三維地理信息技術在智慧水利建設中的應用研究

馬瑞 楊愛明 李雙平 陳遠矚 張力 張航 劉成堃

摘要：智慧水利建設在數據獲取實時化、信息處理自動化、服務應用智能化等環節存在諸多難題。鑒于此，闡述了國家戰略對信息化建設的要求、智慧水利建設的內容以及水利+GIS融合內在驅動，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，重點闡述了三維地理信息技術在信息感知與傳輸、信息存儲與集成、信息調度與可視、信息分析與決策等方面賦能智能化服務。同時結合水利業務需求，在監測、地下管網、工程、流域等典型業務上助力智慧化管理。研究成果對水利行業空間信息科技研究和工程實踐有一定的借鑒意義。

關鍵詞：地理信息; 三維GIS; 智慧水利; 智能服務; 智慧管理

中圖法分類號：P208 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.23

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0132 - 05

0 引 言

無論是水資源綜合利用、防洪減災、農田水利，還是水工程管理等規劃與決策，都是建立在流域級甚至全國地理空間尺度上的。智慧水利需要在大尺度地理空間上，集成海量水利要素數據，建立流域乃至全國的水利地理信息模型，實現智能化、智慧化的管理。

國內外針對智慧水利建設開展了大量的科技研究與工程實踐。徐健[1]論述了“智慧水利”的構建思路及實踐經驗，搭建了福建省沙縣智慧水利信息平臺;楊鵬[2]提出了“智慧長江”建設構想，分析了其體系結構、關鍵技術、重大問題和發展路徑;盧衛[3]針對浙江省流域水資源管理現狀及問題，提出了“智慧流域”建設模式的總體框架，構建了流域智能感知系統、智能傳輸系統和智慧業務應用系統。但是，現有的研究和工程實踐中，較多從宏觀層面構建框架，在單項業務上進行了系統研發，還未系統化研究地理信息技術的作用，以及如何有效運用空間信息能力賦能智慧水利的建設。

通過調研國內外主流地理信息平臺與水利專業的跨界融合，發現還存在相關問題，主要體現在：① 在水利水電行業，三維GIS的應用目前大多以分散的、局部的方式服務于單個專業或局部業務，且一般僅用于報告的編制和成果的匯報展示;② 由于國內外的三維商業軟件在水利行業應用深度有限以及接口的開放度不足，難以對水利水電的專業模型以及專業數學方法提供有效的技術支持;③ 采用國外商業化三維軟件建立中國水利行業的GIS應用系統，存在一定的信息安全問題。鑒于此，有必要深入了解水利水電的專業應用需求，在此基礎上研發擁有自主知識產權的三維水利基礎服務平臺，為水利水電專業分析提供各種接口，為流域規劃和防洪調度、水利水電工程管理等專業提供高效服務。

充分運用三維地理信息技術是實現水利事業全面升級的重要基礎性工作，建立國產化水利三維地理信息平臺是實現智慧水利建設的關鍵步驟之一，水利行業也迫切需要面向水利業務的三維地理信息服務平臺。因此，在新發展階段，需要構建水利三維GIS解決方案，實現信息感知與傳輸的快速化、信息存儲與集成的便捷化、信息調度與可視的立體化、信息分析與決策的智能化。

1 平臺建設

長江設計集團在承擔眾多國家水工程項目實施的過程中，通過不斷的積累創新，針對智慧水利建設與管理需求，自主研發了二三維一體化GIS平臺——方舟[4-5]（3DGIS-Ark）。平臺提供了PC端、Web端（ArkWeb）、移動端（ArkApp）以及服務端（ArkServer）的多端產品服務，可高效集成海量多源數據，提供多源數據全方位的可視化管理、信息查詢、模型分析、多業務協同等服務，從而輕松實現專業定制化應用。

如圖1所示，方舟平臺總體架構包括資源層、數據層、功能層、服務層、應用層，為流域大尺度、工程全生命期管理、全要素空間瀏覽等應用領域方向提供了統一的基礎平臺支撐。方舟平臺產品線涵蓋地形地貌生成、三維模型處理、GIS+BIM數據集成、分布式數據服務、高性能三維渲染、空間分析與仿真、專業功能擴展、三維瀏覽與應用等模塊，提供了從數據資源獲取、轉換、處理、集成、發布、應用等各個環節的全鏈條模式服務。

2 智能服務

基于方舟平臺，融合云計算、物聯網、大數據、人工智能、移動互聯等新一代信息技術，提供水利信息感知、傳輸、存儲、集成、調度、可視、分析、決策等智能化服務功能。

2.1 三維信息存儲與集成

（1） 三維數據集中存儲。針對三維數據分散管理、數據服務低效、穩定性安全性較差、不易統一分發等問題，構建了三維分布式存儲和負載均衡服務架構，支持多源數據的分布式部署，突破了三維數據的毫秒級服務分發，提供三維數據用戶權限控制能力，實現三維數據的統一、高效、安全調用與共享。運用該項技術，既保障了水利數據的安全管理，又實現了分布式高效服務分發，對于水利數據管理具有重要意義。

（2） 實景三維數據優化。水利管理工作尺度跨越大，既有宏觀的三維場景，也涉及微觀的精細化設計，隨著實景三維精度越來越高，高密度海量實景數據調度越來越慢，針對這一難題，開展實景三維數據組織的優化處理工作。

通過優化數據組織結構，重構模型LOD細節與空間索引，合并頂點、壓縮紋理，重建頂層場景、點云自動生成等一系列技術手段，大幅提高了在網頁端高密度海量實景三維數據的加載速度，與現有實景三維調度相比，效率提高了2倍以上，大大提升用戶可視化交互體驗。

（3） BIM輕量化。水利工程三維設計中，構建了大量的BIM數據，如何在三維GIS場景中作輕量化處理，一直是GIS+BIM數據集成研究中的熱點、難點問題。在保留完整三維模型基本信息，保證模型精確度的前提下，構建符合場景遠近原則的多級LOD體系，將原始的三維模型進行高效壓縮。同時，運用三維空間遮擋、實例化技術[6]，使用戶在觀察模型時，自然流暢地完成從宏觀到微觀的過渡，很大程度地提升專業三維模型在系統中的加載速度和調用效率。

（4） GIS+BIM場景融合。BIM數據輕量化處理后，就要構建GIS+BIM完整的融合模型，如何實現大范圍、大尺度的宏觀GIS模型與精細化設計的微觀BIM模型之間完美融合，是水利水電行業面臨的難點之一。

基于規劃方案的水工建筑物形狀，一鍵式、自動、無縫地完成規范方案與三維地理信息場景的套合。在三維環境下，可直觀、立體地查看工程實施后的效果，以及工程實施中需要開挖的土方量、需要遷移的房屋等，從而形成一個完整的三維空間場景[7]。圖2為Catia BIM數據與實景三維場景智能融合的效果。

2.2 三維信息空間可視化

2.2.1 全空間可視化

用GIS+BIM建立的三維基礎場景，完成了從物理空間到數字空間的映射，實現了從看不見到看得見的跨越，但仍需要建立一個全空間數據漫游與可視的技術體系[8]，如圖3所示。

宏微觀一體化讓三維可視“看得更全面”：① 地上下一體化實現“看得更透徹”;② 室內外一體化、水上下一體化有助于“看得更細致”;③ 二、三維一體化可“看得更明白”。創新實現了多維度、全空間一體化的數據調度與展示，支持全空間全生命期的動態三維場景漫游，更好地支撐了水利三維全空間多維度精細化管理。

2.2.2 三維云渲染

針對目前三維可視化有待提升、C/S客戶端臃腫、安裝部署繁瑣等問題，綜合運用云架構、云計算進行計算，實現云端的三維渲染，將渲染的幀畫面以像素流的方式通過網絡推送到用戶終端上，用戶可使用任意終端（個人電腦、平板電腦、手機）直接使用云端的三維GIS應用，降低了用戶終端的成本，保障了數據安全性。

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設計軟件中提供了部分BIM計算、剖切操作等功能。但面向管理與應用的BIM+GIS場景，往往難以實現深層次的BIM功能。基于方舟平臺，在三維GIS+BIM信息高效調度與渲染基礎上，實現了GIS+BIM部件的空間爆炸效果，以及任意面的三維剖切功能，有利于進一步對BIM模型進行精細化構件管理和內部結構分析。

2.3.2 空間輔助選址決策

針對水利水電工程選址存在的場景復雜、指標多樣、目標模糊，采用人工判別、實地勘察方式工作繁雜，計算機識別結果有偏差等難點問題，采用三維信息分析評價與輔助選址決策技術，集成空間分析、地形分析等模塊，完成區域選址初篩、分析決策，實現復雜物理環境下多因素綜合優化的智能選址輔助決策支持。目前該技術已初步應用到烏東德、萬安水電站監測設施選址以及抽水蓄能選址等工程實踐中。

2.3.3 防洪調度輔助決策

通過深入研究洪水的物理特性、演進規律與渲染手段，提出了一套3DGIS環境下的洪水風險三維動態推演的系統框架，可無縫集成多類水文模型、水動力學模型、防洪補償模型，直觀呈現洪水的動態演進過程[9]，建立面向水工程聯合調度信息的多尺度展示方法體系，實現了水工程調度在三維環境下的直觀顯示和快速損失統計，以輔助水工程智能調度與決策，如圖4所示。

3 智慧管理

基于方舟平臺，運用三維信息感知、傳輸、存儲、集成、調度、可視、分析、決策等智能化服務，面向水利業務需求，開展了監測、地下管網、工程、流域等典型業務智慧化管理工作。本文以智慧流域為例，結合流域水資源管理要求，在集成流域海量多尺度、多源地理信息基礎上，加載流域規劃設計、防汛抗旱、水資源、水生態等多專業數據[10]，構建智慧流域數字孿生平臺。結合智慧水利“四預”要求，提供具備預報、預警、預演、預案的體系化支撐服務和數字化場景，如圖5所示。

（1） “預報”方面。融合水文預報模型，在宏觀尺度，對長江流域水文站點的降雨預報數據進行空間插值，實時生成流域降雨等值面圖，直觀呈現流域未來的降雨趨勢，如圖5（a）所示;在微觀尺度，基于水文站點水位和流量預報信息，疊加三維實景模型呈現水位、流速、流向等三維仿真效果，支撐流域預報及可視化模擬。

（2） “預警”方面。在三維場景中，持續高亮閃爍預警區域，可呈現重點關注點的水位變化過程，進行區域預警;展現干支流水位上漲及匯流過程，對水位突破警戒水位的控制站進行預警提示，進行干支流預警;可接入無人機采集的岸線高精度影像，對比分析歷史數據，直觀呈現岸線淹沒狀況，進行岸線預警，如圖5（b）所示。

（3） “預演”方面。耦合流域水庫調洪和回水模型，結合三維地理空間分析，動態模擬庫區斷面水位變化，進行庫區淹沒預演;動態模擬蓄滯洪區洪水行進過程，進行蓄滯洪區行洪預演;動態模擬堤防超保范圍與超保時間，進行河段行洪預演;動態模擬城鎮及街道淹沒范圍，實時計算淹沒面積，進行城鎮行洪預演與評估，如圖5（c）所示。

（4） “預案”方面。利用三維一張圖呈現面對歷史洪水過程時的工程運用預案，包括各流域梯級水庫群、三峽水庫、蓄滯洪區、洲灘民垸的運用總體情況。根據蓄滯洪區運用預案中提供的各村鎮組團避洪轉移信息，在三維場景下，模擬重點蓄滯洪區進行避險轉移，提供轉移路線、轉移過程的動態展示，指導蓄滯洪區應急避險，如圖5（d）所示。

4 結 語

智慧水利是綜合運用物聯網、云計算、大數據、人工智能、移動計算、地理信息、BIM、區塊鏈等信息通信技術，促進了水利規劃、工程建設、運行管理和社會服務的智慧化，提升了水資源的利用效率和水旱災害的防御能力，改善水環境和水生態，保障了國家水安全和經濟社會的可持續發展。智慧水利是水利現代化的具體體現，可為新階段水利高質量發展提供有力支撐和強大驅動。

信息是智慧水利的基礎，空間地理信息作為一項重要的數據源，既提供了地理空間場景，也為各類數據提供了空間“粘合劑”。有機、高效地運用三維地理信息技術，可在數據采集、數據傳輸、信息存儲、多源集成、數據運算、空間分析、三維可視等方面賦能智慧水利建設。三維地理信息技術與移動互聯網、大數據、人工智能、云計算等信息通信技術融合，共同促進水科學、計算機科學、地理科學、環境科學、數學和社會學等多學科的深度交融，從而推動中國智慧水利的發展和進步。

參考文獻：

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[10] 劉成堃，馬瑞，義崇政.3DGIS支持下的洪水風險三維動態推演[J]. 長江科學院院報，2019，36（10）：117-121.

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