“數(shù)字孿生流域”助力湖泊生態(tài)治理

2022-02-16 10:34:38來源：新華日報

“數(shù)字孿生”技術應用領域日益寬廣。近日，記者從中國科學院南京地理與湖泊研究所獲悉，該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進行了快速三維重建，并對多元監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)的智能分析、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，在流域信息化平臺的可視化效果和決策支撐能力提升方面取得重要進展。

“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地方有條河流，河流中間有個水質(zhì)監(jiān)測站，可以看到這個監(jiān)測站監(jiān)測的數(shù)據(jù)如氮磷濃度等，但是河流周邊的真實環(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，而這些信息對于流域管理又非常重要。

為解決這一問題，段洪濤帶領團隊自2018年開始攻克“孿生流域”平臺構建關鍵技術。“我們的目標是在計算機中構建一個和實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去，實現(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。”

如何對流域尺度的多要素快速進行三維建模，成為團隊首先要攻克的難題。團隊成員邱銀國博士介紹，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，以巢湖流域為例，如果要用傳統(tǒng)手段進行全流域三維建模，光建模工作就需要花費一年以上時間。“我們團隊成員來自地理信息系統(tǒng)、攝影測量與遙感、水文水資源、水環(huán)境模擬、計算機軟件研發(fā)等多個專業(yè)領域，大家通力合作開展交叉研究，利用三維地形建模、無人機建模、人工建模等多種方法，僅用一兩個月時間就快速構建了流域三維場景。”

流域要素的三維可視化解決了讓信息平臺變得“好看”的問題，但這還遠遠不夠，還要讓信息平臺變得“好用”。邱銀國說，平臺的核心還是要集成水質(zhì)、水文、水生態(tài)等機理模型。團隊依托之前承擔的“十三五”巢湖水專項課題，在流域水環(huán)境時空大數(shù)據(jù)分析、流域水污染精準減排等方面的研究成果，實現(xiàn)了模型計算結果在流域?qū)嵕叭S場景中的集成展示。

此外，如何在瀏覽器端快速加載展示實景三維場景，也是團隊著重攻克的難點。因為流域范圍的實景三維場景數(shù)據(jù)量巨大，在瀏覽器端實現(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器上進行，很不方便。團隊通過兩方面進行了優(yōu)化，一是設計了一種基于多細節(jié)層次的數(shù)據(jù)組織和管理方法，二是實時判斷可見的場景范圍，實現(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，把水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和實景信息結合起來，就像是人到了現(xiàn)場一樣，還能看到在現(xiàn)場也看不到的數(shù)據(jù)。”段洪濤介紹，經(jīng)過4年努力，團隊在不需要特殊軟硬件支撐的條件下，實現(xiàn)了對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，團隊還實現(xiàn)了流域水環(huán)境異常信息的智能診斷和自動報警。這主要是利用大量的自動和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，設計了流域水環(huán)境時空大數(shù)據(jù)的分析方法，從而快速掌握哪里的水質(zhì)或污染物超標了，再定位到超標位置周邊的實景三維環(huán)境，了解具體情況、做出科學決策。

團隊最終初步實現(xiàn)了在“實景三維”環(huán)境中對流域的精細化管理。團隊依托承擔的“十三五”巢湖水專項課題的數(shù)據(jù)庫和專業(yè)模型等相關研究成果，在湖區(qū)水質(zhì)達標的前提下，準確計算出了每條河流最多能排進湖里多少污染物、河流的每一段最多能排放多少污染物、陸地上的每個控制單元（如鄉(xiāng)鎮(zhèn)等）能排放多少污染物，并結合現(xiàn)狀排污情況核算各個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”時空基準框架中進行可視化，回答“減什么”“減哪里”“減多少”“怎么減”“如何管”的實踐難題。

關鍵詞：生態(tài)治理

責任編輯：hnmd003