数字孪生流域预演场景研究与运用——以嫩江干流为例

为加强数字孪生演练场景真实化,助力决策精准化,依托数字孪生流域建设思路,搭建数字孪生业务应用平台。分析孪生平台整体架构与关键技术,构建具备预报、预警、预演、预案功能的防洪“四预”全景可视化平台。以嫩江干流为例,分析数字孪生建设实际需求,以尼尔基水库防洪调度为预演场景,分析尼尔基水库上游与下游嫩江干流之间的淹没损失关系,得出最优调度防御安排及建议。结果表明：通过全景可视化平台进行场景演练,可呈现河道演进真实情况,保障河道行洪安全,避免淹没损失,为防洪安全决策提供科学支撑。     

基于数字孪生的周公宅水库防洪“四预”系统构建与应用

以构建数字孪生流域、开展智慧化模拟、支撑精准化决策为实现路径,利用天空地一体化空间数据底板、多维智能感知数据、以及专业模型网格数据和计算结果数据等几类多源异构数据,进行数据汇聚和融合,采用WebGL孪生引擎进行可视化展示,构建数字孪生流域;聚焦流域防洪数字化场景,通过山区集总式水文模型和洪水演进模型对洪水过程进行预报和模拟,形成包括预报调度一体化、区域联防预警一体化、模拟仿真预演、决策建议方案等功能的四预孪生系统。本文以周公宅水库为具体研究对象,探索了具有水库工程的中小流域数字孪生建设的相关关键技术和应用场景构建,提供了建设思路和案例参考。     

珠江水旱灾害防御“四预”平台建设与应用

数字孪生珠江先行先试建设以数字孪生技术为支撑，基于珠江流域管理需求，率先开展水旱灾害防御业务应用建设。结合珠江委当前信息化现状，对照“四预”相关技术要求，深入分析目前珠江流域水旱灾害防御业务应用仍然存在“预演”能力不足的问题。为解决此项难题，开展水利三维可视化仿真技术、水利模型管理及服务技术研究，研发了水利三维可视化仿真、模型管理及服务技术。搭建了水旱灾害防御相关数据底板，构建了模型平台和知识平台开发具有“四情”态势感知、分级分类智能预警、多维多尺度场景全链条预演的珠江水旱灾害防御“四预”平台，为珠江流域水旱灾害防御工作提供支撑。     

韧性城市视角下的甬江流域数字孪生平台建设

针对甬江流域水灾害防御需求,结合韧性城市理论,以防洪减灾“预报、预警、预演、预案”四预体系为导向,利用数字孪生引擎的强大渲染能力,建设全要素的数字孪生流域时空底座,以水文水动力模型、空间计算技术等为重要基础支撑,围绕综合监测、洪涝预报、洪涝预演、综合调度、协同预案等业务需求构建孪生场景,实现了甬江流域数字孪生平台。实践应用表明,该平台成功抵御了甬江流域超标准洪水,并对未来防洪工程体系优化具有启示意义,对其他流域防洪减灾、城市内涝治理工作具有一定的借鉴意义。     

数字孪生乐安河助力提升小流域防洪决策支撑能力

江西省乐安河流域防汛工作具有小流域防洪的典型特征，针对小流域防洪存在的“四预”体系不完备、决策支持能力不能满足业务需要等问题，开展数字孪生乐安河流域的建设试点。将 WebGIS 引擎和游戏引擎相融合， 结合使用新型水文监测感知体系、BIM + GIS + IoT、多源数据融合等先进技术，搭建视觉真实、数据准确的三维数字孪生场景，构建未来降雨、水文预报、水工程调度、一维/二维演算等多模型耦合的流域防洪智能模拟仿真平台，实现乐安河上游暴雨集中区（婺源）洪水预报全过程的精准化模拟和预报调度一体化，为决策部门提供受灾影响范围这一关键性决策依据研究成果，对构建中小流域（县域）防洪“四预”体系，助力提升小流域（县域）防洪决策支撑能力具有示范性作用。     

重庆市智慧洪水灾害防御研究

结合重庆市洪水特点,提出重庆市智慧洪水灾害防御的总体框架和建设内容,并结合已经完工的重庆市防汛管理信息化建设项目(一期),梳理总结在智慧洪水灾害防御方面所取得的成果,提出一套集实时洪水预报、水库防洪调度、河道洪水演进、水库回水模拟、水库溃坝模拟、洪水淹没及洪灾损失计算、防汛形势分析、应急预案智能研判、水库大坝安全评估、三维动态仿真等于一体的流域洪水过程全链条分析功能体系,并以重庆市主城区为核心的6个流域43条河流、49个重要区域的洪水进行实验验证,验证结果表明,效果良好,可为重庆市防汛决策管理打造智能的信息支撑体系,具有较大的推广应用价值。     

数字孪生峡江水利枢纽工程多尺度建模及可视化渲染关键技术应用

为探索实现物理流域及水利工程的数字化映射,提出多尺度建模和可视化渲染技术方案,并深入探讨无人机倾斜摄影、BIM、三维激光扫描等多尺度建模技术,以及实时渲染引擎、多细节层次处理、仿真渲染优化等可视化渲染技术。以数字孪生峡江水利枢纽工程应用为例,采用 GIS 与 BIM 的可视化方法,对模型数据进行层次划分,实现可视化渲染,构建峡江水利枢纽工程宏观、局部、微观等 3 个层面的可视化模型,实现工程多时态、全要素地理空间数字化映射,有效支撑上层智慧化业务应用建设,为多尺度建模和可视化渲染在水利行业的应用提供参考。     

基于OSG的水利工程三维可视化系统研究与应用

结合虚拟现实技术在水利工程三维可视化系统中的应用,通过对流域地形仿真、洪水演进模拟的三维可视化研究,以等高线数据为基础,使用VPB及ArcGIS构建地形模型,采用VC＋＋结合OSG的可视化开发环境建立了水利工程可视化模拟系统,实现了三维场景漫游、空间信息查询、洪水演进模拟等功能。该系统能在PC机上流畅地运行,图形的生成速度和质量较高。     

重庆智慧洪水灾害防御研究

本文结合重庆市的洪水特点,即过境洪水和山洪相互叠加、受三峡水库回水顶托影响、极易引发次生地质灾害,提出了重庆市智慧洪水灾害防御的总体框架和建设内容,并结合已经完工的重庆防汛管理信息化建设项目（一期）,梳理总结了在智慧洪水灾害防御方面所取得的成果,提出了一套集实时洪水预报、水库防洪调度、河道洪水演进、水库回水模拟、水库溃坝模拟、洪水淹没及洪灾损失计算、防汛形势分析、应急预案智能研判、水库大坝安全评估、三维动态仿真等于一体的流域洪水过程全链条分析功能体系,并以重庆主城区为核心的6个流域43条河流、49个重要区域的洪水进行了实验验证,证明方法可行,效果很好,为重庆市防汛决策管理打造了智能的业务支撑体系,具有较大的推广应用价值。     

随机森林模型应用于梯级洪水调度可视化的研究

目前常规调度计算方法结果展示不清晰,导致洪水调度效果不理想,为了解决该问题,提出了随机森林应用于梯级洪水调度可视化的研究。构建梯级洪水预报的多元回归统计模型,确定不同时间步长下的预报时刻流量。为了避免在调度过程中出现数值振荡问题,引入TVD二阶格式,确定计算时长,由此构建洪水调度演进数值模拟模型。依据三维场景实时交互式漫游结构,实现了工程从整体到局部、从水库到下游的全尺度互动漫游。实验结果表明,该方法调度可视化结果更加精准。