三維地理信息技術(shù)在智慧水利建設(shè)中的應(yīng)用研究

馬瑞 楊?lèi)?ài)明 李雙平 陳遠(yuǎn)矚 張力 張航 劉成堃

摘要：智慧水利建設(shè)在數(shù)據(jù)獲取實(shí)時(shí)化、信息處理自動(dòng)化、服務(wù)應(yīng)用智能化等環(huán)節(jié)存在諸多難題。鑒于此，闡述了國(guó)家戰(zhàn)略對(duì)信息化建設(shè)的要求、智慧水利建設(shè)的內(nèi)容以及水利+GIS融合內(nèi)在驅(qū)動(dòng)，分析了三維GIS賦能智慧水利的路徑和手段，搭建了三維地理信息平臺(tái)，重點(diǎn)闡述了三維地理信息技術(shù)在信息感知與傳輸、信息存儲(chǔ)與集成、信息調(diào)度與可視、信息分析與決策等方面賦能智能化服務(wù)。同時(shí)結(jié)合水利業(yè)務(wù)需求，在監(jiān)測(cè)、地下管網(wǎng)、工程、流域等典型業(yè)務(wù)上助力智慧化管理。研究成果對(duì)水利行業(yè)空間信息科技研究和工程實(shí)踐有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：地理信息; 三維GIS; 智慧水利; 智能服務(wù); 智慧管理

中圖法分類(lèi)號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.23

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）06 - 0132 - 05

0 引 言

無(wú)論是水資源綜合利用、防洪減災(zāi)、農(nóng)田水利，還是水工程管理等規(guī)劃與決策，都是建立在流域級(jí)甚至全國(guó)地理空間尺度上的。智慧水利需要在大尺度地理空間上，集成海量水利要素?cái)?shù)據(jù)，建立流域乃至全國(guó)的水利地理信息模型，實(shí)現(xiàn)智能化、智慧化的管理。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)智慧水利建設(shè)開(kāi)展了大量的科技研究與工程實(shí)踐。徐健[1]論述了“智慧水利”的構(gòu)建思路及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，搭建了福建省沙縣智慧水利信息平臺(tái);楊鵬[2]提出了“智慧長(zhǎng)江”建設(shè)構(gòu)想，分析了其體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、重大問(wèn)題和發(fā)展路徑;盧衛(wèi)[3]針對(duì)浙江省流域水資源管理現(xiàn)狀及問(wèn)題，提出了“智慧流域”建設(shè)模式的總體框架，構(gòu)建了流域智能感知系統(tǒng)、智能傳輸系統(tǒng)和智慧業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。但是，現(xiàn)有的研究和工程實(shí)踐中，較多從宏觀層面構(gòu)建框架，在單項(xiàng)業(yè)務(wù)上進(jìn)行了系統(tǒng)研發(fā)，還未系統(tǒng)化研究地理信息技術(shù)的作用，以及如何有效運(yùn)用空間信息能力賦能智慧水利的建設(shè)。

通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外主流地理信息平臺(tái)與水利專(zhuān)業(yè)的跨界融合，發(fā)現(xiàn)還存在相關(guān)問(wèn)題，主要體現(xiàn)在：① 在水利水電行業(yè)，三維GIS的應(yīng)用目前大多以分散的、局部的方式服務(wù)于單個(gè)專(zhuān)業(yè)或局部業(yè)務(wù)，且一般僅用于報(bào)告的編制和成果的匯報(bào)展示;② 由于國(guó)內(nèi)外的三維商業(yè)軟件在水利行業(yè)應(yīng)用深度有限以及接口的開(kāi)放度不足，難以對(duì)水利水電的專(zhuān)業(yè)模型以及專(zhuān)業(yè)數(shù)學(xué)方法提供有效的技術(shù)支持;③ 采用國(guó)外商業(yè)化三維軟件建立中國(guó)水利行業(yè)的GIS應(yīng)用系統(tǒng)，存在一定的信息安全問(wèn)題。鑒于此，有必要深入了解水利水電的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用需求，在此基礎(chǔ)上研發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維水利基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)，為水利水電專(zhuān)業(yè)分析提供各種接口，為流域規(guī)劃和防洪調(diào)度、水利水電工程管理等專(zhuān)業(yè)提供高效服務(wù)。

充分運(yùn)用三維地理信息技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水利事業(yè)全面升級(jí)的重要基礎(chǔ)性工作，建立國(guó)產(chǎn)化水利三維地理信息平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)智慧水利建設(shè)的關(guān)鍵步驟之一，水利行業(yè)也迫切需要面向水利業(yè)務(wù)的三維地理信息服務(wù)平臺(tái)。因此，在新發(fā)展階段，需要構(gòu)建水利三維GIS解決方案，實(shí)現(xiàn)信息感知與傳輸?shù)目焖倩?、信息存?chǔ)與集成的便捷化、信息調(diào)度與可視的立體化、信息分析與決策的智能化。

1 平臺(tái)建設(shè)

長(zhǎng)江設(shè)計(jì)集團(tuán)在承擔(dān)眾多國(guó)家水工程項(xiàng)目實(shí)施的過(guò)程中，通過(guò)不斷的積累創(chuàng)新，針對(duì)智慧水利建設(shè)與管理需求，自主研發(fā)了二三維一體化GIS平臺(tái)——方舟[4-5]（3DGIS-Ark）。平臺(tái)提供了PC端、Web端（ArkWeb）、移動(dòng)端（ArkApp）以及服務(wù)端（ArkServer）的多端產(chǎn)品服務(wù)，可高效集成海量多源數(shù)據(jù)，提供多源數(shù)據(jù)全方位的可視化管理、信息查詢、模型分析、多業(yè)務(wù)協(xié)同等服務(wù)，從而輕松實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)定制化應(yīng)用。

如圖1所示，方舟平臺(tái)總體架構(gòu)包括資源層、數(shù)據(jù)層、功能層、服務(wù)層、應(yīng)用層，為流域大尺度、工程全生命期管理、全要素空間瀏覽等應(yīng)用領(lǐng)域方向提供了統(tǒng)一的基礎(chǔ)平臺(tái)支撐。方舟平臺(tái)產(chǎn)品線涵蓋地形地貌生成、三維模型處理、GIS+BIM數(shù)據(jù)集成、分布式數(shù)據(jù)服務(wù)、高性能三維渲染、空間分析與仿真、專(zhuān)業(yè)功能擴(kuò)展、三維瀏覽與應(yīng)用等模塊，提供了從數(shù)據(jù)資源獲取、轉(zhuǎn)換、處理、集成、發(fā)布、應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)的全鏈條模式服務(wù)。

2 智能服務(wù)

基于方舟平臺(tái)，融合云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)等新一代信息技術(shù)，提供水利信息感知、傳輸、存儲(chǔ)、集成、調(diào)度、可視、分析、決策等智能化服務(wù)功能。

2.1 三維信息存儲(chǔ)與集成

（1） 三維數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)。針對(duì)三維數(shù)據(jù)分散管理、數(shù)據(jù)服務(wù)低效、穩(wěn)定性安全性較差、不易統(tǒng)一分發(fā)等問(wèn)題，構(gòu)建了三維分布式存儲(chǔ)和負(fù)載均衡服務(wù)架構(gòu)，支持多源數(shù)據(jù)的分布式部署，突破了三維數(shù)據(jù)的毫秒級(jí)服務(wù)分發(fā)，提供三維數(shù)據(jù)用戶權(quán)限控制能力，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、高效、安全調(diào)用與共享。運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)，既保障了水利數(shù)據(jù)的安全管理，又實(shí)現(xiàn)了分布式高效服務(wù)分發(fā)，對(duì)于水利數(shù)據(jù)管理具有重要意義。

（2） 實(shí)景三維數(shù)據(jù)優(yōu)化。水利管理工作尺度跨越大，既有宏觀的三維場(chǎng)景，也涉及微觀的精細(xì)化設(shè)計(jì)，隨著實(shí)景三維精度越來(lái)越高，高密度海量實(shí)景數(shù)據(jù)調(diào)度越來(lái)越慢，針對(duì)這一難題，開(kāi)展實(shí)景三維數(shù)據(jù)組織的優(yōu)化處理工作。

通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，重構(gòu)模型LOD細(xì)節(jié)與空間索引，合并頂點(diǎn)、壓縮紋理，重建頂層場(chǎng)景、點(diǎn)云自動(dòng)生成等一系列技術(shù)手段，大幅提高了在網(wǎng)頁(yè)端高密度海量實(shí)景三維數(shù)據(jù)的加載速度，與現(xiàn)有實(shí)景三維調(diào)度相比，效率提高了2倍以上，大大提升用戶可視化交互體驗(yàn)。

（3） BIM輕量化。水利工程三維設(shè)計(jì)中，構(gòu)建了大量的BIM數(shù)據(jù)，如何在三維GIS場(chǎng)景中作輕量化處理，一直是GIS+BIM數(shù)據(jù)集成研究中的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題。在保留完整三維模型基本信息，保證模型精確度的前提下，構(gòu)建符合場(chǎng)景遠(yuǎn)近原則的多級(jí)LOD體系，將原始的三維模型進(jìn)行高效壓縮。同時(shí)，運(yùn)用三維空間遮擋、實(shí)例化技術(shù)[6]，使用戶在觀察模型時(shí)，自然流暢地完成從宏觀到微觀的過(guò)渡，很大程度地提升專(zhuān)業(yè)三維模型在系統(tǒng)中的加載速度和調(diào)用效率。

（4） GIS+BIM場(chǎng)景融合。BIM數(shù)據(jù)輕量化處理后，就要構(gòu)建GIS+BIM完整的融合模型，如何實(shí)現(xiàn)大范圍、大尺度的宏觀GIS模型與精細(xì)化設(shè)計(jì)的微觀BIM模型之間完美融合，是水利水電行業(yè)面臨的難點(diǎn)之一。

基于規(guī)劃方案的水工建筑物形狀，一鍵式、自動(dòng)、無(wú)縫地完成規(guī)范方案與三維地理信息場(chǎng)景的套合。在三維環(huán)境下，可直觀、立體地查看工程實(shí)施后的效果，以及工程實(shí)施中需要開(kāi)挖的土方量、需要遷移的房屋等，從而形成一個(gè)完整的三維空間場(chǎng)景[7]。圖2為Catia BIM數(shù)據(jù)與實(shí)景三維場(chǎng)景智能融合的效果。

2.2 三維信息空間可視化

2.2.1 全空間可視化

用GIS+BIM建立的三維基礎(chǔ)場(chǎng)景，完成了從物理空間到數(shù)字空間的映射，實(shí)現(xiàn)了從看不見(jiàn)到看得見(jiàn)的跨越，但仍需要建立一個(gè)全空間數(shù)據(jù)漫游與可視的技術(shù)體系[8]，如圖3所示。

宏微觀一體化讓三維可視“看得更全面”：① 地上下一體化實(shí)現(xiàn)“看得更透徹”;② 室內(nèi)外一體化、水上下一體化有助于“看得更細(xì)致”;③ 二、三維一體化可“看得更明白”。創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了多維度、全空間一體化的數(shù)據(jù)調(diào)度與展示，支持全空間全生命期的動(dòng)態(tài)三維場(chǎng)景漫游，更好地支撐了水利三維全空間多維度精細(xì)化管理。

2.2.2 三維云渲染

針對(duì)目前三維可視化有待提升、C/S客戶端臃腫、安裝部署繁瑣等問(wèn)題，綜合運(yùn)用云架構(gòu)、云計(jì)算進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)云端的三維渲染，將渲染的幀畫(huà)面以像素流的方式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)推送到用戶終端上，用戶可使用任意終端（個(gè)人電腦、平板電腦、手機(jī)）直接使用云端的三維GIS應(yīng)用，降低了用戶終端的成本，保障了數(shù)據(jù)安全性。

2.3 三維信息分析與決策

2.3.1 GIS+BIM空間剖切

在單純的BIM設(shè)計(jì)軟件中提供了部分BIM計(jì)算、剖切操作等功能。但面向管理與應(yīng)用的BIM+GIS場(chǎng)景，往往難以實(shí)現(xiàn)深層次的BIM功能。基于方舟平臺(tái)，在三維GIS+BIM信息高效調(diào)度與渲染基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了GIS+BIM部件的空間爆炸效果，以及任意面的三維剖切功能，有利于進(jìn)一步對(duì)BIM模型進(jìn)行精細(xì)化構(gòu)件管理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。

2.3.2 空間輔助選址決策

針對(duì)水利水電工程選址存在的場(chǎng)景復(fù)雜、指標(biāo)多樣、目標(biāo)模糊，采用人工判別、實(shí)地勘察方式工作繁雜，計(jì)算機(jī)識(shí)別結(jié)果有偏差等難點(diǎn)問(wèn)題，采用三維信息分析評(píng)價(jià)與輔助選址決策技術(shù)，集成空間分析、地形分析等模塊，完成區(qū)域選址初篩、分析決策，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜物理環(huán)境下多因素綜合優(yōu)化的智能選址輔助決策支持。目前該技術(shù)已初步應(yīng)用到烏東德、萬(wàn)安水電站監(jiān)測(cè)設(shè)施選址以及抽水蓄能選址等工程實(shí)踐中。

2.3.3 防洪調(diào)度輔助決策

通過(guò)深入研究洪水的物理特性、演進(jìn)規(guī)律與渲染手段，提出了一套3DGIS環(huán)境下的洪水風(fēng)險(xiǎn)三維動(dòng)態(tài)推演的系統(tǒng)框架，可無(wú)縫集成多類(lèi)水文模型、水動(dòng)力學(xué)模型、防洪補(bǔ)償模型，直觀呈現(xiàn)洪水的動(dòng)態(tài)演進(jìn)過(guò)程[9]，建立面向水工程聯(lián)合調(diào)度信息的多尺度展示方法體系，實(shí)現(xiàn)了水工程調(diào)度在三維環(huán)境下的直觀顯示和快速損失統(tǒng)計(jì)，以輔助水工程智能調(diào)度與決策，如圖4所示。

3 智慧管理

基于方舟平臺(tái)，運(yùn)用三維信息感知、傳輸、存儲(chǔ)、集成、調(diào)度、可視、分析、決策等智能化服務(wù)，面向水利業(yè)務(wù)需求，開(kāi)展了監(jiān)測(cè)、地下管網(wǎng)、工程、流域等典型業(yè)務(wù)智慧化管理工作。本文以智慧流域?yàn)槔?，結(jié)合流域水資源管理要求，在集成流域海量多尺度、多源地理信息基礎(chǔ)上，加載流域規(guī)劃設(shè)計(jì)、防汛抗旱、水資源、水生態(tài)等多專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)[10]，構(gòu)建智慧流域數(shù)字孿生平臺(tái)。結(jié)合智慧水利“四預(yù)”要求，提供具備預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的體系化支撐服務(wù)和數(shù)字化場(chǎng)景，如圖5所示。

（1） “預(yù)報(bào)”方面。融合水文預(yù)報(bào)模型，在宏觀尺度，對(duì)長(zhǎng)江流域水文站點(diǎn)的降雨預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，實(shí)時(shí)生成流域降雨等值面圖，直觀呈現(xiàn)流域未來(lái)的降雨趨勢(shì)，如圖5（a）所示;在微觀尺度，基于水文站點(diǎn)水位和流量預(yù)報(bào)信息，疊加三維實(shí)景模型呈現(xiàn)水位、流速、流向等三維仿真效果，支撐流域預(yù)報(bào)及可視化模擬。

（2） “預(yù)警”方面。在三維場(chǎng)景中，持續(xù)高亮閃爍預(yù)警區(qū)域，可呈現(xiàn)重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)的水位變化過(guò)程，進(jìn)行區(qū)域預(yù)警;展現(xiàn)干支流水位上漲及匯流過(guò)程，對(duì)水位突破警戒水位的控制站進(jìn)行預(yù)警提示，進(jìn)行干支流預(yù)警;可接入無(wú)人機(jī)采集的岸線高精度影像，對(duì)比分析歷史數(shù)據(jù)，直觀呈現(xiàn)岸線淹沒(méi)狀況，進(jìn)行岸線預(yù)警，如圖5（b）所示。

（3） “預(yù)演”方面。耦合流域水庫(kù)調(diào)洪和回水模型，結(jié)合三維地理空間分析，動(dòng)態(tài)模擬庫(kù)區(qū)斷面水位變化，進(jìn)行庫(kù)區(qū)淹沒(méi)預(yù)演;動(dòng)態(tài)模擬蓄滯洪區(qū)洪水行進(jìn)過(guò)程，進(jìn)行蓄滯洪區(qū)行洪預(yù)演;動(dòng)態(tài)模擬堤防超保范圍與超保時(shí)間，進(jìn)行河段行洪預(yù)演;動(dòng)態(tài)模擬城鎮(zhèn)及街道淹沒(méi)范圍，實(shí)時(shí)計(jì)算淹沒(méi)面積，進(jìn)行城鎮(zhèn)行洪預(yù)演與評(píng)估，如圖5（c）所示。

（4） “預(yù)案”方面。利用三維一張圖呈現(xiàn)面對(duì)歷史洪水過(guò)程時(shí)的工程運(yùn)用預(yù)案，包括各流域梯級(jí)水庫(kù)群、三峽水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)、洲灘民垸的運(yùn)用總體情況。根據(jù)蓄滯洪區(qū)運(yùn)用預(yù)案中提供的各村鎮(zhèn)組團(tuán)避洪轉(zhuǎn)移信息，在三維場(chǎng)景下，模擬重點(diǎn)蓄滯洪區(qū)進(jìn)行避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移，提供轉(zhuǎn)移路線、轉(zhuǎn)移過(guò)程的動(dòng)態(tài)展示，指導(dǎo)蓄滯洪區(qū)應(yīng)急避險(xiǎn)，如圖5（d）所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

智慧水利是綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動(dòng)計(jì)算、地理信息、BIM、區(qū)塊鏈等信息通信技術(shù)，促進(jìn)了水利規(guī)劃、工程建設(shè)、運(yùn)行管理和社會(huì)服務(wù)的智慧化，提升了水資源的利用效率和水旱災(zāi)害的防御能力，改善水環(huán)境和水生態(tài)，保障了國(guó)家水安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。智慧水利是水利現(xiàn)代化的具體體現(xiàn)，可為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)。

信息是智慧水利的基礎(chǔ)，空間地理信息作為一項(xiàng)重要的數(shù)據(jù)源，既提供了地理空間場(chǎng)景，也為各類(lèi)數(shù)據(jù)提供了空間“粘合劑”。有機(jī)、高效地運(yùn)用三維地理信息技術(shù)，可在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、信息存儲(chǔ)、多源集成、數(shù)據(jù)運(yùn)算、空間分析、三維可視等方面賦能智慧水利建設(shè)。三維地理信息技術(shù)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等信息通信技術(shù)融合，共同促進(jìn)水科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、數(shù)學(xué)和社會(huì)學(xué)等多學(xué)科的深度交融，從而推動(dòng)中國(guó)智慧水利的發(fā)展和進(jìn)步。

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Application of three-dimensional geographic information technology in smart water conservancy construction

MA Rui1，2，3，4，YANG Aiming 1，2，3，LI Shuangping 1，2，3，4，CHEN Yuanzhu 1，2，3，

ZHANG Li 1，2，3，4，ZHANG Hang1，2，3，4，LIU Chengkun1，2，3，4

（1. Changjiang Survey Planning Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China;? ?2. Changjiang Spatial Information Technology Engineering Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China;? ?3. Hubei Province Engineering Technology Research Center for Water Resources Information Perception and Big Data，Wuhan 430010，China;? ?4. Hubei Key Laboratory of Basin Water Security，Wuhan 430010，China）

Abstract：Smart water conservancy construction has many difficulties in real-time data acquisition， automatic information processing and intelligent service application.? Therefore， this paper? expounds the requirements of national strategy for information construction， the content of smart water conservancy construction， and the internal drive of water conservancy +GIS integration， analyzes and points out the path and means of 3D GIS enabling smart water conservancy， and builds a 3D geographic information platform.? it focuses on enabling intelligent services by the three dimensional geographic information technology in information perception and transmission， information storage and integration， information scheduling and visual， information analysis and decision-making ，and helping wisdom management， combined with water conservancy business needs， in monitoring， underground pipe network， engineering， watershed and other typical services. It has certain reference significance for the spatial information technology research and engineering practice of water conservancy industry.

Key words：geographic information; 3D GIS; smart water conservancy; intelligent service; wisdom management