數字地理可視化技術在數字孿生流域建設中的作用探討

俞志強，俞 瑾

（淮河水利委員會治淮工程建設管理局，安徽 蚌埠 233001）

0 引言

隨著信息技術的迅速發展和智能化時代的到來，數字孿生技術成為了工業互聯網和智慧城市等領域中的重要支撐技術。數字孿生技術通過數字化的方式對現實世界進行建模，為實際物理系統提供虛擬的“孿生兄弟”，以實現實時監測、仿真模擬、優化設計等應用。數字孿生技術在不同領域的應用已經得到了廣泛的關注和應用，特別是在流域管理領域的應用，成為數字孿生技術的重要應用之一。

數字孿生流域建設是數字孿生技術在流域管理領域的應用，其目的是通過數字孿生模型對流域進行建模，實現流域內水文、水資源、生態環境等多要素的全面監測、仿真模擬和管理決策支持。數字孿生流域建設可以提高流域管理效率、降低管理成本、減少環境污染、保護生態環境，對于實現可持續發展具有重要的意義。

1 數字孿生技術、數字地理可視化技術及其背景

1.1 數字孿生技術概述

數字孿生技術是指通過數字化手段構建物理實體的虛擬模型，并通過對實體和模型之間的實時交互，實現物理實體和虛擬模型的同步運行和協同決策的技術。數字孿生技術的基本原理是將物理實體的信息采集、處理和存儲，并通過計算機技術對其進行數字化建模，形成與物理實體完全一致的虛擬模型。然后通過傳感器和其他裝置將虛擬模型與物理實體進行連接，實現信息的實時交互和同步更新。數字孿生技術廣泛應用于制造、建筑、交通等領域，并在數字孿生城市、數字孿生流域等方面取得了廣泛應用。

1.2 數字地理可視化技術概述

數字地理可視化技術是指通過計算機技術對地理信息進行可視化表達和呈現的技術。它將復雜的地理信息以圖形化的方式呈現出來，便于人們對地理信息進行分析和理解。數字地理可視化技術主要包括地圖制作、三維可視化、虛擬現實、增強現實等技術，其中地圖制作是數字地理可視化技術的基礎。數字地理可視化技術已廣泛應用于地理信息系統、城市規劃、環境保護等領域，并在數字孿生城市、數字孿生流域等方面得到了廣泛應用。

1.3 數字孿生流域建設背景

數字孿生流域建設是指通過數字孿生技術，對流域進行數字化建模，并通過數字地理可視化技術將流域信息以可視化的方式呈現出來，實現對流域生態環境、水文水資源等方面進行實時監測、數據分析和決策支持的技術。數字孿生流域建設的目的是為了實現流域管理的信息化、數字化和智能化，提高流域管理的效率和水平，促進流域的可持續發展。數字孿生流域建設涉及多個領域和多個部門的協同合作，具有很高的復雜性和挑戰性。

2 數字地理可視化技術在數字孿生流域建設中的作用

2.1 實時監測

數字地理可視化技術在數字孿生流域建設中的第一個作用是實時監測。數字地理可視化技術可以將不同時間和空間的數據整合在一起，通過3D 地圖、模型等形式實時展現流域的各項指標變化情況，包括水文、地貌、土壤等要素。這些指標可以通過傳感器、遙感衛星等設備實時采集和監測，從而實現對流域的全方位、高效率監測。

2.2 數據分析和可視化

數字地理可視化技術在數字孿生流域建設中的另一個作用是數據分析和可視化。通過數字地理可視化技術可以對流域內的各項數據進行分析和可視化，以便更好地理解數據，發現數據之間的關系，以及分析數據的趨勢和變化。數字地理可視化技術可以通過可視化方式展現流域中的各項數據，如土地利用情況、植被覆蓋情況、氣象數據等，從而提供更直觀的數據展示方式。

數據分析和可視化也有助于進行多維度數據的分析。數字地理可視化技術可以同時展示空間、時間、屬性等多個維度的數據，使得數據之間的聯系和規律更加清晰可見。

2.3 決策支持

數字地理可視化技術在數字孿生流域建設中的第三個作用是決策支持。數字地理可視化技術可以為流域管理部門提供直觀的數據支持，為管理決策提供參考。

數字地理可視化技術還可以提供多種輔助功能，如數據交互、空間查詢和空間分析等，使得用戶可以更加深入地了解數字孿生流域建設中的問題。

3 數字地理可視化技術的理論與方法

3.1 可視化技術的基本原理

可視化技術是指將抽象的數據轉化為可視化的形式，使人們能夠直觀地了解數據之間的關系和規律。在數字地理可視化技術中，可視化技術的基本原理包括數據編碼和圖形設計兩個方面。

數據編碼是指將數據轉化為圖形元素，如點、線、面等，以便于用戶觀察和理解數據。

圖形設計是指將數據編碼后的圖形元素組合成具有信息含義的圖形，以便于用戶理解和分析數據。

3.2 數字地理可視化技術的分類與特點

數字地理可視化技術根據不同的應用場景和目的可以分為多種類型。常見的數字地理可視化技術包括地圖可視化、地球可視化、空間數據可視化、交互式可視化等。

地圖可視化是數字地理可視化技術中最基本的應用方式，通過將地理信息和統計數據轉化為地圖形式，方便用戶了解空間關系和屬性特征。地圖可視化的特點是具有地理信息的空間屬性和統計數據的屬性特征，同時也具有繪圖規則、標識符號等規范化的表現方式。

地球可視化是一種以三維球體模型為基礎，將地球表面的地理信息和統計數據進行可視化表達的技術。地球可視化的特點是可以進行全球范圍的數據展示和比較分析，同時也具有空間交互性、漫游瀏覽等功能。

空間數據可視化是一種將空間數據進行可視化表達的技術，包括點、線、面、體等不同類型的空間數據。空間數據可視化的特點是具有空間屬性的數據，可以通過多種編碼方式和圖形設計表現空間數據之間的關系和屬性特征。

交互式可視化是一種允許用戶通過交互手段對數據進行操作和探索的可視化方式。它能夠讓用戶通過直觀的界面和反饋機制，快速地發現數據中的規律、趨勢和異常情況，幫助用戶更好地理解和利用數據。

4 數字孿生流域建設的實例與分析

4.1 淮河流域王家壩至正陽關段的數字孿生流域試點

該試點利用水文模型、水力模型、水質模型等對流域內的水文氣象、水資源、水環境、水災害等進行了仿真和預測，并提供了多種決策支持功能，如洪水預報、防洪調度、水資源配置、水環境治理等。

模擬可視化實現場景可視化、工程運行可視化、模型結果可視化、工程調度可視化。

4.2 數字孿生曹娥江流域防洪應用

曹娥江流域已經建成了國內首個基于云計算平臺的數字孿生系統，可以進行超前預報預警、精準調度指導等功能，有效賦能流域水旱災害防御。“數字孿生曹娥江流域防洪應用”通過技術上的創新和突破，實現了雙輪驅動，同時推動了流域治理能力的現代化。應用采用了GIS+BIM 三維大場景數字孿生數據底板，融合三維可視化技術，通過構建虛擬工程，實現與物理流域的同步仿真、虛實交互、迭代優化，對水利治理管理活動全過程進行數字化映射和智能化模擬，對流域內的各種數據進行采集、分析和可視化，如遙感影像、無人機影像、視頻監控、傳感器數據等，并利用人工智能等技術進行數據挖掘和智能識別，提取出流域內的各種要素信息，如河道形態、堤防狀況、工程設施等。

5 數字地理可視化技術在數字孿生流域建設中面臨的問題與解決方案

5.1 數據質量與數據集成

在數字孿生流域建設中，需要整合來自多個數據源的不同類型和不同格式的數據，因此數據質量和數據集成成為了數字地理可視化技術的問題之一。為了解決這一問題，可以采用數據清洗、數據預處理、數據挖掘等方法來提高數據質量，并采用數據集成、數據轉換等方法來實現數據整合。

5.2 多尺度與多源數據融合

數字孿生流域建設需要處理多個尺度的數據，如不同空間分辨率的衛星影像、地理信息系統數據等，同時也需要整合來自多個數據源的數據。因此，數字地理可視化技術需要實現多尺度和多源數據融合。為了解決這一問題，可以采用分層繪制、數據融合算法等方法來處理不同尺度的數據，并采用數據轉換、數據集成等方法來整合來自不同數據源的數據。

5.3 空間模型與模擬精度

數字地理可視化技術需要建立準確的空間模型，并通過模擬和預測等方法實現數字孿生流域建設的目標。因此，空間模型的準確性和模擬精度成為了數字地理可視化技術的問題之一。為了解決這一問題，可以采用高分辨率的衛星影像、精確的地形數據等方法來提高空間模型的準確性，并采用高精度的模擬算法來提高模擬精度。

5.4 可視化效果與用戶體驗

數字地理可視化技術需要提供良好的可視化效果和用戶體驗，以便用戶能夠更好地理解和利用數字孿生流域建設的結果。因此，可視化效果和用戶體驗成為了數字地理可視化技術的問題之一。為解決這一問題，可以采用交互式可視化、虛擬現實等方法來提高可視化效果和用戶體驗。

5.5 隱私保護與安全性

數字地理可視化技術需要處理大量的敏感數據，如個人隱私信息、企業商業機密等，因此，隱私保護和安全性成為了數字地理可視化技術的問題之一。為了解決這一問題，可以采用數據脫敏、數據加密等方法來保護隱私信息，并采用訪問控制、身份認證等方法來提高安全性。

6 數字地理可視化技術構建智慧水利體系的發展前景

6.1 數字中國建設整體布局規劃

《數字中國建設整體布局規劃》是中共中央、國務院于2023 年2 月印發的一份規劃文件，旨在推動數字中國建設，構筑國家競爭新優勢的有力支撐。其中提到了建設綠色智慧的數字生態文明，推動生態環境智慧治理，加快構建智慧高效的生態環境信息化體系，運用數字技術推動山水林田湖草沙一體化保護和系統治理，完善自然資源三維立體“一張圖”和國土空間基礎信息平臺，構建以數字孿生流域為核心的智慧水利體系。

數字中國是以網絡化、數據化、智能化為特征，以信息技術為支撐，以數據為關鍵要素，以數字創新為引領，以提高社會治理和公共服務水平為目標，以滿足人民日益增長的美好生活需要為根本出發點的現代化建設模式。

6.2 數字中國與智慧水利

數字孿生流域和數字中國有密切的聯系。一方面，建設數字孿生流域是貫徹落實習近平總書記關于網絡強國的重要思想、推動數字中國建設的重要舉措。另一方面，構建以數字孿生流域為核心的智慧水利體系是實現綠色智慧的數字生態文明、保障國家水安全和人民群眾用水安全的必然要求。

數字孿生技術與水利融合，可以實現對流域內的各種要素和現象的全面、深入和動態的認識和描述，為流域管理和決策提供支持，是智慧水利建設的重要內容。數字孿生流域利用數字孿生技術，構建流域內的水文、水資源、水環境、水利工程等各種要素和現象的虛擬映射，實現對流域內的各種狀態和過程的實時感知、動態模擬和智能控制，是數字孿生技術與水利融合的新發展路徑。數字孿生流域是智慧水利的核心，也是提高水資源管理效率和保障防洪安全的有效手段。利用數字技術和數據，構建物理世界的虛擬映射，實現對物理世界的實時感知、動態模擬和智能控制，是數字化轉型的重要手段和方向。

6.3 地理可視化與構建智慧水利體系

數字地理可視化技術與遙感技術、地理信息系統等技術有著密切的聯系。利用各種遙感平臺（如衛星、飛機、無人機等）和遙感傳感器（如光學、雷達、紅外等），從遠距離獲取地表或大氣層的信息，是數字孿生流域建設中重要的數據來源之一。利用計算機軟件和硬件，對地理空間數據進行存儲、管理、處理和分析，是數字孿生流域建設中重要的數據處理和分析工具之一。數字地理可視化技術可以利用遙感技術獲取的數據，進行可視化表達和展示，也可以利用地理信息系統進行數據處理和分析，實現對流域內的各種要素和現象的可視化表達和交互探索。

7 結論

數字地理可視化技術在數字孿生流域建設中取得了一定創新和成效，但在實際應用中仍存在一些不足之處，如數字孿生流域建設的實際效果和成本效益的評估、數字地理可視化技術在不同應用場景下的性能評估和對比、數字孿生流域建設的社會和經濟影響評估等方面需要進一步研究。

未來，數字地理可視化技術在數字孿生流域建設中仍具有廣闊的應用前景。隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，數字地理可視化技術將會在數字孿生流域建設中發揮更加重要的作用，如利用虛擬現實技術實現數字孿生流域的沉浸式體驗、通過深度學習等人工智能技術實現對數字孿生流域的自主學習和智能決策支持等，都是未來數字地理可視化技術在數字孿生流域建設中的重要發展方向。除此之外，還有許多潛在的應用場景，例如數字孿生城市、數字孿生農業等領域都可以應用數字地理可視化技術，實現實時監測、數據分析和可視化、決策支持等功能。因此，未來數字地理可視化技術的發展前景十分廣闊，將會在許多領域發揮越來越重要的作用。同時，在數字孿生流域建設中還需要更多的跨學科合作，將地理學、計算機科學、水文學、生態學等多個學科的知識融合起來，共同推動數字孿生流域建設的發展■