洞庭湖區時空數據底板建設探索

鄭任泰，賀 濤，許克平，嚴 濤

(湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410000)

為貫徹水利部、省委省政府關于智慧水利和數字孿生流域建設的有關決策部署，建設湖南省數字孿生流域，以洞庭湖流域為試點建設數字孿生流域洞庭湖。根據水利部印發的《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”智慧水利建設規劃》等文件，數字孿生是實現水利對象全要素數字化映射、全生命周期的管理，包括實時監控、同步仿真運行，與模型庫、知識庫結合實現智能模擬、前瞻預演、虛實交互、迭代優化、發現問題、優化調度[1]。時空數據底板對數字孿生平臺至關重要，搭建洞庭湖區時空數據底板，從而實現洞庭湖流域水利對象全要素數字化映射、全生命周期的管理，對相關業務系統提供基礎數據服務支撐[2]。

1 現狀分析

時空數據底板的搭建是一個龐大而復雜的問題，涉及大量多源異構數據，不僅要反應其空間特征、屬性特征，還要反映隨時間空間屬性的變化，數據需結合模型庫、知識庫進行靜態建模、動態模擬，需要滿足各項建模標準、數據傳輸標準。

在整理洞庭湖區時空數據時，發現諸多問題，總結如下。

(1)數據收集與整理方面，洞庭湖區數據大多分散在各個科室、設計單位、建設單位，收集難度大；數據大多只有紙質文件，沒有進行數字化工作，人工整理工作量大。

(2)數據存儲與發布方面，海量三維數據的存儲、管理和應用給平臺的運行效率帶來了極大的挑戰。

(3)數據接入與集成方面，多元數據融合以及迭代更新能力不足，數據冗余度高，對水利業務分析和決策的實時性和時效性造成了影響。

(4)規范與標準體系方面，沒有形成一套統一的建設規范與標準體系，造成數據管理、利用上困難。

針對洞庭湖區時空數據的這些問題，解決方案如下。

(1)數據收集與整理方面，收集整理各科室、設計單位、建設單位有關洞庭湖區數據，借用湖南省水利一張圖調用已有數據，保證“一數一源”。

(2)數據存儲與發布方面，利用湖南省水利云，分布式存儲海量數據將BIM模型進行輕量化處理，節省存儲空間。

(3)數據接入與集成方面，通過服務接口，利用HTTP協議，調用數據，實現數據集成。

(4)規范與標準體系方面，參照《湖南省水利對象分類與編碼指南》進行水利對象統一編碼。

2 數據整編

2.1 數據分類

洞庭湖區時空數據底板分為地理空間數據、模型數據、基礎數據、監測數據、業務管理數據、外部共享數據等。

地理空間數據包括數字高程模型DEM、正射影像圖DOM、水下地形、傾斜攝影模型、GIS數據等。

模型數據就是水利對象在空間上的數字化映射，主要指BIM模型。

基礎數據是指水利對象的屬性信息，包括江河湖泊、水利工程對象、監測站點對象、工程管理對象等水利對象的屬性信息。

監測數據是分布在水利對象周圍，為了實時監測感知水利對象而布設的監測站點，通過網絡連接形成水利信息感知網。監測數據包括水文監測數據、工程安全監測數據、其他監測數據。

業務管理數據是指在具體的業務中除地理空間數據、基礎數據、監測數據的以外的數據，包括用戶角色、管理權限、文件等等。

外部共享數據是需要調用其他部門接口來獲取的數據，比如雨水情、氣象、航運、遙感數據等等，結合水利對象模型、基礎數據和監測數據更好的進行水旱災害預警、水資源調度等。為時空數據底板分類如圖1所示。

圖1 數字孿生流域時空數據底板分類

2.2 數據底板搭建

按地理空間數據精度和建設范圍可以將洞庭湖區數據底板分為L1、L2、L33級。L1級數據底板，展示洞庭湖流域中等精度的數字地形數據DLG、數字正射影像DOM、數字柵格地圖DRG、高分立體測繪衛星數據、水利對象基礎數據、水利監測數據等。L2級數據底板是在L1級數據底板的基礎上，重點展示洞庭湖區域重要區域，包括洞庭湖湖盆、四水尾閭河道、四口水系河道、一線防洪干堤、重要內湖及撇洪渠等，顯示重點區域的數字高程模型DEM、水下地形數據、斷面測量數據和涉及傾斜攝影模型等三維數據。L3級數據底板，在L2級數據底板的基礎上，以工程數字化方式逐步補充L3級數據底板內容，夯實水利信息基礎設施，擴展水利云節點，完善水利感知網，融合長沙樞紐、馬跡塘、株洲航電等重點區域重點水利工程數據以及BIM模型，接入水文、水工程等實時數據監測、業務管理數據、跨行業共享數據等。

洞庭湖區時空數據底板搭建如圖2所示。

圖2 洞庭湖區時空數據底板搭建

3 主要技術方案

分析了洞庭湖區時空數據底板搭建存在的若干問題，為高效管理和利用洞庭湖區時空數據底板，采用若干技術，比如：采用編碼技術實現水利對象數模分離；采用BIM輕量化引擎實現BIM模型在網頁端展示；分布式存儲數據、發布服務的方式調用數據，實現多源異構數據融合；使用統一的數據管理平臺實現空間地理數據、模型數據、基礎數據、監測視頻等在平臺可視化展示與管理；采用“一數一源、一源多用”方式減少數據冗余等等。下面逐一講解這些技術實現。

3.1 采用編碼技術

對水利對象進行編碼，采用編碼技術將水利對象數模分離。從數據物理結構上，所有的空間數據可以分兩個部分：空間結構和屬性信息。雖然大多數地理信息系統軟件可以同時存儲這兩個部分的內容，但是由于空間結構和屬性信息的精度要求不一致、更新頻率不同，導致數據更新造成造成數據冗余。因此，將這兩個部分的內容從空間數據庫中剝離開來、分別存儲，采用編碼技術相互關聯。目前，洞庭湖區數據底板處理空間數據的軟件是國產的地理信息系統軟件SuperMap，它可以集成并處理大量的二三維空間數據，如Shapefile、DEM、傾斜攝影模型、BIM模型、遙感影像、水下地形數據等等，屬性信息存儲在MySQL數據庫中，主要包括水利工程基礎信息、運行管理信息、規劃信息等等。

參考《湖南省水利對象分類與編碼指南》，對水利對象根據不同的類別進行統一編碼。水利對象分為江河湖泊、水利工程、監測站點、其他管理對象四大抽象類，《湖南省水利對象分類與編碼指南》中水利對象的分類如圖3所示。不同類別的水利對象按照類型、所屬流域水系、行政區劃、水資源分區、水功能分區等等進行編碼。

圖3 水利對象分類

利用SuperMap+MySQL方式實現數模分離，如圖4所示。

圖4 利用SuperMap+MySQL方式實現數模分離

3.2 BIM輕量化引擎的應用

管理BIM模型，因為需要保存高清貼圖和圖形屬性，需要大量的存儲空間，占用大量的服務器資源，使得加載速度十分緩慢，并且BIM模型的建模和加載常常需要特定的專業軟件[3]才能打開，例如Bentley、Revit軟件等。為了提高BIM模型利用率和加載速度，需要開發一套BIM輕量化引擎，將模型輕量化處理，切片供3DWebGIS場景使用，同時導出GLTF格式、FBX格式或者OBJ格式的模型文件供軟件平臺中BIM場景使用[4]。BIM輕量化引擎實現方式如圖5所示。

圖5 BIM輕量化引擎實現方式

3.3 超圖的服務應用

為了實現多源異構數據的融合并在網頁瀏覽器上可視化展示，通過SuperMap的iServer，發布服務，生成數據服務、地圖服務、三維服務，通過統一的HTTP標準，供平臺對數據調用[5]。

數據服務，將數據放在超圖工作空間數據源中，即可在網頁界面上獲得有關要素的空間位置和屬性信息，通過網頁端解析，展示和渲染出相應圖形、彈出屬性彈框。優點：數據服務包含要素的空間位置和屬性信息。缺點：解析和渲染數據需要占用較大的內存、加載時間較長。

地圖服務，在超圖工作空間中將各要素制作成地圖，即可調用地圖服務。優點：不需要渲染、數據加載較快。缺點：丟失屬性數據、無法展示三維數據、無法更改要素樣式。

三維服務，在超圖工作空間中將各要素放在球面場景中，即可調用三維服務。為了實現三維模型在網頁上快速調用，BIM模型需要輕量化處理、進行三維切片緩存后再加載到球面場景中。優點：可以獲得要素屬性信息、展示三維模型、制作三維標簽。缺點：占用較大的內存、加載時間較長。

3.4 統一的數據管理平臺

通過統一的數據管理平臺管理洞庭湖區數據底板，接入超圖服務、MySQL數據庫、監測視頻、共享數據等等，實現多源異構數據融合、可視化展示，從而在平臺上管理數據。

洞庭湖數據底板管理平臺如圖6—7所示。

圖6 洞庭湖數據底板管理平臺

圖7 洞庭湖數據底板管理平臺

3.5 “一數一源，一源多用”

針對數據冗余問題，采用“一數一源、一源多用”方式。“一數一源”即確定數

據唯一來源；“一源多用”，即實現在不同的業務模塊中多次利用，比如：湖南省水利一張圖、山洪災害管理系統、水資源管理調度、大中型泵站統一監視平臺等等。“一數一源、一源多用”示意圖如圖8所示。

圖8 “一數一源、一源多用”示意圖

4 結語

本文通過對洞庭湖區時空數據底板建設的探索，成功搭建了統一的時空數據管理平臺，實現了數據的整理、編碼、輕量化、入庫和發布服務。這為智慧水利數據孿生平臺的發展提供了明確的思路和實踐經驗。通過采用“BIM+GIS+IOT”等主流技術，實現了多源異構數據的融合和高效管理。這為各省市建設時空數據底板提供了有價值的借鑒。結果表明，時空數據底板的建設可以為水利管理提供全面的監測、模擬、分析和決策環境，為水安全保障提供支持。然而，本文的研究還存在一些不足。尚未充分探索時空數據在各項業務上的應用，對于標準與規范體系的建立還有待進一步加強。未來的研究可以進一步深化對時空數據的利用，探索更多的應用領域，并完善相關的標準和規范，以推動智慧水利的發展和應用。