数字孪生流域可视化技术研究与实践

徐 健,赵保成,魏思奇,李国忠,徐 坚,肖 潇

(1.长江科学院 空间信息技术应用研究所,湖北 武汉 430010; 2.武汉市智慧流域工程技术研究中心,湖北 武汉 430010; 3.长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室,湖北 武汉 430010)

0 引 言

新一代信息技术不断发展,推动着水利行业从数字化走向智慧化。当前,全国各地正大力开展智慧水利建设,智慧水利建设已经成为新阶段水利高质量发展的实施路径和最显著标志之一[1-2]。智慧水利建设的核心与关键在于数字孪生流域建设,通过数字孪生流域和数字孪生工程建设,可强化预报、预警、预演、预案功能,提升水利科学化、精准化、智能化能力和决策管理水平,实现水安全风险从被动应对向主动防控的转变[3-5]。

无论是数字孪生流域还是数字孪生水利工程建设,其核心都在于“数字孪生”。“数字孪生”强调仿真、建模、分析和辅助决策,侧重的是物理世界对象在数据世界的重现、分析、决策,而可视化通过图形引擎,多层次实时渲染,实现场景全要素数据融合,为数字孪生提供了生动形象的可视表达,从而实现对物理世界的真实复现和决策支持。本文将以数字孪生可视化为研究对象,探讨相关技术及视觉效果实践。

1 数字孪生

一般认为,数字孪生是充分利用物理模型和物联网传感器采集全生命周期的运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间完成映射,从而反映相对应的实体对象全生命周期过程[6-7]。

物理实体、虚拟模型、数据、连接和服务是数字孪生的核心要素。数字孪生作为实现虚实之间双向映射、动态交互、实时连接的关键途径,为观察、认识、理解、控制和改造物理世界提供了新的有效手段。

基于数字孪生的智慧水利,就是通过综合运用全局流域特征感知、通信、物联网、边缘计算、云边协同、大数据、人工智能及仿真建模等技术,对物理流域全要素进行虚拟动态仿真,实现物理流域空间与数字虚拟流域空间交互映射、深度协同和融合,并借助历史数据、实时数据、算法模型等,实现预报、预警、预演、预案等功能,提升感知监测、流域防洪、城市排涝等能力,推动水利治理能力现代化、智慧化发展[8-10]。

2 可视化与数字孪生

数据可视化的本质是视觉对话,将物理世界以图像、数据传输到数字世界进行表达,并对海量数据逻辑进行分析、推演,增强数据结果的易读性和灵活性,辅助管理者发现数据背后的规律和价值[11]。

数字孪生可视化是在数据可视化的基础上实现对真实场景的三维仿真模拟,以更丰富的形式展示更多样的数据,以更直观、更真实的方式体现数据的价值,主要体现在以下3个方面。

(1) 多源数据融合展示。数字孪生的关键特征之一是多源异构数据融合,数据是其最核心的要素。可视化价值在于对多源异构数据的融合展示和综合应用,通过汇聚江河湖泊流域、水库、水电站、灌区、引调水工程、监测站点等管理对象,整合水利业务领域相关数据、地理信息数据、视频监控数据、实时监测数据及不同部门、行业、系统、数据格式之间的共享数据,为水利业务领域运行态势感知研判提供全面的数据支撑,实现水利综合运营态势一屏管控。

(2) 数据实时动态模拟。数字孪生特性在于可以实现物理实体对象和数字世界模型对象之间的映射,包括模型、行为逻辑、业务流程以及参数调整所致的状态变化等。可视化价值在于能够超精细还原真实世界场景纹理细节,对数据进行多维度分析,同时可以快速地将实时数据转化为动态图形信息,为指挥决策提供直观的数据分析,整体实现数字世界对物理实体的状态和行为的精准表达、动态模拟和全面呈现。

(3) 专家知识智能可视。专家知识可为数字孪生提供智能内核,支撑正向智能推理和反向溯因分析。可视化价值在于能够快速将分散的海量多样专家知识数据进行智能关联和分析挖掘,并将全量数据归一为业务人员理解熟悉的语言和图形,最大化还原数据的本质,形象展示知识资源及其载体间的相互联系,可实时进行关系挖掘、路径推演、全文检索、时空分析等操作,再辅以强大灵活的交互功能,为流域防汛抗旱、水资源调配等业务应用提供智能可视支撑。

3 关键技术

3.1 数据可视化

3.1.1 关系类

以可视化图表的形式展示数据,以简单的形式挖掘数据的深层价值,帮助用户实现管理和运营的智能化,让用户能够快速、准确地理解所要表达的信息,从而提高管理效率[12]。

3.1.2 三维类

(1) BIM。BIM(Building Information Modeling)是对水利工程等建设项目设施实体与功能特性的数字化表达,可整合水利工程全生命周期各环节的数据、过程和资源,完整描述工程对象。BIM工程数据源单一,可解决数据一致性问题,支持工程全生命周期中信息的动态创建、管理和全局共享,支持项目多方协同及施工过程可视化模拟[13-14]。

(2) 倾斜摄影建模。倾斜摄影测量技术能以大范围、高精度、高清晰度的方式全面感知诸如水库等复杂地理环境,能让用户从多个角度观察地物,更加真实地反映地理环境的实际情况,极大地弥补了二维影像应用的不足。同时,基于倾斜摄影三维模型可进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等多种量测分析,在实际应用中具有极大的优势[15]。

3.1.3 知识类

知识是人类对于客观世界的认知,包括事实、信息描述或教育实践中获得结果的综合。知识图谱可以集成大量的数据及其之间的关系,通过有效的加工、整合和处理,将其转化为易于计算和理解的语义知识库,可用于描述客观世界中的概念及相互关系[16]。

传统的数据可视化侧重于数据结果的展示和筛选,在设计上更多强调数据信息与图像、色彩的信息传达,较少涉及数据关系的干预。知识图谱的可视化则更侧重于数据关系构建和处理过程的可视化,通过知识图谱可视化,独立的数据就变成可描述的知识语意,用户通过语义联系可以洞察到不同的现象,分析得出不同的结论。

3.2 仿真引擎

3.2.1 Unreal Engine

Unreal Engine虚幻引擎是一款专业制作3D游戏的开发引擎,自诞生至今,历经不断发展和沉淀,已成为游戏界运用范围广、精确度高、交互性好的一款引擎。该引擎支持DirectX 11渲染,拥有延迟着色、GPU 粒子模拟、全新地形和植被、后期效果处理、模拟与沉浸式视角等一系列全新特性,渲染效果强大,支持百亿面的实时渲染与全动态全局光照,可以打造精致丰富的场景细节,大大增强了三维场景的视觉观感,为用户提供极致的沉浸式漫游体验[17]。适合大型游戏项目,更适合三维虚拟地理空间的大场景漫游。

3.2.2 Cesium

Cesium是一款基于JavaScript的地图绘制引擎,使用WebGL来进行硬件加速图形,可在绝大多数支持WebGL的浏览器上运行。支持2D,2.5D,3D形式的地图数据展示,可绘制各种几何图形,高亮区域。支持影像数据、地形数据、矢量数据及三维模型数据的可视化展示;支持基于时间轴的动态流式数据展示,可用于动态数据可视化。在空间分析方面,可实现剖面分析、飞行路线模拟、可视域分析、淹没分析等功能。

3.2.3 Cesium for Unreal

针对虚幻引擎搭建的数字场景空间分析能力较弱,三维GIS搭建的数字场景表现能力不足的问题,Cesium与Unreal Engine跨界融合,开发了Cesium for Unreal插件。Cesium for Unreal将Cesium的三维地理空间功能与Unreal Engine虚幻引擎的高保真渲染功能结合起来,为游戏引擎打开了三维地理空间生态系统的大门,带来强大的视觉冲击力和应用价值[18]。

4 应用实践

4.1 大屏可视

采用轻量级的图表框架ECharts,融合防汛、灌区、供水、河湖、水资源管理等数据,实现物联感知网全域覆盖,综合态势一屏掌握,可满足水利数据可视化大屏展示的需求。图1为基于ECharts实现的水利数据大屏可视化。

图1 基于ECharts的水利数据大屏可视化

4.2 BIM应用

通过应用BIM技术,可将工程所有的视图、剖面、3D图连接在一起,提高设计者对空间的把控能力,减少设计错误的可能性。通过对工程施工状态进行三维可视化展示,结合施工进度进行多维度施工模拟,对整个施工流程进行深入的分析理解与应用。图2为基于BIM技术建立的水厂仿真模型。

图2 基于BIM技术建立的水厂仿真模型

4.3 三维仿真

基于Cesium for Unreal插件在UE4虚幻引擎中将水库及周边地形地貌以电子沙盘的形式呈现出来。图3为加载的倾斜摄影实景三维水库模型。

图3 基于UE4加载的倾斜摄影模型

4.4 淹没分析

通过模拟水面随时间的变化调整水面高度,从而实现动态洪水淹没分析。图4为基于Cesium的洪水淹没分析。

图4 基于Cesium的洪水淹没分析

4.5 知识图谱

通过进一步梳理调度规则、专家经验等知识,构建水利综合知识图谱,可为水利工程安全运行、防洪调度和水资源优化配置等提供辅助决策支持。

5 结 语

可视化是数字孪生落地应用的关键之一,其融合了多种技术手段,能够为数字孪生提供直观的数据或场景表达,降低对孪生实体管理的复杂度。随着可视化领域的不断发展,数据呈现方式的不断增加,表现方法也在不断变化,如何通过数字孪生可视化将用户对业务态势的研判路径缩至最短,节省数据管理成本,提高场景管理效率,呈现最具价值的可视化效果将是下一步研究的重点。