流域三維可視化與全景化管理研究與應用

邱皓廷，秦挺峰，楊曉丹，張耀華

（1.無錫市水利局，江蘇 無錫 214000；2.無錫市河湖治理和水資源管理中心，江蘇 無錫 214000）

1 流域數字化管理研究現狀

流域管理涉及領域復雜，橫向可能涉及多省市、上下游；縱向涉及水利、生態環境、交通等多個部門；管理對象可能涉及泵站、閘站、河道、管網、景觀、道路、橋梁、岸線等，管理難度較大。當前數字技術引領的新技術革命和新產業革命加速推進，人類正加速進入數字時代。將數字技術應用到流域管理工作中，能夠顯著提升流域管理的科學性和效率，使管理更細化充分，真正實現智慧管理。

數字化流域管理是水利信息化發展的必然方向，是實現流域管理與決策支持信息化的重要途徑，國內外研究學者對此進行了大量的研究。國內對流域數字化工程研究也廣泛開展，華中科技大學張王乘等，主要致力于數字流域的開發與研究，開發了流域水情分析及模擬系統，可為防洪提供水文水情數據和洪水過程預演。清華大學張尚弘等，實現了流域的三維可視化功能，可結合水文水情信息和地理信息系統進行數值模擬研究。當前水利部已啟動數字孿生流域建設先行先試項目，黃河、長江、淮河等主要江河流域的數字孿生平臺建設陸續實施，構建了流域及工程動態數據資源庫。

但當前常用流域可視化系統主要是基于GIS 實現水利模型和水情參數的可視化，正在推進建設的數字孿生流域主要是基于3D+GIS、BIM 等技術，對流域內地形、河流、道路、工程、模擬結果等進行三維可視化渲染。以上系統可對河流水體、岸線利用情況和水利工程等提供演示和模擬仿真，但仍存在以下不足：一是現有的水動力學模型及洪水模擬方法不能很好地滿足實時性要求；二是流域三維模擬展示的效果不好，尤其是對水運動過程的仿真，如潰壩過程演進、地表淹沒過程演進、河道洪水過程等，還存在提升空間；三是缺少對流域歷史演變情況的儲存和模擬；四是由于傳統的攝像頭采集模式效率偏低，可視化系統可展示的流域內特定位置的實景偏少。

2 流域可視化全景化基本概念

2.1 流域三維可視化顯示

“十四五”期間水利系統高質量發展的主要目標是建設數字孿生流域，建設“2+N”水利智能業務應用體系，建成智慧水利體系。借助數字孿生技術、混合現實技術等，可以對水利工程這類實體對象在計算機中進行三維動態仿真，即三維可視化。三維可視化是虛擬流域環境的關鍵支撐技術之一。過去由于GPU 算力有限，要使計算機中的數字孿生模型轉化為顯示器上的圖像，需要耗費大量時間進行計算。但當前GPU 性能的大幅度提高及云渲染圖傳效能的提升，以及虛擬現實和三維仿真技術的發展，使得虛擬流域的三維可視化仿真成為可能，并可在VR 頭戴設備上實現第一人稱視角的沉浸式體驗。

流域三維可視化不但包括流域地形、地物以及河流水體的建模與場景實時漫游，而且可以與水文水情數學模型計算相結合，進行方案論證、工程運行管理等方面的模擬仿真，把水利計算中所涉及和產生的水文水情數值信息轉變為直觀的、以圖形或圖像表示的、隨時間和空間變化的信息呈現在用戶面前，使用戶能夠觀察到數值計算和模擬的過程和結果，既有精確的數值分析結果，同時還提供了與計算和模擬過程的視覺交互手段，并可以對數學模型的合理性進行有效性分析，從而更加科學地對流域開發規劃、防洪減災和提供輔助決策支持。

2.2 流域全景化顯示

三維可視化實現了現實流域的虛擬再現，但是其所構筑的三維流域場景缺乏真實感，無法與實景照片媲美。如谷歌地球、微軟必應街景等運用全景技術，將全景圖像與地圖相結合，可在較高密度的觀察視點上全方位還原該處場景的全景圖像信息，相較于模擬場景，更加真實、準確、直觀；相較于單張全景圖片，觀察視點多，全局可瀏覽。鑒于此，本文將全景技術運用于流域，借助混合現實技術、無人機航拍技術、圖像合成拼接技術等，通過文字、圖像、三維交互、增強現實應用等多元形式，借助各類電子終端，包括頭戴顯示器設備，可以全面和立體地展示流域相關數據和信息，更為直觀、高效地把握流域整體特征。

3 主要數字技術在流域管理中的應用

3.1 流域實景化巡查

3.1.1 非實時實景化展示

目前一些民用導航軟件已實現查看道路全景圖像的功能，該功能是通過裝有全景相機的采集車拍攝照片，并利用計算機進行合成，最終制作出路段各點位的全景圖像。但類似技術還未在水利領域規模應用。對于河道、湖泊及相關水利工程，可以通過無人機航拍等方式，合成水利全景圖像，還可在該三維實景中嵌入有關信息，實現在數字三維實景中，對河道、湖泊及相關水利工程進行巡查，工作人員遠程即可直觀地了解流域內全局景象，實景查看特定區域水利設施和實際建設情況，減少實地勘察頻次，提高工程設計建造效率。

3.1.2 實時實景化巡查

前述非實時實景數字化展示存在數據和影像資料更新不及時的問題。隨著虛擬現實技術的發展，未來還可實現水利工程的實時實景巡查。可在特定位置設置載有全景攝像機、具備通信功能的無人機，巡查人員佩戴VR 頭戴顯示器設備，遠程操控無人機航行，并利用全景攝像機實時將拍攝到的畫面發送到VR 頭戴顯示器設備上，即可實現實時全景勘查特定區域水利設施和實際建設情況的功能。對全時段的涉水工作而言，無人機必須具備防水性能。目前已有相關公司研發出防雨水、甚至可潛入水下的無人機設備，使水下實時實景巡查成為可能。

3.2 流域可視化演示

3.2.1 歷史文化遺產三維展示

綜合利用視頻、三維交互、虛擬現實體驗、增強現實應用等多元形式的數字技術，通過場景構建、動態模擬，實現水利遺產在多種電子終端（手機、電腦、VR 頭戴設備等）上的數字化重現，并可實現第一人稱視角的沉浸式體驗。將歷史水利遺產資料進行立體化建模和數字化呈現，有利于全面把握水利遺產真實特征，對其進行更為直觀的展示。在水利開發過程中對遺產信息數據進行數據建模，也有利于形成遺產的數字化生命周期，提高文化遺產的保護效率和質量。

以運河文化遺產為例，當前運河文化遺產展示中存在展示效率低下、展示內容局限、用戶體驗不真實的問題。《中國大運河發展報告（2020）》中對《大運河文化保護傳承利用規劃綱要》進行的解讀中也指出，數字大運河文化建設應“從無形到有形，從外延到內涵”。通過對大運河文化遺產的數字化沉浸式展示和重現，可有效挖掘和拓展大運河的文化空間，提高運河文化資源的展出率和能見度。

3.2.2 工程三維展示

對于待建工程，該技術可取代傳統效果圖，利用該工程的設計圖紙等資料，結合BIM、GIS 等多元數據，建立三維數字模型，對該工程在不同天氣條件、不同植物類型和狀態、不同光照角度等下的三維動態場景進行數字化仿真展示，并可演示水利工程的各關鍵節點（如閘站、泵站等）的數字孿生控制流程，實現水利工程的全時、全域、全態的孿生圖像模擬，還可采用增強現實技術將工程設計效果與真實環境場景融合，便于工作人員更加直觀、沉浸地體驗工程完工后的實地狀況和工程運行狀態。該工程的數字孿生數據還可以應用到后期的工程虛擬仿真管理和遠程調度中，實現水利工程數字孿生數據的高效利用和統一管理。

對于建成工程，采用增強現實技術，將計算機產生的文字、圖像等輔助信息與真實的水利工程場景融合，構建交互式演示系統，產生出一個虛實結合的水利工程演示圖像。對于工作人員而言，嵌入真實場景更多工程資料，便于全面和直觀地掌握該工程情況。對游客而言，水利景觀場景增加了更多圖文媒體信息，從視覺角度提升了水利景觀特色，豐富了視覺趣味和體驗感。

3.3 實時交互虛擬仿真管理

3.3.1 遠程調度

通過數字孿生等技術，可以將水利工程及相關機電設施設備的調度虛擬化到數字流域中，構建水利工程運行管理中的物理實體與虛擬空間中人、機、物、環境、信息等要素的相互映射、實時交互、高效協同的管理系統，從而更加直觀、全面地反映水利工程運行管理過程全生命周期狀態，更加有效地對水利工程中建筑物各部位、閘門、機電設備、觀測設施、通訊設施等進行全面的監管和檢查[13]。

工作人員在數字化場景中進行操作，如操作機電設備的開關按鈕、控制旋鈕等，再將操作轉換為一定接口標準的控制指令，通過網絡傳輸給遠端控制設備，由控制設備來操作具體的機電設備達到調度的目的。遠端設備操作的結果、機電設施和設備狀態，以及遠端傳感器獲取的數據信息，通過網絡傳送至數字流域，在數字流域中映射對應設備的實際狀態和物理流域的實際情況，通過數字化場景展示給工作人員，實現物理流域和數字流域的“雙向映射”，提升流域防洪安全保障能力。

3.3.2 實時模擬和輔助決策

把物理流域數據實時映射到數字流域中，融合多源信息，實時構建流域產匯流、土壤侵蝕、水沙輸移、工程調度等數字模型，將極大助力流域防洪抗旱、水資源調配等業務。

以防洪模擬為例，在數字流域中，根據實時水文數據及降雨預報等預測數據，利用對抗神經網絡、數值模擬等方法，實時模擬分析不同調度控制條件下的洪水影響情況（如淹沒面積、影響人口等），并通過動態圖像反映到數字化場景中，以進行超前的洪水推演。通過對比不同調度下的影響情況，并借助計算機智能分析選擇最優的調度方案，實現流域洪水調度“虛擬模擬先行，決策調度在后”，以盡早對洪澇災害采取有效應對措施。該技術將顯著提高決策的科學性和時效性，最大限度地避免洪災帶來的損失。

隨著人工智能等技術的發展，未來有望進一步打通從數字流域到物理流域的映射關系，實現從預報預測、模擬推演和智能決策的全程智能托管，以在設定工況下自動執行最優化的水利工程調度，從而在物理流域中實現部分或全部的自主管理。

4 結語

流域管理的需求是復雜的，隨著流域經濟社會發展而發展，流域管理涉及的數據量也較為龐大，且處在加速增長中，而三維可視化和全景化管理系統必然為處理龐大的流域管理數據帶來更加便捷高效的用戶體驗，用戶可以利用多種顯示設備自如查看所關注的流域細節，并調用相關信息，更好地滿足業務處理、監督管理與決策指揮方面的需要。此類技術的應用是流域管理的必然趨勢。伴隨著數字技術的更新迭代，流域管理數字化系統的研究和建設將是一個長期的過程，流域管理各業務單位和部門應持之以恒并密切配合，保證數字化系統可持續發展并發揮實效，扎實提升我國流域管理水平■