基于数字孪生平台框架的天津市智慧水务一张图建设研究

吴 昊，贾 翔，贾 方，孙恩林，秦丹军，叶梦羽

(天津市水务局综合服务中心，天津 300074)

水利部自2019年开始，先后印发《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》《“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案》，明确了“十四五”期间建设数字孪生流域、“2+N”水利智能业务应用体系等智慧水利的总体要求和主要任务。2022年水利部陆续出台《数字孪生流域建设技术大纲(试行)》系列建设指南和规范，对数字孪生流域[1]、技术要求、建设标准、集成共享等做了进一步说明。2022年天津市水务局会同市委网信办、市发改委编制印发《天津市智慧水务专项规划》，规划中明确了天津市水务局2025年初步建立基于“一张图”的天津市水务数字孪生平台的目标任务。

1 现状、问题和需求

根据多年积累，天津市水务信息化在基础设施、数据中心、业务应用等方面取得了明显成效，通过天津市水务业务管理平台信息资源整合、数据中心建立、已初步形成天津市智慧水务的框架。算据方面，整合第一次水利普查数据、水务业务专题图数据、基础地理数据、遥感影像数据等，建成集中统一的水务业务时空数据库，初步完成了数据交换与共享的标准化治理。算力方面，采用云技术、服务器虚拟化技术、以“集中+分布”部署的方式建设应用服务器群，基于“天地图”前置服务，以标准接口的方式为水资源管理、防汛抗旱、城市排水、城市供水等各业务系统提供时空数据服务。

现有时空数据服务初步实现了矢量图、影像图、地形图的切换展示，地图编辑、查询等功能，缺少空间分析类服务、“四预”应用支撑、以及三维建模、仿真可视化、大数据分析等新技术应用。天津市水务局已建成的防汛抗旱、水利工程运行管理、农村水利、河湖长制管理等信息系统不同程度基于GIS技术开发，各平台系统独立建设，时空数据资源分散，共建共享困难；时空数据来源、种类多样，质量精度参差不齐，数据融合治理难度大；缺少时空数据更新、管理维护有效机制和技术手段。

天津市智慧水务一张图建设需求总体上包含天津市水务内部和外部两类需求。内部需要主要包括时空数据标准规范统一、时空数据映射建模、时空数据引擎建设、一张图能力升级。外部主要为共建共享需求，包括纵向与水利部全国水利一张图、海委水利一张图和各个区县水务一张图的时空数据资源共建共享，横向对接融合天津市政府和其他委办局时空数据资源，实现天津市水务时空数据底板建设工作的延伸、整合。

2 目标任务

以《天津市智慧水务专项规划》制定的智慧水务整体框架布局为基础，明确智慧水务一张图建设整体架构和技术路线，统一一张图建设标准，对一张图时空数据资源进行优化统筹，构建一张图运维保障体系，对时空数据服务需求进行整合分析，为时空数据底板搭建、地图服务功能完善、时空数据更新和运维管理等问题提供解决方案，为实现智慧水务管理决策“一张图”做好技术铺垫。

3 整体框架和技术路线

基于智慧水务整体框架，在现状时空数据算据、算力、水务业务管理平台基础上，对天津市水务局内外部的时空数据进行归集、标准化治理，融合形成天津市水务数字孪生平台时空数据底板。通过时空数据管理引擎支撑数据资源池运行、专业模型计算以及知识库构建等，支撑“四预”等业务应用。

智慧水务一张图整体采用微服务技术架构，基于多粒度水务对象模型实现时空数据的“全连接”，采用多源异构时空数据智能汇聚技术和GIS组件库开发时空数据管理引擎，采用多态混合的海量异构时空大数据存储、云GIS资源池化与自动弹性调度技术实现云平台下多源异构时空数据存储，采用镶嵌数据集、三维模型轻量化、虚拟仿真推演场景模拟等技术实现二三维影像数据管理展示，软硬件兼容国产操作系统、数据库、处理器架构。

4 时空数据标准统一

以数字孪生流域建设相关标准规范为依据，制定天津市智慧水务数字孪生平台时空数据标准和时空数据管理规范，确保在采集、传输、分析、加工、存储、发布、应用等环节“数据语言”的一致性。

4.1 时空要素制图规范研究

按照水利部《水利空间要素数据字典》《水利空间要素图式与表达规范》以及自然资源部等其他国家部委下发的地图制图规范，并结合天津市水务自身业务应用需求，规范水利时空要素分类和定义、几何形态和表示方法、比例尺和图例尺的定义、颜色和标注规范、标签和注释规范、可视化和交互规范等，确保水务空间要素的统一组织和表达。

4.2 时空数据汇聚标准研究

规范时空数据源认证与管理、数据采集入库、元数据注册、数据更新管理等标准，明确各类时空数据归口管理部门、数据汇聚格式、数据质量标准等，确保进入时空数据资源池的数据经过质检达到数据汇聚要求。

4.3 时空数据治理建库标准研究

规范多维、多时空尺度数据空间参考、入库标准和入库格式，包括矢量、电子地图、遥感影像、三维模型等数据。确保在统一的规则约束下进行数据生产和应用建设，打破时空数据壁垒，实现数据共享互认。

4.4 时空数据服务设计管理标准研究

规范时空数据服务设计和管理，时空数据服务设计包括服务设计方法、流程及关键要素，指导时空数据服务发布；时空数据服务管理包括管理制度、调试方法、审批流程等。

4.5 时空数据共享交换标准研究

规范时空数据对外共享的规则和流程，明确共享范围、共享形式、共享后持续更新等内容，明确共享各环境相关审批责任人和审批权限。

5 时空数据映射建模

以现有时空数据为基础，收集天津市水务范围内基础及专题时空数据，以重点水务对象为核心进行时空数据关联与融合，形成二三维一体化跨层级、跨业务三级时空数据底板，实现智慧水务全要素数字化映射。

5.1 时空数据资源池构建

按照时空数据流转方向与治理流程，将时空数据资源池构建过程分为时空数据资源梳理、多源时空数据汇聚、时空数据清洗转换、时空数据存储入库和时空数据服务共享五部分。

时空数据资源梳理：对天津市水务相关矢量数据、影像数据、高程模型数据、三维模型数据、新型测绘产品数据及元数据进行调查、梳理、采集、整编，通过共享交换方式接入其他来源时空数据，形成时空数据资源池。

多源时空数据汇聚：明确天津市水务多源时空数据采集的范围、方式、频次、标准，切实打通纵向与水利部、海委、区县，横向与市各委办局相关业务系统之间的空间数据交换通道，构建共享交换机制。时空数据汇聚方式支持数据实体汇聚和虚拟汇聚[3]。实体汇聚包括批量处理、数据复制同步、消息集成和流集成等方式。虚拟汇聚通过元数据注册、共享服务接入等方式。

时空数据清洗转换：对时空数据进行标准化和规范化处理，通过统一格式和坐标转换、矢量数据一致性和配图处理、影像数据镶嵌处理、三维地形数据轻量化处理等操作，确保一数一源、统一规范。

时空数据存储入库：对时空数据进行分层存储，逻辑上划分为全量数据层、核心数据层、主题数据层。全量数据层汇聚原始多源时空数据；核心数据层存储标准化、基于时空数据模型组织的成果数据，实现“一码多态”的空间数据组织与表达；主题数据层根据业务需求对核心数据进行抽取、二次加工和分析，衍生主题数据。

时空数据服务共享：依据时空数据服务相关标准，按照数据类型、数据来源和数据模型进行梳理与组织，构建统一管理和对外服务的时空数据资源目录体系；同时基于不同场景和应用需要实现不同主题的电子地图、专题底图数据服务配置和发布。时空数据共享服务提供轻量级的服务集成、管理、服务调用功能。

5.2 多维多尺度时空数据模型建设

以多维多时空尺度数据模型[2]为基础，以重点水务对象为核心进行时空数据关联与融合，对全域时空场景进行全要素数字化和语义化映射，对水务对象的全貌性、整体性、逻辑组织、对象间关系与限制进行描述。天津市水务时空数据模型以北京时间为时间基准，以2000国家大地坐标系和1985国家高程基准为空间基准，将水务对象所包含的点、线、面和三维模型数据进行关联，构建时空数据模型。

5.3 三级时空数据底板建设

按照数据范围和精度分级，建设天津市水务二三维一体化、跨层级、跨业务的三级时空数据底板。

L1级时空数据底板：共享水利部L1级数据底板。收集整编天津市范围内的30m格网DEM数据；收集整编1∶10000国家基本比例尺地形图，包括行政区划、交通、水系及设施、居民地及设施、管线等图层；收集整编1∶50000数据中的流域分区、河湖管理范围、岸线功能分区、水闸、引水工程等水利专题数据图层。

L2级时空数据底板：以海委水利一张图平台共享数据为基础，整合天津市大数据中心统一的地形数据(DEM)以及数字正射影像数据(DOM)，叠加倾斜摄影、激光点云等方式获取的天津市水务管理重点区域和重点河段精细地表和水下地形数据(DEM)；补充主要河道管理范围、重要湖泊和使用频率高的蓄滞洪区、防汛重点部位DOM数据；补充完善河湖长制、山洪灾害、防汛等业务专题数据图层。

L3级时空数据底板：汇集更新天津市一二级河道、水库、堤防、橡胶坝、水闸、泵站、蓄滞洪区等水系，以及水务工程二三维基础数据；接入水情、工情、灾情、水质、取用水、墒情等监测数据，接入社会经济、土地利用、生态环保、气象等跨行业共享数据，融合构建精细化L3级时空数据底板。

6 时空数据管理引擎

以时空数据映射建模为基础，构建时空数据资源一体化运维管理机制与多层次时空数据服务体系，解决时空数据源、汇、存、治、用问题。

6.1 时空数据汇聚引擎

覆盖时空数据从源到资产的全过程管理，形成一套完整的数据汇聚采集、数据清洗转换流程体系，构建持续性数据资源汇聚更新机制，打通多源异构数据进入数据资源池路径，支持数据源管理、结构化数据汇聚任务管理、非结构化数据汇聚任务管理和半结构化数据汇聚任务管理以及汇聚任务编排等功能。

6.2 时空数据治理引擎

对时空数据进行标准化融合处理，包括映射建模、质量控制和资产管理。

映射建模围绕模型创建、模型编辑、模型查看、模型上线、模型删除、元数据管理维护等能力进行研究。

质量控制对时空数据质量进行规范化管理，包括质检规则创建、质检规则配置、质检任务管理、质检记录等内容。

资产管理聚焦全域数据资源的整体情况呈现，实现多层级时空数据资产目录组织、数据血缘分析、全域资源检索、多维度数据资源统计等能力。

6.3 时空数据服务

时空数据服务提供轻量级服务集成、管理、调用、共享功能，对数据进行计算逻辑封装生成API服务，实现基于授权的从服务发布、服务管理、服务目录到服务鉴权的全过程统一管理与调度，支撑天津市水务内部和外部时空数据共享与服务需求。

6.4 时空数据更新维护

构建持续性时空数据资源更新机制，既包括地图服务与水务业务应用之间的数据联动同步更新，也包括时空数据资源池基础地理、水务基础空间、卫星遥感影像等数据的及时、持续和有效更新。

7 一张图能力升级

基于现有时空数据成果，围绕时空数据可视化展示、数据共享交换和数据申请订阅等需求进行建设研究，为领导辅助决策、智能预测、大数据分析提供支持。

7.1 时空数据可视化

三级底板展示：以三级时空数据底板成果展示为核心，通过切换地图叠加不同时空数据图层实现对时空数据资源的展示控制，提供属性查询、底图切换、鹰眼图、地图测距测面、图层控制等功能。

高仿真三维动态场景：基于三维可视化、游戏引擎等技术，叠加基础地理、水务专题场景、三维模型等时空数据要素，确保不同数据精度、不同范围、不同数据源的矢量、影像等时空数据要素在三维空间实现融合、无缝衔接、无缝切换，并集成空间分析、模型分析等功能，支持数字孪生场景搭建。

7.2 时空数据及服务应用

时空数据管理：以目录方式对时空数据进行分级展示。时空数据资源按照基础地理、遥感影像、水务工程、洪水风险分析、山洪灾害和流域水系等目录分类展示，提供目录对应的基本信息和缩略图查看、成果筛选等功能。

时空服务管理：以目录方式提供智慧水务数字化场景时空数据服务分类展示，包括三级空间底板地图服务和数据接口服务。

空间分析能力：基于二三维一体化空间分析引擎，提供多种空间分析服务。二维空间分析能力包括缓冲区分析、叠加分析、邻域分析、距离分析、插值分析、空间统计分析等。三维空间分析包括日照分析、通视分析、可视域分析、天际线分析、限高分析等。

7.3 时空应用定制

地图定制：提供在线坐标转换、格式转换、地名地址匹配等地图处理、在线制图、应用搭建等服务。

时空数据交换共享：建立时空数据资源发布、共享、交换、服务的网络和软件服务体系，实现时空数据资源跨部门的“横向”交换共享，以及与水利部和海委“纵向”互联互通。

8 智慧水务一张图“四预”应用支撑

预报(预测)[4]应用支撑，以降雨防洪业务场景为例，基于智慧水务一张图时空数据底板及模型平台、知识平台，使用多种降雨场景作为输入，结合水利数学模型进行演算预报，通过数字流场可视化展示，为防洪预警、调度提供决策支撑。

预警应用支撑，依托智慧水务一张图时空信息展现技术，围绕流域防洪业务，针对实际监测信息、现场监视信息、预测预报信息、演变趋势信息、调度效果评价信息，通过水务一张图进行直观可视化表达。

预演应用支撑，基于智慧水务一张图仿真可视化技术，在虚拟现实场景下，对流域洪水、溃堤、工程险情、山洪中各种事件发展态势进行推演展示，支撑调度、应急决策。

预案应用支撑，基于智慧水务一张图时空数据底板构建预案的数字化指标体系，根据不同预案的预演展示过程，为预案优化、分析评估提供支撑。

9 建设任务分解

智慧水务一张图建设，服务于智慧水务专项规划，各阶段目标与总体规划相互衔接，围绕阶段工作目标和重点任务，总体谋划部署，分步分阶段实施。

(1)一期计划：2023年底，基于现状时空数据资源，搭建一张图时空数据资源池。汇聚水利部、海委、区水务局以及其他跨行业共享时空数据资源，进行标准化治理和建模，按照三级数据底板标准进行分类分级建设。

(2)二期计划：2024年年底，基于智慧水务数字孪生平台框架，部署一张图时空数据底板，完成时空数据管理相关功能开发及配套标准规范建设。

(3)三期计划：2025年年底，结合模拟仿真技术，提升一张图的可视化展示能力，实现与物理年流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，为“2+N”智能业务应用体系构建和江河流域“四预”功能开展提供支撑。

(4)四期计划：2026年年底，智慧水务一张图已基本达到数字孪生流域总体规划要求，在此基础上，结合2+N业务工作需求，构建示范应用场景，提升天津市水务业务管理效率和水平。

10 结语

智慧水务一张图建成后，能够满足天津市智慧水务和数字孪生流域项目建设所需时空数据资源和服务需求，解决数据多源、数据合规使用、时空数据动态更新、共建共享不畅等问题，为各业务应用、各层级单位提供鲜活的水务时空数据服务，但是要真正达到助力天津市智慧水务“四预”业务应用开展实施的目标，还需要深入调研分析各业务对一张图具体应用需求和对接方式，解决一张图与现状各业务系统地图模块的适配和数据共享等问题。