数字地理可视化技术在数字孪生流域建设中的作用探讨

俞志强，俞 瑾

（淮河水利委员会治淮工程建设管理局，安徽 蚌埠 233001）

0 引言

随着信息技术的迅速发展和智能化时代的到来，数字孪生技术成为了工业互联网和智慧城市等领域中的重要支撑技术。数字孪生技术通过数字化的方式对现实世界进行建模，为实际物理系统提供虚拟的“孪生兄弟”，以实现实时监测、仿真模拟、优化设计等应用。数字孪生技术在不同领域的应用已经得到了广泛的关注和应用，特别是在流域管理领域的应用，成为数字孪生技术的重要应用之一。

数字孪生流域建设是数字孪生技术在流域管理领域的应用，其目的是通过数字孪生模型对流域进行建模，实现流域内水文、水资源、生态环境等多要素的全面监测、仿真模拟和管理决策支持。数字孪生流域建设可以提高流域管理效率、降低管理成本、减少环境污染、保护生态环境，对于实现可持续发展具有重要的意义。

1 数字孪生技术、数字地理可视化技术及其背景

1.1 数字孪生技术概述

数字孪生技术是指通过数字化手段构建物理实体的虚拟模型，并通过对实体和模型之间的实时交互，实现物理实体和虚拟模型的同步运行和协同决策的技术。数字孪生技术的基本原理是将物理实体的信息采集、处理和存储，并通过计算机技术对其进行数字化建模，形成与物理实体完全一致的虚拟模型。然后通过传感器和其他装置将虚拟模型与物理实体进行连接，实现信息的实时交互和同步更新。数字孪生技术广泛应用于制造、建筑、交通等领域，并在数字孪生城市、数字孪生流域等方面取得了广泛应用。

1.2 数字地理可视化技术概述

数字地理可视化技术是指通过计算机技术对地理信息进行可视化表达和呈现的技术。它将复杂的地理信息以图形化的方式呈现出来，便于人们对地理信息进行分析和理解。数字地理可视化技术主要包括地图制作、三维可视化、虚拟现实、增强现实等技术，其中地图制作是数字地理可视化技术的基础。数字地理可视化技术已广泛应用于地理信息系统、城市规划、环境保护等领域，并在数字孪生城市、数字孪生流域等方面得到了广泛应用。

1.3 数字孪生流域建设背景

数字孪生流域建设是指通过数字孪生技术，对流域进行数字化建模，并通过数字地理可视化技术将流域信息以可视化的方式呈现出来，实现对流域生态环境、水文水资源等方面进行实时监测、数据分析和决策支持的技术。数字孪生流域建设的目的是为了实现流域管理的信息化、数字化和智能化，提高流域管理的效率和水平，促进流域的可持续发展。数字孪生流域建设涉及多个领域和多个部门的协同合作，具有很高的复杂性和挑战性。

2 数字地理可视化技术在数字孪生流域建设中的作用

2.1 实时监测

数字地理可视化技术在数字孪生流域建设中的第一个作用是实时监测。数字地理可视化技术可以将不同时间和空间的数据整合在一起，通过3D 地图、模型等形式实时展现流域的各项指标变化情况，包括水文、地貌、土壤等要素。这些指标可以通过传感器、遥感卫星等设备实时采集和监测，从而实现对流域的全方位、高效率监测。

2.2 数据分析和可视化

数字地理可视化技术在数字孪生流域建设中的另一个作用是数据分析和可视化。通过数字地理可视化技术可以对流域内的各项数据进行分析和可视化，以便更好地理解数据，发现数据之间的关系，以及分析数据的趋势和变化。数字地理可视化技术可以通过可视化方式展现流域中的各项数据，如土地利用情况、植被覆盖情况、气象数据等，从而提供更直观的数据展示方式。

数据分析和可视化也有助于进行多维度数据的分析。数字地理可视化技术可以同时展示空间、时间、属性等多个维度的数据，使得数据之间的联系和规律更加清晰可见。

2.3 决策支持

数字地理可视化技术在数字孪生流域建设中的第三个作用是决策支持。数字地理可视化技术可以为流域管理部门提供直观的数据支持，为管理决策提供参考。

数字地理可视化技术还可以提供多种辅助功能，如数据交互、空间查询和空间分析等，使得用户可以更加深入地了解数字孪生流域建设中的问题。

3 数字地理可视化技术的理论与方法

3.1 可视化技术的基本原理

可视化技术是指将抽象的数据转化为可视化的形式，使人们能够直观地了解数据之间的关系和规律。在数字地理可视化技术中，可视化技术的基本原理包括数据编码和图形设计两个方面。

数据编码是指将数据转化为图形元素，如点、线、面等，以便于用户观察和理解数据。

图形设计是指将数据编码后的图形元素组合成具有信息含义的图形，以便于用户理解和分析数据。

3.2 数字地理可视化技术的分类与特点

数字地理可视化技术根据不同的应用场景和目的可以分为多种类型。常见的数字地理可视化技术包括地图可视化、地球可视化、空间数据可视化、交互式可视化等。

地图可视化是数字地理可视化技术中最基本的应用方式，通过将地理信息和统计数据转化为地图形式，方便用户了解空间关系和属性特征。地图可视化的特点是具有地理信息的空间属性和统计数据的属性特征，同时也具有绘图规则、标识符号等规范化的表现方式。

地球可视化是一种以三维球体模型为基础，将地球表面的地理信息和统计数据进行可视化表达的技术。地球可视化的特点是可以进行全球范围的数据展示和比较分析，同时也具有空间交互性、漫游浏览等功能。

空间数据可视化是一种将空间数据进行可视化表达的技术，包括点、线、面、体等不同类型的空间数据。空间数据可视化的特点是具有空间属性的数据，可以通过多种编码方式和图形设计表现空间数据之间的关系和属性特征。

交互式可视化是一种允许用户通过交互手段对数据进行操作和探索的可视化方式。它能够让用户通过直观的界面和反馈机制，快速地发现数据中的规律、趋势和异常情况，帮助用户更好地理解和利用数据。

4 数字孪生流域建设的实例与分析

4.1 淮河流域王家坝至正阳关段的数字孪生流域试点

该试点利用水文模型、水力模型、水质模型等对流域内的水文气象、水资源、水环境、水灾害等进行了仿真和预测，并提供了多种决策支持功能，如洪水预报、防洪调度、水资源配置、水环境治理等。

模拟可视化实现场景可视化、工程运行可视化、模型结果可视化、工程调度可视化。

4.2 数字孪生曹娥江流域防洪应用

曹娥江流域已经建成了国内首个基于云计算平台的数字孪生系统，可以进行超前预报预警、精准调度指导等功能，有效赋能流域水旱灾害防御。“数字孪生曹娥江流域防洪应用”通过技术上的创新和突破，实现了双轮驱动，同时推动了流域治理能力的现代化。应用采用了GIS+BIM 三维大场景数字孪生数据底板，融合三维可视化技术，通过构建虚拟工程，实现与物理流域的同步仿真、虚实交互、迭代优化，对水利治理管理活动全过程进行数字化映射和智能化模拟，对流域内的各种数据进行采集、分析和可视化，如遥感影像、无人机影像、视频监控、传感器数据等，并利用人工智能等技术进行数据挖掘和智能识别，提取出流域内的各种要素信息，如河道形态、堤防状况、工程设施等。

5 数字地理可视化技术在数字孪生流域建设中面临的问题与解决方案

5.1 数据质量与数据集成

在数字孪生流域建设中，需要整合来自多个数据源的不同类型和不同格式的数据，因此数据质量和数据集成成为了数字地理可视化技术的问题之一。为了解决这一问题，可以采用数据清洗、数据预处理、数据挖掘等方法来提高数据质量，并采用数据集成、数据转换等方法来实现数据整合。

5.2 多尺度与多源数据融合

数字孪生流域建设需要处理多个尺度的数据，如不同空间分辨率的卫星影像、地理信息系统数据等，同时也需要整合来自多个数据源的数据。因此，数字地理可视化技术需要实现多尺度和多源数据融合。为了解决这一问题，可以采用分层绘制、数据融合算法等方法来处理不同尺度的数据，并采用数据转换、数据集成等方法来整合来自不同数据源的数据。

5.3 空间模型与模拟精度

数字地理可视化技术需要建立准确的空间模型，并通过模拟和预测等方法实现数字孪生流域建设的目标。因此，空间模型的准确性和模拟精度成为了数字地理可视化技术的问题之一。为了解决这一问题，可以采用高分辨率的卫星影像、精确的地形数据等方法来提高空间模型的准确性，并采用高精度的模拟算法来提高模拟精度。

5.4 可视化效果与用户体验

数字地理可视化技术需要提供良好的可视化效果和用户体验，以便用户能够更好地理解和利用数字孪生流域建设的结果。因此，可视化效果和用户体验成为了数字地理可视化技术的问题之一。为解决这一问题，可以采用交互式可视化、虚拟现实等方法来提高可视化效果和用户体验。

5.5 隐私保护与安全性

数字地理可视化技术需要处理大量的敏感数据，如个人隐私信息、企业商业机密等，因此，隐私保护和安全性成为了数字地理可视化技术的问题之一。为了解决这一问题，可以采用数据脱敏、数据加密等方法来保护隐私信息，并采用访问控制、身份认证等方法来提高安全性。

6 数字地理可视化技术构建智慧水利体系的发展前景

6.1 数字中国建设整体布局规划

《数字中国建设整体布局规划》是中共中央、国务院于2023 年2 月印发的一份规划文件，旨在推动数字中国建设，构筑国家竞争新优势的有力支撑。其中提到了建设绿色智慧的数字生态文明，推动生态环境智慧治理，加快构建智慧高效的生态环境信息化体系，运用数字技术推动山水林田湖草沙一体化保护和系统治理，完善自然资源三维立体“一张图”和国土空间基础信息平台，构建以数字孪生流域为核心的智慧水利体系。

数字中国是以网络化、数据化、智能化为特征，以信息技术为支撑，以数据为关键要素，以数字创新为引领，以提高社会治理和公共服务水平为目标，以满足人民日益增长的美好生活需要为根本出发点的现代化建设模式。

6.2 数字中国与智慧水利

数字孪生流域和数字中国有密切的联系。一方面，建设数字孪生流域是贯彻落实习近平总书记关于网络强国的重要思想、推动数字中国建设的重要举措。另一方面，构建以数字孪生流域为核心的智慧水利体系是实现绿色智慧的数字生态文明、保障国家水安全和人民群众用水安全的必然要求。

数字孪生技术与水利融合，可以实现对流域内的各种要素和现象的全面、深入和动态的认识和描述，为流域管理和决策提供支持，是智慧水利建设的重要内容。数字孪生流域利用数字孪生技术，构建流域内的水文、水资源、水环境、水利工程等各种要素和现象的虚拟映射，实现对流域内的各种状态和过程的实时感知、动态模拟和智能控制，是数字孪生技术与水利融合的新发展路径。数字孪生流域是智慧水利的核心，也是提高水资源管理效率和保障防洪安全的有效手段。利用数字技术和数据，构建物理世界的虚拟映射，实现对物理世界的实时感知、动态模拟和智能控制，是数字化转型的重要手段和方向。

6.3 地理可视化与构建智慧水利体系

数字地理可视化技术与遥感技术、地理信息系统等技术有着密切的联系。利用各种遥感平台（如卫星、飞机、无人机等）和遥感传感器（如光学、雷达、红外等），从远距离获取地表或大气层的信息，是数字孪生流域建设中重要的数据来源之一。利用计算机软件和硬件，对地理空间数据进行存储、管理、处理和分析，是数字孪生流域建设中重要的数据处理和分析工具之一。数字地理可视化技术可以利用遥感技术获取的数据，进行可视化表达和展示，也可以利用地理信息系统进行数据处理和分析，实现对流域内的各种要素和现象的可视化表达和交互探索。

7 结论

数字地理可视化技术在数字孪生流域建设中取得了一定创新和成效，但在实际应用中仍存在一些不足之处，如数字孪生流域建设的实际效果和成本效益的评估、数字地理可视化技术在不同应用场景下的性能评估和对比、数字孪生流域建设的社会和经济影响评估等方面需要进一步研究。

未来，数字地理可视化技术在数字孪生流域建设中仍具有广阔的应用前景。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，数字地理可视化技术将会在数字孪生流域建设中发挥更加重要的作用，如利用虚拟现实技术实现数字孪生流域的沉浸式体验、通过深度学习等人工智能技术实现对数字孪生流域的自主学习和智能决策支持等，都是未来数字地理可视化技术在数字孪生流域建设中的重要发展方向。除此之外，还有许多潜在的应用场景，例如数字孪生城市、数字孪生农业等领域都可以应用数字地理可视化技术，实现实时监测、数据分析和可视化、决策支持等功能。因此，未来数字地理可视化技术的发展前景十分广阔，将会在许多领域发挥越来越重要的作用。同时，在数字孪生流域建设中还需要更多的跨学科合作，将地理学、计算机科学、水文学、生态学等多个学科的知识融合起来，共同推动数字孪生流域建设的发展■