受電腦軟硬體條件的限制,現有的流域信息化平臺難以實現流域地理空間全要素“實景三維”場景構建和高效視覺化,且平臺功能側重數據展示、實用性普遍不强,在地理空間要素逼真表達和流域精細化管理決策支撐方面還存在諸多不足。
近年來,“數位孿生”科技發展迅猛,通過集成多物理量、多尺度的模擬過程,可在虛擬空間中完成地理實體映射,從而反映實體的全生命週期過程,正逐漸被應用與智慧都市、數位醫療、工業設計等領域,但面向流域綜合管理的“數位孿生”科技研究還鮮有相關報導。
在國家水專項課題、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等項目的資助下,中國科學院南京地理與湖泊研究所段洪濤研究員團隊以巢湖流域為研究對象,對流域尺度的地理空間要素快速三維重建、多元監測監控數據的智慧分析、流域多過程機理模型耦合集成等關鍵技術進行了深入研究,在提升現有流域信息化平臺的“好看”(視覺化效果)和“好用”(決策支撐能力)方面取得了較大進展。研究成果《Design and development of a web-based interactive twin platform for watershed management》於2022年1月發表在GIS領域的主流期刊Transactions in GIS.論文連結:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tgis.12904.論文第一作者為邱銀國博士。
本研究的主要貢獻包括三方面:
(1)在不需要特殊軟硬體支撐的條件下,實現了對流域地理要素的逼真類比、高效視覺化和三維空間分析。設計了基於“四叉樹”的三維模型數據組織和存儲方法,並基於剔除渲染(CR)、多細節層次(LOD)以及Web非同步加載等科技實現了流域虛擬場景在瀏覽器端的動態、高效渲染(圖1)。
(2)實現了流域水環境异常資訊的智慧診斷和自動報警。構建了面向流域多源水環境監測數據的時空資料模型和智慧分析算灋,可以快速感知水環境現狀分佈、變化趨勢和超標報警資訊(圖2)。
(3)在“實景三維”環境中實現了流域的精細化管理。集成了面向流域污染物精准减排的成套機理模型,在流域水質目標的約束下,實現了流域污染物優化减排方案的空間表達(圖3)。
圖1設計的瀏覽器端三維模型數據加載框架和效果
圖2水環境异常資訊智慧診斷和自動報警功能
圖3模型集成框架和流域精細化管理功能