三维地理信息技术在智慧水利建设中的应用研究

马瑞 杨爱明 李双平 陈远瞩 张力 张航 刘成堃

摘要：智慧水利建设在数据获取实时化、信息处理自动化、服务应用智能化等环节存在诸多难题。鉴于此，阐述了国家战略对信息化建设的要求、智慧水利建设的内容以及水利+GIS融合内在驱动，分析了三维GIS赋能智慧水利的路径和手段，搭建了三维地理信息平台，重点阐述了三维地理信息技术在信息感知与传输、信息存储与集成、信息调度与可视、信息分析与决策等方面赋能智能化服务。同时结合水利业务需求，在监测、地下管网、工程、流域等典型业务上助力智慧化管理。研究成果对水利行业空间信息科技研究和工程实践有一定的借鉴意义。

关键词：地理信息; 三維GIS; 智慧水利; 智能服务; 智慧管理

中图法分类号：P208 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.23

文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0132 - 05

0 引 言

无论是水资源综合利用、防洪减灾、农田水利，还是水工程管理等规划与决策，都是建立在流域级甚至全国地理空间尺度上的。智慧水利需要在大尺度地理空间上，集成海量水利要素数据，建立流域乃至全国的水利地理信息模型，实现智能化、智慧化的管理。

国内外针对智慧水利建设开展了大量的科技研究与工程实践。徐健[1]论述了“智慧水利”的构建思路及实践经验，搭建了福建省沙县智慧水利信息平台;杨鹏[2]提出了“智慧长江”建设构想，分析了其体系结构、关键技术、重大问题和发展路径;卢卫[3]针对浙江省流域水资源管理现状及问题，提出了“智慧流域”建设模式的总体框架，构建了流域智能感知系统、智能传输系统和智慧业务应用系统。但是，现有的研究和工程实践中，较多从宏观层面构建框架，在单项业务上进行了系统研发，还未系统化研究地理信息技术的作用，以及如何有效运用空间信息能力赋能智慧水利的建设。

通过调研国内外主流地理信息平台与水利专业的跨界融合，发现还存在相关问题，主要体现在：① 在水利水电行业，三维GIS的应用目前大多以分散的、局部的方式服务于单个专业或局部业务，且一般仅用于报告的编制和成果的汇报展示;② 由于国内外的三维商业软件在水利行业应用深度有限以及接口的开放度不足，难以对水利水电的专业模型以及专业数学方法提供有效的技术支持;③ 采用国外商业化三维软件建立中国水利行业的GIS应用系统，存在一定的信息安全问题。鉴于此，有必要深入了解水利水电的专业应用需求，在此基础上研发拥有自主知识产权的三维水利基础服务平台，为水利水电专业分析提供各种接口，为流域规划和防洪调度、水利水电工程管理等专业提供高效服务。

充分运用三维地理信息技术是实现水利事业全面升级的重要基础性工作，建立国产化水利三维地理信息平台是实现智慧水利建设的关键步骤之一，水利行业也迫切需要面向水利业务的三维地理信息服务平台。因此，在新发展阶段，需要构建水利三维GIS解决方案，实现信息感知与传输的快速化、信息存储与集成的便捷化、信息调度与可视的立体化、信息分析与决策的智能化。

1 平台建设

长江设计集团在承担众多国家水工程项目实施的过程中，通过不断的积累创新，针对智慧水利建设与管理需求，自主研发了二三维一体化GIS平台——方舟[4-5]（3DGIS-Ark）。平台提供了PC端、Web端（ArkWeb）、移动端（ArkApp）以及服务端（ArkServer）的多端产品服务，可高效集成海量多源数据，提供多源数据全方位的可视化管理、信息查询、模型分析、多业务协同等服务，从而轻松实现专业定制化应用。

如图1所示，方舟平台总体架构包括资源层、数据层、功能层、服务层、应用层，为流域大尺度、工程全生命期管理、全要素空间浏览等应用领域方向提供了统一的基础平台支撑。方舟平台产品线涵盖地形地貌生成、三维模型处理、GIS+BIM数据集成、分布式数据服务、高性能三维渲染、空间分析与仿真、专业功能扩展、三维浏览与应用等模块，提供了从数据资源获取、转换、处理、集成、发布、应用等各个环节的全链条模式服务。

2 智能服务

基于方舟平台，融合云计算、物联网、大数据、人工智能、移动互联等新一代信息技术，提供水利信息感知、传输、存储、集成、调度、可视、分析、决策等智能化服务功能。

2.1 三维信息存储与集成

（1） 三维数据集中存储。针对三维数据分散管理、数据服务低效、稳定性安全性较差、不易统一分发等问题，构建了三维分布式存储和负载均衡服务架构，支持多源数据的分布式部署，突破了三维数据的毫秒级服务分发，提供三维数据用户权限控制能力，实现三维数据的统一、高效、安全调用与共享。运用该项技术，既保障了水利数据的安全管理，又实现了分布式高效服务分发，对于水利数据管理具有重要意义。

（2） 实景三维数据优化。水利管理工作尺度跨越大，既有宏观的三维场景，也涉及微观的精细化设计，随着实景三维精度越来越高，高密度海量实景数据调度越来越慢，针对这一难题，开展实景三维数据组织的优化处理工作。

通过优化数据组织结构，重构模型LOD细节与空间索引，合并顶点、压缩纹理，重建顶层场景、点云自动生成等一系列技术手段，大幅提高了在网页端高密度海量实景三维数据的加载速度，与现有实景三维调度相比，效率提高了2倍以上，大大提升用户可视化交互体验。

（3） BIM轻量化。水利工程三维设计中，构建了大量的BIM数据，如何在三维GIS场景中作轻量化处理，一直是GIS+BIM数据集成研究中的热点、难点问题。在保留完整三维模型基本信息，保证模型精确度的前提下，构建符合场景远近原则的多级LOD体系，将原始的三维模型进行高效压缩。同时，运用三维空间遮挡、实例化技术[6]，使用户在观察模型时，自然流畅地完成从宏观到微观的过渡，很大程度地提升专业三维模型在系统中的加载速度和调用效率。

（4） GIS+BIM场景融合。BIM数据轻量化处理后，就要构建GIS+BIM完整的融合模型，如何实现大范围、大尺度的宏观GIS模型与精细化设计的微观BIM模型之间完美融合，是水利水电行业面临的难点之一。

基于规划方案的水工建筑物形状，一键式、自动、无缝地完成规范方案与三维地理信息场景的套合。在三维环境下，可直观、立体地查看工程实施后的效果，以及工程实施中需要开挖的土方量、需要迁移的房屋等，从而形成一个完整的三维空间场景[7]。图2为Catia BIM数据与实景三维场景智能融合的效果。

2.2 三维信息空间可视化

2.2.1 全空间可视化

用GIS+BIM建立的三维基础场景，完成了从物理空间到数字空间的映射，实现了从看不见到看得见的跨越，但仍需要建立一个全空间数据漫游与可视的技术体系[8]，如图3所示。

宏微观一体化让三维可视“看得更全面”：① 地上下一体化实现“看得更透彻”;② 室内外一体化、水上下一体化有助于“看得更细致”;③ 二、三维一体化可“看得更明白”。创新实现了多维度、全空间一体化的数据调度与展示，支持全空间全生命期的动态三维场景漫游，更好地支撑了水利三维全空间多维度精细化管理。

2.2.2 三维云渲染

针对目前三维可视化有待提升、C/S客户端臃肿、安装部署繁琐等问题，综合运用云架构、云计算进行计算，实现云端的三维渲染，将渲染的帧画面以像素流的方式通过网络推送到用户终端上，用户可使用任意终端（个人电脑、平板电脑、手机）直接使用云端的三维GIS应用，降低了用户终端的成本，保障了數据安全性。

2.3 三维信息分析与决策

2.3.1 GIS+BIM空间剖切

在单纯的BIM设计软件中提供了部分BIM计算、剖切操作等功能。但面向管理与应用的BIM+GIS场景，往往难以实现深层次的BIM功能。基于方舟平台，在三维GIS+BIM信息高效调度与渲染基础上，实现了GIS+BIM部件的空间爆炸效果，以及任意面的三维剖切功能，有利于进一步对BIM模型进行精细化构件管理和内部结构分析。

2.3.2 空间辅助选址决策

针对水利水电工程选址存在的场景复杂、指标多样、目标模糊，采用人工判别、实地勘察方式工作繁杂，计算机识别结果有偏差等难点问题，采用三维信息分析评价与辅助选址决策技术，集成空间分析、地形分析等模块，完成区域选址初筛、分析决策，实现复杂物理环境下多因素综合优化的智能选址辅助决策支持。目前该技术已初步应用到乌东德、万安水电站监测设施选址以及抽水蓄能选址等工程实践中。

2.3.3 防洪调度辅助决策

通过深入研究洪水的物理特性、演进规律与渲染手段，提出了一套3DGIS环境下的洪水风险三维动态推演的系统框架，可无缝集成多类水文模型、水动力学模型、防洪补偿模型，直观呈现洪水的动态演进过程[9]，建立面向水工程联合调度信息的多尺度展示方法体系，实现了水工程调度在三维环境下的直观显示和快速损失统计，以辅助水工程智能调度与决策，如图4所示。

3 智慧管理

基于方舟平台，运用三维信息感知、传输、存储、集成、调度、可视、分析、决策等智能化服务，面向水利业务需求，开展了监测、地下管网、工程、流域等典型业务智慧化管理工作。本文以智慧流域为例，结合流域水资源管理要求，在集成流域海量多尺度、多源地理信息基础上，加载流域规划设计、防汛抗旱、水资源、水生态等多专业数据[10]，构建智慧流域数字孪生平台。结合智慧水利“四预”要求，提供具备预报、预警、预演、预案的体系化支撑服务和数字化场景，如图5所示。

（1） “预报”方面。融合水文预报模型，在宏观尺度，对长江流域水文站点的降雨预报数据进行空间插值，实时生成流域降雨等值面图，直观呈现流域未来的降雨趋势，如图5（a）所示;在微观尺度，基于水文站点水位和流量预报信息，叠加三维实景模型呈现水位、流速、流向等三维仿真效果，支撑流域预报及可视化模拟。

（2） “预警”方面。在三维场景中，持续高亮闪烁预警区域，可呈现重点关注点的水位变化过程，进行区域预警;展现干支流水位上涨及汇流过程，对水位突破警戒水位的控制站进行预警提示，进行干支流预警;可接入无人机采集的岸线高精度影像，对比分析历史数据，直观呈现岸线淹没状况，进行岸线预警，如图5（b）所示。

（3） “预演”方面。耦合流域水库调洪和回水模型，结合三维地理空间分析，动态模拟库区断面水位变化，进行库区淹没预演;动态模拟蓄滞洪区洪水行进过程，进行蓄滞洪区行洪预演;动态模拟堤防超保范围与超保时间，进行河段行洪预演;动态模拟城镇及街道淹没范围，实时计算淹没面积，进行城镇行洪预演与评估，如图5（c）所示。

（4） “预案”方面。利用三维一张图呈现面对历史洪水过程时的工程运用预案，包括各流域梯级水库群、三峡水库、蓄滞洪区、洲滩民垸的运用总体情况。根据蓄滞洪区运用预案中提供的各村镇组团避洪转移信息，在三维场景下，模拟重点蓄滞洪区进行避险转移，提供转移路线、转移过程的动态展示，指导蓄滞洪区应急避险，如图5（d）所示。

4 结 语

智慧水利是综合运用物联网、云计算、大数据、人工智能、移动计算、地理信息、BIM、区块链等信息通信技术，促进了水利规划、工程建设、运行管理和社会服务的智慧化，提升了水资源的利用效率和水旱灾害的防御能力，改善水环境和水生态，保障了国家水安全和经济社会的可持续发展。智慧水利是水利现代化的具体体现，可为新阶段水利高质量发展提供有力支撑和强大驱动。

信息是智慧水利的基础，空间地理信息作为一项重要的数据源，既提供了地理空间场景，也为各类数据提供了空间“粘合剂”。有机、高效地运用三维地理信息技术，可在数据采集、数据传输、信息存储、多源集成、数据运算、空间分析、三维可视等方面赋能智慧水利建设。三维地理信息技术与移动互联网、大数据、人工智能、云计算等信息通信技术融合，共同促进水科学、计算机科学、地理科学、环境科学、数学和社会学等多学科的深度交融，从而推动中国智慧水利的发展和进步。

參考文献：

[1] 徐健，李国忠，徐坚，等.智慧水利信息平台设计与实现——以福建省沙县智慧水利信息平台为例[J].人民长江，2021，52（1）：230-234.

[2] 杨鹏.关于建设“智慧长江”的思考[J].人民长江，2014（23）： 30-34.

[3] 卢卫，李红石，王明琼. 浙江省“智慧流域”建设思路探讨[J]. 人民长江，2014，45（18）：104-107.

[4] 马瑞，董玲燕，义崇政. 基于物联网与三维可视化技术的大坝安全管理平台及其实现[J].长江科学院院报，2019，36（10）： 111-116.

[5] 唐湘茜，马瑞，杨喆.三维地理信息平台——方舟[J]. 水利水电快报，2019，40（7）： 6-7.

[6] 马瑞，邱鑫，张雄，等.3DGIS+BIM技术助力水利工程全生命期智慧化应用[J]. 中华建设，2020，218（7）：73-76.

[7] 张力，马瑞，白峰. 三维地理信息技术在数字小浪底工程建设中的研究与应用[C]// 中国水利学会. 中国水利学会2016学术年会论文集（上册）. 南京：河海大学出版社，2016.

[8] 谢明霞，张力，马瑞.3DGIS+BIM技术在城市地铁管理信息系统中的应用[J].地理空间信息，2019，17（9）： 86-89，130，11.

[9] 刘成堃，马瑞，邱鑫，等. 基于3DGIS的水库群联合调度多尺度模拟仿真研究[J]. 人民长江， 2021，52（2）：212-216.

[10] 刘成堃，马瑞，义崇政.3DGIS支持下的洪水风险三维动态推演[J]. 长江科学院院报，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