水利数字孪生平台三维模拟仿真技术研究与应用

张力 张航 刘成堃 祝宪章

摘要：

三维模拟仿真技术是水利数字孪生平台建设的重要基础，为水利要素及水利治理管理过程的数字化映射、智能化模拟提供关键支撑。为进一步驱动各类水利模型的协同高效运算，推进对流域和水利工程管理活动的智慧化模拟，需对水利三维模拟仿真的流程框架和关键技术进行研究和应用。其中，基于IFC、CityGML等标准，将多种主流BIM平台数据模型与水利GIS场景数据进行深度对接融合，并实现融合数据与不同尺度数字化场景的关联映射，构建形成GIS+BIM多源融合、多维度、多尺度的水利数字孪生场景。基于基础空间分析功能，进一步接入水利专业模型，实现各种定制水利业务的三维模拟仿真，并结合云渲染技术提升三维可视化的保真度和质量。研究成果初步形成了水利数字孪生三维模拟仿真全链条解决方案，并通过多个数字孪生项目实例展示了其应用效果。结果表明，所提出的水利三维模拟仿真技术能够为智慧水利建设提供有力支撑与技术驱动。

关 键 词：

数字孪生； 模拟仿真； 三维可视化； 智慧水利； GIS； 流域管理

中图法分类号： P208

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.002

0 引 言

自中国“十四五”规划纲要发布以来，构建智慧水利体系已成为水利行业的主要任务之一。数字孪生技术充分利用物理模型、传感器更新、运行历史数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中反映相对应实体装备的全生命周期过程［1］。数字孪生技术实现了物理空间与数字空间的实时双向同步映射和虚实交互，成为智慧水利体系构建的重要技术手段。《“十四五”智慧水利建设规划》明确了数字孪生流域的建设任务，其主要内容就是构建由数据底板、模型平台和知识平台组成的水利数字孪生平台［2］。其中，模型平台不仅要建设水利专业模型、智能模型和可视化模型，还要求建设包括模型管理、场景配置、仿真设计等功能的数字模拟仿真引擎，从而实现对各项水利业务的同步模拟仿真运行。改进和完善数字孪生仿真引擎，打造专用的水利数字孪生三维模拟仿真技术体系，对于进一步驱动各类水利模型的协同高效运算，推进对流域和水利工程治理管理活动的智慧化模拟，以及智慧水利体系的构建都至关重要。

数字孪生平台是实现数字化转型和数字经济发展的重要技术手段，模拟仿真引擎作为其模型平台的主要构成部分，已经在交通［3］、电力［4］、智慧城市［5］等诸多行业领域中得到了广泛应用和高速发展。在水利行业中，模拟仿真引擎以及三维可视化技术被用来对流域和水利工程中各涉水要素进行虚拟仿真模拟，从而为水资源调度、工程安全监测、防汛抗旱、水生态保护等提供高效且准确的分析和决策支持。黄艳［6］阐述了数字孪生长江建设的总体架构，利用模拟仿真技术在数字孪生长江建设成果中实现了洪水预报、预警、预演、预案以及工程智能调度全过程模拟。周超等［7］构建了水利业务问题与决策流程的数字孪生建模平台，对长江流域的水工程预报调度业务体系进行了模拟运行。喻杉等［8］研究了流域全要素建模、高保真高性能渲染、地形数据加工处理等模拟仿真关键技术，通过这些关键技术在全域、全过程实时准确再现流域物理世界中各要素之间的关系，从而实现流域水流、信息流、业务流、价值流的全过程实时镜像。杜壮壮等［9］通过融合智能预测和可视化管理，建立起了一种面向河道工程管理的数字孪生可视化智能管理平台。

总体而言，目前三维模拟仿真技术在水利行业中的应用仍处于初级阶段，与其他行业相比其成熟度和专用程度还有一定的差距。现有的水利数字孪生平台三维模拟仿真应用在面对新时代智慧水利体系建设的需求时，在水利数据集成、发布、分析、可视等核心环节中仍存在诸多不足，主要可以归纳为以下几点：

（1） 在数据接入与集成方面，多元数据融合以及迭代更新能力不足，数据冗余度高，对水利业务分析和决策的实时性和时效性造成了影响；

（2） 在数据存储与发布方面，海量三维数据的存储、管理和应用给平台的运行效率带来了极大的挑战；

（3） 在数据模拟与分析方面，对水利业务中涉水要素空间分析和专业建模模块的集成不够深入，模拟仿真以及智慧应用水平亟待提升；

（4） 在数据可视与应用方面，缺乏高性能的云渲染可视化，三维数字孪生场景保真度不足。

基于以上问题，本文对水利数字孪生平台三维模拟仿真的可视化模型需求和仿真功能需求进行分析，并对模拟仿真技术框架和功能模块进行详细设计，深入研究三维模拟仿真诸项关键技术，最后通过多项应用实例展示了基于该技术的实际应用效果。

1 水利数字孪生三维模拟仿真的需求与技术框架

1.1 三维模拟仿真的可视化模型需求

可视化模型是实现三维模拟仿真的重要模型支撑，为模拟仿真提供实时渲染和可视化呈现。水利三维模拟仿真所需的可视化模型应包括水利工程周边的自然背景（如不同季节白天黑夜、不同量级风雨雪雾、日照变化、光影、水体等背景）可视化渲染模型，库区流场动态可视化拟态模型，水利工程监测与安全运行模型，库区典型地质灾害体形变模型等，能夠基于真实数据，实现对水利枢纽、库区的真实可视化仿真模拟。

1.1.1 三维实体可视化

（1） 具有流域级仿真能力。通过对接上级系统，调用流域数据，对水利工程附近水域乃至整个流域的实时状态进行大场景可视化展示，满足在防洪、水资源调度运用等方面的需求。

（2） 具有无缝融合的细节表现能力。可视化模型既可以渲染宏大开阔的流域场景，又可以展示设备零部件的局部细节，而所有级别的要素均应可在同一个场景下进行表现，即整个工程仅包含一个数字孪生环境，所有的模拟仿真均在这一个环境下进行。通过运用多层次实时渲染技术，实现流域全貌大场景到设备细节的无缝融合渲染。

（3） 具有真实感的水体表现能力。构建多数据因子联合驱动的水体可视化模型，精确控制水体关键位置的流速、流向、水位、色彩、透明度等属性，并构建相应的逼真渲染算法，可实现数据驱动的逼真水体渲染。

（4） 具有物理特性的材质模型。构建基于物理的材质着色模型，对水利工程等物理实体，根据其几何、颜色、纹理、材质等本体属性，以及光照、温度、湿度等环境属性，进行光照计算，模拟出物体的视觉特征。

1.1.2 抽象信息可视化

对实体属性、概要信息等抽象数据，应根据其数据特点，实现直观数据可视化，应支持点、线、面等基础矢量元素可视化，动态图标、动态流场线等动态效果可视化。

1.1.3 业务场景可视化

针对业务应用场景，实现相应的可视化仿真。例如，针对库区安全场景，根据监测数据及相关数学模型计算结果，实现滑坡体变形等过程的模拟仿真；针对水质安全场景，根据水质模型计算结果，实现不同来水条件下库区水质变化仿真等；针对工程安全场景，根据大坝安全分析计算结果，实现不同工况下大坝变形仿真等。

1.2 三维模拟仿真的应用功能需求

水利三维模拟仿真应用应以数字化场景、智慧化模拟和精准化决策为路径，为“四预”专业功能提供实时渲染和可视化呈现支撑，为物理流域、各项水利工程等提供多维度、多时空尺度的高保真数字化映射，提供实时的交互响应、低延迟且稳定的图像质量和逼真的场景效果。

“四预”仿真应以“四预”专业分析结果为基础，分别从宏观、中观和微观三个层面支撑动态数字模拟仿真。宏观层面主要对流域天气、雨情等预报信息进行模拟仿真支撑，中观层面主要对蓄滞洪区和水库的拦蓄水、泄洪等进行模拟仿真支撑，微观层面主要对大坝内部结构以及水利水电设施运行进行动态模拟仿真支撑。

因此，水利三维模拟仿真应结合“四预”业务的具体需求，基于不同的应用场景不断完善仿真模拟支撑功能，包括针对洪水调度模型的时间过程模拟仿真，针对事故推演的“情景-应对”模拟仿真，针对提升场景真实感的环境天气模拟仿真等。

在三维模拟仿真应用中，应实现三维实体的可视化渲染、应用场景可视化渲染以及业务数据可视化渲染。其中，三维实体的可视化渲染即根据物理实体的几何、颜色、纹理、材质等本体属性，以及光照、温度、湿度等环境属性，实现实体的三维可视化渲染;应用场景可视化渲染根据应用需求、场景范围等条件，呈现具体场景渲染效果，主要包括超大场景动态缩放和加载渲染、自然现象的效果渲染等，其中动态缩放加载渲染可以根据距离加载不同层级的场景，以控制整体的渲染效果，每个场景区域可以独立动态加载；业务数据可视化渲染则以三维空间网格模型为数字底座，根据应用场景和业务数据特定属性，将业务数据定位、叠加在统一的三维空间之中，对管理对象的各种属性信息、业务状态信息进行多维集成显示。

1.3 三维模拟仿真总体技术框架

水利三维模拟仿真技术应为水利业务提供数据集成、发布、分析、可视全链条支撑框架，以实现三维实体—应用场景—业务数据多个维度的可视化模擬呈现，技术框架如图1所示。

水利模拟仿真技术框架以基础数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据等多源异构数据为数据资源，融合和形成数字孪生场景；通过分布式存储技术解决海量三维数据的存储管理问题，并以服务形式进行高效发布与调用；实时接入包括空间分析和仿真服务在内的模型平台来为数字孪生应用提供算法支撑；最后通过云渲染技术实现高保真数字孪生场景的离屏渲染与像素流送，并利用多平台高性能数字孪生引擎实现统一数字孪生场景在多端上的呈现与展示。

2 水利三维模拟仿真关键技术

水利数字孪生建设主要完成数字孪生流域和物理流域在数字空间的映射，通过数字孪生模拟仿真应用和信息基础设施实现与物理流域的同步仿真运行、虚实交互、迭代优化［2］。该过程涉及水利信息的集成、发布、分析、可视全链条技术体系。本文针对水利信息时空范围跨度大、数据量大、内容复杂、模拟困难等特点，重点突破水利三维模拟仿真技术在多元数据融合与轻量化、数据分布式存储与高效服务发布、空间分析与专业模型接入、云渲染高保真数字孪生场景可视化等方面的技术难点，为水利数字孪生应用提供坚实的底层技术支撑。

2.1 GIS+BIM多元数据融合与轻量化

数字化场景是数字孪生应用的基础，水利数字化场景以自然地理、干支流水系、水利工程、经济社会信息等多元数据为主要内容，对物理流域进行全要素数字化映射。水利数字化场景按照地理空间数据精度被分为L1、L2、L3三级［2］，其中，L1、L2级主要表达宏观、中观尺度数字孪生流域信息，以遥感影像、地形、矢量、倾斜摄影等GIS数据为主;L3级主要表达微观尺度的数字孪生工程信息，以水利工程模型数据、水利工程设计图等BIM数据为主。因此，在水利模拟仿真应用中，为实现大范围水利数字化场景的构建与调用，需要解决跨尺度多元GIS与BIM数据的深度融合以及流域海量数据的轻量化集成等核心问题。

2.1.1 GIS+BIM多元数据融合

水利数字孪生建设以宏观GIS地理空间数据为基础，根据业务需要接入设计数据、监测数据、业务管理数据、跨行业共享数据等微观BIM数据，构成数据底板，融合形成数字化场景。为实现GIS、BIM从底层数据模型到整体功能架构的有机结合，在模拟仿真场景构建时，使用面向GIS场景转换BIM模型的模式，完成Revit、3DE、Bentley等主流BIM平台数据模型与水利GIS场景的融合，具体如图2所示。

在BIM向GIS场景转换融合过程中，GIS、BIM、水利水电工程业务信息基于统一的数据定义，实现从地理场景—空间实体—业务等不同的维度数据整合。针对不同BIM模型，可采用传统基于数据交换格式进行转换，也可以基于主流BIM平台二次开发插件，进行BIM平台与GIS平台的数据直接对接，实现BIM图元信息和属性信息的抽取。

空间信息融合是对BIM平台中的参数化模型进行几何、纹理、材质抽取，并记录和重构BIM模型中的唯一标识符、模型层次结构、共享关系，实现BIM模型向GIS场景模型的转换。属性信息融合则根据各BIM交换格式的属性数据标准，提取不同实体对象、不同阶段、不同模型层次等的属性信息，并通过属性的唯一标识符与图元信息进行关联，从而完成BIM模型向GIS场景的转换，完成时间、空间、业务维度等多维度信息集成。

2.1.2 GIS+BIM模型轻量化

水利数字化场景既包含时空范围跨度大、海量规模的GIS模型，又涉及细节精细、结构复杂的BIM模型，在进行场景搭建与集成时需要解决模型轻量化问题，以实现海量数据资源的高效调用。模拟仿真场景中参考CityGML标准［10］对模型进行层次细节（Levels of Detail，LOD）划分，实现GIS+BIM模型与不同尺度数字化场景的关联映射，满足大范围、高精细度数字场景应用需求（见图3）。

CityGML通过LOD0到LOD4五个层次对三维场景进行表达。对于BIM建筑模型，除了描述地形的LOD0外，其它层级可分别与CityGML建立对应关系，并从BIM模型中抽取和过滤对应的部件信息，实现模型关联转换。LOD1对建筑物对象进行简单的几何体量建模，可从BIM中抽取不带纹理的建筑外壳，对应BIM的LOD100的概念化模型；LOD2在LOD1的基础上添加详细的墙体和屋顶信息，赋予其纹理等元素，对应BIM的LOD200初设阶段模型；LOD3对LOD2进行更深层次的精细化补充，包括建筑物的附属结构和附属设施，对应BIM中简化的LOD300细部设计阶段模型；LOD4增加了对室内空间的详细描述，与最终交付的LOD400或LOD500完整BIM模型对应。

在GIS、BIM模型信息的抽取和分层后，利用模型几何简化和纹理压缩方法对各级LOD模型进行简化处理，并进一步构建场景根节点，生成各级LOD模型分页调度逻辑，完成水利GIS+BIM场景轻量化集成。

2.2 三维数据分布式存储与高效服务

为实现水利数字孪生应用中物理流域与数字流域之间的动态、实时信息交互，保持两者的同步性、孪生性，三维模拟仿真利用三维数据分布式存储与服务机制，将应用层与数据资源层相互分离，以满足三维场景数据的高效接入、动态调用、修改、更新等业务需求。

2.2.1 模型共享与分布式存储

水利数字化场景中，大量模型部件被重复使用，笔者采用模型共享的方式，通过树形层级关系的解析将共享部件的旋转、平移、缩放信息抽离，重新组织矩阵变换的连接关系。重建后的层级关系消除了同类部件的重复存储，通过从根节至模型部件的矩阵运算还原出部件对象的空间坐标，以减轻模型的存储、传输、渲染和显示压力。同时，对共享模型对象进行分布式存储与调用，提升后续数据服务的并发能力与安全性（见图4）。

2.2.2 三维数据服务发布

水利三维数据的服务发布为水利数字孪生平台的三维模拟仿真提供灵活、可动态更新、可配置修改的数字底板服务支持。在实现GIS+BIM数据集成融合与分布式存储的基础上，将GIS、BIM、水利业务等相关信息，基于统一框架进行数据服务发布与接入，如图5所示。

三维数据服务的构建分为数据、模型、服务、应用四个层次，其中，数据层包括分布式存储的元数据、专题数据、三维地形、三维模型数据、BIM数据、水利业务数据等；模型层包括面向GIS数据标准的GML、CityGML数据，针对BIM应用的GeoBIM数据，以及水利业务专题数据；服务层涵盖OGC元数据服务、网络地图服务（WMS）、网络要素服务（WFS）、网络覆盖服务（WCS）、BIM数据服务、水利数据服务等；应用层以GIS的集成管理为基础，提供服务发现、数据存储、读取、分析、应用、可视化等功能，并在此基础上构建水利信息服务能力。三维模拟仿真应用中，通过对上述数据服务的按需空间索引、实时加载与释放，实现海量数据高效调用。

2.3 空间分析與专业模型模拟仿真

水利数字孪生模拟仿真应具备多样化的空间分析与专业模型模拟仿真能力，从而支撑各类专业应用，包括：三维基础空间分析、专业模型接入、业务仿真服务定制，如图6所示。

在基础三维空间分析方面，模拟仿真过程充分融入GIS在空间分析领域的优势，提供基于三维场景的通用三维分析工具，为各种业务场景提供空间分析算法支撑，主要包括：通视分析、可视域分析、剖面分析、缓冲区分析、方量分析、日照分析、坡度坡向分析、淹没分析等。这些三维分析工具功能相互独立，耦合性较低，用户可针对业务场景的分析需求进行工具的自由组合，挖掘数据内在的信息与价值。

在业务仿真服务定制方面，针对水工程调度、监测检测、工程管理等领域的业务特点，定制了常用的三维可视化方法并进行封装，实现专业计算结果的模拟、推演与动态三维可视化展示。主要包括：监测检测预警，实现监测检测预警可视化、预警状态动态联动更新等功能；变形仿真，实现变形位置点获取与整备、变形动态模拟仿真；淹没仿真，实现水文站点间基于河道比降的高程插值，叠加高精度地形获取淹没范围并计算淹没损失；原因量效应量仿真，完成原因量效应量数据获取与整备、原因量效应量模拟仿真等。

2.4 云渲染高保真数字孪生应用

随着渲染技术的快速发展，三维可视化效果越来越“真实”，对资源的消耗也将增加，若将所有渲染都放在客户端，将会造成硬件资源的浪费。云渲染技术将原本在单机上进行的三维图形渲染过程转移到由多台渲染节点构成的强大集群体系的服务器端（云端），由此实现多任务同时加速渲染，效率更高，质量更佳，能让客户终端功能更加便捷简化，从而解放本地资源。用户终端只需要发送请求，然后等待实时渲染结果返回即可，除了必备的网络互联和承接图形渲染绘制结果的显示功能外，用户终端就等同于获得了强大的图形处理能力。

水利数字孪生仿真应用中基于云渲染技术，以像素流送的方式为任意终端提供高保真、高质量的三维应用服务，通过接入云渲染平台生成的URL链接，即可便捷获取高精度、强交互、高沉浸感的数字孪生体验。数字孪生模拟仿真云渲染技术方案如图8所示，该技术既实现了将复杂渲染逻辑从客户端抽离，降低了用户终端的性能要求，扩展了数字孪生应用的适用场景，又实现了服务与应用终端相互隔离，保障了数据的安全性。

水利数字孪生模拟仿真云渲染方案包含三维场景服务、云渲染服务、用户终端三个组成部分。用户终端借助高速互联网接入访问资源，指令从用户终端发出，云渲染服务器根据指令获取对应的三维场景要素，并调用GPU渲染服务集群执行对应的渲染任务，最终将渲染结果以像素流的形式实时推送到用户终端，满足各类用户跨终端、可交互、超高清、沉浸式的访问需求。

3 应用实例

3.1 GIS+BIM多元数据融合与轻量化——深圳“公清连通”工程数字孪生

基于水利数字孪生GIS+BIM多元数据融合与轻量化技术，可针对工程的规划、设计、施工、运维等各阶段GIS与BIM数据成果快速搭建形成数字孪生场景，并提供数据融合、方案比选分析、施工进度模拟、属性挂接与更新等实用功能，支撑水利工程的全生命期应用。以深圳“公清连通”工程为例，该工程连通公明水库、清林径水库和东深供水工程，通过东江、西江水源联合调配，增强深圳市应急供水保障能力，提高深圳市生活和工业供水保证率，实现龙岗区双水源的要求，并为向香港应急供水创造条件。

在项目实施过程中，基于水利数字孪生模拟仿真技术体系搭建了“公清勘察设计信息化系统”，以贯穿工程全生命期的GIS与BIM数据为核心开展数据融合、轻量化与业务应用，为工程全生命期提供支撑。

在规划阶段，除了提供数字孪生场景作为规划的底图外，系统还可基于空间分析功能，针对不同方案穿越的土地规划、道路、环境敏感区进行叠加分析，并进一步结合工程量等信息进行方案比选，如图9所示。

在设计阶段，可快速接入工程设计成果的BIM模型，并与周边区域的实景三维数据进行叠加和无缝镶嵌融合，从而直观呈现工程建成前后的效果，见图10。

在施工阶段，可沿着工程线路走向对三维地质模型进行剖切，直观呈现岩层稳定性分布、断裂带、与交叉建筑物关系等，并提供BIM模型的部件信息查询和单独查看等功能，为工程施工涉及的复杂地质状况提供支持。

在运维阶段，可针对不同工况下的供水规模、水流走向、流量等信息进行直观呈现，并可在阀室、工作井等重点BIM模型部件上挂接维修保养的属性信息，辅助工程的运维管理。

3.2 三维数据分布式存储与高效服务——汉江流域数字孪生

在流域尺度的水利数字孪生应用中，涉及大范围海量的水利信息接入与调用需求。基于数据分布式存储与服务动态接入技术，孪生场景中可按需高效请求、加载、释放数据资源，在保证模拟仿真效果的前提下，最大化提升应用效率，让大尺度、高质量数字孪生应用成为可能。以汉江流域数字孪生系统为例，该系统围绕汉江流域防洪调度和水量调度需求，支撑水旱灾害防御、水量调度的预报、预警、预演、预案“四预”功能，赋能汉江流域防洪和供水调度。

汉江流域数字孪生既涵盖整个流域的宏观业务场景，同时也包括微观工程级别精细化管理业务，其中涉及18个枢纽工程、7座引调水工程、14个分蓄洪民垸、1个蓄滞洪区、19个堤防控制站、19个供水控制断面等。大范围高精度的数据资源为汉江流域数字孪生建设带来了极大挑战，系统基于数据服务高效接入与动态调用技术，实现汉江从流域到工程的多尺度海量数据管理与应用。

在宏观尺度，系统接入全球尺度的地形、影像、矢量等基础地理数据服务，同时可动态载入汉江流域防洪推演、供水调度等实测输入数据、模型分析服务数据等，为汉江流域数字孪生提供大尺度数据实时映射能力，如图11所示。

在中观尺度，系统接入河道断面分析推演结果，在三维场景中动态模拟仿真河流水位、淹没情况等内容，利用高精度空间坐标参考与三维信息动态接入能力，实现数字化場景精确反演，如图12所示。

在微观尺度，系统可按需动态请求并加载水工建筑物、仪器设备等精细模型数据，为水利工程数字化场景提供支持，可逼真呈现各重要工程概况、设施设备运行状态等，细粒度可视化模拟水利枢纽生产管理过程，如图13所示。

3.3 空间分析与专业模型模拟仿真——南水北调中线水源工程数字孪生

南水北调中线水源工程是国家水网体系中骨干调水工程的重点水源工程。在兼顾水源区和受水区社会经济可持续发展的条件下，基于新一代信息技术构建中线水源工程智慧调控方法，提高水源地水安全保障能力，对于推动国家水网建设、缓解水资源供需矛盾、保证“一江清水送北京”具有重要的意义。南水北调中线水源工程数字孪生的业务应用包括工程安全智能分析及预警、供水安全智能分析决策、水质安全智能分析管理、库区安全综合管理、会商预演决策等多个子系统。

为提升水源工程的安全保障能力，系统充分利用水利数字孪生空间分析与专业模型模拟仿真技术，集成大坝安全有限元分析、水质模拟分析等结果，实现安全预警与三维可视化推演。

在大坝安全的有限元分析方面，系统可以快速接入混凝土坝有限元结构仿真分析模型，实现水压、温度、渗流等一系列主要因素影响下的大坝温度场、渗流场、变形及应力场等关键物理场时空分布特性的大坝性态动态分析，精确模拟土石坝分层填筑过程、蓄水过程，有效模拟土石坝与混凝土重力坝之间的接触滑移及脱开过程，并以体素网格、三维云图等方式进行直观呈现。

在库区水质推演分析方面，可快速集成二、三维水动力水质模型计算结果，结合水下地形、水文水质监测数据，实现水库与入库河流水体水质（氮磷等污染物和锑等重金属）的预测、水体突发污染扩散过程的动态模拟推演，支撑水质预测预警、污染源清单管理、突发污染事故快速模拟等业务应用，为实现丹江口水环境“四预”提供模型支持。

3.4 云渲染高保真数字孪生应用——引江补汉数字孪生

水利数字孪生模拟仿真应用中为实现与现实物理流域、工程的精准映射与逼真模拟，在高保真精细化孪生场景的表达方面提供了大量底层支撑。在高精度地形、影像、矢量等数据基础上，可进一步精细化呈现枢纽模型、建筑物、设施设备、道路、交通载具、树木、花草、水体等数据，为数字孪生应用提供逼真、精细可视化场景支持。同时，以云渲染的方式为任意终端提供高保真、高质量、强交互、高沉浸感的数字孪生体验，扩展了数字孪生应用的适用场景。

图14展示了以引江补汉数字孪生系统。该系统主要完成引江补汉勘察设计成果的数字化管理，实现工程数字化展示、分析与应用。工程线路全长194.8 km，工程信息模型涉及地形（测绘）、地质、水工、建筑、机电、金属结构、安全监测等多个专业，模型结构精细、工程范围大、场景复杂。系统提供引江补汉数字孪生工程的精细化场景支持，包括根据设计图纸对工程建成后效果的逼真模拟，如图14（b）为引江补汉出水口建成后三维场景以及各场景要素的真实纹理、材质、光照模拟呈现；同时，在场景中也实现了工程区域从地表到内部结构的精细表达，如图14（c）、（d）所示。

系统除了对精细场景显示效果方面的模拟之外，在环境、大气、光影、声音、物理模拟等方面也提供支撑。例如模拟雨雪等天气情况，包括刮风、打雷等光影声效（图（e））；模拟精细植被效果，包括风吹草动等效果（图（f））；模拟体积水、船舶、游泳、浮力等物理效果，为物理流域在数字空间中的真实还原和精细化映射提供坚实基础。

4 结 语

水利数字孪生三维模拟仿真技术是智慧水利建设的重要基础，是水利数字化、网络化、智能化的核心支撑。本文围绕水利数字孪生建设具体需求，从水利信息的集成、发布、分析、可视等全链条技术体系出发，对孪生平台模拟仿真整体框架和技术路线进行详细设计；在此基础上，深入探索和研究了三维模拟仿真过程中GIS+BIM多元数据融合与轻量化、三维数据分布式存储与高效服务、空间分析与专业模型模拟仿真、云渲染高保真数字孪生应用等关键技术问题，形成了水利数字孪生模拟仿真全链条技术方案;并选取深圳公清连通工程、汉江流域、南水北调中线水源工程、引江补汉工程等数字孪生项目作为典型示例，展示了水利三维模拟仿真技术在GIS+BIM全生命期管理、多尺度流域管理、专业模型推演分析、精细化场景表达等方面取得的应用成效。

在后续研究中，将进一步深化可视化仿真技术对水利数字孪生应用的支撑能力，通过规范和约束三维可视化渲染与专业模型模拟推演过程的嵌入与整合逻辑，从现阶段以扩展和定制为主的专业模型库、知识库接入模式，逐步转换为标准化、流程化的底层嵌入模式，完成水利模型平台与知识平台在数字孪生应用中的协同高效运算与深度共享，不断提升三维模拟仿真技术在智慧水利应用中的普适性，最终实现在不同水利數字孪生建设中的深入应用。

参考文献：

［1］ 黄艳，喻杉，罗斌，等.面向流域水工程防灾联合智能调度的数字孪生长江探索［J］.水利学报，2022，53（3）：253-269.

［2］ 水利部网络安全与信息化领导小组办公室.“十四五”智慧水利建设规划（水信息（2021）323号）［Z］.北京：水利部网络安全与信息化领导小组办公室，2021.

［3］ 郑伟皓，周星宇，吴虹坪，等.基于三维GIS技术的公路交通数字孪生系统［J］.计算机集成制造系统，2020，26（1）：28-39.

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［5］ 王成山，董博，于浩.智慧城市综合能源系统数字孪生技术及应用［J］.中国电机工程学报，2021，41（5）：1597-1608.

［6］ 黄艳.数字孪生长江建设关键技术与试点初探［J］.中国防汛抗旱，2022，32（2）：16-26.

［7］ 周超，唐海华，李琪，等.水利业务数字孪生建模平台技术与应用［J］.人民长江，2022，53（2）：203-208.

［8］ 喻杉，黄艳，王学敏，等.长江流域水工程智能调度平台建设探讨［J］.人民长江，2022，53（2）：189-197.

［9］ 杜壮壮，高勇，万建忠，等.基于数字孪生技术的河道工程智能管理方法［J］.中国水利，2020（12）：60-62.

［10］ CONSORTIUM O G.City Geography Markup Language（CityGML） Encoding Standard［Z］.version：2.0.0，2012.

（编辑：郑 毅）

Abstract：

3D simulation technology is an important basis for the construction of water conservancy digital twins and can provide a key support for digital mapping and intelligent simulation of water conservancy elements and management processes.In order to further drive the collaborative and efficient operation of various water conservancy models and promote the intelligent simulation of basin management activities，we study and apply the process framework and key technologies of water conservancy 3D simulation.Among them，on the basis of IFC，CityGML and other standards，multiple mainstream BIM platform data models and GIS scene data are deeply interconnected and fused，and the correlation mapping between the real world and digital scenes at different scales is realized，constructing a multi-source integration，multi-dimensional and multi-scale water conservancy digital twins scene.In view of the basic spatial analysis function and the water conservancy professional model，the three-dimensional simulation of various customized water conservancy applications is realized，and the effect and quality of three-dimensional visualization are improved by combining cloud rendering technology.The research has initially formed a full-chain solution for the water conservancy digital twin simulation，and several practical digital twin projects have also demonstrated the effectiveness of this research.The results show that the water conservancy digital twin simulation technology proposed in this paper can provide effective support and technology drive for intelligent water conservancy construction.

Key words：

digital twins；simulation；3D visualization；smart water conservancy；GIS；basin management