黃河流域生態保護數字孿生平臺構建技術與應用

關鍵詞：數字李生平臺；數據底板；生態保護；黃河流域中圖分類號：X52；TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2025.08.003引用格式：，，，等.黃河流域生態保護數字孿生平臺構建技術與應用[J].人民黃河，2025，47（8）：10-14.

Construction Technology and Application of the Digital Twin Platform for Ecological Protection in the Yellow River Basin

YU Zhenzhen’，YAN Li ¹ ，QIN Fen2，3， SUN Xiaojuan'，MU Weichen2， ZAI Kaixin2，HUANG Jiefang ² （20 （1.Yellow River Water Resources Protection Institute， Zhengzhou 450004，China; 2.Faculty of Geographical Sciences and Engineering，Henan University， Zhengzhou 45OO46， China; 3.HenanProvincial Technological Innovation Centerfor Spatiotemporal Big Data（Henan University），Kaifeng 475O4，China） Abstract：Idertetielysppsifcisio-maingfoolicalprotetioineYlloiversinwithdigiati workingadintellgensailiddoracteristsfolocalontinsinigialtlao forecologicalprotetionintheYelowRiverBasinwasconstructed.Amodelframeworkincludinginformationifrastructure，databaseodel andtechologiatiousinsalcatiosassigdBasifngdompiloitingdataoatersoues，wateol gandwaterviront，ittablisdompreesiedatasfottiesinIteaeddatltiodmotnigdata integrationandalysis，loudompuigandedgecomputingitegatiodigialtinoelingadsiulationdtertoloiesee usedtorealizethataegationdpreseiofoicalvioentfctossuchsoloicalevioentstatusturalsee distriution，colocalgaranteedoorouhplatfoolocaldatavisualatioolicalslatioadoloalps tivaplicatiopractic，tewaterfunctionzonngandstatistcaliuatioofteYelowRiverBasin，theevolutionofeyprotetedials andplantsinteestuaedelta，teevolutiooflndusetypesadteindaioangeofeJingtaStoeForestcausedbyteHaniaWaterControlProjeteredemostratedancingteultisouedataagegtiogveaendificdecisioaingfor logical protection in the Yellow River Basin.

Key Words：digital twin platform；data base plater；ecological protection；Yellow River Basin

黃河流域是我國“兩屏三帶”（“青藏高原生態屏障”“黃土高原—川滇生態屏障”“北方防沙帶”“東北森林帶\"“南方丘陵山地帶”）生態安全戰略的重要實施區域，是橫跨東中西部的重要經濟區和能源基地，肩負生態平衡與生物多樣性保護任務。黃河流域具有豐富的生境類型，沿河形成各具特色的生物群落，高寒濕地廣泛發育，具有重要的水源涵養功能。黃河流域上游處于青藏高原、黃土高原及內蒙古高原過渡區，生境條件獨特；中下游農田生態系統、人工生態系統特征明顯，河流泥沙含量大，平原河段河道寬淺、擺動頻繁，形成大面積的河漫灘濕地和河口三角洲濕地。黃河流域地理環境特殊、生態地位重要[1]，亟須加強生態環境要素監測，建立生態系統演變監測和風險預警體

系[2]。現已持續開展了調水調沙期生態原型觀測與跟蹤評價[3-5]、重大治黃工程建設前期生態環境要素監測[6-8]、黃河干流重點河段河湖健康評估、黃河源區科學考察和現場監測工作，獲取了氣候、降水、水環境、水生態等基礎數據[9]。在流域生態保護方面，目前尚未建立生態數據資源規范管理體系，亟待加強數據匯聚治理能力[10-I]，通過對數據歸類分析，明晰流域生態環境狀況及演變趨勢，探究其影響因素并規避潛在風險[12-16]。

筆者以黃河流域重要生態功能區、自然保護地、河流湖泊等為重點研究區，建立涵蓋水資源、水生態、水環境等的數據體系，搭建流域生態保護數字孿生平臺，實現生態環境狀況、自然保護地分布、飲用水水源地保護、地下水保護、重點區及關鍵期生態監測等生態環境要素的數據匯聚呈現。

1平臺總體框架

以數字化、網絡化、智能化為主線，基于信息化基礎設施構建黃河流域生態保護數字孿生平臺，利用網絡安全體系和保障體系等支撐網絡安全和集成共享。該平臺采用RESTfulAPI前后端分離架構。前端基于Vue框架，通過Vue.js實現動態頁面渲染，處理用戶輸入、表單提交等操作，使用Axios發送HTTP請求，調用后端API獲取數據，使用Vuex管理全局狀態。采用Cesium二三維一體化地圖引擎進行前端地圖數據的可視化展示，在后端進行地圖數據離線預處理，并以服務化接口形式對外發布，供前端調用。圖表基于Echarts組件進行展示。后端基于Java的SpringBoot框架，處理前端請求，實現核心業務邏輯，通過JWT（JSONWebToken）實現用戶認證與授權，使用Post-greSQL數據庫存儲結構化和空間數據，利用Redis緩存熱點數據，通過RESTfulAPI提供數據接口。前端通過HTTP請求與后端進行數據交互，數據格式采用JSON，前后端數據格式一致。平臺總體架構涉及多層次、多模塊，通過感知、傳輸、存儲、分析、決策、展示等實現對黃河流域生態環境實時監測、精細化管理和科學決策支持。平臺總體框架見圖1。

1）信息化基礎設施。通過多種設備、技術手段以及智能系統，構建一個實時、高效、多源數據融合的生態保護“天空地網”感知網絡。通過全面的數據監測、采集、分析、預測和預警功能，支持流域生態保護決策優化。該層的高效運行為上層建模和應用打下基礎

2）數據底板。數據底板包括數據資源、數據模型和數據引擎等，負責匯聚水利信息網傳輸的各類數據，經處理后為模型平臺和知識平臺提供數據服務。數據底板主要包括地理空間數據和生態環境數據，基于數據庫軟件，對不同來源（傳感器、設備、軟件）的數據進行統一管理（清洗、整合、分析和可視化等），支持實時數據和歷史數據的存儲。

3）模型與技術仿真。模型與技術仿真是平臺架構中的關鍵部分，平臺采用的數學模型包括水動力模型、水環境模型、水生態模型等。基于數據底板成果，利用模型分析黃河流域生態環境要素活動規律和相互關系，通過智能識別模型提升水利感知能力，通過模擬仿真三維可視化技術動態呈現生態環境變化。

4）業務應用。將信息化基礎設施、數據底板、模型與技術仿真轉化為實際應用服務，支持決策者、研究人員以及公眾能夠了解黃河流域生態環境、自然保護地分布、生態流量保障、飲用水水源地和地下水保護狀況等。業務應用層的建設旨在以直觀、易操作的方式將復雜的模型和數據處理結果展示給用戶，同時為各類用戶提供定制化的應用場景和功能。

2 數據體系設計

平臺數據體系主要由地理空間數據庫和生態環境數據庫組成。為確保數據安全和數據共享，選用Post-greSQL數據庫進行數據存儲。PostgreSQL是一款功能強大的開源關系型數據庫，PostGIS是PostgreSQL的擴展，添加了地理對象的支持。將兩者結合使用，可以構建高效、可擴展的空間數據庫，滿足各種地理信息系統應用需求，通過數據庫引擎可將各類數據處理后傳送至業務應用層。

對黃河流域水資源、水生態、水環境相關數據進行整編，將海量分散數據整合成模塊化文檔，按照時間、空間要素對數據進行歸類，可實現對關鍵數據的平均值、同比值和歷史趨勢等的查詢分析。結合治黃工作需求，具體梳理了黃河流域生態系統空間分布格局、魚類種質資源分布、河湖健康等相關數據，以反映黃河流域生態環境狀況及演變趨勢；整理國家公園、自然保護區、自然公園等自然保護地分布數據，以識別流域環境敏感區分布；統計生態流量保障、飲用水水源地保護、地下水保護數據，為水資源保護提供重要數據支撐；對歷年黃河河口三角洲、小浪底水庫調水調沙期、重大治黃工程建設及運行期的生態監測數據進行整編。平臺數據體系見圖2。

圖2平臺數據體系

Fig.2PlatformDataSystem

3平臺構建技術

一體化數據采集與監測：通過物聯網傳感器、遙感衛星、無人機和監測站（井），建立覆蓋生態環境要素的監測網絡，實現地面、水體和大氣的立體化、動態化監測。物聯網傳感器實時采集水文、氣象、土壤等多類型數據，遙感衛星提供宏觀尺度的生態環境信息，無人機則用于對特定區域的精細化監測

大數據集成與分析：構建基于大數據架構的生態環境數據管理平臺，對流域內多源異構數據進行清洗、標準化處理和集成。通過高性能計算實現數據庫存儲、查詢。集成跨生態環境、自然資源、水利行業的數據資源，形成流域生態環境全景式數據庫，為生態環境監測與預測提供全面的數據支撐

云計算與邊緣計算融合：結合云計算與邊緣計算技術，提升數據處理的時效性和靈活性。云計算用于確保數據的集中處理與資源共享；邊緣計算用于在現場實時處理數據，降低數據傳輸延遲，提高響應速度。

數字孿生建模與仿真：利用數字孿生技術構建黃河流域生態系統虛擬模型。通過數字鏡像重現物理世界中的水文循環、水環境演變、水庫淹沒等，實現對生態系統的動態跟蹤與精準模擬。支持多情景仿真分析，為管理者提供生態治理措施的模擬結果，幫助優化管理策略。

人工智能驅動的生態預測與預警：基于機器學習和深度學習算法，利用歷史數據和實時監測數據進行生態環境變化趨勢預測。建立水動力、水環境、水生態模型，對未來可能發生的水污染、植被演替、物種變化等生態風險進行預警，并結合多情景模擬技術提供應急響應建議。

信息化平臺與公眾互動：建立生態保護信息化平臺，面向管理者提供精細化管理工具，面向公眾提供生態環境信息的可視化展示服務。通過移動終端和網頁端工具，公眾可以隨時了解黃河流域生態保護狀況，提升社會參與度和環保意識。

4平臺應用實踐成果

4.1 數據可視化

全面系統的生態環境數據是流域生態保護工作的重要基礎。按照“黃河一張圖”指導思想，以數據庫形式展示黃河流域生態環境數據。運用先進的可視化技術，將復雜的數據轉化為直觀的圖表形式，可以為用戶提供黃河流域生態保護多維動態可視化表達。例如，通過交互式地圖，用戶可以清晰地看到不同水功能區或河段的水質狀況，點擊特定區域即可獲取詳細的水質參數，選中某飲用水水源地即可顯示其供水網絡及城鎮位置；通過動態折線圖，能夠直觀地識別生態流量保障程度、地下水超采面積等。黃河流域水功能區劃及統計界面見圖3。

圖3黃河流域水功能區劃及統計界面 Fig.3 Water Function Zoning and Statistical Interface intheYellowRiverBasin

4.2 生態監測

通過衛星遙感、水質監測站、地下水監測井、生態環境監測站等，開展黃河流域水生態、水環境等監測調查。平臺致力于打造一套全面且精細的數據體系，使用先進的物聯網、視頻以及攝像等監測技術，對黃河流域重點區域及關鍵期進行生態環境監測，為后續生態保護分析提供技術支持。平臺現已涵蓋黃河河口三角洲、小浪底調水調沙期相關監測數據，后續擬接人在建古賢、擬建黑山峽水利樞紐等建設期及運行期相關監測數據。黃河河口三角洲重點保護動植物演化情況界面見圖4。

圖4黃河河口三角洲重點保護動植物演化情況界面Fig.4Interface of Evolution of Key Protected AnimalsandPlantsintheYellowRiverEstuarineDelta

4.3 生態模擬

生態模擬是平臺建設的核心，在該模塊主要構建黃河流域生態環境模型，實現對自然條件和人為活動影響生態環境程度的模擬，對未來生態環境變化趨勢（包括植被恢復或退化、地下水超采區變化、突發水污染事件等）的分析，以對黃河流域生態保護作出預判與預警。黃河流域土地利用類型演變情況界面見圖5。

圖5 黃河流域土地利用類型演變情況界面 Fig.5 InterfaceofLandUseTypeEvolution intheYellowRiverBasin

4.4 生態透視

高精度、全方位、跨時空的生態環境狀況直觀展示和系統化生態保護預案制定是數字孿生平臺建設的目標。平臺已對古賢和黑山峽水利樞紐工程庫區淹沒范圍進行三維建模，對流域重大治黃工程淹沒場景進行仿真構建，實現不同時期水位淹沒影響分析。另外，分析了黃河下游防洪工程與環境敏感區位置關系。黑山峽水利樞紐工程對景泰石林淹沒范圍界面見圖6。

4.5 運維管理

運維管理模塊旨在實現對平臺所有用戶的身份管理、權限分配和行為審核，保證平臺的高效性和安全性。采用多種身份驗證方式保證用戶身份的合法性，例如，單點登錄（SSO），用戶只需要登錄一次即可訪問平臺所有功能和服務，避免頻繁登錄，提高操作便捷性。分布式分級管理權限具有更高的可控制性、可擴展性與靈活性。

圖6黑山峽水利樞紐工程對景泰石林淹沒范圍界面 Fig.6Interface of the Submergence Range of theHeishanxia WaterConservancyHubProjectonJingtaiStoneForest

5 結束語

通過收集整理黃河流域生態環境監測與調查數據，建立覆蓋全流域的生態保護數字孿生平臺。按照“黃河一張圖\"指導思想，對數據進行標準化處理和科學分類，匯聚7類數據集，構建流域跨部門數據融合、智能驅動決策的數據體系，對數據進行可視化展示，支撐生態保護從被動響應轉向主動預測、精準治理，實現“感知-模擬-決策-反饋”閉環。該平臺能夠直觀展示黃河流域整體與重點區水資源、水生態、水環境保護效果，為重大治黃工程建設及運行期環境管理提供決策支撐。

參考文獻：

［1］水利部黃河水利委員會.黃河流域綜合規劃（2012—2030年）[M].：黃河水利出版社，2013：1-12.

[2] 中共中央，國務院.黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要[N].人民日報，2021-10-09（1）.

[3] 黃玉芳，婁廣艷，葛雷，等.基于時間序列遙感的2020年黃河三角洲濕地補水效果監測［J].人民黃河，2021，43（7） ：89-93.

[4］焦瑞峰，葛雷.黃河三角洲濕地陸生植物監測與評估研究[J].水資源開發與管理，2021，7（12）：11-18.

［5］潘軼敏，葛雷，周子俊.黃河調水調沙對下游魚類影響研究[J].人民黃河，2024，46（12）：105-109，116.

[6]單凱，馬紅亮，周子俊，等.黃河三門峽庫區浮游植物群落結構空間分布特征及多樣性[J].人民黃河，2023，45（10）：78-83，89.

［7］婁廣艷，葛雷，黃玉芳，等.黃河下游生態調度效果評估研究[J].人民黃河，2021，43（7）：100-103.

[8］李家東，田開迪，婁廣艷，等.黑河黃藏寺水利樞紐建設階段水生態保護措施優化研究[J].人民黃河，2023，45（11）：118-121，127.

[9］韓冰，張唱，高云霓，等.小浪底水庫調水調沙生態效應研究[J].中國科學：技術科學，2025，55（6）：968-979.

[10］羅毅，柴發合，高鋒亮.加快建成與生態文明建設要求相適應的生態環境監測網絡：解讀《生態環境監測網絡建設方案》[J].環境保護，2016，44（1）：10-12.

[11] 新華社.《生態環境監測網絡建設方案》發布［J].環境保護與循環經濟，2015，35（8）：67.

[12] 王建民.《生態環境大數據建設總體方案》政策解讀[J].環境保護，2016，44（14）：12-14.

[13] 張毅，賀桂珍，呂永龍，等.我國生態環境大數據建設方案實施及其公開效果評估[J].生態學報，2019，39（4）：1290-1299.

[14] 蔣云鐘，冶運濤，趙紅莉，等.水利大數據研究現狀與展望[J].水力發電學報，2020，39（10）：1-32.

[15] 蔡陽.數字孿生水利建設中應把握的重點和難點［J].水利信息化，2023（3）：1-7.

[16] 黃艷，喻杉，羅斌，等.面向流域水工程防災聯合智能調度的數字孿生長江探索[J].水利學報，2022，53（3）：253-269.

【責任編輯 栗銘】