數(shù)字地理可視化技術在數(shù)字孿生流域建設中的作用探討

俞志強，俞 瑾

（淮河水利委員會治淮工程建設管理局，安徽 蚌埠 233001）

0 引言

隨著信息技術的迅速發(fā)展和智能化時代的到來，數(shù)字孿生技術成為了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智慧城市等領域中的重要支撐技術。數(shù)字孿生技術通過數(shù)字化的方式對現(xiàn)實世界進行建模，為實際物理系統(tǒng)提供虛擬的“孿生兄弟”，以實現(xiàn)實時監(jiān)測、仿真模擬、優(yōu)化設計等應用。數(shù)字孿生技術在不同領域的應用已經(jīng)得到了廣泛的關注和應用，特別是在流域管理領域的應用，成為數(shù)字孿生技術的重要應用之一。

數(shù)字孿生流域建設是數(shù)字孿生技術在流域管理領域的應用，其目的是通過數(shù)字孿生模型對流域進行建模，實現(xiàn)流域內(nèi)水文、水資源、生態(tài)環(huán)境等多要素的全面監(jiān)測、仿真模擬和管理決策支持。數(shù)字孿生流域建設可以提高流域管理效率、降低管理成本、減少環(huán)境污染、保護生態(tài)環(huán)境，對于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 數(shù)字孿生技術、數(shù)字地理可視化技術及其背景

1.1 數(shù)字孿生技術概述

數(shù)字孿生技術是指通過數(shù)字化手段構建物理實體的虛擬模型，并通過對實體和模型之間的實時交互，實現(xiàn)物理實體和虛擬模型的同步運行和協(xié)同決策的技術。數(shù)字孿生技術的基本原理是將物理實體的信息采集、處理和存儲，并通過計算機技術對其進行數(shù)字化建模，形成與物理實體完全一致的虛擬模型。然后通過傳感器和其他裝置將虛擬模型與物理實體進行連接，實現(xiàn)信息的實時交互和同步更新。數(shù)字孿生技術廣泛應用于制造、建筑、交通等領域，并在數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生流域等方面取得了廣泛應用。

1.2 數(shù)字地理可視化技術概述

數(shù)字地理可視化技術是指通過計算機技術對地理信息進行可視化表達和呈現(xiàn)的技術。它將復雜的地理信息以圖形化的方式呈現(xiàn)出來，便于人們對地理信息進行分析和理解。數(shù)字地理可視化技術主要包括地圖制作、三維可視化、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術，其中地圖制作是數(shù)字地理可視化技術的基礎。數(shù)字地理可視化技術已廣泛應用于地理信息系統(tǒng)、城市規(guī)劃、環(huán)境保護等領域，并在數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生流域等方面得到了廣泛應用。

1.3 數(shù)字孿生流域建設背景

數(shù)字孿生流域建設是指通過數(shù)字孿生技術，對流域進行數(shù)字化建模，并通過數(shù)字地理可視化技術將流域信息以可視化的方式呈現(xiàn)出來，實現(xiàn)對流域生態(tài)環(huán)境、水文水資源等方面進行實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和決策支持的技術。數(shù)字孿生流域建設的目的是為了實現(xiàn)流域管理的信息化、數(shù)字化和智能化，提高流域管理的效率和水平，促進流域的可持續(xù)發(fā)展。數(shù)字孿生流域建設涉及多個領域和多個部門的協(xié)同合作，具有很高的復雜性和挑戰(zhàn)性。

2 數(shù)字地理可視化技術在數(shù)字孿生流域建設中的作用

2.1 實時監(jiān)測

數(shù)字地理可視化技術在數(shù)字孿生流域建設中的第一個作用是實時監(jiān)測。數(shù)字地理可視化技術可以將不同時間和空間的數(shù)據(jù)整合在一起，通過3D 地圖、模型等形式實時展現(xiàn)流域的各項指標變化情況，包括水文、地貌、土壤等要素。這些指標可以通過傳感器、遙感衛(wèi)星等設備實時采集和監(jiān)測，從而實現(xiàn)對流域的全方位、高效率監(jiān)測。

2.2 數(shù)據(jù)分析和可視化

數(shù)字地理可視化技術在數(shù)字孿生流域建設中的另一個作用是數(shù)據(jù)分析和可視化。通過數(shù)字地理可視化技術可以對流域內(nèi)的各項數(shù)據(jù)進行分析和可視化，以便更好地理解數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關系，以及分析數(shù)據(jù)的趨勢和變化。數(shù)字地理可視化技術可以通過可視化方式展現(xiàn)流域中的各項數(shù)據(jù)，如土地利用情況、植被覆蓋情況、氣象數(shù)據(jù)等，從而提供更直觀的數(shù)據(jù)展示方式。

數(shù)據(jù)分析和可視化也有助于進行多維度數(shù)據(jù)的分析。數(shù)字地理可視化技術可以同時展示空間、時間、屬性等多個維度的數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和規(guī)律更加清晰可見。

2.3 決策支持

數(shù)字地理可視化技術在數(shù)字孿生流域建設中的第三個作用是決策支持。數(shù)字地理可視化技術可以為流域管理部門提供直觀的數(shù)據(jù)支持，為管理決策提供參考。

數(shù)字地理可視化技術還可以提供多種輔助功能，如數(shù)據(jù)交互、空間查詢和空間分析等，使得用戶可以更加深入地了解數(shù)字孿生流域建設中的問題。

3 數(shù)字地理可視化技術的理論與方法

3.1 可視化技術的基本原理

可視化技術是指將抽象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化的形式，使人們能夠直觀地了解數(shù)據(jù)之間的關系和規(guī)律。在數(shù)字地理可視化技術中，可視化技術的基本原理包括數(shù)據(jù)編碼和圖形設計兩個方面。

數(shù)據(jù)編碼是指將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形元素，如點、線、面等，以便于用戶觀察和理解數(shù)據(jù)。

圖形設計是指將數(shù)據(jù)編碼后的圖形元素組合成具有信息含義的圖形，以便于用戶理解和分析數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)字地理可視化技術的分類與特點

數(shù)字地理可視化技術根據(jù)不同的應用場景和目的可以分為多種類型。常見的數(shù)字地理可視化技術包括地圖可視化、地球可視化、空間數(shù)據(jù)可視化、交互式可視化等。

地圖可視化是數(shù)字地理可視化技術中最基本的應用方式，通過將地理信息和統(tǒng)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地圖形式，方便用戶了解空間關系和屬性特征。地圖可視化的特點是具有地理信息的空間屬性和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的屬性特征，同時也具有繪圖規(guī)則、標識符號等規(guī)范化的表現(xiàn)方式。

地球可視化是一種以三維球體模型為基礎，將地球表面的地理信息和統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行可視化表達的技術。地球可視化的特點是可以進行全球范圍的數(shù)據(jù)展示和比較分析，同時也具有空間交互性、漫游瀏覽等功能。

空間數(shù)據(jù)可視化是一種將空間數(shù)據(jù)進行可視化表達的技術，包括點、線、面、體等不同類型的空間數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)可視化的特點是具有空間屬性的數(shù)據(jù)，可以通過多種編碼方式和圖形設計表現(xiàn)空間數(shù)據(jù)之間的關系和屬性特征。

交互式可視化是一種允許用戶通過交互手段對數(shù)據(jù)進行操作和探索的可視化方式。它能夠讓用戶通過直觀的界面和反饋機制，快速地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的規(guī)律、趨勢和異常情況，幫助用戶更好地理解和利用數(shù)據(jù)。

4 數(shù)字孿生流域建設的實例與分析

4.1 淮河流域王家壩至正陽關段的數(shù)字孿生流域試點

該試點利用水文模型、水力模型、水質(zhì)模型等對流域內(nèi)的水文氣象、水資源、水環(huán)境、水災害等進行了仿真和預測，并提供了多種決策支持功能，如洪水預報、防洪調(diào)度、水資源配置、水環(huán)境治理等。

模擬可視化實現(xiàn)場景可視化、工程運行可視化、模型結(jié)果可視化、工程調(diào)度可視化。

4.2 數(shù)字孿生曹娥江流域防洪應用

曹娥江流域已經(jīng)建成了國內(nèi)首個基于云計算平臺的數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以進行超前預報預警、精準調(diào)度指導等功能，有效賦能流域水旱災害防御。“數(shù)字孿生曹娥江流域防洪應用”通過技術上的創(chuàng)新和突破，實現(xiàn)了雙輪驅(qū)動，同時推動了流域治理能力的現(xiàn)代化。應用采用了GIS+BIM 三維大場景數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板，融合三維可視化技術，通過構建虛擬工程，實現(xiàn)與物理流域的同步仿真、虛實交互、迭代優(yōu)化，對水利治理管理活動全過程進行數(shù)字化映射和智能化模擬，對流域內(nèi)的各種數(shù)據(jù)進行采集、分析和可視化，如遙感影像、無人機影像、視頻監(jiān)控、傳感器數(shù)據(jù)等，并利用人工智能等技術進行數(shù)據(jù)挖掘和智能識別，提取出流域內(nèi)的各種要素信息，如河道形態(tài)、堤防狀況、工程設施等。

5 數(shù)字地理可視化技術在數(shù)字孿生流域建設中面臨的問題與解決方案

5.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)據(jù)集成

在數(shù)字孿生流域建設中，需要整合來自多個數(shù)據(jù)源的不同類型和不同格式的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)集成成為了數(shù)字地理可視化技術的問題之一。為了解決這一問題，可以采用數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)挖掘等方法來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，并采用數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等方法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)整合。

5.2 多尺度與多源數(shù)據(jù)融合

數(shù)字孿生流域建設需要處理多個尺度的數(shù)據(jù)，如不同空間分辨率的衛(wèi)星影像、地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，同時也需要整合來自多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)字地理可視化技術需要實現(xiàn)多尺度和多源數(shù)據(jù)融合。為了解決這一問題，可以采用分層繪制、數(shù)據(jù)融合算法等方法來處理不同尺度的數(shù)據(jù)，并采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)集成等方法來整合來自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。

5.3 空間模型與模擬精度

數(shù)字地理可視化技術需要建立準確的空間模型，并通過模擬和預測等方法實現(xiàn)數(shù)字孿生流域建設的目標。因此，空間模型的準確性和模擬精度成為了數(shù)字地理可視化技術的問題之一。為了解決這一問題，可以采用高分辨率的衛(wèi)星影像、精確的地形數(shù)據(jù)等方法來提高空間模型的準確性，并采用高精度的模擬算法來提高模擬精度。

5.4 可視化效果與用戶體驗

數(shù)字地理可視化技術需要提供良好的可視化效果和用戶體驗，以便用戶能夠更好地理解和利用數(shù)字孿生流域建設的結(jié)果。因此，可視化效果和用戶體驗成為了數(shù)字地理可視化技術的問題之一。為解決這一問題，可以采用交互式可視化、虛擬現(xiàn)實等方法來提高可視化效果和用戶體驗。

5.5 隱私保護與安全性

數(shù)字地理可視化技術需要處理大量的敏感數(shù)據(jù)，如個人隱私信息、企業(yè)商業(yè)機密等，因此，隱私保護和安全性成為了數(shù)字地理可視化技術的問題之一。為了解決這一問題，可以采用數(shù)據(jù)脫敏、數(shù)據(jù)加密等方法來保護隱私信息，并采用訪問控制、身份認證等方法來提高安全性。

6 數(shù)字地理可視化技術構建智慧水利體系的發(fā)展前景

6.1 數(shù)字中國建設整體布局規(guī)劃

《數(shù)字中國建設整體布局規(guī)劃》是中共中央、國務院于2023 年2 月印發(fā)的一份規(guī)劃文件，旨在推動數(shù)字中國建設，構筑國家競爭新優(yōu)勢的有力支撐。其中提到了建設綠色智慧的數(shù)字生態(tài)文明，推動生態(tài)環(huán)境智慧治理，加快構建智慧高效的生態(tài)環(huán)境信息化體系，運用數(shù)字技術推動山水林田湖草沙一體化保護和系統(tǒng)治理，完善自然資源三維立體“一張圖”和國土空間基礎信息平臺，構建以數(shù)字孿生流域為核心的智慧水利體系。

數(shù)字中國是以網(wǎng)絡化、數(shù)據(jù)化、智能化為特征，以信息技術為支撐，以數(shù)據(jù)為關鍵要素，以數(shù)字創(chuàng)新為引領，以提高社會治理和公共服務水平為目標，以滿足人民日益增長的美好生活需要為根本出發(fā)點的現(xiàn)代化建設模式。

6.2 數(shù)字中國與智慧水利

數(shù)字孿生流域和數(shù)字中國有密切的聯(lián)系。一方面，建設數(shù)字孿生流域是貫徹落實習近平總書記關于網(wǎng)絡強國的重要思想、推動數(shù)字中國建設的重要舉措。另一方面，構建以數(shù)字孿生流域為核心的智慧水利體系是實現(xiàn)綠色智慧的數(shù)字生態(tài)文明、保障國家水安全和人民群眾用水安全的必然要求。

數(shù)字孿生技術與水利融合，可以實現(xiàn)對流域內(nèi)的各種要素和現(xiàn)象的全面、深入和動態(tài)的認識和描述，為流域管理和決策提供支持，是智慧水利建設的重要內(nèi)容。數(shù)字孿生流域利用數(shù)字孿生技術，構建流域內(nèi)的水文、水資源、水環(huán)境、水利工程等各種要素和現(xiàn)象的虛擬映射，實現(xiàn)對流域內(nèi)的各種狀態(tài)和過程的實時感知、動態(tài)模擬和智能控制，是數(shù)字孿生技術與水利融合的新發(fā)展路徑。數(shù)字孿生流域是智慧水利的核心，也是提高水資源管理效率和保障防洪安全的有效手段。利用數(shù)字技術和數(shù)據(jù)，構建物理世界的虛擬映射，實現(xiàn)對物理世界的實時感知、動態(tài)模擬和智能控制，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要手段和方向。

6.3 地理可視化與構建智慧水利體系

數(shù)字地理可視化技術與遙感技術、地理信息系統(tǒng)等技術有著密切的聯(lián)系。利用各種遙感平臺（如衛(wèi)星、飛機、無人機等）和遙感傳感器（如光學、雷達、紅外等），從遠距離獲取地表或大氣層的信息，是數(shù)字孿生流域建設中重要的數(shù)據(jù)來源之一。利用計算機軟件和硬件，對地理空間數(shù)據(jù)進行存儲、管理、處理和分析，是數(shù)字孿生流域建設中重要的數(shù)據(jù)處理和分析工具之一。數(shù)字地理可視化技術可以利用遙感技術獲取的數(shù)據(jù)，進行可視化表達和展示，也可以利用地理信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和分析，實現(xiàn)對流域內(nèi)的各種要素和現(xiàn)象的可視化表達和交互探索。

7 結(jié)論

數(shù)字地理可視化技術在數(shù)字孿生流域建設中取得了一定創(chuàng)新和成效，但在實際應用中仍存在一些不足之處，如數(shù)字孿生流域建設的實際效果和成本效益的評估、數(shù)字地理可視化技術在不同應用場景下的性能評估和對比、數(shù)字孿生流域建設的社會和經(jīng)濟影響評估等方面需要進一步研究。

未來，數(shù)字地理可視化技術在數(shù)字孿生流域建設中仍具有廣闊的應用前景。隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，數(shù)字地理可視化技術將會在數(shù)字孿生流域建設中發(fā)揮更加重要的作用，如利用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)數(shù)字孿生流域的沉浸式體驗、通過深度學習等人工智能技術實現(xiàn)對數(shù)字孿生流域的自主學習和智能決策支持等，都是未來數(shù)字地理可視化技術在數(shù)字孿生流域建設中的重要發(fā)展方向。除此之外，還有許多潛在的應用場景，例如數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生農(nóng)業(yè)等領域都可以應用數(shù)字地理可視化技術，實現(xiàn)實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和可視化、決策支持等功能。因此，未來數(shù)字地理可視化技術的發(fā)展前景十分廣闊，將會在許多領域發(fā)揮越來越重要的作用。同時，在數(shù)字孿生流域建設中還需要更多的跨學科合作，將地理學、計算機科學、水文學、生態(tài)學等多個學科的知識融合起來，共同推動數(shù)字孿生流域建設的發(fā)展■