“數(shù)字孿生”技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域日益寬廣。近日，記者從中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所獲悉，該所段洪濤研究員團(tuán)隊(duì)以巢湖流域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)流域尺度的地理空間要素進(jìn)行了快速三維重建，并對(duì)多元監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的智能分析、流域多過程機(jī)理模型耦合集成等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，在流域信息化平臺(tái)的可視化效果和決策支撐能力提升方面取得重要進(jìn)展。
“以前，流域綜合管理信息化系統(tǒng)大部分都是二維平面系統(tǒng)，或者只有地形起伏的簡(jiǎn)單三維數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)，因此流域的管理、規(guī)劃等工作和野外真實(shí)環(huán)境是脫節(jié)的。”段洪濤舉例，在二維地圖界面上可以看到某個(gè)地方有條河流，河流中間有個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站，可以看到這個(gè)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)如氮磷濃度等，但是河流周邊的真實(shí)環(huán)境，如有沒有排污口、岸邊的土地利用類型等信息都是看不到的，而這些信息對(duì)于流域管理又非常重要。
為解決這一問題，段洪濤帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自2018年開始攻克“孿生流域”平臺(tái)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)?！拔覀兊哪繕?biāo)是在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建一個(gè)和實(shí)際流域一模一樣的流域環(huán)境，并且把數(shù)據(jù)分析算法和水文、水質(zhì)、水力、生態(tài)、水資源等模型集成進(jìn)去，實(shí)現(xiàn)‘所見即所得’，讓流域管理人員在辦公室里就能夠了解流域全方位情況，提高工作效率和效果。”
如何對(duì)流域尺度的多要素快速進(jìn)行三維建模，成為團(tuán)隊(duì)首先要攻克的難題。團(tuán)隊(duì)成員邱銀國(guó)博士介紹，傳統(tǒng)的三維建模手段主要適用于外形規(guī)則的物體，比如建筑物、道路等，但不適用于流域要素，如植被、溝渠、橋梁、閘壩等，以巢湖流域?yàn)槔?，如果要用傳統(tǒng)手段進(jìn)行全流域三維建模，光建模工作就需要花費(fèi)一年以上時(shí)間。“我們團(tuán)隊(duì)成員來自地理信息系統(tǒng)、攝影測(cè)量與遙感、水文水資源、水環(huán)境模擬、計(jì)算機(jī)軟件研發(fā)等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，大家通力合作開展交叉研究，利用三維地形建模、無人機(jī)建模、人工建模等多種方法，僅用一兩個(gè)月時(shí)間就快速構(gòu)建了流域三維場(chǎng)景。”
流域要素的三維可視化解決了讓信息平臺(tái)變得“好看”的問題，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還要讓信息平臺(tái)變得“好用”。邱銀國(guó)說，平臺(tái)的核心還是要集成水質(zhì)、水文、水生態(tài)等機(jī)理模型。團(tuán)隊(duì)依托之前承擔(dān)的“十三五”巢湖水專項(xiàng)課題，在流域水環(huán)境時(shí)空大數(shù)據(jù)分析、流域水污染精準(zhǔn)減排等方面的研究成果，實(shí)現(xiàn)了模型計(jì)算結(jié)果在流域?qū)嵕叭S場(chǎng)景中的集成展示。
此外，如何在瀏覽器端快速加載展示實(shí)景三維場(chǎng)景，也是團(tuán)隊(duì)著重攻克的難點(diǎn)。因?yàn)榱饔蚍秶膶?shí)景三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)量巨大，在瀏覽器端實(shí)現(xiàn)瀏覽展示，一般都需要安裝專門的軟件或在特定的高性能服務(wù)器上進(jìn)行，很不方便。團(tuán)隊(duì)通過兩方面進(jìn)行了優(yōu)化，一是設(shè)計(jì)了一種基于多細(xì)節(jié)層次的數(shù)據(jù)組織和管理方法，二是實(shí)時(shí)判斷可見的場(chǎng)景范圍，實(shí)現(xiàn)了“看到哪里就加載到哪里的模型，看不到的地方則不加載”，從而提高了三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)的加載效率。
“我們目前已可以在‘身臨其境’的環(huán)境中掌握流域水環(huán)境的現(xiàn)狀、異常和趨勢(shì)，把水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)景信息結(jié)合起來，就像是人到了現(xiàn)場(chǎng)一樣，還能看到在現(xiàn)場(chǎng)也看不到的數(shù)據(jù)?！倍魏闈榻B，經(jīng)過4年努力，團(tuán)隊(duì)在不需要特殊軟硬件支撐的條件下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流域地理要素的逼真模擬、高效可視化和三維空間分析。
此外，團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了流域水環(huán)境異常信息的智能診斷和自動(dòng)報(bào)警。這主要是利用大量的自動(dòng)和人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了流域水環(huán)境時(shí)空大數(shù)據(jù)的分析方法，從而快速掌握哪里的水質(zhì)或污染物超標(biāo)了，再定位到超標(biāo)位置周邊的實(shí)景三維環(huán)境，了解具體情況、做出科學(xué)決策。
團(tuán)隊(duì)最終初步實(shí)現(xiàn)了在“實(shí)景三維”環(huán)境中對(duì)流域的精細(xì)化管理。團(tuán)隊(duì)依托承擔(dān)的“十三五”巢湖水專項(xiàng)課題的數(shù)據(jù)庫(kù)和專業(yè)模型等相關(guān)研究成果，在湖區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，準(zhǔn)確計(jì)算出了每條河流最多能排進(jìn)湖里多少污染物、河流的每一段最多能排放多少污染物、陸地上的每個(gè)控制單元(如鄉(xiāng)鎮(zhèn)等)能排放多少污染物，并結(jié)合現(xiàn)狀排污情況核算各個(gè)控制單元的污染物削減量，然后把這些信息集成到“孿生流域”時(shí)空基準(zhǔn)框架中進(jìn)行可視化，回答“減什么”“減哪里”“減多少”“怎么減”“如何管”的實(shí)踐難題。