崂山水库数字孪生流域系统建设研究

李春俊

（青岛市水文中心 青岛 266000）

1 引言

随着三维建模、工程仿真、物联网、大数据、人工智能、云计算、边缘计算、虚拟现实等技术的广泛应用，人类社会进入三维体验时代。对于产品、装备、产线、工厂、建筑、道路、桥梁，乃至整个城市，都可以建立三维数字化模型。数字模型不仅可以与物理对象形态高度相似，还可以实现性能仿真，几乎做到全要素映射，这种打通物理世界和数字世界，实现虚实融合的复合技术，被称为数字孪生（DigitalTwin）。

水利部多次召开会议部署数字孪生流域建设工作，指出要以时不我待的紧迫感、责任感、使命感，攻坚克难、扎实工作，大力推进数字孪生流域建设，积极推动新阶段水利高质量发展。国家“十四五”规划纲提出要构建智慧水利体系，要以流域为单元提升水情测报和智能调度能力。以流域为单元治水管水就决定了智慧水利必须以数字孪生流域为核心。本次研究以崂山水库流域为研究区域，从数字化场景构建、三维支撑平台建设、智慧化模拟功能开发三个方面展开。

2 区域概况

崂山水库位于青岛市城阳区夏庄村白沙河中游，流域面积99.6km2，干流长度21.6km，干流平均坡度17.8‰。崂山水库流域面积较小，预报方案成熟，为三维模型构建和精准化决策提供了较好的条件。

3 数字化场景建设

三维数字化场景采用无人机倾斜摄影技术建设，通过无人机在空中某个高度从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维数字化场景。

本次研究采用大疆精灵4RTK 无人机进行航拍，精灵4RTK 是一款小型多旋翼高精度航测无人机，面向低空摄影测量应用，具备厘米级导航定位系统和高性能成像系统。由于本次研究区域范围大、山体多，需要对测区进行分割，通过地图软件对区域进行分割后，导出每个分区边界的KML 数据。在无人机系统中导入分割后的测区KML 数据，选择倾斜摄影测量“五向飞行”或“井字飞行”，设置飞行高度100m，航向重叠率80%，旁向重叠率70%，系统自动生成航线。执行任务后，无人机自动起飞进行作业任务，电量不足时，作业任务自动保存，更换电池后，可继续作业。通过连续多日的外业操作，共获取航拍照片2 万多张。

目前采用倾斜摄影技术进行三维建模的处理软件很多，如ContextCapture、PIX4D、大疆智图等。本次采用ContextCapture 软件进行三维建模。主要操作包括数据准备、空三加密、三维重建、模型修饰和成果输出。由于照片数量比较大，空三计算过程中出现了结果断裂、分层交叉、弯曲、水域接壤处分层等情况，经过研究，采用“先分块空三再合并”解决。空三完成后，可以进行模型重建，输出的三维模型格式很多，包括3MX、3DTiles、OSGB、OBJ、FBX 和KML 等等，根据具体需求来进行选择，这里选择3DTiles 格式。经过漫长的模型渲染过程后，发现输出的三维模型成果里面的水域部分存在支离破碎、起伏不平的问题，经过研究，通过水面约束功能，将水域范围的KML 文件导入后重新建模，三维模型构建成功。

4 三维支撑平台建设

目前三维支撑平台很多，如ArcGIS、Skyline、SuperMap、Cesium 等。本次选用开源三维平台Cesium。Cesium 是一款面向三维地球和地图的JavaScript 开源产品。它提供了基于JavaScript 语言的开发包，方便用户快速搭建一款零插件的虚拟地球Web 应用，并在性能、精度、渲染质量以及易用性上都有高质量的保证。平台支持影像、高程、矢量、实景、三维模型等各类数据的叠加融合，三维底图采用天地图，叠加上3DTiles 格式的三维模型，完成了三维场景可视化。提取流域内的雨量、水位、流量、视频等水文监测数据，在三维场景中展示监测站点的位置及数据信息。

5 智慧化模拟功能开发

数字孪生流域系统的重要功能是对区域内水文要素的变化过程进行模拟仿真和推演，为流域防汛调度提供精准化决策服务。三维数字化场景中每一个点有经纬度和高程信息，通过二次开发可实现空间分析功能，包括距离、面积、高度、剖面、体积、淹没范围等多种分析功能，进一步实现水文要素的智慧化模拟。

系统内集成了水文预报功能，崂山水库预报方案较为成熟，从以往的应用经验来看，预报精度较高，采用降雨径流经验相关法，根据P+Pa～R 曲线进行产流计算，根据时段单位线进行汇流计算，得出入库水量、洪峰流量和峰现时间，根据水位库容曲线查询预报水位。结合预报成果，对水库的水位进行模拟仿真，直观展示水位的涨落及状态，为防汛调度决策提供可视化支撑。

6 结论

本文以崂山水库流域为例，详细介绍了系统建设的流程。该系统目前已上线运行，效果良好。由于时间所限，系统还有许多不完善的地方，主要体现在：一是数字化场景范围不够大，目前只是水库库区至上游乌衣巷水文站；二是预报方案单一，只采用了经验法，不支持多方案优选，未达到“四预”功能要求；三是未能实现与物理流域的同步仿真运行。本次研究为数字孪生流域系统建设提供了一种思路，同时为系统的进一步改造提升奠定了基础■