嶗山水庫數字孿生流域系統建設研究

李春俊

（青島市水文中心 青島 266000）

1 引言

隨著三維建模、工程仿真、物聯網、大數據、人工智能、云計算、邊緣計算、虛擬現實等技術的廣泛應用，人類社會進入三維體驗時代。對于產品、裝備、產線、工廠、建筑、道路、橋梁，乃至整個城市，都可以建立三維數字化模型。數字模型不僅可以與物理對象形態高度相似，還可以實現性能仿真，幾乎做到全要素映射，這種打通物理世界和數字世界，實現虛實融合的復合技術，被稱為數字孿生（DigitalTwin）。

水利部多次召開會議部署數字孿生流域建設工作，指出要以時不我待的緊迫感、責任感、使命感，攻堅克難、扎實工作，大力推進數字孿生流域建設，積極推動新階段水利高質量發展。國家“十四五”規劃綱提出要構建智慧水利體系，要以流域為單元提升水情測報和智能調度能力。以流域為單元治水管水就決定了智慧水利必須以數字孿生流域為核心。本次研究以嶗山水庫流域為研究區域，從數字化場景構建、三維支撐平臺建設、智慧化模擬功能開發三個方面展開。

2 區域概況

嶗山水庫位于青島市城陽區夏莊村白沙河中游，流域面積99.6km2，干流長度21.6km，干流平均坡度17.8‰。嶗山水庫流域面積較小，預報方案成熟，為三維模型構建和精準化決策提供了較好的條件。

3 數字化場景建設

三維數字化場景采用無人機傾斜攝影技術建設，通過無人機在空中某個高度從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生成真實的三維數字化場景。

本次研究采用大疆精靈4RTK 無人機進行航拍，精靈4RTK 是一款小型多旋翼高精度航測無人機，面向低空攝影測量應用，具備厘米級導航定位系統和高性能成像系統。由于本次研究區域范圍大、山體多，需要對測區進行分割，通過地圖軟件對區域進行分割后，導出每個分區邊界的KML 數據。在無人機系統中導入分割后的測區KML 數據，選擇傾斜攝影測量“五向飛行”或“井字飛行”，設置飛行高度100m，航向重疊率80%，旁向重疊率70%，系統自動生成航線。執行任務后，無人機自動起飛進行作業任務，電量不足時，作業任務自動保存，更換電池后，可繼續作業。通過連續多日的外業操作，共獲取航拍照片2 萬多張。

目前采用傾斜攝影技術進行三維建模的處理軟件很多，如ContextCapture、PIX4D、大疆智圖等。本次采用ContextCapture 軟件進行三維建模。主要操作包括數據準備、空三加密、三維重建、模型修飾和成果輸出。由于照片數量比較大，空三計算過程中出現了結果斷裂、分層交叉、彎曲、水域接壤處分層等情況，經過研究，采用“先分塊空三再合并”解決。空三完成后，可以進行模型重建，輸出的三維模型格式很多，包括3MX、3DTiles、OSGB、OBJ、FBX 和KML 等等，根據具體需求來進行選擇，這里選擇3DTiles 格式。經過漫長的模型渲染過程后，發現輸出的三維模型成果里面的水域部分存在支離破碎、起伏不平的問題，經過研究，通過水面約束功能，將水域范圍的KML 文件導入后重新建模，三維模型構建成功。

4 三維支撐平臺建設

目前三維支撐平臺很多，如ArcGIS、Skyline、SuperMap、Cesium 等。本次選用開源三維平臺Cesium。Cesium 是一款面向三維地球和地圖的JavaScript 開源產品。它提供了基于JavaScript 語言的開發包，方便用戶快速搭建一款零插件的虛擬地球Web 應用，并在性能、精度、渲染質量以及易用性上都有高質量的保證。平臺支持影像、高程、矢量、實景、三維模型等各類數據的疊加融合，三維底圖采用天地圖，疊加上3DTiles 格式的三維模型，完成了三維場景可視化。提取流域內的雨量、水位、流量、視頻等水文監測數據，在三維場景中展示監測站點的位置及數據信息。

5 智慧化模擬功能開發

數字孿生流域系統的重要功能是對區域內水文要素的變化過程進行模擬仿真和推演，為流域防汛調度提供精準化決策服務。三維數字化場景中每一個點有經緯度和高程信息，通過二次開發可實現空間分析功能，包括距離、面積、高度、剖面、體積、淹沒范圍等多種分析功能，進一步實現水文要素的智慧化模擬。

系統內集成了水文預報功能，嶗山水庫預報方案較為成熟，從以往的應用經驗來看，預報精度較高，采用降雨徑流經驗相關法，根據P+Pa～R 曲線進行產流計算，根據時段單位線進行匯流計算，得出入庫水量、洪峰流量和峰現時間，根據水位庫容曲線查詢預報水位。結合預報成果，對水庫的水位進行模擬仿真，直觀展示水位的漲落及狀態，為防汛調度決策提供可視化支撐。

6 結論

本文以嶗山水庫流域為例，詳細介紹了系統建設的流程。該系統目前已上線運行，效果良好。由于時間所限，系統還有許多不完善的地方，主要體現在：一是數字化場景范圍不夠大，目前只是水庫庫區至上游烏衣巷水文站；二是預報方案單一，只采用了經驗法，不支持多方案優選，未達到“四預”功能要求；三是未能實現與物理流域的同步仿真運行。本次研究為數字孿生流域系統建設提供了一種思路，同時為系統的進一步改造提升奠定了基礎■