基于數(shù)字孿生平臺框架的天津市智慧水務一張圖建設(shè)研究

吳 昊，賈 翔，賈 方，孫恩林，秦丹軍，葉夢羽

(天津市水務局綜合服務中心，天津 300074)

水利部自2019年開始，先后印發(fā)《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計》《“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃》《“十四五”期間推進智慧水利建設(shè)實施方案》，明確了“十四五”期間建設(shè)數(shù)字孿生流域、“2+N”水利智能業(yè)務應用體系等智慧水利的總體要求和主要任務。2022年水利部陸續(xù)出臺《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱(試行)》系列建設(shè)指南和規(guī)范，對數(shù)字孿生流域[1]、技術(shù)要求、建設(shè)標準、集成共享等做了進一步說明。2022年天津市水務局會同市委網(wǎng)信辦、市發(fā)改委編制印發(fā)《天津市智慧水務專項規(guī)劃》，規(guī)劃中明確了天津市水務局2025年初步建立基于“一張圖”的天津市水務數(shù)字孿生平臺的目標任務。

1 現(xiàn)狀、問題和需求

根據(jù)多年積累，天津市水務信息化在基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)中心、業(yè)務應用等方面取得了明顯成效，通過天津市水務業(yè)務管理平臺信息資源整合、數(shù)據(jù)中心建立、已初步形成天津市智慧水務的框架。算據(jù)方面，整合第一次水利普查數(shù)據(jù)、水務業(yè)務專題圖數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)等，建成集中統(tǒng)一的水務業(yè)務時空數(shù)據(jù)庫，初步完成了數(shù)據(jù)交換與共享的標準化治理。算力方面，采用云技術(shù)、服務器虛擬化技術(shù)、以“集中+分布”部署的方式建設(shè)應用服務器群，基于“天地圖”前置服務，以標準接口的方式為水資源管理、防汛抗旱、城市排水、城市供水等各業(yè)務系統(tǒng)提供時空數(shù)據(jù)服務。

現(xiàn)有時空數(shù)據(jù)服務初步實現(xiàn)了矢量圖、影像圖、地形圖的切換展示，地圖編輯、查詢等功能，缺少空間分析類服務、“四預”應用支撐、以及三維建模、仿真可視化、大數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)應用。天津市水務局已建成的防汛抗旱、水利工程運行管理、農(nóng)村水利、河湖長制管理等信息系統(tǒng)不同程度基于GIS技術(shù)開發(fā)，各平臺系統(tǒng)獨立建設(shè)，時空數(shù)據(jù)資源分散，共建共享困難；時空數(shù)據(jù)來源、種類多樣，質(zhì)量精度參差不齊，數(shù)據(jù)融合治理難度大；缺少時空數(shù)據(jù)更新、管理維護有效機制和技術(shù)手段。

天津市智慧水務一張圖建設(shè)需求總體上包含天津市水務內(nèi)部和外部兩類需求。內(nèi)部需要主要包括時空數(shù)據(jù)標準規(guī)范統(tǒng)一、時空數(shù)據(jù)映射建模、時空數(shù)據(jù)引擎建設(shè)、一張圖能力升級。外部主要為共建共享需求，包括縱向與水利部全國水利一張圖、海委水利一張圖和各個區(qū)縣水務一張圖的時空數(shù)據(jù)資源共建共享，橫向?qū)尤诤咸旖蚴姓推渌k局時空數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)天津市水務時空數(shù)據(jù)底板建設(shè)工作的延伸、整合。

2 目標任務

以《天津市智慧水務專項規(guī)劃》制定的智慧水務整體框架布局為基礎(chǔ)，明確智慧水務一張圖建設(shè)整體架構(gòu)和技術(shù)路線，統(tǒng)一一張圖建設(shè)標準，對一張圖時空數(shù)據(jù)資源進行優(yōu)化統(tǒng)籌，構(gòu)建一張圖運維保障體系，對時空數(shù)據(jù)服務需求進行整合分析，為時空數(shù)據(jù)底板搭建、地圖服務功能完善、時空數(shù)據(jù)更新和運維管理等問題提供解決方案，為實現(xiàn)智慧水務管理決策“一張圖”做好技術(shù)鋪墊。

3 整體框架和技術(shù)路線

基于智慧水務整體框架，在現(xiàn)狀時空數(shù)據(jù)算據(jù)、算力、水務業(yè)務管理平臺基礎(chǔ)上，對天津市水務局內(nèi)外部的時空數(shù)據(jù)進行歸集、標準化治理，融合形成天津市水務數(shù)字孿生平臺時空數(shù)據(jù)底板。通過時空數(shù)據(jù)管理引擎支撐數(shù)據(jù)資源池運行、專業(yè)模型計算以及知識庫構(gòu)建等，支撐“四預”等業(yè)務應用。

智慧水務一張圖整體采用微服務技術(shù)架構(gòu)，基于多粒度水務對象模型實現(xiàn)時空數(shù)據(jù)的“全連接”，采用多源異構(gòu)時空數(shù)據(jù)智能匯聚技術(shù)和GIS組件庫開發(fā)時空數(shù)據(jù)管理引擎，采用多態(tài)混合的海量異構(gòu)時空大數(shù)據(jù)存儲、云GIS資源池化與自動彈性調(diào)度技術(shù)實現(xiàn)云平臺下多源異構(gòu)時空數(shù)據(jù)存儲，采用鑲嵌數(shù)據(jù)集、三維模型輕量化、虛擬仿真推演場景模擬等技術(shù)實現(xiàn)二三維影像數(shù)據(jù)管理展示，軟硬件兼容國產(chǎn)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、處理器架構(gòu)。

4 時空數(shù)據(jù)標準統(tǒng)一

以數(shù)字孿生流域建設(shè)相關(guān)標準規(guī)范為依據(jù)，制定天津市智慧水務數(shù)字孿生平臺時空數(shù)據(jù)標準和時空數(shù)據(jù)管理規(guī)范，確保在采集、傳輸、分析、加工、存儲、發(fā)布、應用等環(huán)節(jié)“數(shù)據(jù)語言”的一致性。

4.1 時空要素制圖規(guī)范研究

按照水利部《水利空間要素數(shù)據(jù)字典》《水利空間要素圖式與表達規(guī)范》以及自然資源部等其他國家部委下發(fā)的地圖制圖規(guī)范，并結(jié)合天津市水務自身業(yè)務應用需求，規(guī)范水利時空要素分類和定義、幾何形態(tài)和表示方法、比例尺和圖例尺的定義、顏色和標注規(guī)范、標簽和注釋規(guī)范、可視化和交互規(guī)范等，確保水務空間要素的統(tǒng)一組織和表達。

4.2 時空數(shù)據(jù)匯聚標準研究

規(guī)范時空數(shù)據(jù)源認證與管理、數(shù)據(jù)采集入庫、元數(shù)據(jù)注冊、數(shù)據(jù)更新管理等標準，明確各類時空數(shù)據(jù)歸口管理部門、數(shù)據(jù)匯聚格式、數(shù)據(jù)質(zhì)量標準等，確保進入時空數(shù)據(jù)資源池的數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)檢達到數(shù)據(jù)匯聚要求。

4.3 時空數(shù)據(jù)治理建庫標準研究

規(guī)范多維、多時空尺度數(shù)據(jù)空間參考、入庫標準和入庫格式，包括矢量、電子地圖、遙感影像、三維模型等數(shù)據(jù)。確保在統(tǒng)一的規(guī)則約束下進行數(shù)據(jù)生產(chǎn)和應用建設(shè)，打破時空數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享互認。

4.4 時空數(shù)據(jù)服務設(shè)計管理標準研究

規(guī)范時空數(shù)據(jù)服務設(shè)計和管理，時空數(shù)據(jù)服務設(shè)計包括服務設(shè)計方法、流程及關(guān)鍵要素，指導時空數(shù)據(jù)服務發(fā)布；時空數(shù)據(jù)服務管理包括管理制度、調(diào)試方法、審批流程等。

4.5 時空數(shù)據(jù)共享交換標準研究

規(guī)范時空數(shù)據(jù)對外共享的規(guī)則和流程，明確共享范圍、共享形式、共享后持續(xù)更新等內(nèi)容，明確共享各環(huán)境相關(guān)審批責任人和審批權(quán)限。

5 時空數(shù)據(jù)映射建模

以現(xiàn)有時空數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，收集天津市水務范圍內(nèi)基礎(chǔ)及專題時空數(shù)據(jù)，以重點水務對象為核心進行時空數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與融合，形成二三維一體化跨層級、跨業(yè)務三級時空數(shù)據(jù)底板，實現(xiàn)智慧水務全要素數(shù)字化映射。

5.1 時空數(shù)據(jù)資源池構(gòu)建

按照時空數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)方向與治理流程，將時空數(shù)據(jù)資源池構(gòu)建過程分為時空數(shù)據(jù)資源梳理、多源時空數(shù)據(jù)匯聚、時空數(shù)據(jù)清洗轉(zhuǎn)換、時空數(shù)據(jù)存儲入庫和時空數(shù)據(jù)服務共享五部分。

時空數(shù)據(jù)資源梳理：對天津市水務相關(guān)矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、高程模型數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、新型測繪產(chǎn)品數(shù)據(jù)及元數(shù)據(jù)進行調(diào)查、梳理、采集、整編，通過共享交換方式接入其他來源時空數(shù)據(jù)，形成時空數(shù)據(jù)資源池。

多源時空數(shù)據(jù)匯聚：明確天津市水務多源時空數(shù)據(jù)采集的范圍、方式、頻次、標準，切實打通縱向與水利部、海委、區(qū)縣，橫向與市各委辦局相關(guān)業(yè)務系統(tǒng)之間的空間數(shù)據(jù)交換通道，構(gòu)建共享交換機制。時空數(shù)據(jù)匯聚方式支持數(shù)據(jù)實體匯聚和虛擬匯聚[3]。實體匯聚包括批量處理、數(shù)據(jù)復制同步、消息集成和流集成等方式。虛擬匯聚通過元數(shù)據(jù)注冊、共享服務接入等方式。

時空數(shù)據(jù)清洗轉(zhuǎn)換：對時空數(shù)據(jù)進行標準化和規(guī)范化處理，通過統(tǒng)一格式和坐標轉(zhuǎn)換、矢量數(shù)據(jù)一致性和配圖處理、影像數(shù)據(jù)鑲嵌處理、三維地形數(shù)據(jù)輕量化處理等操作，確保一數(shù)一源、統(tǒng)一規(guī)范。

時空數(shù)據(jù)存儲入庫：對時空數(shù)據(jù)進行分層存儲，邏輯上劃分為全量數(shù)據(jù)層、核心數(shù)據(jù)層、主題數(shù)據(jù)層。全量數(shù)據(jù)層匯聚原始多源時空數(shù)據(jù)；核心數(shù)據(jù)層存儲標準化、基于時空數(shù)據(jù)模型組織的成果數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“一碼多態(tài)”的空間數(shù)據(jù)組織與表達；主題數(shù)據(jù)層根據(jù)業(yè)務需求對核心數(shù)據(jù)進行抽取、二次加工和分析，衍生主題數(shù)據(jù)。

時空數(shù)據(jù)服務共享：依據(jù)時空數(shù)據(jù)服務相關(guān)標準，按照數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)模型進行梳理與組織，構(gòu)建統(tǒng)一管理和對外服務的時空數(shù)據(jù)資源目錄體系；同時基于不同場景和應用需要實現(xiàn)不同主題的電子地圖、專題底圖數(shù)據(jù)服務配置和發(fā)布。時空數(shù)據(jù)共享服務提供輕量級的服務集成、管理、服務調(diào)用功能。

5.2 多維多尺度時空數(shù)據(jù)模型建設(shè)

以多維多時空尺度數(shù)據(jù)模型[2]為基礎(chǔ)，以重點水務對象為核心進行時空數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與融合，對全域時空場景進行全要素數(shù)字化和語義化映射，對水務對象的全貌性、整體性、邏輯組織、對象間關(guān)系與限制進行描述。天津市水務時空數(shù)據(jù)模型以北京時間為時間基準，以2000國家大地坐標系和1985國家高程基準為空間基準，將水務對象所包含的點、線、面和三維模型數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，構(gòu)建時空數(shù)據(jù)模型。

5.3 三級時空數(shù)據(jù)底板建設(shè)

按照數(shù)據(jù)范圍和精度分級，建設(shè)天津市水務二三維一體化、跨層級、跨業(yè)務的三級時空數(shù)據(jù)底板。

L1級時空數(shù)據(jù)底板：共享水利部L1級數(shù)據(jù)底板。收集整編天津市范圍內(nèi)的30m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)；收集整編1∶10000國家基本比例尺地形圖，包括行政區(qū)劃、交通、水系及設(shè)施、居民地及設(shè)施、管線等圖層；收集整編1∶50000數(shù)據(jù)中的流域分區(qū)、河湖管理范圍、岸線功能分區(qū)、水閘、引水工程等水利專題數(shù)據(jù)圖層。

L2級時空數(shù)據(jù)底板：以海委水利一張圖平臺共享數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，整合天津市大數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一的地形數(shù)據(jù)(DEM)以及數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)(DOM)，疊加傾斜攝影、激光點云等方式獲取的天津市水務管理重點區(qū)域和重點河段精細地表和水下地形數(shù)據(jù)(DEM)；補充主要河道管理范圍、重要湖泊和使用頻率高的蓄滯洪區(qū)、防汛重點部位DOM數(shù)據(jù)；補充完善河湖長制、山洪災害、防汛等業(yè)務專題數(shù)據(jù)圖層。

L3級時空數(shù)據(jù)底板：匯集更新天津市一二級河道、水庫、堤防、橡膠壩、水閘、泵站、蓄滯洪區(qū)等水系，以及水務工程二三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；接入水情、工情、災情、水質(zhì)、取用水、墑情等監(jiān)測數(shù)據(jù)，接入社會經(jīng)濟、土地利用、生態(tài)環(huán)保、氣象等跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)，融合構(gòu)建精細化L3級時空數(shù)據(jù)底板。

6 時空數(shù)據(jù)管理引擎

以時空數(shù)據(jù)映射建模為基礎(chǔ)，構(gòu)建時空數(shù)據(jù)資源一體化運維管理機制與多層次時空數(shù)據(jù)服務體系，解決時空數(shù)據(jù)源、匯、存、治、用問題。

6.1 時空數(shù)據(jù)匯聚引擎

覆蓋時空數(shù)據(jù)從源到資產(chǎn)的全過程管理，形成一套完整的數(shù)據(jù)匯聚采集、數(shù)據(jù)清洗轉(zhuǎn)換流程體系，構(gòu)建持續(xù)性數(shù)據(jù)資源匯聚更新機制，打通多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)資源池路徑，支持數(shù)據(jù)源管理、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)匯聚任務管理、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)匯聚任務管理和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)匯聚任務管理以及匯聚任務編排等功能。

6.2 時空數(shù)據(jù)治理引擎

對時空數(shù)據(jù)進行標準化融合處理，包括映射建模、質(zhì)量控制和資產(chǎn)管理。

映射建模圍繞模型創(chuàng)建、模型編輯、模型查看、模型上線、模型刪除、元數(shù)據(jù)管理維護等能力進行研究。

質(zhì)量控制對時空數(shù)據(jù)質(zhì)量進行規(guī)范化管理，包括質(zhì)檢規(guī)則創(chuàng)建、質(zhì)檢規(guī)則配置、質(zhì)檢任務管理、質(zhì)檢記錄等內(nèi)容。

資產(chǎn)管理聚焦全域數(shù)據(jù)資源的整體情況呈現(xiàn)，實現(xiàn)多層級時空數(shù)據(jù)資產(chǎn)目錄組織、數(shù)據(jù)血緣分析、全域資源檢索、多維度數(shù)據(jù)資源統(tǒng)計等能力。

6.3 時空數(shù)據(jù)服務

時空數(shù)據(jù)服務提供輕量級服務集成、管理、調(diào)用、共享功能，對數(shù)據(jù)進行計算邏輯封裝生成API服務，實現(xiàn)基于授權(quán)的從服務發(fā)布、服務管理、服務目錄到服務鑒權(quán)的全過程統(tǒng)一管理與調(diào)度，支撐天津市水務內(nèi)部和外部時空數(shù)據(jù)共享與服務需求。

6.4 時空數(shù)據(jù)更新維護

構(gòu)建持續(xù)性時空數(shù)據(jù)資源更新機制，既包括地圖服務與水務業(yè)務應用之間的數(shù)據(jù)聯(lián)動同步更新，也包括時空數(shù)據(jù)資源池基礎(chǔ)地理、水務基礎(chǔ)空間、衛(wèi)星遙感影像等數(shù)據(jù)的及時、持續(xù)和有效更新。

7 一張圖能力升級

基于現(xiàn)有時空數(shù)據(jù)成果，圍繞時空數(shù)據(jù)可視化展示、數(shù)據(jù)共享交換和數(shù)據(jù)申請訂閱等需求進行建設(shè)研究，為領(lǐng)導輔助決策、智能預測、大數(shù)據(jù)分析提供支持。

7.1 時空數(shù)據(jù)可視化

三級底板展示：以三級時空數(shù)據(jù)底板成果展示為核心，通過切換地圖疊加不同時空數(shù)據(jù)圖層實現(xiàn)對時空數(shù)據(jù)資源的展示控制，提供屬性查詢、底圖切換、鷹眼圖、地圖測距測面、圖層控制等功能。

高仿真三維動態(tài)場景：基于三維可視化、游戲引擎等技術(shù)，疊加基礎(chǔ)地理、水務專題場景、三維模型等時空數(shù)據(jù)要素，確保不同數(shù)據(jù)精度、不同范圍、不同數(shù)據(jù)源的矢量、影像等時空數(shù)據(jù)要素在三維空間實現(xiàn)融合、無縫銜接、無縫切換，并集成空間分析、模型分析等功能，支持數(shù)字孿生場景搭建。

7.2 時空數(shù)據(jù)及服務應用

時空數(shù)據(jù)管理：以目錄方式對時空數(shù)據(jù)進行分級展示。時空數(shù)據(jù)資源按照基礎(chǔ)地理、遙感影像、水務工程、洪水風險分析、山洪災害和流域水系等目錄分類展示，提供目錄對應的基本信息和縮略圖查看、成果篩選等功能。

時空服務管理：以目錄方式提供智慧水務數(shù)字化場景時空數(shù)據(jù)服務分類展示，包括三級空間底板地圖服務和數(shù)據(jù)接口服務。

空間分析能力：基于二三維一體化空間分析引擎，提供多種空間分析服務。二維空間分析能力包括緩沖區(qū)分析、疊加分析、鄰域分析、距離分析、插值分析、空間統(tǒng)計分析等。三維空間分析包括日照分析、通視分析、可視域分析、天際線分析、限高分析等。

7.3 時空應用定制

地圖定制：提供在線坐標轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換、地名地址匹配等地圖處理、在線制圖、應用搭建等服務。

時空數(shù)據(jù)交換共享：建立時空數(shù)據(jù)資源發(fā)布、共享、交換、服務的網(wǎng)絡和軟件服務體系，實現(xiàn)時空數(shù)據(jù)資源跨部門的“橫向”交換共享，以及與水利部和海委“縱向”互聯(lián)互通。

8 智慧水務一張圖“四預”應用支撐

預報(預測)[4]應用支撐，以降雨防洪業(yè)務場景為例，基于智慧水務一張圖時空數(shù)據(jù)底板及模型平臺、知識平臺，使用多種降雨場景作為輸入，結(jié)合水利數(shù)學模型進行演算預報，通過數(shù)字流場可視化展示，為防洪預警、調(diào)度提供決策支撐。

預警應用支撐，依托智慧水務一張圖時空信息展現(xiàn)技術(shù)，圍繞流域防洪業(yè)務，針對實際監(jiān)測信息、現(xiàn)場監(jiān)視信息、預測預報信息、演變趨勢信息、調(diào)度效果評價信息，通過水務一張圖進行直觀可視化表達。

預演應用支撐，基于智慧水務一張圖仿真可視化技術(shù)，在虛擬現(xiàn)實場景下，對流域洪水、潰堤、工程險情、山洪中各種事件發(fā)展態(tài)勢進行推演展示，支撐調(diào)度、應急決策。

預案應用支撐，基于智慧水務一張圖時空數(shù)據(jù)底板構(gòu)建預案的數(shù)字化指標體系，根據(jù)不同預案的預演展示過程，為預案優(yōu)化、分析評估提供支撐。

9 建設(shè)任務分解

智慧水務一張圖建設(shè)，服務于智慧水務專項規(guī)劃，各階段目標與總體規(guī)劃相互銜接，圍繞階段工作目標和重點任務，總體謀劃部署，分步分階段實施。

(1)一期計劃：2023年底，基于現(xiàn)狀時空數(shù)據(jù)資源，搭建一張圖時空數(shù)據(jù)資源池。匯聚水利部、海委、區(qū)水務局以及其他跨行業(yè)共享時空數(shù)據(jù)資源，進行標準化治理和建模，按照三級數(shù)據(jù)底板標準進行分類分級建設(shè)。

(2)二期計劃：2024年年底，基于智慧水務數(shù)字孿生平臺框架，部署一張圖時空數(shù)據(jù)底板，完成時空數(shù)據(jù)管理相關(guān)功能開發(fā)及配套標準規(guī)范建設(shè)。

(3)三期計劃：2025年年底，結(jié)合模擬仿真技術(shù)，提升一張圖的可視化展示能力，實現(xiàn)與物理年流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優(yōu)化，為“2+N”智能業(yè)務應用體系構(gòu)建和江河流域“四預”功能開展提供支撐。

(4)四期計劃：2026年年底，智慧水務一張圖已基本達到數(shù)字孿生流域總體規(guī)劃要求，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合2+N業(yè)務工作需求，構(gòu)建示范應用場景，提升天津市水務業(yè)務管理效率和水平。

10 結(jié)語

智慧水務一張圖建成后，能夠滿足天津市智慧水務和數(shù)字孿生流域項目建設(shè)所需時空數(shù)據(jù)資源和服務需求，解決數(shù)據(jù)多源、數(shù)據(jù)合規(guī)使用、時空數(shù)據(jù)動態(tài)更新、共建共享不暢等問題，為各業(yè)務應用、各層級單位提供鮮活的水務時空數(shù)據(jù)服務，但是要真正達到助力天津市智慧水務“四預”業(yè)務應用開展實施的目標，還需要深入調(diào)研分析各業(yè)務對一張圖具體應用需求和對接方式，解決一張圖與現(xiàn)狀各業(yè)務系統(tǒng)地圖模塊的適配和數(shù)據(jù)共享等問題。