面向數(shù)字孿生流域的多尺度三維數(shù)據(jù)底板建設(shè)

摘 要：【目的】數(shù)據(jù)底板是數(shù)字孿生相關(guān)項目建設(shè)的第一要務(wù)，是數(shù)字孿生流域“四預(yù)”目標實現(xiàn)的“基石”?！痉椒ā扛鶕?jù)水利部智慧水利實施方案和流域信息化需求，提出了基于地理空間數(shù)據(jù)的多尺度三維數(shù)字底板建設(shè)方案思路，明確了三維場景數(shù)據(jù)底板構(gòu)建的目標，提出了多來源、多尺度數(shù)字孿生底板數(shù)據(jù)構(gòu)建的具體方式，闡明了底板建設(shè)過程中包括數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)融合的理論和方法。【結(jié)果】通過實踐，細化了L1～L3級數(shù)據(jù)底板的建設(shè)內(nèi)容和技術(shù)路線，提供了完整的數(shù)字孿生項目數(shù)據(jù)底板建設(shè)的思路和方法?！窘Y(jié)論】通過三級數(shù)據(jù)底板建設(shè)與共享，構(gòu)建了高精度、可視化場景，為智慧防汛、水資源管理與調(diào)配等業(yè)務(wù)化應(yīng)用提供了強有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；數(shù)據(jù)底板；可視化場景；數(shù)據(jù)融合

中圖分類號：P237" " "文獻標志碼：A" " " 文章編號：1003-5168（2024）10-0010-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.002

Construction of Multi-scale 3D Data Base Plate for Digital Twin

Watershed

GAO Yonghong TIAN Shuaishuai CHEN Lemin FAN Wei WANG Fang LI Zhen

（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China）

Abstract： [Purposes] Data base plate is the first task of the construction of digital twinning related projects， and the \"cornerstone\" of the realization of the \"four pre-projects\" of digital twinning watershed. [Methods] According to the smart water conservancy implementation plan of the Ministry of Water Resources of the People's Republic of China and the information requirements of the basin， this paper proposes a multi-scale three-dimensional digital baseboard construction scheme based on geospatial data， defines the goal of three-dimensional scene data baseboard construction， and puts forward the specific way of multi-source and multi-scale digital twin baseboard data construction. The theory and method of data source， data acquisition， data governance and data fusion are expounded in the process of floor construction.[Findings] Through practice， the construction content and technical route of L1-L3 data backboard are refined， and the complete idea and method of digital twin project data backboard construction are given. [Conclusions] Through the construction and sharing of the three-level floor， the high-precision visual scene is constructed， which can provide strong data support for business applications such as intelligent flood prevention， water resources management and deployment.

Keywords： digital twinning; data base plate; visual scene; data fusion

0 引言

地理空間數(shù)據(jù)具備區(qū)域性、多維性等特點［1］。測繪是針對地理空間數(shù)據(jù)進行獲取、加工、存儲、分析和應(yīng)用的一種技術(shù)手段［2］。通過測繪技術(shù)對GIS地理信息數(shù)據(jù)進行整理，其中包括矢量數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，用來構(gòu)建流域基于地理空間數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生底板。這樣不僅可以還原流域的地形、植被、工程、建筑等多尺度時空場景，而且可以為智慧化模擬參數(shù)的計算與迭代更新提供依據(jù)。

實景三維模型技術(shù)是近年來測繪學(xué)科和計算機視覺方面研究的熱門問題，其高精度、高還原度、信息豐富的特點在各個領(lǐng)域都承載著重要的數(shù)據(jù)支撐作用［3］。實景三維模型的特點是，“實景”反映了模型對真實場景的高還原度；“三維”說明模型包含了豐富的立體結(jié)構(gòu)信息，利用實景三維模型可以較好地實現(xiàn)地理實體與場景外部的信息表達［4］。

傳統(tǒng)測繪通常注重場景或建筑的外部信息表達，而對內(nèi)部信息及模型構(gòu)建的研究不夠充分。數(shù)字孿生流域類項目除了注重地理實體的外部情況外，對一些險工、發(fā)電設(shè)施、泵站等內(nèi)部模型效果也同樣關(guān)注。并且為了統(tǒng)籌室內(nèi)外場景表達，還需在數(shù)據(jù)底板建設(shè)中引入建筑信息模型（BIM）。BIM在建筑和設(shè)計行業(yè)多用于在施工完成前對預(yù)期成果的展示和在施工過程中通過模型輸出精細化圖紙來指導(dǎo)施工。BIM信息豐富且兼顧室內(nèi)外模型［5］，在數(shù)字孿生項目中更是承擔(dān)著模型分析、情景推演等重要角色。在數(shù)據(jù)孿生底板建設(shè)中可用BIM模型對測繪成果補充有用的室內(nèi)信息。

近年來，水利行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)學(xué)科交叉、技術(shù)融合的特點，依靠傳統(tǒng)部門和專業(yè)明晰劃分的情況很難全面統(tǒng)籌協(xié)調(diào)整體情況。行業(yè)亟須通過有效手段提升對整個流域龐大、復(fù)雜系統(tǒng)的模擬及預(yù)測。早在2001年，李國英［6-8］提出“數(shù)字黃河”概念。利用信息技術(shù)構(gòu)建黃河流域自然、地理、經(jīng)濟、社會的數(shù)字化集成平臺。并在此基礎(chǔ)上通過建立各種專業(yè)的業(yè)務(wù)模型和數(shù)學(xué)模型形成模擬及分析黃河流域情況的虛擬環(huán)境；近幾年各行業(yè)學(xué)者對數(shù)字孿生應(yīng)用方面的研究逐漸增多［9-10］，數(shù)字孿生流域建設(shè)也有了更為成熟的技術(shù)環(huán)境；2021年9月，在水利部召開的深入推動黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展工作座談會上，李國英部長明確提出了建設(shè)數(shù)字孿生黃河的要求［11］；2022年3月水利部印發(fā)了關(guān)于《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》的通知，通知中明確“數(shù)字孿生平臺主要由數(shù)據(jù)底板、模型平臺、知識平臺等構(gòu)成”，其中數(shù)據(jù)底板匯聚地理、水利等各類信息，可為平臺提供地理服務(wù)。

本研究結(jié)合測繪行業(yè)的發(fā)展，綜合利用各類采集處理軟硬件設(shè)施與技術(shù)，融合實景三維技術(shù)與建筑信息模型（BIM），以數(shù)據(jù)底板建設(shè)為目標，從測繪專業(yè)出發(fā)融合其他學(xué)科優(yōu)勢，提出了數(shù)字孿生流域L1～L3級數(shù)據(jù)底板建設(shè)的具體方案。

1 數(shù)據(jù)底板建設(shè)方案

數(shù)據(jù)底板是對“水利一張圖”的升級和擴展，通過對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、實景三維模型及BIM模型等進行融合，進一步優(yōu)化分析計算、場景可視化等功能。根據(jù)數(shù)字孿生流域的建設(shè)目標和數(shù)字孿生平臺不同的業(yè)務(wù)需求，搭建了L1～L3多尺度時空數(shù)據(jù)底板。本研究以黃河下游為例，介紹了數(shù)字孿生流域的數(shù)據(jù)底板建設(shè)方案如圖1所示。

黃河下游流域數(shù)據(jù)底板建設(shè)區(qū)域面積大、數(shù)據(jù)類型多樣、格式不同、信息豐富，因此，通過空間跨度和分辨率尺度跨度構(gòu)建一個兼顧大場景和部分險工等重要位置的融合場景十分重要。場景的構(gòu)建要在適應(yīng)不同尺度展示和分析的基礎(chǔ)上，保障數(shù)據(jù)瀏覽加載的流暢性。

通過對獲取的多源數(shù)據(jù)進行梳理整治，明確數(shù)據(jù)格式、質(zhì)量等要求，分級別展開數(shù)據(jù)底板建設(shè)。L1級數(shù)據(jù)底板是在黃河下游流域范圍內(nèi)進行中低精度的建模，包括整個流域范圍的數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）/數(shù)字地表模型（DSM）等數(shù)據(jù)。L2級數(shù)據(jù)底板是在黃河下游花園口—馬渡段、孫口—艾山段典型區(qū)段獲取高精度DEM、DOM數(shù)據(jù)。L3級數(shù)據(jù)底板是對黃河下游花園口—馬渡段、孫口—艾山段典型區(qū)段的重點堤防、險工、控導(dǎo)、防洪閘、分洪閘進行精細建模，采用實景三維模型和BIM結(jié)合的方式，精細化表達重要地理實體對象的內(nèi)外部的信息。

2 數(shù)據(jù)底板建設(shè)流程

2.1 多源數(shù)據(jù)獲取

2.1.1 影像數(shù)據(jù)。使用衛(wèi)星遙感技術(shù)采集流域分辨率為1 m的影像數(shù)據(jù)，作為L1級場景建設(shè)的基礎(chǔ)。收集遙感影像數(shù)據(jù)時，最好采用同時相或相鄰時相的影像，這樣可以避免由季節(jié)變化、地物變化等因素造成的影像數(shù)據(jù)接邊問題。收集數(shù)據(jù)時，還需注意云層遮蓋等問題。

使用無人機的航飛影像采集流域重點區(qū)域分辨率為0.2 m的影像數(shù)據(jù)，作為L2級場景建設(shè)的基礎(chǔ)，如花園口—馬渡段、孫口—艾山段。使用無人機獲取影像時，需要考慮天氣、風(fēng)力、光照等因素，以防采集的影像存在過曝、色調(diào)不一致等問題。

無人機傾斜攝影是指通過無人機搭載多個相機傳感器，實現(xiàn)在一次航飛中同時獲取多個角度影像的攝影技術(shù)，獲取的影像數(shù)據(jù)可用于三維重建等，該方法目前已是行業(yè)內(nèi)較為成熟的影像獲取方式［12］。在流域重點區(qū)域，通過無人機傾斜攝影的方式獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，作為構(gòu)建L3級場景所需的原始數(shù)據(jù)，具體傾斜攝影技術(shù)參數(shù)見表1。

按照規(guī)范要求選擇合適的攝影時間，在進行傾斜攝影時應(yīng)考慮光照、陰影等因素對成像的影響，保證最終的影像清晰、反差適中、顏色飽和、色彩鮮明、色調(diào)一致。無人機傾斜攝影技術(shù)所拍攝的影像具有較豐富的層次，能辨別出與地面分辨率相適應(yīng)的細小地物影像，滿足室內(nèi)判讀的要求。

2.1.2 高程數(shù)據(jù)。使用空間分辨率分別為15 m、5 m分辨率的DEM、DSM數(shù)據(jù)作為L1、L2級場景的高程數(shù)據(jù)。使用空間分辨率分別為2 m或者0.5 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)作為L3級場景的高程數(shù)據(jù)。

2.1.3 數(shù)字線劃圖（DLG）數(shù)據(jù)。使用1∶100萬、1∶25萬數(shù)據(jù)庫中的水文站、水利樞紐、堤防、斷面線、河道中心線、水庫、流域分區(qū)等點線面矢量信息，通過符號化或數(shù)據(jù)升維等手段，豐富可視化場景的內(nèi)容。

2.1.4 像控點數(shù)據(jù)。像控點測量采用高精度雙頻GNSS接收機?；谇ORS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)實施測量，精度參照《水利水電工程測量規(guī)范》執(zhí)行。為保證L3級場景較好的數(shù)學(xué)精度，像控點按照150～200米間距進行布設(shè)；為保證內(nèi)業(yè)判讀精度，應(yīng)在航飛前在硬化地面使用紅色油漆噴涂布設(shè)“L”地標，并測量地標拐角內(nèi)角。

2.1.5 已建工程圖紙數(shù)據(jù)。收集重點建、構(gòu)筑物的設(shè)計與施工圖紙，用于構(gòu)建L3級場景部分內(nèi)部模型。

2.1.6 室內(nèi)點云數(shù)據(jù)。由于數(shù)字孿生流域范圍較大，各類建、構(gòu)筑物情況復(fù)雜，且部分重點建筑物因年代久遠內(nèi)部情況已發(fā)生變化，室內(nèi)點云數(shù)據(jù)的獲取本著采集現(xiàn)實、現(xiàn)狀的原則，在收集圖紙的基礎(chǔ)上還需獲取室內(nèi)點云構(gòu)建現(xiàn)勢性較強的室內(nèi)模型。

即時定位與地圖構(gòu)建（simultaneous localization an mapping，SLAM）是一種可以在測量的同時獲取環(huán)境位置的方法［13-14］。該方法將計算機視覺領(lǐng)域的SLAM技術(shù)與三維激光掃描系統(tǒng)結(jié)合，可以克服室內(nèi)無GPS信號的問題，通過激光點云和全景影像的同步采集與處理，高效、準確地獲取地下空間三維數(shù)據(jù)。

本研究采用SLAM技術(shù)獲取重點建筑物室內(nèi)點云數(shù)據(jù)，結(jié)合閉合導(dǎo)線的方式對SLAM各個站點進行空間位置上的校正，并將點云數(shù)據(jù)與實時獲取的全景照片相結(jié)合為室內(nèi)建模做好充分的數(shù)據(jù)儲備。

2.1.7 激光雷達點云數(shù)據(jù)。激光雷達技術(shù)以其高精度和具有一定穿透性的特點，常作為傾斜攝影數(shù)據(jù)的補充及重點建、構(gòu)筑物的高程精化［15］。本研究采用兩種方式獲取激光雷達點云數(shù)據(jù)：①采用機載激光雷達對黃河下游重點堤防、大型水工建筑等進行航拍，獲取高精度DEM數(shù)據(jù)，然后與L2級地形場景融合構(gòu)建高精度地面高程模型。②對下游重點建筑物在采集傾斜攝影影像的基礎(chǔ)上補充采集地面激光掃描數(shù)據(jù)，作為對傾斜攝影數(shù)據(jù)的補充。

2.2 數(shù)據(jù)治理

數(shù)據(jù)治理是以提升數(shù)據(jù)最終價值為目的的數(shù)據(jù)處理過程。針對地理空間數(shù)據(jù)進行一致化處理、實體編碼與關(guān)聯(lián)、質(zhì)量檢查與入庫等處理，整合形成面向?qū)ο蠼?、統(tǒng)一語義、分布式存儲與管理的黃河流域水利數(shù)據(jù)資源。

地理空間數(shù)據(jù)主要包括遙感數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃、道路、興趣點、地名地址、地形要素等。治理過程包括數(shù)據(jù)梳理盤查、投影轉(zhuǎn)換、影像處理、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)入庫等。

2.2.1 數(shù)據(jù)梳理盤查。對地理空間數(shù)據(jù)的存量數(shù)據(jù)情況進行細致清點，描述各項數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲地點、方式、數(shù)據(jù)量、存儲時長等情況，形成存量數(shù)據(jù)清冊和存量數(shù)據(jù)分析報告。

2.2.2 投影轉(zhuǎn)換。地理空間數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為CGCS2 000坐標系。

2.2.3 影像處理。針對不同時相的影像數(shù)據(jù)進行位置校正、影像拼接鑲嵌、勻光勻色等處理，獲取可讀性更強，質(zhì)量更好的地物信息影像數(shù)據(jù)。

2.2.4 數(shù)據(jù)檢查。遵照數(shù)據(jù)真實性、準確性、唯一性、完整性、及時性等數(shù)據(jù)質(zhì)量管理原則，編制數(shù)據(jù)質(zhì)量標準和校驗規(guī)則。并對已掌握的地理空間數(shù)據(jù)質(zhì)量開展評價工作，編制數(shù)據(jù)質(zhì)量分析報告；對已掌握的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題進行分析和定位，努力提高數(shù)據(jù)質(zhì)量水平。

2.2.5 數(shù)據(jù)入庫。地理空間數(shù)據(jù)種類多樣、內(nèi)容豐富。為了實現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)組織、存儲、管理及檢索應(yīng)用，需將數(shù)據(jù)按一定的規(guī)律進行分類編碼，按類別進行存儲。通過制定統(tǒng)一的分類代碼標準，將多格式地理空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一整理轉(zhuǎn)換入庫，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫可以為地理空間數(shù)據(jù)共享與交換奠定良好的基礎(chǔ)。同時通過建立統(tǒng)一的地理空間數(shù)據(jù)庫可以避免多部門協(xié)作時出現(xiàn)重復(fù)勞動。

2.3 地理實體模型構(gòu)建

2.3.1 實景三維模型。實景三維模型采用自動生成的MESH模型和人工單體化模型相融合的方式來構(gòu)建最終的精細化場景。

MESH模型構(gòu)建主要分為空三加密、生成白模及紋理映射三部分。部分重點建、構(gòu)筑物將采集的地面激光雷達掃描數(shù)據(jù)與傾斜攝影點云數(shù)據(jù)進行圖像配準，生成融合三維MESH模型。

重點建、構(gòu)筑物通過采用單體建模的方式，采集單體模型并結(jié)合外業(yè)實地紋理補拍，構(gòu)建高精度、結(jié)構(gòu)清晰、紋理自然的單體化模型，并與三維MESH模型進行融合，構(gòu)成精細化實景三維模型作為L3級場景的外部場景表達。

2.3.2 建筑信息模型。對于現(xiàn)狀與設(shè)計變更不大的建、構(gòu)筑物，采用圖紙翻模的方式進行三維模型構(gòu)建。

對于現(xiàn)狀與設(shè)計圖紙相差較大的建、構(gòu)筑物，利用采集的點云和影像為參照，對建、構(gòu)筑物現(xiàn)狀進行真實情況的還原，構(gòu)建內(nèi)部外模型。

結(jié)合不同水利工程對象的情況，綜合圖紙建模和激光掃描等多種技術(shù)手段獲取室內(nèi)外信息，構(gòu)建高精度、信息豐富的建筑信息模型，對L3級內(nèi)部場景進行高質(zhì)量表達，部分內(nèi)部模型示意如圖2所示。

2.4 多層級場景構(gòu)建

2.4.1 L1級場景構(gòu)建。L1級是進行數(shù)字孿生流域中低精度面上建模，建設(shè)黃河下游從洛陽公路橋至黃河入?？?9.5萬km2的可視化場景。L1級場景主要以2.5維的DEM疊加遙感影像為主，構(gòu)建可以直觀表達連續(xù)地形起伏特征的數(shù)字地形景觀模型或可量測地面高程的虛擬現(xiàn)實場景［16］。

利用SuperMap和CesiumLab等軟件分別對DEM、DOM進行地形與影像的緩存切片。并且各種DLG數(shù)據(jù)包括水利樞紐、堤防等，都可疊加在該細節(jié)層級場景中，對流域宏觀的范圍在平臺上進行可視化表達。L1級場景效果如圖3所示。

2.4.2 L2級場景構(gòu)建。L2級是進行數(shù)字孿生流域重點區(qū)域的精細建模，主要包括重點區(qū)域的高分辨率DOM、高精度DSM、傾斜攝影影像、激光點云等數(shù)據(jù)。

L2級場景構(gòu)建范圍是花園口—馬渡、孫口—艾山段。針對孫口—艾山段的洪水演進模擬，數(shù)字化場景數(shù)據(jù)需要包括區(qū)域5 m分辨率DSM數(shù)據(jù)、0.2 m分辨率的DOM數(shù)據(jù)、水下地形數(shù)據(jù)、河道斷面數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)以及河道、堤防、道路、水體、監(jiān)測站點等，為水文水動力學(xué)模擬流場和淹沒分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。L2級場景效果如圖4所示。

2.4.3 L3級場景構(gòu)建。L3級場景是重要區(qū)域水利工程及涉水要素模型的室內(nèi)外融合三維場景。主要包括工程外觀及其周邊環(huán)境精細化三維模型、工程內(nèi)部及設(shè)施BIM，是進行數(shù)字孿生流域重要實體場景建模。

對花園口—馬渡段的堤防、控導(dǎo)、險工等防洪工程獲取高精度實景三維模型；孫口—艾山段的司垓閘、張秋閘、清河門閘、位山閘、張莊閘實現(xiàn)主體建筑及關(guān)鍵附屬建筑的單體化建模；石洼閘、林辛閘、十里堡閘進行BIM建模。根據(jù)閘站的單體化、BIM模型將傾斜攝影的場景進行壓平處理，完成模型與場景的融合。

L1～L3級融合后的典型場景效果如圖5所示。場景中融合了DEM、DOM、傾斜攝影模型及建筑物（閘）BIM模型。

2.4.4 場景融合。通過可視化支撐平臺對數(shù)據(jù)進行融合處理，集成基礎(chǔ)數(shù)字化場景、傾斜攝影和BIM模型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同分辨率、不同范圍的空間數(shù)據(jù)之間的自動融合。

數(shù)字場景融合主要實現(xiàn)全場景數(shù)據(jù)底板及空間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一融合，使不同數(shù)據(jù)精度、不同數(shù)據(jù)源的空間數(shù)據(jù)在三維空間實現(xiàn)融合，構(gòu)建數(shù)據(jù)資源的層級無縫轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)與地形無縫構(gòu)建的孿生場景。數(shù)據(jù)融合工作主要包括不同類型和精度的空間數(shù)據(jù)（矢量數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、激光點云數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)）融合，主要分為數(shù)據(jù)升維、多源地形融合、多源影像融合、BIM與地形融合匹配。通過將多場景融合，制作S3M格式多維多時空數(shù)據(jù)底板，最終實現(xiàn)黃河下游數(shù)字孿生L1～L3級數(shù)據(jù)底板間的數(shù)據(jù)層級瀏覽、地形交接處無縫貼合、地形與模型無縫貼合、模型與模型無縫貼合。

3 結(jié)語

本研究討論了數(shù)字孿生流域建設(shè)中數(shù)據(jù)底板構(gòu)建的方法。以黃河下游為例，綜合利用多種測繪手段，詳細介紹了L1～L3級數(shù)字孿生底板構(gòu)建的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，為構(gòu)建多尺度數(shù)字孿生流域底板建設(shè)提供切實可行的技術(shù)路線和方案，為數(shù)字孿生平臺建設(shè)提供堅實的數(shù)據(jù)支撐。

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