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数字孪生

水利行业相关的基础概念之数字孪生

简介

数字孪生水利是基于云计算、物联网、大数据、人工智能、三维仿真等技术，以实时传感数据、地理环境数据、水文气象数据等为基础，通过多源信息融合与高精度建模技术，构建物理流域的虚拟镜像，实现水域全要素的三维可视化展示、动态模拟仿真与智能决策支持。

基本架构

  1. 数据底板建设：构建全国统一、及时更新的数据底板，融合多源数据，实现水库、河道堤防、蓄滞洪区等水利对象信息的联动更新。
  2. 感知体系构建：利用物联网技术和传感器设备，实时获取工程监测数据，支持物理世界与数字世界的交互。
  3. 数字孪生模型构建：建立精确的数字孪生模型，包括水利系统的结构、水文水资源、水动力学过程等，实现对实际工程的全要素仿真和模拟。
  4. 智能决策与优化：应用智能决策和优化算法，通过对数字孪生模型的数据进行分析和处理，实现智能优化和调度。数字孪生水利的建设涉及多学科交叉、新技术融合，需要进行技术攻关和先行先试。

主要功能

  • 三维可视化：更直观的交互和呈现实时数据。

    • 直观呈现：将复杂系统以三维形式展示，便于理解空间关系；
    • 状态映射：将实时数据叠加到三维模型上（如颜色变化、动态标注）；
    • 交互入口：用户通过点击三维对象查看详细信息、下发控制指令等。

  • 实时仿真：结合实时数据和历史数据，进行洪水演进、水资源调度等仿真分析。

    • 物理仿真：模拟流体、结构应力、光照、热传导等；
    • 行为仿真：模拟人流、车流、机器人路径、生产线节拍；

应用价值

多维度可视化、动态交互、仿真反馈，并通过可视化呈现，形成“感知-分析-决策-执行”闭环。

  • 智能调度：通过优化算法制定最优调度方案，提升防洪抗旱能力。
  • 辅助决策：基于海量实时数据、历史数据和各种模型、算法，通过动态仿真将灾害预见期从“小时级”提升至“天级”，降低灾害损失。
  • 资源协同：打破水利、气象、应急等部门数据壁垒，形成跨领域协同管理平台。
  • 长效优化：基于历史推演数据训练AI模型，持续迭代优化调度策略与应急预案。

应用场景

智慧水利系统中的数据不仅用于单一用途，而是互相结合，共同实现流域的数字孪生和智能分析。例如：

  • 洪水预警系统：基于实时的气象数据（降雨量、风速等）和水文数据（流量、水位等），结合 DEM 数据模拟流域的水流路径，通过三维模型显示洪水的扩展，辅助决策者制定应急响应计划。
  • 防洪工程设计与评估：结合 DEM 和三维模型，可以在虚拟环境中进行防洪设施的设计与模拟，评估不同方案对流域水位的影响，优化决策过程。
  • 结构安全监测：通过BIM+GIS融合技术，对水库大坝、桥梁、闸门等关键设施进行结构健康监测（如三峡大坝的形变与应力孪生分析）。对于异常事件（如渗漏、裂缝）触发自动预警，并启动应急预案模拟。
  • 水资源管理与优化：构建供需平衡模型，动态模拟不同季节、气候条件下的水资源分配（如黄河流域水量调度预演）。确保水资源的有效利用。

数据底座

数据底座主要有监测数据、地理空间数据等，对各类数据进行汇集并清洗转化，搭建统一的数据资源池，同时实现省市之间的数据共享与交换，打破数据壁垒。

在智慧水利数字孪生系统中，数据采集方案的组合通常涵盖多种数据源和技术，以确保系统的全面性和准确性。根据具体的应用场景和功能需求，会有以下几种主要的数据采集方案：

  • 空间数据：通过卫星、无人机等遥感平台获取的遥感影像、卫星图像、地形数据等。
  • GIS 数据：地理信息系统（GIS）中的空间数据，包括土地利用类型、流域边界、水系图等。
  • 传感器数据：包括水位传感器、流速传感器、雨量传感器、土壤湿度传感器等，实时获取水文、气象和水质数据。
    • 地面监测数据：包括通过固定站点采集的水文、气象、环境等数据，这些数据通常用于实时监控和报警。
    • 历史数据：包括历史洪水数据、水资源调度记录、气象记录等。

模型数据

一般模型数据分为两个来源：

  • 外景使用倾斜摄影：使用无人机搭载的高分辨率相机捕获地面图像，通过专业的软件进行三维重建，生成模型 .osgb 文件，转换为 3dtiles文件用于渲染。
  • 部分结构物，使用工程三维模型（BIM/CAD，用于大坝、闸门等结构）转换，贴图、坐标转换，得到 3dtiles 文件。

备注：

  • 坐标转换和对齐：BIM/CAD 通常是局部坐标系（如工程坐标）；需转换到与倾斜摄影一致的地理/投影坐标系（一般是WGS84 地理坐标），确保对齐。
  • 在转换成瓦片数据的时候，一般也会做网格简化、纹理压缩与合并、剔除无效数据等优化，以便更好的在 web 端进行加载显示。
graph LR
    A[倾斜摄影软件<br>（ContextCapture）] -->|输出| B(.osgb + 纹理)
    C[BIM 软件<br>（Revit, Civil 3D）] -->|导出| D(.fbx / .obj)
    D --> E{转换工具}
    B --> E
    E -->|3d-tiles-tools<br>Cesium ion<br>其他转换器| F[3D Tiles<br>（tileset.json + .b3dm 等）]
    F --> G[CesiumJS<br>高效渲染]

1、无人机倾斜摄影

graph LR
    A[无人机倾斜摄影] --> B(原始多视角照片)
    B --> C{三维重建<br>（ContextCapture / Pix4D / Metashcape）}
    C --> D1[密集点云 + 三维实景模型<br>（OSGB / OBJ / FBX）]
    C --> D2[DEM<br>（GeoTIFF）] --> E2[可选：发布为 terrain<br>（quantized-mesh）]
    C --> D3[DOM<br>（GeoTIFF）] --> E3[发布为 WMTS/TMS 影像服务]

    D1 --> E1[转换为 3D Tiles<br>（使用 Cesium ion / 3dtiles-tools）]
    E1 --> F[CesiumJS 加载 3D Tiles]
    E2 --> G[CesiumJS 加载自定义地形]
    E3 --> H[CesiumJS 加载自定义影像]

    F & G & H --> I[完整三维场景：模型+地形+影像]

2、BIM 和 CAD 建模

graph LR
    A[Revit / Civil 3D / AutoCAD] -->|导出| B(Industry Foundation Classes<br>IFC / DWG / RVT)
    B --> C{转换工具}
    C -->|BIM to glTF| D[glTF / glb]
    C -->|CAD 简化 + 纹理| E[OBJ / FBX]
    D & E --> F[转换为 3D Tiles<br>（使用 3dtiles-tools / Cesium ion）]
    F --> G[CesiumJS 加载]

代码展示

Cesium 加载显示

  1. 加载倾斜摄影 3D Tiles
const tileset = viewer.scene.primitives.add(
  new Cesium.Cesium3DTileset({
    url: 'http://your-server/tileset.json' // 3D Tiles 根文件
  })
);
  1. 加载 3D Tiles 或 glTF
// 方式1：作为 3D Tileset（推荐，支持 LOD 和流式加载）
const bimTileset = viewer.scene.primitives.add(
  new Cesium.Cesium3DTileset({ url: 'bim-structure/tileset.json' })
);

// 方式2：直接加载 glTF（适合小型模型）
const entity = viewer.entities.add({
  position: Cesium.Cartesian3.fromDegrees(lon, lat, height),
  model: {
    uri: 'dam-gate.glb',
    scale: 1.0
  }
});
  1. 叠加 WMTS 影像底图（可选）
viewer.imageryLayers.addImageryProvider(
  new Cesium.WebMapTileServiceImageryProvider({
    url: 'http://t0.tianditu.gov.cn/img_w/wmts',
    layer: 'img',
    style: 'default',
    format: 'tiles',
    tileMatrixSetID: 'w',
    maximumLevel: 18,
    credit: new Cesium.Credit('天地图')
  })
);

交互设计

  • 物理世界绑定。在模型上面绑定传感器位置、状态、实时数据、仿真结果，实现“可视、可查、可分析“。
  • HTML 面板。在模型上面，叠加 HTML 页面，提供数据展示、操作控制、分析决策等能力。支持展开和折叠。
  • 多相机支持：为方便用户使用，会预设多个相机，用户可以通过点击切换视角，如全局概览、重点特写、剖面视角、路径飞行、第一人称漫游等。

HTML 面板常见布局模式

    1. 左侧边栏：如仿真控制按钮、图层管理，分类显示三维模型中的
    1. 右侧边栏：实时监测面板，显示监测对象的实时数据，如显示当前时间、天气、降雨量、水位、告警信息；
    1. 底部信息栏：全局状态 + 快捷操作，如提供“切换视角”快捷按钮（如“坝顶视角”、“库区全景”）。
    1. 悬浮信息卡片（Popup）：用户点击模型上的监测点时，弹出轻量卡片：

总结

数字孪生系统不仅是三维可视化工具，更是融合感知、建模、仿真与决策的智能中枢。通过“数据驱动模型、模型反哺业务”的闭环，实现从被动响应到主动调控的跨越，为智慧水利“四预”提供底层技术支撑。

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