空间智能赋能数字孪生水利解决方案

空间智能赋能数字孪生水利解决方案GISTC智

慧

水

利

发

展

趋

势

分

析7空间智能赋能数字孪生水利工

I-1

日

B

B

xY数字孪生水利案例经验分享目

录contents智

慧

水

利

发

展

趋

势

分

析P3单机化

数字化

网络化

智能化智慧水利发展趋势分析GISTC全面深化阶段(21世纪至今)快速发展阶段(20世纪90年代中后期至21世纪初)初步发展阶段(20世纪80年代至90年代)萌芽阶段(20世纪70年代)大数据、人工智能

数字孪生水利业务融合一张图单业务应用硬件信息化数字孪生水利：以物理流域为单元、时空数据为底座、仿真模型为核心，水利知识为驱动，建立可测、可感、可控、可用的数字水利业务场景。水利感知网

水利信息网

水利云江河湖泊水利工程

治理管理活动对象影响区域水利部智慧水利总体架构物理到孪生、感知到决策孪底板生水利智能中枢基础数据监测数据

业务管理数据

跨行业共享数据地理空间数据业

务

应

用数字

孪

生

流域物理

流域GISTC水利知历史场

业务

识图谱

景模式

规则水利知识引擎流域防洪

水资源管理与调配N项业务数据驱动现实世界决策支持网络

安全体系数字孪生平台保障

体

系数字模拟仿真引擎水利专业模型知识平台模

型平台可视化模型专家

经验智能模型智能决策能力(大脑)融合水文机理模型、人工智能模型实现孪生场景下的预测。实时感知能力(眼、手

)结合物联传感实现对现实观测数据的实时感知。孪生转化能力(躯干)对现实世界物理模拟，提供一个真实的空间仿真本体。数字孪生水利重点解决的三个问题

孪生、感知、决策GISTCP6智能决策能力：经验模型、机理模型、人工智能模型

…主要利用机理模型模拟水利物理系统的物理属性、

状态变化及运行规律，实现对水利系统的物理孪生、

状态孪

生和机理孪生。主要用于天气观测，基于英伟达

CorrDiff

生成式AI

模型技术，融合了人工智能、物理模拟和观测数据，能够

从今天的数据来预测未来世界的影响。新安江模

型

、双超产流模型等水利部模型方法马斯京根河道汇流模型山

丘

区

河

道山

丘

反

干GISTC工程过

水模拟模型

、水工程复杂

调度模型型、二维

水动力

模型道模型、潮位边界模型水文机理模型四类下垫面产流模型降雨蒸发泊

及

蓄

滞

洪

一平

原

区

河

道平

原

区

坡

面水

利

工

程零维模一维河P7实时感知能力：“天空地”、中长期、短时、实时感知…>定位信息

GNSS速度信息加速度信息>降雨量(mm)DSM倾斜摄影>总氮

>浊

度氨

氮

>

COD高低量程

>

总

磷

>

水

质

污

染

物>

色

度

重金属>道路积水深度

>

内涝点监测卫星遥感影像无人机DEM水质综合检测仪低洼路段监测>

水

位→积水深度气象站>

大

气

温

度>大气湿度>

雨量>

风

速>

风

向>

湿度无人船超声波水位计>水

位→

温度智能机井控制器>

水

位

>

取

水

量>

流

量

>

用

水

取

电

量

>

电

能

>

累

计

用

电

量雷达流速仪>

水

位>

流速>

流量GISTC>

监控视频水下地形电子水尺P8对物理流域进行高精度数字化表达和智能化操控的虚拟空间模型水利全景信息载体实时渲染高度仿真动态模拟真实场景实时同步动态反馈水利全要素数字化映射受自然规律和社会经济活动影响的真实地理实体孪生转化能力：采集、治理、建模、可视化、仿真、交互

…三维数据底座统一汇聚

多源融合

系统治理

数据服务基础数据监测数据地理空间

数据业务数据共享数据GISTCP9空间智能赋能数字孪生水利P10数字孪生演化过程

数字孪生发展三阶段GISTC孪生过程数字孪生体(孪生体智能)孪生体生命线

物理实体运行环境集成数字孪生体(数字化映射体)物理实体对象孪生体生命线

孪生过程物理实体集成面向对象多层级演化DigitalAssetDigitalAssetDigitalAsset▶

Manual/offlinedataflowAutomatic/real-timedataflow关于数字孪生的发展，国内外学者做了类似的总结。以虚控实Digital

ModelPhysicalAsset数字模型

数字影子

数字孪生DigitalShadowPhysicalAsset以虚映实

以虚拟实面向过程数字孪生体(数字胚胎)物理实体部件DigitalPhysical以虚控实生命周期演化TwinAsset以虚映实以虚拟实阶段第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段第五阶段核心动力Model-Based

三维模型驱动Rendering-Based

渲染驱动Preception-Based感知闭环驱动、双向控制Simulation-Based全息仿真驱动Generative-Based人工智能驱动技术发展计算机建模仿真技术(CAE、CAD)地理信息技术快速发展GIS、BIM、游戏引擎等技术融合应用感知、自动化控制等技术与模型深度融合基于AI的大场景仿真技术，以及VR/AR/XR等技术快速发展AIGC、AI

Agent基本特征几何模型孪生、静态孪生空间孪生、可视孪生视频融合、实时孪

生、实景孪生机理模型孪生，智

能优化、沉浸交互虚实共生、同步生

长、自我优化应用方向航空制造、工业场景医疗、建筑、城市等领域探索应用规划、水利、交通、能源等探索应用文旅、水利、交通、应急等深度应用，开始面向个人的场景应用全领域、全场景应用，实现元宇宙孪生转化能力：采集、治理、建模、可视化、仿真、交互、控制…GISTC2024年6月22日，华为云和中国信通院联合发布《数字孪生发展研究报告》数字孪生五阶段演进路线数据加工SuperMapcontextcapturet

uDP-ModelerAUTODESK

3DS

MAX°重建大师REVIT解决核心问题：基于多源、多分辨率数据的快速、标准化处理统一平台支撑!一

、数据采集能力构建空间数据获取精细三维模型DOM/TDOM倾斜摄影三维模型DEM/DSMBIM数据采集数据成果GISTC无人机P13解决核心问题：多标准、多协议物联数据到标准化数据应用构建方法!数据库链接API网关网络爬虫射频技术传感器传输一

、数据采集能力构建python爬虫非空间数据获取物联中台GISTC物联

网数据库数据

中台P14在L1至L3+

三维场景下，针对不同的要素采用不同的表达方式解决核心问题：构建一套基于业务应用导向的可扩展、标准化水利数据资源体系!地理空间数据数据资源监测数据其基基数据据数

管理对象

础基水情监测R

他

i

t

0

B二、数据治理能力构建数据资源体系其

他

1

i

a

m安全培训其他监测数据工情监测流程管理设备健康全国范围L1社会经济国土资源GISTC重点工程L3+流域L2重点工程L3数据分级跨行业共享数据业务管理数据重点数据基础地理水利工程雨情监测倾斜摄影象测报基础水系P15点

云地形BIM数据治理·

数据清先工具·

数据质检工具·

数据处理工具·

数据入库工具·

定制任务·GPA

自动

化数据融合·

二三维融合工具·

水利要素模型·

关系对象模型·

时空网络模型数据挖掘·

算法开发·Al

分析·

影像分析·

知识平台·

机理模型数据产品·

二次开发工具·

开发平台·

各类专题

图(洪水

风险图)数据运营·

数据更新

工具·

产品服务工具·

数据评价

工具·

资产管理平台解决核心问题：数据到信息，信息到知识一整套的治理平台，挖掘数据价值!数据汇聚·ETL·GPA·

脚本读取·

离线拷贝●

.…归集库标准库

主题库

应用系统

资产管理平台二、数据治理能力构建数据治理GISTC数据治理中台P16多种数据来源本级应用上下级应用跨部门应用数据库数据文件数据接口航空遥感水文监测水下地形解决核心问题：面对不同的数据和业务，确立不同的自动化更新流程和工具!ETL

工具GPA

工具脚本读取定时任务数据接口采集系统离线拷贝

多种汇聚方式

统

一存储二、数据治理能力构建数据动态汇聚更新无人机遥感视频监测GISTC涉水要素全域感知天

空

地数据中台统一数仓拉

推遥感卫星通信卫星测绘P17倾斜摄影地下隧洞遥感影像激光点云数据格式转换坐标系统一数据标准化模型轻量化解决核心问题：多源、多尺度、多精度数据融合算法构建!三、数据建模能力构建空间数据融合GISTCB

I

M

嵌入

地形精细模型倾斜摄影融入水面倾斜摄影嵌入地形P18BIM解决核心问题：视频数据空间化!视频与空间数据融合GISTC三、数据建模能力构建无人机视频与倾斜摄影数据融合探头视频与大坝数据融合P19处理自动化趣

r大超

路ha

Ddaly三临

针照针慢块打开自动化处理模版文件倾斜摄影数据自动化处理解决核心问题：拖拽式、流程化、自动化建模，提升效率、质量!三、数据建模能力构建据处理自动化BIM

数据自动化处理GISTCRevit

设计模型院

受

函基

于GPASuperMapHandwareSdhedaLndapo

Sdecor时数SmperP20水文分析工具，为模型平台的前处理提供专业的在线分析工具和模型计算所需要的

数

据

。解决核心问题：面对水利业务人员不同的业务场景，解决专业的水利空间计算!水文分析工具四、空间计算能力构建GIS基础平台断面数据导入工具边界点

绘制工具获取

流域面工具GISTC汇流

累计

工具图层管

理工具获取

水系工具水体计算填洼

工具流向

工具P21解决核心问题：空间数据三维化空间计算能力!坡度坡向分析堰塞体标绘计算GISTC四、空间计算能力构建河道断面分析

槽蓄量分析三

维

空

间

计

算水

利

专

业P22GIS潮汐演进

洪水演进解决核心问题：海量、时序空间数据可视化!五、可视化仿真能力构建GISTCP23解决核心问题：水文专业计算与空间可视化融合!水文

水动力学耦合

与二维空间计算模拟粒子效果五、可视化仿真能力构建GISTC水位、流量、流速综合表达一维水动力模型渲染二维水动力模型渲染P24解决核心问题：统一空间场景下的动态仿真与GIS融合!溃堤仿真

开闸调水五、可视化仿真能力构建GISTC游

戏

引

擎

融

合

仿

真GISP25+GIS+游戏引擎同场景内无缝切换1、

大场景2、

无高精度数据中小场景3

、需要用到大量GIS空间分析能力

的业务场景4、用户无法提供高性能服务器游

戏引

擎

：1、有高精度数据、高逼真可视化

要求的中小场景(如单个工程管理

类)2、

有自然背景、天气变化、水流

动态等细粒度、微观可视化需求的特定场景GISTCGIS引擎：解决核心问题：告别传统的效果模拟，实现粒子动态仿真模拟计算的真实性!100叠加水面动态仿真耦合粒子系统模型和2D数值网格三维化技术仿真模拟五、可视化仿真能力构建GISTC基于三角格网动态仿真预报三角格网P27解决核心问题：解决物理世界通过传感设施实现数据驱动下孪生世界的实时反馈!2020-08-0508

一实测值9.71m

一预测值18.01m一级调恤上限22.19m一级障值下酸965m一二级调造上限23.63m

一三级同值上限29.26m

一三

下

6

7

6m区-消上F监测信息及其阈值过程线特高拱坝及近坝库岸长期运行

安全管理预警平台工程概况安全

监

测

模型

查

看

安

全

预

警

评

估

报

告

安

全

调

拉查肉类型：

历

史

查

开始时间:

2020/10/21测点测值六、空间交互能力构建实时监测分析预警模型GISTCM

时永久温计基右胸语计,静力冰准变形双金属标弦长规测引张健引张配套石墨肝正

工P1-1圆P13-1图P13-2尊P161四P19四P23-15-1特高拱坝及近坝车二长期运行安全管理预警平台工程概况安全监测横型查看安全预警评

估

报

告

安

全

调

控左牌洁坡

原肥滑堆重点工程部位安全监测患

患

患

急

3

哪

限

工

…

忌

吼

忌

呈

患

屋

患

至安全预警结构计算P28异常异常备违域水炬并发有限公可陋

名

幕MetricModuleP河垃圾堆放监测

沙堆堆放监测reshape中Y∈RC×N

Y∈RCH×W×2

Z∈pCXH×W1×1

convY∈RCNx

W×2

Z

∈RCXHXW×2基于深度神经网络的卫星影像变化检测模型排污口监测采砂船监测解决核心问题：解决物理世界通过高空遥感实现数据驱动下孪生世界的实时反馈!Z(1)Z(2)sofmasA

∈RN×Nconcan六、空间交互能力构建Input

ImageResNet.Conv+PoolResBlock1ResBlock2-ResBlock3ResBlock4^2×upsample

央4×upsample矣8xupsample1×1

Conv-1×1

Conv1×1

Cone1×1

Conv遥感智能识别模型1×1convXER°KHXW×2R∈R⁻′×N

KERCkH×W×2reshapeQ∈RC′xNQER“′xXw2reshap(a)PipelineFeatureExtractorGISTConctcnioH3×3

Conv1×1

ConvOutput

Feature

Map(c)BAMreshapeVeRCBX

W×2(d)PAM(2)(b)Feature

Extractorx(1)weight-shared1×1convX∈Re×H×W×2Spatial-Temporal

AttentionModuleP29Feature

ExtractorV∈RC×Ntransposex(2)I(1)空间交互能力构建□

1标注水位线(a)

原图水位(b)slice_imagel

(c)slice_image2二次增强切片示意图

patch_image

图例水尺识别标注水位线

patch_image

预测水位线

检测区域0Sa

d(0,0)

(0,0)(a)patch_image

标签参数

(b)

预测标签参数水位线预警

闸门开闭识别解决核心问题：解决物理世界通过视频监控实现数据驱动下孪生世界的实时反馈!、

视频智能识别模型

六GISTCP30数字孪生水利案例经验分享P31瓯江是浙江的第二大江，流经丽水、温州等市，干流全长388公里。本项目选取了瓯江干流玉溪梯级水库-开潭电站试点区域，规划总面积371.7公顷，两岸环线周长约116公里。从地形地势中也可以看出丽水属于群山环绕的一个地势，试点区域位于丽水城区，两岸人口比较多，假如发生汛情灾害，人民群众及经济影响都是非常严重。P长濑坑

9响丽阳坑松阴溪只水电站一、瓯江-大溪流域数字孪生防洪“四预”应用瓯江流域

试点区域(玉溪-开潭)GISTCP32按照“面一线一点”各层级监测预警，分级分类展示流域面、县区面、降雨站点的降雨情况，实时查看”

实测降雨在哪里“。·

降雨站点：基于全量降雨感知设备，监测各个站点

在不同时间维度下是否超出阈值的现状，动态空间

图属联动分级分类分析。·

流域、县区面：

实现县区与流域面的多维度态势感

知监测预警。·

等值线、等值面：

研判全市动态时空降雨分布，直观的分析出”实测降雨在哪里“。实时监控河道站、水库站等水工程监测信息，结合警戒水位(流量)、汛限水位等特征指标，实现对

流域一干流一支流一断面多层次监控，清晰感知”洪水在哪里“。·

水库水情：基于水库站IOT

物联感知设备数据，图

属联动实时监控各水库现状风险，分析大中小水库

蓄水率，动态感知病险水库与病险山塘状态。·

断面水情：实现对重点河道断面实时监控分析，结

合断面警戒水位与保证水位特征指标，动态分析感

知各个断面实时风险状态。动态展示表达流域干支流水库工情实时监测数据，及时掌握流域重点水库工情信息，畅通一线信息直达

决策中心通道。·

实

时

监

测：监控水利工程立面详情感知信息，结合

水库特征水位动态比对，

关联研判分析水库的实时

下泄流量、入库流量、蓄水量等信息。·

工程信息：

概况分析流域重点水利工程的基本信息，

了解水库的基本工程概况、基础质量信息以及控运

计划，辅助水库工程调度决策。用曲

短临降雨预警实时快速警示工情态势数字孪生瓯江防洪四预系统海量IOT

感知数据精准研判雨情态势关键水库与断面深化分析水情态势GISTC感知监测202244401解高水位是生明：

202020超地精趣水位

3

am台汤愿水位1

am数字孪生瓯江防洪四预系统紧水滩实时监测网

大避流蛙面雨量短临预报降雨雷达卫星云图未来3h

未来6h

未来24h未来48h基于逐个小时网格面雨量，做多方位时空分析，多维度预报”降雨在哪里“水文预报(预报)绷紧“降雨一产流—汇流—演进”链条，强化气象水文预报耦合和预报模型参数率定，实现以流域为单元短中长期预报，关键洪水预报精准可靠。直观清晰了解“预报降雨在哪里”,“预报洪水在哪里”,“预报风险在哪里”。无响应降雨预报全市面雨量lh2.56h6.624hI2.5区县面雨量I7.03

庆元I0.7⑥

景宁8.09青

田□

风

险

分

析0.23淹没乡镇数(个)影响人口人)短历时强降雨乡镇数

0

个24

h超100mm

乡镇数

0个干流风险指数一

般预报”洪水在哪里“数字孪生瓯江防洪四预系统

伤强降雨乡镇数水库水位◆

正

常

◆

超汛限

河道面水位▽

正

常

▽超保证

超警戒GISTC外推发电调度”风险在哪里“数字孪生瓯江防洪四预系统水文预报网格面雨量数字孪生瓯江防洪四预系统

应急处19.22

龙泉II.95

云

和8.5B

结云单位：mm3h4.I12h9.072h■

淹

没

水

深(m)26.41

遂吕I5.2■0~0.5■

0.5~1■

1~1.5松阳I0.07

莲

都25.3单位：mm漫堤长度(km)淹没面积(km²)15日8时-18日8时防汛调度监测预警未来24h中雨0-05摇电绷紧“技术一料物一队伍一组织”链条，紧扣“如何管控风险”、“管控效果如何”核心问题；在做好监测、预报、预警和水工程防洪调度的同时，强化风险意识，落实工程巡查防守和应急处置措施，建立预警处置责任的执行落实、响应跟踪链路，督

促各市区县和乡镇基层有序落实应急工作任务，坚决守住洪水防御安全底线。无响应

监测预警口水库电站调度令执行情况名称

发布时间

计划执行时间

疆(2023)9号5-1800:405-

1801:10

已响应(2023)8号5-

1722:155-

1800:15

已响应(2023)7号4-3000:454-3000:45已响应(2023)6号4-2923:054-3001:05已响应(2023)5号4-

1923:104-

1923:40已响应(2023)4号4-

1914:154-

1914:45已响应

口

小流域山洪人员转移■

应转移人口■已转移人口

莲都水库水位正常河道断面水位▽正常超警戒风险管控清单列表名称

时间2023年第一期05-0709:00应急处置□

小流域山洪

山塘水库河网

提示单列表名称

时

间2023年第一期05-0409:002023年第二期05-0418:00预警单个风险单

1个调度令

9个捉示单

2个

未叫应

0个未响应

0个未执行0个转移人口

16个在建水利工程

135个未转移0个停工

1个序号123A6日期2023/05/292023/05/282023/05/272023/05/262023/05/25应急处置(预警)云和4

8

12□

水利工程风险洁单大整治大排查数字孪生瓯江防洪四预系统9.3H7详情详情国预警单列表名称

时间2023年第一期05-2609:00GISTC16

20动态叫应情况已叫应响应情况已响应围

国

回

国详情国◆

超汛限防汛调度水文预报超保证孪生仿真(预演)依托全新模拟仿真引擎聚焦“四预”功能在数字化场景基础上，实现二三维可视仿真模拟，

实现看、查、测、算、演等功能，赋能防汛业务应用。在数字孪生流域中对典型历史事件、设计、规划或未来预报场景下的水利工程调度进行模拟仿真推演，正向预演出风险形势和影响，逆向推演出水利工程安全运行限制条件及时发现问题，提出防风险措施，迭代优化方案。数字孪生瓯江防洪四预系统

预报

数字孪生瓯江防洪四预系统里程：4243.0米大港头水位：63.75米精细化、立体化63.75三维微观尺度预演维宏观尺度演进物理流域空间模拟仿真GISTC防汛调度(预案)绷紧“总量一洪峰一过程一调度”链条，集中攻关水工程联合预报调度技术研究，紧扣“如何干预风险”、“还有什么风险”核心问题，构建“保上游”、“保下游”、“平衡上下游”多种智能调度模型，考虑重点水库下泄流量与关键保护区域淹没深度的不同层次等级，按照洪水的发展正向进行预演同时以关键位置的防护要求为目标反向进行水工程调度演算，评估不同调度方案的风险，选取最优解决方案，最大程度降低灾害风险，为洪水防御决策提供科学支撑。紧水滩09-0615:00玉溪09-0618:00大港头09-0620:00上南山09-0619:00红圩09-0707:00石牛09-0712:00小百岩09-0704:00秋塘好溪五里开青田09-0708:00鹤城09-0708:00小溪

三溪口09-0707:00船寮09-0708:00外雄09-0706:00海口09-0707:00五里亨-*09-0714:00石帆09-0706:00开潭09-0704:00应急处置9202断面预报峰现时

间09-0620:0009-0619:0009-0707:0009-0712:0009-0704:0009-0712:0009-0706:0009-0707:0009-0708:0009-0708:00□水库预报最大入库流量4512.91611.961393.381688.872370.732460.49调度方案集调度方案批次

202309061510方案规则

平衡上下游方案详情紧水滩水库紧水滩水库预报最高水位达179

米，从09-0615:00时开始下泄流量，

调整为500m³/s。大港头大港头最高水位达65.07米，低于

警戒水位2.93米。丽水丽水最高水位达47.82米，低于警

戒水位0.18米。□

调度预演水文预报风险概化图松阴溪靖居口防汛调度滩坑宜平溪小安溪丽

水09-0712:00数字孪生瓯江防洪四预系统洪峰流

)(m³/513.530.05

349.33

557.7711.25

970.52

1616.41

1664.8

2027.58

2176.66河道名大港头上南山红圩石牛小白岩丽水石帆海口船察鹤城GISTC最高水位(m)65.07

61.27

53.7750.1148.1

47.82

37.628.28

18.39

8最高水

位(m)17967.4647.7536.71

28.1618.257.22正常超汛限河道站正常超警超保最高水

位时间09-061509-061809-070409-071409-0706水库

紧水滩玉溪开潭五里亭

外雄三溪口青田上显滩长濑汛限水位(m)18479.147.536.528影像地图防御决策模拟推演知识查询洪水过程智能问答专

豪

模

式分分近研判智

能

调

度水库IV

级09-07071809-0708

7监测预警调度过程项目介绍：在数字孪生场景中实现防洪调度过程的全过程数字化、可视化展示，支撑防汛过程中的水情变化、工程调度、蓄滞洪区应用等调度过程

信息的快捷获取，辅助决策，实现“四保证水位：29.73m警戒水位：27.3m07-0907-1107-1307-1507-1707-1907-21灾

情

统

计库

区蓄滞洪二、三峡库区及其影响区域数字孪生应用GIS+

专业模型联动分析水位(m)504030沙市多源异构时空数据融合预案全流程动态可视化2Z2白鹤滩水库41流量(m²/%)60,00055,000c000045,00040,00035,00030,000方案1调度目标三峡水库对城陵矶河段补偿调度至

155m

入出库平衡GISTC三峡上游合计清

江汉江合计洞庭湖都阳湖

中游合计三

峡实况1555.04·44.5红寸道●42000预”目标。还原视角

⑧调度目标

①

超

额

洪

量汉口方案1-水位P38向家坝水库水情信息…●29.4莲花塘36多湖二千翼202年5满8给B急除预露do1、

重现“历史”,构建覆盖长江全流域的调度预案库重现长江流域历史典型暴雨洪水场景，复演洪水发展过程，根据洪水不同发展态势和淹没区域，构建覆盖长江全流域的多层次、多类型预案库。对长江流域历史典型雨洪事件进行重现和复演构建典型雨洪事件下多场景、多调度目标预案库长江流域综合调度系统调度预案入预赢名预旅名称管还单位双音专大防用的地立角预

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