流域三維可視化與全景化管理研究與應用

邱皓廷，秦挺峰，楊曉丹，張耀華

（1.無錫市水利局，江蘇 無錫 214000；2.無錫市河湖治理和水資源管理中心，江蘇 無錫 214000）

1 流域數(shù)字化管理研究現(xiàn)狀

流域管理涉及領域復雜，橫向可能涉及多省市、上下游；縱向涉及水利、生態(tài)環(huán)境、交通等多個部門；管理對象可能涉及泵站、閘站、河道、管網(wǎng)、景觀、道路、橋梁、岸線等，管理難度較大。當前數(shù)字技術引領的新技術革命和新產(chǎn)業(yè)革命加速推進，人類正加速進入數(shù)字時代。將數(shù)字技術應用到流域管理工作中，能夠顯著提升流域管理的科學性和效率，使管理更細化充分，真正實現(xiàn)智慧管理。

數(shù)字化流域管理是水利信息化發(fā)展的必然方向，是實現(xiàn)流域管理與決策支持信息化的重要途徑，國內(nèi)外研究學者對此進行了大量的研究。國內(nèi)對流域數(shù)字化工程研究也廣泛開展，華中科技大學張王乘等，主要致力于數(shù)字流域的開發(fā)與研究，開發(fā)了流域水情分析及模擬系統(tǒng)，可為防洪提供水文水情數(shù)據(jù)和洪水過程預演。清華大學張尚弘等，實現(xiàn)了流域的三維可視化功能，可結合水文水情信息和地理信息系統(tǒng)進行數(shù)值模擬研究。當前水利部已啟動數(shù)字孿生流域建設先行先試項目，黃河、長江、淮河等主要江河流域的數(shù)字孿生平臺建設陸續(xù)實施，構建了流域及工程動態(tài)數(shù)據(jù)資源庫。

但當前常用流域可視化系統(tǒng)主要是基于GIS 實現(xiàn)水利模型和水情參數(shù)的可視化，正在推進建設的數(shù)字孿生流域主要是基于3D+GIS、BIM 等技術，對流域內(nèi)地形、河流、道路、工程、模擬結果等進行三維可視化渲染。以上系統(tǒng)可對河流水體、岸線利用情況和水利工程等提供演示和模擬仿真，但仍存在以下不足：一是現(xiàn)有的水動力學模型及洪水模擬方法不能很好地滿足實時性要求；二是流域三維模擬展示的效果不好，尤其是對水運動過程的仿真，如潰壩過程演進、地表淹沒過程演進、河道洪水過程等，還存在提升空間；三是缺少對流域歷史演變情況的儲存和模擬；四是由于傳統(tǒng)的攝像頭采集模式效率偏低，可視化系統(tǒng)可展示的流域內(nèi)特定位置的實景偏少。

2 流域可視化全景化基本概念

2.1 流域三維可視化顯示

“十四五”期間水利系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展的主要目標是建設數(shù)字孿生流域，建設“2+N”水利智能業(yè)務應用體系，建成智慧水利體系。借助數(shù)字孿生技術、混合現(xiàn)實技術等，可以對水利工程這類實體對象在計算機中進行三維動態(tài)仿真，即三維可視化。三維可視化是虛擬流域環(huán)境的關鍵支撐技術之一。過去由于GPU 算力有限，要使計算機中的數(shù)字孿生模型轉(zhuǎn)化為顯示器上的圖像，需要耗費大量時間進行計算。但當前GPU 性能的大幅度提高及云渲染圖傳效能的提升，以及虛擬現(xiàn)實和三維仿真技術的發(fā)展，使得虛擬流域的三維可視化仿真成為可能，并可在VR 頭戴設備上實現(xiàn)第一人稱視角的沉浸式體驗。

流域三維可視化不但包括流域地形、地物以及河流水體的建模與場景實時漫游，而且可以與水文水情數(shù)學模型計算相結合，進行方案論證、工程運行管理等方面的模擬仿真，把水利計算中所涉及和產(chǎn)生的水文水情數(shù)值信息轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的、以圖形或圖像表示的、隨時間和空間變化的信息呈現(xiàn)在用戶面前，使用戶能夠觀察到數(shù)值計算和模擬的過程和結果，既有精確的數(shù)值分析結果，同時還提供了與計算和模擬過程的視覺交互手段，并可以對數(shù)學模型的合理性進行有效性分析，從而更加科學地對流域開發(fā)規(guī)劃、防洪減災和提供輔助決策支持。

2.2 流域全景化顯示

三維可視化實現(xiàn)了現(xiàn)實流域的虛擬再現(xiàn)，但是其所構筑的三維流域場景缺乏真實感，無法與實景照片媲美。如谷歌地球、微軟必應街景等運用全景技術，將全景圖像與地圖相結合，可在較高密度的觀察視點上全方位還原該處場景的全景圖像信息，相較于模擬場景，更加真實、準確、直觀；相較于單張全景圖片，觀察視點多，全局可瀏覽。鑒于此，本文將全景技術運用于流域，借助混合現(xiàn)實技術、無人機航拍技術、圖像合成拼接技術等，通過文字、圖像、三維交互、增強現(xiàn)實應用等多元形式，借助各類電子終端，包括頭戴顯示器設備，可以全面和立體地展示流域相關數(shù)據(jù)和信息，更為直觀、高效地把握流域整體特征。

3 主要數(shù)字技術在流域管理中的應用

3.1 流域?qū)嵕盎膊?/h3>

3.1.1 非實時實景化展示

目前一些民用導航軟件已實現(xiàn)查看道路全景圖像的功能，該功能是通過裝有全景相機的采集車拍攝照片，并利用計算機進行合成，最終制作出路段各點位的全景圖像。但類似技術還未在水利領域規(guī)模應用。對于河道、湖泊及相關水利工程，可以通過無人機航拍等方式，合成水利全景圖像，還可在該三維實景中嵌入有關信息，實現(xiàn)在數(shù)字三維實景中，對河道、湖泊及相關水利工程進行巡查，工作人員遠程即可直觀地了解流域內(nèi)全局景象，實景查看特定區(qū)域水利設施和實際建設情況，減少實地勘察頻次，提高工程設計建造效率。

3.1.2 實時實景化巡查

前述非實時實景數(shù)字化展示存在數(shù)據(jù)和影像資料更新不及時的問題。隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，未來還可實現(xiàn)水利工程的實時實景巡查。可在特定位置設置載有全景攝像機、具備通信功能的無人機，巡查人員佩戴VR 頭戴顯示器設備，遠程操控無人機航行，并利用全景攝像機實時將拍攝到的畫面發(fā)送到VR 頭戴顯示器設備上，即可實現(xiàn)實時全景勘查特定區(qū)域水利設施和實際建設情況的功能。對全時段的涉水工作而言，無人機必須具備防水性能。目前已有相關公司研發(fā)出防雨水、甚至可潛入水下的無人機設備，使水下實時實景巡查成為可能。

3.2 流域可視化演示

3.2.1 歷史文化遺產(chǎn)三維展示

綜合利用視頻、三維交互、虛擬現(xiàn)實體驗、增強現(xiàn)實應用等多元形式的數(shù)字技術，通過場景構建、動態(tài)模擬，實現(xiàn)水利遺產(chǎn)在多種電子終端（手機、電腦、VR 頭戴設備等）上的數(shù)字化重現(xiàn)，并可實現(xiàn)第一人稱視角的沉浸式體驗。將歷史水利遺產(chǎn)資料進行立體化建模和數(shù)字化呈現(xiàn)，有利于全面把握水利遺產(chǎn)真實特征，對其進行更為直觀的展示。在水利開發(fā)過程中對遺產(chǎn)信息數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)建模，也有利于形成遺產(chǎn)的數(shù)字化生命周期，提高文化遺產(chǎn)的保護效率和質(zhì)量。

以運河文化遺產(chǎn)為例，當前運河文化遺產(chǎn)展示中存在展示效率低下、展示內(nèi)容局限、用戶體驗不真實的問題。《中國大運河發(fā)展報告（2020）》中對《大運河文化保護傳承利用規(guī)劃綱要》進行的解讀中也指出，數(shù)字大運河文化建設應“從無形到有形，從外延到內(nèi)涵”。通過對大運河文化遺產(chǎn)的數(shù)字化沉浸式展示和重現(xiàn)，可有效挖掘和拓展大運河的文化空間，提高運河文化資源的展出率和能見度。

3.2.2 工程三維展示

對于待建工程，該技術可取代傳統(tǒng)效果圖，利用該工程的設計圖紙等資料，結合BIM、GIS 等多元數(shù)據(jù)，建立三維數(shù)字模型，對該工程在不同天氣條件、不同植物類型和狀態(tài)、不同光照角度等下的三維動態(tài)場景進行數(shù)字化仿真展示，并可演示水利工程的各關鍵節(jié)點（如閘站、泵站等）的數(shù)字孿生控制流程，實現(xiàn)水利工程的全時、全域、全態(tài)的孿生圖像模擬，還可采用增強現(xiàn)實技術將工程設計效果與真實環(huán)境場景融合，便于工作人員更加直觀、沉浸地體驗工程完工后的實地狀況和工程運行狀態(tài)。該工程的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)還可以應用到后期的工程虛擬仿真管理和遠程調(diào)度中，實現(xiàn)水利工程數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的高效利用和統(tǒng)一管理。

對于建成工程，采用增強現(xiàn)實技術，將計算機產(chǎn)生的文字、圖像等輔助信息與真實的水利工程場景融合，構建交互式演示系統(tǒng)，產(chǎn)生出一個虛實結合的水利工程演示圖像。對于工作人員而言，嵌入真實場景更多工程資料，便于全面和直觀地掌握該工程情況。對游客而言，水利景觀場景增加了更多圖文媒體信息，從視覺角度提升了水利景觀特色，豐富了視覺趣味和體驗感。

3.3 實時交互虛擬仿真管理

3.3.1 遠程調(diào)度

通過數(shù)字孿生等技術，可以將水利工程及相關機電設施設備的調(diào)度虛擬化到數(shù)字流域中，構建水利工程運行管理中的物理實體與虛擬空間中人、機、物、環(huán)境、信息等要素的相互映射、實時交互、高效協(xié)同的管理系統(tǒng)，從而更加直觀、全面地反映水利工程運行管理過程全生命周期狀態(tài)，更加有效地對水利工程中建筑物各部位、閘門、機電設備、觀測設施、通訊設施等進行全面的監(jiān)管和檢查[13]。

工作人員在數(shù)字化場景中進行操作，如操作機電設備的開關按鈕、控制旋鈕等，再將操作轉(zhuǎn)換為一定接口標準的控制指令，通過網(wǎng)絡傳輸給遠端控制設備，由控制設備來操作具體的機電設備達到調(diào)度的目的。遠端設備操作的結果、機電設施和設備狀態(tài)，以及遠端傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息，通過網(wǎng)絡傳送至數(shù)字流域，在數(shù)字流域中映射對應設備的實際狀態(tài)和物理流域的實際情況，通過數(shù)字化場景展示給工作人員，實現(xiàn)物理流域和數(shù)字流域的“雙向映射”，提升流域防洪安全保障能力。

3.3.2 實時模擬和輔助決策

把物理流域數(shù)據(jù)實時映射到數(shù)字流域中，融合多源信息，實時構建流域產(chǎn)匯流、土壤侵蝕、水沙輸移、工程調(diào)度等數(shù)字模型，將極大助力流域防洪抗旱、水資源調(diào)配等業(yè)務。

以防洪模擬為例，在數(shù)字流域中，根據(jù)實時水文數(shù)據(jù)及降雨預報等預測數(shù)據(jù)，利用對抗神經(jīng)網(wǎng)絡、數(shù)值模擬等方法，實時模擬分析不同調(diào)度控制條件下的洪水影響情況（如淹沒面積、影響人口等），并通過動態(tài)圖像反映到數(shù)字化場景中，以進行超前的洪水推演。通過對比不同調(diào)度下的影響情況，并借助計算機智能分析選擇最優(yōu)的調(diào)度方案，實現(xiàn)流域洪水調(diào)度“虛擬模擬先行，決策調(diào)度在后”，以盡早對洪澇災害采取有效應對措施。該技術將顯著提高決策的科學性和時效性，最大限度地避免洪災帶來的損失。

隨著人工智能等技術的發(fā)展，未來有望進一步打通從數(shù)字流域到物理流域的映射關系，實現(xiàn)從預報預測、模擬推演和智能決策的全程智能托管，以在設定工況下自動執(zhí)行最優(yōu)化的水利工程調(diào)度，從而在物理流域中實現(xiàn)部分或全部的自主管理。

4 結語

流域管理的需求是復雜的，隨著流域經(jīng)濟社會發(fā)展而發(fā)展，流域管理涉及的數(shù)據(jù)量也較為龐大，且處在加速增長中，而三維可視化和全景化管理系統(tǒng)必然為處理龐大的流域管理數(shù)據(jù)帶來更加便捷高效的用戶體驗，用戶可以利用多種顯示設備自如查看所關注的流域細節(jié)，并調(diào)用相關信息，更好地滿足業(yè)務處理、監(jiān)督管理與決策指揮方面的需要。此類技術的應用是流域管理的必然趨勢。伴隨著數(shù)字技術的更新迭代，流域管理數(shù)字化系統(tǒng)的研究和建設將是一個長期的過程，流域管理各業(yè)務單位和部門應持之以恒并密切配合，保證數(shù)字化系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展并發(fā)揮實效，扎實提升我國流域管理水平■