数字经济背景下“孪生海洋”信息模型设计

贾思洋 王春晓 王旭 刘长华

（中国科学院海洋研究所 山东省青岛市 266071）

“孪生海洋”信息模型将充分利用海洋观测的原始数据，构建多尺度、多类型、多模态科研数据融合分析基础，实现空间GIS、三维设计、多层水质、视觉特效、BI 套件的“五合一”数据融合展示[1]。同时，“孪生海洋”信息模型将打破数据孤岛，减少平台构建冗余，突破传统多个基础能力平台需要配套多个可视化平台的展示的模式，为未来5G/B5G 环境下的实时性“克隆海洋”提供技术支撑。

1 “孪生海洋”信息模型设计背景

近年来，我国提出“发展海洋经济，保护海洋生态环境，加强建设海洋强国”的总体目标，世界各国纷纷加入到围绕海洋的资源竞争当中[2]。在此背景下，为推动海洋经济转型发展，提升信息化服务能力与水平，加速重大创新成果产出，“孪生海洋”信息模型将基于大量的海洋观测数据，为打造基于海洋信息模型的“数字孪生海洋”沉浸式科研平台，形成先进的信息化技术应用示范，为数字孪生技术在多产业领域的推广应用探索路径。

2 “孪生海洋”信息模型设计任务

（1）数据管理平台建设。基于原始海洋数据，构建海洋全空间信息模型，汇聚海洋多源异构数据（GIS/BIM/IOT），通过数据流程化处理工艺，将各类型数据有机关联在一起，开展海洋大数据资源管理及分析、孪生场景构建及编辑。

（2）应用支撑平台建设。在数据管理平台基础之上，实现空间GIS、三维设计、多层、视觉特效、BI 套件的“五合一”数据融合，统一平台支撑，满足“海陆空”一体化的孪生数据融合展示。

（3）“孪生海洋”（XR）平台建设。依托数据管理平台、应用支撑平台，整合数字地图、 BIM 数据、遥感影像、国土空间等空间类数据，接入浮标原始数据、融合数据、可视数据，构建能够在数字大屏、智能终端、可穿戴设备等多平台全方位展现的“孪生海洋”，提供沉浸式的临场体验。

3 “孪生海洋”信息模型设计内容

通过数字孪生技术和XR 技术，搭建海洋3D 数字孪生海洋，基于Unity 开发，具有良好的平台扩展性。“孪生海洋”信息模型部署在PC 端，用户可通过显示器、大屏电视进行应用体验。

3.1 数字孪生模型处理

涉及模型主要包括：一套高精度海洋浮标模组、海洋场景等。

3.1.1 孪生海洋3D 建模

（1）统一单位为厘米cm。模型导出前转为Edit Poly 方式，导出格式为：FBX。

（2）三维模型底部中心点坐标应为（0, 0, 0）。

（3）模型布线合理，不得出现破面、共面、漏面和反面现象；合并断开顶点，移除孤立顶点。

（4）不同纹理之间应保持统一的色调、曝光度、对比度、饱和度。

（5）相同尺寸、外观、轮廓的模型几何应采用复用方式建模。

（6）相同颜色、材质、色调的模型纹理应复用纹理贴图。

（7）保持模型面与面之间的距离推荐最小间距为当前场景最大尺度的l/2000。

（8）模型不能使用中文名，必须使用英文名；模型不允许岀现重名，必须按规范命名。

（9）模型比例正确，按实物标准1:1 建模。

（10）模型结构清晰，三维模型要结构清楚。

（11）带有镂空物品模型，单独拆分。

（12）交互的模型要独立拆分岀来，模型轴心要对号交互中心。

3.1.2 模型贴图处理

（1）纹理图片的单位尺寸需满足数额为2 的N 次方且不低于256×256。

（2）材质贴图输岀格式：tga 文件格式。没有透明通道24 位，有透明通道的32 位。

（3）材质贴图的底色采用整个建筑模型的大色，光影关系要统一。

（4）材质贴图命名规范：对应模型的命名，不可使用中文名，不可重名。

（5）材质贴图纹理要清晰，比例合理。

（6）贴图使用PBR 材质，最终输出三张贴图，分别为：AlbedoTransparency map、 MetallicSmoothness map 和Normal map。

3.2 可视化场景渲染

3.2.1 可视化模型展示

（1）一套写实风格的高精度浮标模组。

（2）零件模。

（3）海洋场景，包括浒苔、植被、岛礁、海水、船体等。

3.2.2 海洋分层结构展示

（1）在建模时对模型进行分类定义标签，对于不同的设备、流程、数据面板以及数据类型进行标签化。

（2）在虚拟场景搭建时，对模型标签进行抽象归类设置显示/隐藏选项。

（3）支持在体验数字孪生漫游过程中，对显示对象（标签项）进行单选、多选或全选。

4 实现路线

“孪生海洋”信息模型支持海洋基础场景环境和三维基础数据的白天模式、黄昏和夜晚模式；支持降水、台风、洋流、环流等海洋气象现象的沉浸展示；支持风速、风向、气温、气压、相对湿度、能见度等气象参数，水温、电导率、波浪、波周期、波向、流速、流向等水文参数，以及叶绿素、浊度、溶解氧等水质数据[3]。为满足以上功能，“孪生海洋”信息模型在整体架构设计和技术构成方面有着一定的特殊性。

4.1 总体架构

“孪生海洋”信息模型可实现超大场景基础地理信息和三维数据统一承载，支持局部-亿级三角面场景流程运行；支持对水体、浒苔、海洋垃圾及其他场景元素的动态展示；完成对异常数据和状况的监测和报警。结合各类业务数据，支持综合大数据分析、数据综合查询功能。“孪生海洋”信息模型总体架构如图1 所示，总体分成数据层、工具层、应用层三个层面。

图1：“孪生海洋”信息模型总体架构

4.1.1 数据层

数据层主要和黄海站和东海站观测的原始数据以及其他重要数据为原料实现数据汇聚、数据处理、数据管理等基本功能。数据类型涵盖GIS、BIM、IOT、海洋空间规划数据、应用设计数据等；数据处理的模块包括不同类型数据之间的格式统一、轻量化处理、地质数据处理、海洋设施空间化处理、时空数据空间化处理等；场景管理的内容包括数据资源管理与分析、孪生场景构建工具、场景编辑工具等。

4.1.2 工具层

工具层中聚合了基于数据分析模型的中间件。总体上细分为海洋孪生可视引擎与控制管理工作台两个小层级。海洋孪生可视引擎中的内容包含时空数据可视化、海洋模型可视化、多层地址可视化、多维属性可视化、视觉特效和交互可视化特效等；模拟数据与分析模块能够完成漫游、GIS 量测、日照分析、挖填方分析、淹没分析、视域分析等空间分析，灾害应急模拟、职住分析、通勤分析、事件热力分析、交通运行仿真、遥感影像对比分析等地理运行模拟，三维碰撞检测等模拟计算。

4.1.3 应用层

根据实际的业务需求，用户可在应用层使用底层的工具和接口按照需求搭建定制化的应用程序，并且选择数字孪生的体验方式[4]。典型的应用包括规划成果管理、规划审查等海洋规划应用，海洋体验、数据大脑、水务环境及大陆架的建模、以及设计方案审查应用。此类效果能够在超大屏、个人电脑、智能手机、以及XR 设备上进行多方位的展示。

4.2 技术路线

“孪生海洋”信息模型设计整合“数字孪生场景”的流水线生产工具集，集聚数字化模拟全要素资源，快速构建“数字孪生海洋”及应用，并且使用云原生技术路线来实现业务逻辑。

4.2.1 地理信息融合技术

通过自行开发的GIS 工具，完成对DOM/DEM、DLG、河道道路等矢量数据以及POI 兴趣点数据的导入工作，实现地理信息的输入；通过数据模型构件工具复刻水文数据、气象数据等完成基础设施数据的融合；通过场景编辑工具完成精细场景的编辑，细化浮标面数据、三维设计数据、三维激光扫描数据，完成最终的OIM成果展示。最后由系统集成接口实现对海洋业务数据、视频监控数据、物联网数据、运营商数据、气象站数据的信息整合工作。

构建数字孪生海洋技术路线如图2 所示。

图2：构建数字孪生海洋技术路线图

4.2.2 高弹性云渲染技术

“孪生海洋”信息模型采用云渲染架构，通过推流的方式将展示数据传到终端。云原生应用开发所构建和运行的应用，旨在充分利用基于四大原则的云计算模型：基于服务的架构。基于API 的通信、基于容器的基础架构以及DevOps 流程见图3 云原生应用开发部署四大原则示意图。

图3：云原生应用开发部署四大原则示意图

结合大数据、云服务等三位渲染平台，为海洋环境管理、海洋环境监测信息化搭建多维感知、高效协同的智慧化平台[5]。利用数字孪生技术为支撑体系，以海洋海量数据资源分析、计算机图形学、多维传感器、海洋分析为核心，统筹业务综合多元价值理念[6]。将海洋数据动态可视化以“一张图”的方式呈现，构建海洋数字孪生体，通过平台实现海洋时空动态，融合岸、海、空、天四大感知体系打通多部门网络通道，支持智慧海洋数据汇聚共享。

5 总结

构建“孪生海洋”信息模型是新时期海洋经济转型发展的必然选择，随着大数据、人工智能、虚拟仿真技术在海洋领域的广泛应用，“孪生海洋”将通过对信息模型的不断优化，打造业务体系更加完善的海洋数据服务交互平台。“孪生海洋”信息模型的构建，将加快相关技术在多产业领域的融合应用，为构建“孪生地球”奠定坚持的技术和数据基础。