俞志強(qiáng)，俞 瑾

（淮河水利委員會治淮工程建設(shè)管理局，安徽 蚌埠 233001）

0 引言

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和智能化時代的到來，數(shù)字孿生技術(shù)成為了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智慧城市等領(lǐng)域中的重要支撐技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)通過數(shù)字化的方式對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行建模，為實(shí)際物理系統(tǒng)提供虛擬的“孿生兄弟”，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測、仿真模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)等應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，特別是在流域管理領(lǐng)域的應(yīng)用，成為數(shù)字孿生技術(shù)的重要應(yīng)用之一。

數(shù)字孿生流域建設(shè)是數(shù)字孿生技術(shù)在流域管理領(lǐng)域的應(yīng)用，其目的是通過數(shù)字孿生模型對流域進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)水文、水資源、生態(tài)環(huán)境等多要素的全面監(jiān)測、仿真模擬和管理決策支持。數(shù)字孿生流域建設(shè)可以提高流域管理效率、降低管理成本、減少環(huán)境污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，對于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 數(shù)字孿生技術(shù)、數(shù)字地理可視化技術(shù)及其背景

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

數(shù)字孿生技術(shù)是指通過數(shù)字化手段構(gòu)建物理實(shí)體的虛擬模型，并通過對實(shí)體和模型之間的實(shí)時交互，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和虛擬模型的同步運(yùn)行和協(xié)同決策的技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)的基本原理是將物理實(shí)體的信息采集、處理和存儲，并通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對其進(jìn)行數(shù)字化建模，形成與物理實(shí)體完全一致的虛擬模型。然后通過傳感器和其他裝置將虛擬模型與物理實(shí)體進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時交互和同步更新。數(shù)字孿生技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造、建筑、交通等領(lǐng)域，并在數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生流域等方面取得了廣泛應(yīng)用。

1.2 數(shù)字地理可視化技術(shù)概述

數(shù)字地理可視化技術(shù)是指通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對地理信息進(jìn)行可視化表達(dá)和呈現(xiàn)的技術(shù)。它將復(fù)雜的地理信息以圖形化的方式呈現(xiàn)出來，便于人們對地理信息進(jìn)行分析和理解。數(shù)字地理可視化技術(shù)主要包括地圖制作、三維可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，其中地圖制作是數(shù)字地理可視化技術(shù)的基礎(chǔ)。數(shù)字地理可視化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地理信息系統(tǒng)、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，并在數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生流域等方面得到了廣泛應(yīng)用。

1.3 數(shù)字孿生流域建設(shè)背景

數(shù)字孿生流域建設(shè)是指通過數(shù)字孿生技術(shù)，對流域進(jìn)行數(shù)字化建模，并通過數(shù)字地理可視化技術(shù)將流域信息以可視化的方式呈現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)對流域生態(tài)環(huán)境、水文水資源等方面進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和決策支持的技術(shù)。數(shù)字孿生流域建設(shè)的目的是為了實(shí)現(xiàn)流域管理的信息化、數(shù)字化和智能化，提高流域管理的效率和水平，促進(jìn)流域的可持續(xù)發(fā)展。數(shù)字孿生流域建設(shè)涉及多個領(lǐng)域和多個部門的協(xié)同合作，具有很高的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性。

2 數(shù)字地理可視化技術(shù)在數(shù)字孿生流域建設(shè)中的作用

2.1 實(shí)時監(jiān)測

數(shù)字地理可視化技術(shù)在數(shù)字孿生流域建設(shè)中的第一個作用是實(shí)時監(jiān)測。數(shù)字地理可視化技術(shù)可以將不同時間和空間的數(shù)據(jù)整合在一起，通過3D 地圖、模型等形式實(shí)時展現(xiàn)流域的各項(xiàng)指標(biāo)變化情況，包括水文、地貌、土壤等要素。這些指標(biāo)可以通過傳感器、遙感衛(wèi)星等設(shè)備實(shí)時采集和監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)對流域的全方位、高效率監(jiān)測。

2.2 數(shù)據(jù)分析和可視化

數(shù)字地理可視化技術(shù)在數(shù)字孿生流域建設(shè)中的另一個作用是數(shù)據(jù)分析和可視化。通過數(shù)字地理可視化技術(shù)可以對流域內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化，以便更好地理解數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，以及分析數(shù)據(jù)的趨勢和變化。數(shù)字地理可視化技術(shù)可以通過可視化方式展現(xiàn)流域中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如土地利用情況、植被覆蓋情況、氣象數(shù)據(jù)等，從而提供更直觀的數(shù)據(jù)展示方式。

數(shù)據(jù)分析和可視化也有助于進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)的分析。數(shù)字地理可視化技術(shù)可以同時展示空間、時間、屬性等多個維度的數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和規(guī)律更加清晰可見。

2.3 決策支持

數(shù)字地理可視化技術(shù)在數(shù)字孿生流域建設(shè)中的第三個作用是決策支持。數(shù)字地理可視化技術(shù)可以為流域管理部門提供直觀的數(shù)據(jù)支持，為管理決策提供參考。

數(shù)字地理可視化技術(shù)還可以提供多種輔助功能，如數(shù)據(jù)交互、空間查詢和空間分析等，使得用戶可以更加深入地了解數(shù)字孿生流域建設(shè)中的問題。

3 數(shù)字地理可視化技術(shù)的理論與方法

3.1 可視化技術(shù)的基本原理

可視化技術(shù)是指將抽象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化的形式，使人們能夠直觀地了解數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和規(guī)律。在數(shù)字地理可視化技術(shù)中，可視化技術(shù)的基本原理包括數(shù)據(jù)編碼和圖形設(shè)計(jì)兩個方面。

數(shù)據(jù)編碼是指將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形元素，如點(diǎn)、線、面等，以便于用戶觀察和理解數(shù)據(jù)。

圖形設(shè)計(jì)是指將數(shù)據(jù)編碼后的圖形元素組合成具有信息含義的圖形，以便于用戶理解和分析數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)字地理可視化技術(shù)的分類與特點(diǎn)

數(shù)字地理可視化技術(shù)根據(jù)不同的應(yīng)用場景和目的可以分為多種類型。常見的數(shù)字地理可視化技術(shù)包括地圖可視化、地球可視化、空間數(shù)據(jù)可視化、交互式可視化等。

地圖可視化是數(shù)字地理可視化技術(shù)中最基本的應(yīng)用方式，通過將地理信息和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地圖形式，方便用戶了解空間關(guān)系和屬性特征。地圖可視化的特點(diǎn)是具有地理信息的空間屬性和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的屬性特征，同時也具有繪圖規(guī)則、標(biāo)識符號等規(guī)范化的表現(xiàn)方式。

地球可視化是一種以三維球體模型為基礎(chǔ)，將地球表面的地理信息和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)的技術(shù)。地球可視化的特點(diǎn)是可以進(jìn)行全球范圍的數(shù)據(jù)展示和比較分析，同時也具有空間交互性、漫游瀏覽等功能。

空間數(shù)據(jù)可視化是一種將空間數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)的技術(shù)，包括點(diǎn)、線、面、體等不同類型的空間數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)可視化的特點(diǎn)是具有空間屬性的數(shù)據(jù)，可以通過多種編碼方式和圖形設(shè)計(jì)表現(xiàn)空間數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和屬性特征。

交互式可視化是一種允許用戶通過交互手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和探索的可視化方式。它能夠讓用戶通過直觀的界面和反饋機(jī)制，快速地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的規(guī)律、趨勢和異常情況，幫助用戶更好地理解和利用數(shù)據(jù)。

4 數(shù)字孿生流域建設(shè)的實(shí)例與分析

4.1 淮河流域王家壩至正陽關(guān)段的數(shù)字孿生流域試點(diǎn)

該試點(diǎn)利用水文模型、水力模型、水質(zhì)模型等對流域內(nèi)的水文氣象、水資源、水環(huán)境、水災(zāi)害等進(jìn)行了仿真和預(yù)測，并提供了多種決策支持功能，如洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度、水資源配置、水環(huán)境治理等。

模擬可視化實(shí)現(xiàn)場景可視化、工程運(yùn)行可視化、模型結(jié)果可視化、工程調(diào)度可視化。

4.2 數(shù)字孿生曹娥江流域防洪應(yīng)用

曹娥江流域已經(jīng)建成了國內(nèi)首個基于云計(jì)算平臺的數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以進(jìn)行超前預(yù)報(bào)預(yù)警、精準(zhǔn)調(diào)度指導(dǎo)等功能，有效賦能流域水旱災(zāi)害防御?！皵?shù)字孿生曹娥江流域防洪應(yīng)用”通過技術(shù)上的創(chuàng)新和突破，實(shí)現(xiàn)了雙輪驅(qū)動，同時推動了流域治理能力的現(xiàn)代化。應(yīng)用采用了GIS+BIM 三維大場景數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板，融合三維可視化技術(shù)，通過構(gòu)建虛擬工程，實(shí)現(xiàn)與物理流域的同步仿真、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化，對水利治理管理活動全過程進(jìn)行數(shù)字化映射和智能化模擬，對流域內(nèi)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和可視化，如遙感影像、無人機(jī)影像、視頻監(jiān)控、傳感器數(shù)據(jù)等，并利用人工智能等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和智能識別，提取出流域內(nèi)的各種要素信息，如河道形態(tài)、堤防狀況、工程設(shè)施等。

5 數(shù)字地理可視化技術(shù)在數(shù)字孿生流域建設(shè)中面臨的問題與解決方案

5.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)據(jù)集成

在數(shù)字孿生流域建設(shè)中，需要整合來自多個數(shù)據(jù)源的不同類型和不同格式的數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)集成成為了數(shù)字地理可視化技術(shù)的問題之一。為了解決這一問題，可以采用數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)挖掘等方法來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，并采用數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合。

5.2 多尺度與多源數(shù)據(jù)融合

數(shù)字孿生流域建設(shè)需要處理多個尺度的數(shù)據(jù)，如不同空間分辨率的衛(wèi)星影像、地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，同時也需要整合來自多個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)字地理可視化技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)多尺度和多源數(shù)據(jù)融合。為了解決這一問題，可以采用分層繪制、數(shù)據(jù)融合算法等方法來處理不同尺度的數(shù)據(jù)，并采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)集成等方法來整合來自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。

5.3 空間模型與模擬精度

數(shù)字地理可視化技術(shù)需要建立準(zhǔn)確的空間模型，并通過模擬和預(yù)測等方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域建設(shè)的目標(biāo)。因此，空間模型的準(zhǔn)確性和模擬精度成為了數(shù)字地理可視化技術(shù)的問題之一。為了解決這一問題，可以采用高分辨率的衛(wèi)星影像、精確的地形數(shù)據(jù)等方法來提高空間模型的準(zhǔn)確性，并采用高精度的模擬算法來提高模擬精度。

5.4 可視化效果與用戶體驗(yàn)

數(shù)字地理可視化技術(shù)需要提供良好的可視化效果和用戶體驗(yàn)，以便用戶能夠更好地理解和利用數(shù)字孿生流域建設(shè)的結(jié)果。因此，可視化效果和用戶體驗(yàn)成為了數(shù)字地理可視化技術(shù)的問題之一。為解決這一問題，可以采用交互式可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)等方法來提高可視化效果和用戶體驗(yàn)。

5.5 隱私保護(hù)與安全性

數(shù)字地理可視化技術(shù)需要處理大量的敏感數(shù)據(jù)，如個人隱私信息、企業(yè)商業(yè)機(jī)密等，因此，隱私保護(hù)和安全性成為了數(shù)字地理可視化技術(shù)的問題之一。為了解決這一問題，可以采用數(shù)據(jù)脫敏、數(shù)據(jù)加密等方法來保護(hù)隱私信息，并采用訪問控制、身份認(rèn)證等方法來提高安全性。

6 數(shù)字地理可視化技術(shù)構(gòu)建智慧水利體系的發(fā)展前景

6.1 數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃

《數(shù)字中國建設(shè)整體布局規(guī)劃》是中共中央、國務(wù)院于2023 年2 月印發(fā)的一份規(guī)劃文件，旨在推動數(shù)字中國建設(shè)，構(gòu)筑國家競爭新優(yōu)勢的有力支撐。其中提到了建設(shè)綠色智慧的數(shù)字生態(tài)文明，推動生態(tài)環(huán)境智慧治理，加快構(gòu)建智慧高效的生態(tài)環(huán)境信息化體系，運(yùn)用數(shù)字技術(shù)推動山水林田湖草沙一體化保護(hù)和系統(tǒng)治理，完善自然資源三維立體“一張圖”和國土空間基礎(chǔ)信息平臺，構(gòu)建以數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵牡闹腔鬯w系。

數(shù)字中國是以網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化、智能化為特征，以信息技術(shù)為支撐，以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵要素，以數(shù)字創(chuàng)新為引領(lǐng)，以提高社會治理和公共服務(wù)水平為目標(biāo)，以滿足人民日益增長的美好生活需要為根本出發(fā)點(diǎn)的現(xiàn)代化建設(shè)模式。

6.2 數(shù)字中國與智慧水利

數(shù)字孿生流域和數(shù)字中國有密切的聯(lián)系。一方面，建設(shè)數(shù)字孿生流域是貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國的重要思想、推動數(shù)字中國建設(shè)的重要舉措。另一方面，構(gòu)建以數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵牡闹腔鬯w系是實(shí)現(xiàn)綠色智慧的數(shù)字生態(tài)文明、保障國家水安全和人民群眾用水安全的必然要求。

數(shù)字孿生技術(shù)與水利融合，可以實(shí)現(xiàn)對流域內(nèi)的各種要素和現(xiàn)象的全面、深入和動態(tài)的認(rèn)識和描述，為流域管理和決策提供支持，是智慧水利建設(shè)的重要內(nèi)容。數(shù)字孿生流域利用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建流域內(nèi)的水文、水資源、水環(huán)境、水利工程等各種要素和現(xiàn)象的虛擬映射，實(shí)現(xiàn)對流域內(nèi)的各種狀態(tài)和過程的實(shí)時感知、動態(tài)模擬和智能控制，是數(shù)字孿生技術(shù)與水利融合的新發(fā)展路徑。數(shù)字孿生流域是智慧水利的核心，也是提高水資源管理效率和保障防洪安全的有效手段。利用數(shù)字技術(shù)和數(shù)據(jù)，構(gòu)建物理世界的虛擬映射，實(shí)現(xiàn)對物理世界的實(shí)時感知、動態(tài)模擬和智能控制，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要手段和方向。

6.3 地理可視化與構(gòu)建智慧水利體系

數(shù)字地理可視化技術(shù)與遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)有著密切的聯(lián)系。利用各種遙感平臺（如衛(wèi)星、飛機(jī)、無人機(jī)等）和遙感傳感器（如光學(xué)、雷達(dá)、紅外等），從遠(yuǎn)距離獲取地表或大氣層的信息，是數(shù)字孿生流域建設(shè)中重要的數(shù)據(jù)來源之一。利用計(jì)算機(jī)軟件和硬件，對地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理、處理和分析，是數(shù)字孿生流域建設(shè)中重要的數(shù)據(jù)處理和分析工具之一。數(shù)字地理可視化技術(shù)可以利用遙感技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)，進(jìn)行可視化表達(dá)和展示，也可以利用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，實(shí)現(xiàn)對流域內(nèi)的各種要素和現(xiàn)象的可視化表達(dá)和交互探索。

7 結(jié)論

數(shù)字地理可視化技術(shù)在數(shù)字孿生流域建設(shè)中取得了一定創(chuàng)新和成效，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些不足之處，如數(shù)字孿生流域建設(shè)的實(shí)際效果和成本效益的評估、數(shù)字地理可視化技術(shù)在不同應(yīng)用場景下的性能評估和對比、數(shù)字孿生流域建設(shè)的社會和經(jīng)濟(jì)影響評估等方面需要進(jìn)一步研究。

未來，數(shù)字地理可視化技術(shù)在數(shù)字孿生流域建設(shè)中仍具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場景的不斷拓展，數(shù)字地理可視化技術(shù)將會在數(shù)字孿生流域建設(shè)中發(fā)揮更加重要的作用，如利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生流域的沉浸式體驗(yàn)、通過深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對數(shù)字孿生流域的自主學(xué)習(xí)和智能決策支持等，都是未來數(shù)字地理可視化技術(shù)在數(shù)字孿生流域建設(shè)中的重要發(fā)展方向。除此之外，還有許多潛在的應(yīng)用場景，例如數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都可以應(yīng)用數(shù)字地理可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和可視化、決策支持等功能。因此，未來數(shù)字地理可視化技術(shù)的發(fā)展前景十分廣闊，將會在許多領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。同時，在數(shù)字孿生流域建設(shè)中還需要更多的跨學(xué)科合作，將地理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)等多個學(xué)科的知識融合起來，共同推動數(shù)字孿生流域建設(shè)的發(fā)展■