修保養的屬性信息，輔助工程的運維管理。

3.2 三維數據分布式存儲與高效服務——漢江流域數字孿生

在流域尺度的水利數字孿生應用中，涉及大范圍海量的水利信息接入與調用需求。基于數據分布式存儲與服務動態接入技術，孿生場景中可按需高效請求、加載、釋放數據資源，在保證模擬仿真效果的前提下，最大化提升應用效率，讓大尺度、高質量數字孿生應用成為可能。以漢江流域數字孿生系統為例，該系統圍繞漢江流域防洪調度和水量調度需求，支撐水旱災害防御、水量調度的預報、預警、預演、預案“四預”功能，賦能漢江流域防洪和供水調度。

漢江流域數字孿生既涵蓋整個流域的宏觀業務場景，同時也包括微觀工程級別精細化管理業務，其中涉及18個樞紐工程、7座引調水工程、14個分蓄洪民垸、1個蓄滯洪區、19個堤防控制站、19個供水控制斷面等。大范圍高精度的數據資源為漢江流域數字孿生建設帶來了極大挑戰，系統基于數據服務高效接入與動態調用技術，實現漢江從流域到工程的多尺度海量數據管理與應用。

在宏觀尺度，系統接入全球尺度的地形、影像、矢量等基礎地理數據服務，同時可動態載入漢江流域防洪推演、供水調度等實測輸入數據、模型分析服務數據等，為漢江流域數字孿生提供大尺度數據實時映射能力，如圖11所示。

在中觀尺度，系統接入河道斷面分析推演結果，在三維場景中動態模擬仿真河流水位、淹沒情況等內容，利用高精度空間坐標參考與三維信息動態接入能力，實現數字化場景精確反演，如圖12所示。

在微觀尺度，系統可按需動態請求并加載水工建筑物、儀器設備等精細模型數據，為水利工程數字化場景提供支持，可逼真呈現各重要工程概況、設施設備運行狀態等，細粒度可視化模擬水利樞紐生產管理過程，如圖13所示。

3.3 空間分析與專業模型模擬仿真——南水北調中線水源工程數字孿生

南水北調中線水源工程是國家水網體系中骨干調水工程的重點水源工程。在兼顧水源區和受水區社會經濟可持續發展的條件下，基于新一代信息技術構建中線水源工程智慧調控方法，提高水源地水安全保障能力，對于推動國家水網建設、緩解水資源供需矛盾、保證“一江清水送北京”具有重要的意義。南水北調中線水源工程數字孿生的業務應用包括工程安全智能分析及預警、供水安全智能分析決策、水質安全智能分析管理、庫區安全綜合管理、會商預演決策等多個子系統。

為提升水源工程的安全保障能力，系統充分利用水利數字孿生空間分析與專業模型模擬仿真技術，集成大壩安全有限元分析、水質模擬分析等結果，實現安全預警與三維可視化推演。

在大壩安全的有限元分析方面，系統可以快速接入混凝土壩有限元結構仿真分析模型，實現水壓、溫度、滲流等一系列主要因素影響下的大壩溫度場、滲流場、變形及應力場等關鍵物理場時空分布特性的大壩性態動態分析，精確模擬土石壩分層填筑過程、蓄水過程，有效模擬土石壩與混凝土重力壩之間的接觸滑移及脫開過程，并以體素網格、三維云圖等方式進行直觀呈現。

在庫區水質推演分析方面，可快速集成二、三維水動力水質模型計算結果，結合水下地形、水文水質監測數據，實現水庫與入庫河流水體水質（氮磷等污染物和銻等重金屬）的預測、水體突發污染擴散過程的動態模擬推演，支撐水質預測預警、污染源清單管理、突發污染事故快速模擬等業務應用，為實現丹江口水環境“四預”提供模型支持。

3.4 云渲染高保真數字孿生應用——引江補漢數字孿生

水利數字孿生模擬仿真應用中為實現與現實物理流域、工程的精準映射與逼真模擬，在高保真精細化孿生場景的表達方面提供了大量底層支撐。在高精度地形、影像、矢量等數據基礎上，可進一步精細化呈現樞紐模型、建筑物、設施設備、道路、交通載具、樹木、花草、水體等數據，為數字孿生應用提供逼真、精細可視化場景支持。同時，以云渲染的方式為任意終端提供高保真、高質量、強交互、高沉浸感的數字孿生體驗，擴展了數字孿生應用的適用場景。

圖14展示了以引江補漢數字孿生系統。該系統主要完成引江補漢勘察設計成果的數字化管理，實現工程數字化展示、分析與應用。工程線路全長194.8 km，工程信息模型涉及地形（測繪）、地質、水工、建筑、機電、金屬結構、安全監測等多個專業，模型結構精細、工程范圍大、場景復雜。系統提供引江補漢數字孿生工程的精細化場景支持，包括根據設計圖紙對工程建成后效果的逼真模擬，如圖14（b）為引江補漢出水口建成后三維場景以及各場景要素的真實紋理、材質、光照模擬呈現；同時，在場景中也實現了工程區域從地表到內部結構的精細表達，如圖14（c）、（d）所示。

系統除了對精細場景顯示效果方面的模擬之外，在環境、大氣、光影、聲音、物理模擬等方面也提供支撐。例如模擬雨雪等天氣情況，包括刮風、打雷等光影聲效（圖（e））；模擬精細植被效果，包括風吹草動等效果（圖（f））；模擬體積水、船舶、游泳、浮力等物理效果，為物理流域在數字空間中的真實還原和精細化映射提供堅實基礎。

4 結 語

水利數字孿生三維模擬仿真技術是智慧水利建設的重要基礎，是水利數字化、網絡化、智能化的核心支撐。本文圍繞水利數字孿生建設具體需求，從水利信息的集成、發布、分析、可視等全鏈條技術體系出發，對孿生平臺模擬仿真整體框架和技術路線進行詳細設計；在此基礎上，深入探索和研究了三維模擬仿真過程中GIS+BIM多元數據融合與輕量化、三維數據分布式存儲與高效服務、空間分析與專業模型模擬仿真、云渲染高保真數字孿生應用等關鍵技術問題，形成了水利數字孿生模擬仿真全鏈條技術方案;并選取深圳公清連通工程、漢江流域、南水北調中線水源工程、引江補漢工程等數字孿生項目作為典型示例，展示了水利三維模擬仿真技術在GIS+BIM全生命期管理、多尺度流域管理、專業模型推演分析、精細化場景表達等方面取得的應用成效。

在后續研究中，將進一步深化可視化仿真技術對水利數字孿生應用的支撐能力，通過規范和約束三維可視化渲染與專業模型模擬推演過程的嵌入與整合邏輯，從現階段以擴展和定制為主的專業模型庫、知識庫接入模式，逐步轉換為標準化、流程化的底層嵌入模式，完成水利模型平臺與知識平臺在數字孿生應用中的協同高效運算與深度共享，不斷提升三維模擬仿真技術在智慧水利應用中的普適性，最終實現在不同水利數字孿生建設中的深入應用。

參考文獻：

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（編輯：鄭 毅）

Abstract：

3D simulation technology is an important basis for the construction of water conservancy digital twins and can provide a key support for digital mapping and intelligent simulation of water conservancy elements and management processes.In order to further drive the collaborative and efficient operation of various water conservancy models and promote the intelligent simulation of basin management activities，we study and apply the process framework and key technologies of water conservancy 3D simulation.Among them，on the basis of IFC，CityGML and other standards，multiple mainstream BIM platform data models and GIS scene data are deeply interconnected and fused，and the correlation mapping between the real world and digital scenes at different scales is realized，constructing a multi-source integration，multi-dimensional and multi-scale water conservancy digital twins scene.In view of the basic spatial analysis function and the water conservancy professional model，the three-dimensional simulation of various customized water conservancy applications is realized，and the effect and quality of three-dimensional visualization are improved by combining cloud rendering technology.The research has initially formed a full-chain solution for the water conservancy digital twin simulation，and several practical digital twin projects have also demonstrated the effectiveness of this research.The results show that the water conservancy digital twin simulation technology proposed in this paper can provide effective support and technology drive for intelligent water conservancy construction.

Key words：

digital twins；simulation；3D visualization；smart water conservancy；GIS；basin management