数字孪生环境应用技术指南（试行）

数字孪生环境应用技术指南（试行）1范围本指南规定了数字孪生环境建设的术语定义、总体框架、核心技术要求、实施流程、重点领域应用要求、运行维护、安全保障及质量控制要求，适用于各级生态环境管理部门、产业园区、城市管理机构开展流域生态治理、城市环境管理、工业园区环境监管、突发环境事件应急、自然保护地监管等领域的数字孪生项目规划、设计、建设、应用与运维，可为数字孪生环境相关技术研发、系统集成提供技术依据。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本指南必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅对应日期的版本适用于本指南；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本指南。GB/T41827-2022数字孪生应用技术总则HJ212-2017污染物在线监控（监测）系统数据传输标准GB/T22239-2019网络安全等级保护基本要求GB/T41479-2022信息安全技术数据分类分级规则《“十四五”数字生态环境保护规划》（环综合〔2021〕64号）《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》（水利部，2021年）3术语和定义3.1数字孪生环境以物理环境实体为映射对象，融合多源环境感知数据、地理空间数据、业务管理数据，构建多尺度、多物理量、多时空维度的数字化虚拟镜像，通过数据驱动实现虚实交互、模拟仿真、闭环优化，支撑环境状态实时感知、动态分析、精准预判、智能调控的新型环境治理技术体系。3.2物理环境实体现实中对应数字孪生映射的环境对象，包括流域、城市、产业园区、自然保护地、污染源、风险源等各类具备明确边界和环境属性的物理实体集合。3.3环境数据底板承载数字孪生环境全要素数据的标准化时空数据框架，整合基础地理、环境专题、动态监测、业务管理四类数据，为孪生模拟、应用分析提供统一数据支撑。3.4孪生仿真模型运行于数字孪生虚拟空间，对物理环境实体的演变规律、污染物迁移转化、环境响应过程进行数字化模拟的模型集合，分为机理模型、数据驱动模型、耦合混合模型三类。3.5孪生交互引擎实现虚实映射动态同步、多尺度场景渲染、人机交互操作、仿真结果可视化展示的核心支撑引擎，负责连接数据层、模型层与应用终端。4总体技术框架数字孪生环境采用“五层两体系”的总体技术架构，各层级相互协同，实现全流程闭环支撑：4.1感知层作为物理环境与虚拟空间的连接入口，整合各类固定监测站、移动监测车、无人机、卫星遥感、在线监控设备、物联网传感器，实现物理环境全要素、全时段动态信息采集，支撑虚实状态的实时同步。4.2数据层以环境数据底板为核心，完成多源异构数据的清洗、标准化、存储与管理，对外提供统一的数据调用接口，为模型计算和应用分析提供标准化数据支撑。4.3模型层整合各类环境机理模型、数据驱动预测模型、业务分析模型，支持模型耦合、数据同化、场景模拟，为环境研判、预测预警、方案推演提供核心计算能力。4.4应用层面向不同业务领域需求，构建多级多类业务应用模块，支撑环境管理部门、企业、公众等不同主体的业务需求。4.5交互层面向管理决策人员、业务操作人员、公众等不同用户，提供大屏可视化、PC端业务系统、移动端App、VR/AR沉浸式交互等多种访问入口，满足不同场景的交互需求。4.6保障体系包括安全保障体系和标准规范体系，贯穿于全架构各层级，保障系统安全稳定运行，实现建设、应用、运维全流程标准化管理。5核心技术要求5.1环境全要素感知技术要求5.1.1感知网络布设要求按照“全覆盖、抓重点、保精度”的原则布设感知网络：重点排污单位排放口自动监测设备安装覆盖率达到100%，数据传输有效率不低于95%；重点工业园区环境质量微站布设网格分辨率不超过1km×1km，有毒有害气体监测点位覆盖所有重大风险源边界；流域干支流考核断面、饮用水水源地监测点位覆盖率达到100%，地下水监测点位平原地区每100km²不少于1个，重点污染场地加密至每10km²不少于1个；城市建成区噪声监测网格分辨率不超过2km×2km，空气质量监测点覆盖所有区县；卫星遥感宏观监测分辨率不低于10m，重点区域监测分辨率不低于1m；重污染天气、突发环境事件应急响应期间，无人机巡查频次不低于每日1次，重点区域每12小时巡查1次。5.1.2数据接入与预处理要求所有监测数据接入统一遵循HJ212-2017标准，支持MQTT、HTTP/HTTPS等通用传输协议，兼容不同厂商设备接入。数据预处理需完成异常值识别、缺失值填补：异常值识别采用3σ原则结合孤立森林时序异常检测算法，剔除设备故障、干扰引发的无效数据；缺失值占比低于10%的采用相邻时段插值法填补，缺失率超过10%的单点位时段数据标记为无效，不得直接入库用于分析计算。5.2多尺度环境数据底板构建技术要求5.2.1空间数据精度要求根据应用场景的尺度不同，明确基础空间数据精度要求：国家级大流域、跨省级区域应用，DEM（数字高程模型）分辨率不低于30m，DOM（数字正射影像）分辨率不低于2m；省级区域、中等流域应用，DEM分辨率不低于10m，DOM分辨率不低于1m；城市、产业园区、小流域、自然保护地应用，DEM分辨率不低于1m，DOM分辨率不低于0.2m；重点污染源厂区、重大风险源区域精细化建模，DOM分辨率不低于0.1m，支持BIM级设备建模。5.2.2语义化建模要求所有环境要素需赋予标准化属性语义，建立统一编码规则：污染源要素需包含统一社会信用代码、排污许可证编号、排放口编号、污染物种类、排放浓度限值、排放量许可、坐标位置等核心属性；环境风险源要素需包含风险物质种类、最大存储量、风险等级、周边保护目标分布、应急联系人等核心属性；环境功能区要素需包含功能区类型、保护目标、面积、管辖单位等核心属性，语义化建模需满足空间查询、统计分析、属性关联的标准化要求。5.2.3时空数据管理要求采用ST-Rtree时空索引结构构建时空索引，支持亿级以上时空数据的秒级查询响应，时间维度精度支持到分钟级，满足动态监测数据的实时更新需求；数据底板支持二三维一体化存储与展示，二维数据支撑空间统计分析，三维数据支撑可视化渲染与沉浸式交互，实现二三维视图无缝切换。5.3孪生仿真模型构建技术要求5.3.1模型精度要求不同类型模型需满足最低精度要求：常规环境质量预测，未来24小时城市空气质量（AQI）级别预测准确率不低于80%，未来72小时预测准确率不低于70%；流域水质预测，未来48小时主要污染物（COD、氨氮、总磷等）浓度预测相对误差不超过20%，未来7天预测相对误差不超过30%；突发环境事件污染物扩散模拟，扩散范围模拟相对误差不超过10%，污染物到达保护目标时间预测误差不超过15%；污染溯源分析，流域、城市区域污染源贡献解析误差不超过15%，跨界污染溯源准确率不低于85%。5.3.2模型开发与耦合要求模型开发需满足：机理模型优先选用行业通用成熟模型，空气质量模拟可选用WRF-Chem、CAMx、CMAQ等，流域水动力水质模拟可选用MIKE、SWAT、EFDC等，污染物扩散模拟可选用高斯扩散模型、对流扩散模型等；数据驱动模型需基于不少于3年的历史监测数据训练，优先选用LSTM、Transformer等时序预测模型，适用于大尺度、高频次预测场景；采用机理-数据混合耦合模型，结合机理模型的物理可解释性与数据驱动模型的计算效率优势，提升模拟精度；支持实时监测数据同化，每1小时更新一次模型初始场，修正模拟偏差，实现模拟结果与物理环境状态的动态同步。模型参数率定需采用独立的历史数据集，率定期模型决定系数R²不低于0.7，验证期不低于0.6，禁止使用率定数据集开展模型验证。5.3.3模型性能要求面向实时交互场景，模型轻量化处理后单场景模拟推理响应时间不超过3秒，支持不少于10个场景并行模拟计算，满足多方案比选的实时性需求；模型采用标准化接口封装，支持模型替换、版本迭代，无需改动整体系统架构即可完成升级。5.4虚实交互与可视化技术要求支持从全球宏观尺度到污染源设备微观尺度的无级缩放渲染，场景交互渲染帧率不低于25fps，满足流畅交互需求；支持时间轴拖拽操作，可实现任意时段环境状态的回溯回放、未来预测过程的动态展示；支持突发环境事件应急预案推演的实时交互调整，可动态修改减排方案、处置措施，即时生成模拟结果；支持VR/AR沉浸式交互，可用于应急演练、生态环境科普、项目成果展示；面向决策指挥场景，支持多源信息融合展示，整合监测数据、模拟结果、应急资源分布等信息，一屏统览全局。6项目实施流程6.1需求调研与方案设计阶段开展全业务链条需求调研，覆盖生态环境管理、监测、执法、应急、规划等业务部门，明确建设目标、功能范围、精度要求、性能指标，形成需求规格说明书，由需求方确认；方案设计需明确总体技术架构、数据资源清单、模型选型、投资估算、进度计划、风险控制措施，方案需通过行业专家评审后方可进入实施阶段。6.2数据采集与整合阶段梳理数据资源目录，明确数据来源、更新频率、精度要求，完成基础地理数据获取、现有业务数据对接、感知网络补建，开展数据清洗、标准化处理、入库，数据合格率不低于98%，完成环境数据底板搭建，开展数据底板精度验证。6.3模型开发与集成阶段根据需求完成模型选型、开发、参数率定与验证，确认模型精度满足要求后，完成模型与数据底板、应用平台的标准化集成，开展模型功能与精度测试，修正模型偏差。6.4系统开发与测试阶段完成各业务应用功能模块开发，依次开展单元测试、集成测试、压力测试、安全测试，核心功能缺陷修复率达到100%，一般功能缺陷修复率不低于95%，系统连续无故障稳定运行时间不低于720小时，满足性能要求。6.5上线试运行与竣工验收阶段系统上线试运行周期不低于3个月，试运行期间系统可用度不低于99%，累计开展不少于3次实际业务场景验证，验证满足需求后，由建设单位组织竣工验收，验收通过后正式上线运行。7重点领域应用技术要求7.1流域生态环境协同治理构建全流域数字孪生环境体系，实现流域水环境、水生态、水资源全要素动态监控，支持污染物精准溯源、水质动态预测、生态流量调控、污染治理工程效果评估，支持跨行政区域环境信息共享与协同管控，针对跨界水污染问题可在1小时内完成溯源解析，明确污染责任，支撑流域生态环境补偿、考核等业务开展。7.2城市精细化环境管理构建城市尺度数字孪生环境，覆盖空气质量、水环境、噪声、土壤等环境要素，支持1km×1km网格精细化监管，可实现重污染天气应急减排方案模拟评估，量化不同减排力度下的环境质量改善效果，辅助筛选最优减排方案，黑臭水体治理效果动态评估，城市噪声污染溯源管控，提升城市环境管理精细化水平。7.3工业园区环境风险管控国家级、省级重点化工园区需建设数字孪生环境管理系统，实现污染源排放全过程监控、VOCs无组织泄漏动态识别、环境风险实时预警，要求风险预警准确率不低于90%，误报率不高于5%；突发环境事件发生后，1分钟内启动污染物扩散模拟，5分钟内生成初步应急处置方案，10分钟内完成影响范围、影响人群计算，支撑应急指挥决策，整合安全生产监测数据，实现环境风险与安全生产风险联动管控。7.4突发环境事件应急响应构建数字孪生应急响应体系，整合风险源信息、应急资源信息、周边保护目标信息，支持突发水污染、大气污染、土壤污染事件的动态模拟，全过程预测污染物扩散趋势、影响范围，支持多应急处置方案推演比选，辅助指挥人员选择最优方案，相较于传统方式可缩短应急响应时间30%以上，降低事件造成的环境损失。7.5自然保护地生态监管应用于国家公园、自然保护区、湿地等自然保护地，构建生态要素数字孪生体，实现生态系统类型变化、生物多样性动态、人类活动干扰的动态识别与监测，每年开展一次生态质量评估，评估结果准确率不低于90%，提前预警生态退化风险，支撑自然保护地精细化监管。8运行维护技术要求8.1数据运维建立分级动态更新机制：基础地理数据每3年更新一次，环境专题数据每年更新一次，动态监测数据实时更新，业务管理数据按月更新；建立月度数据质量抽检机制，抽检覆盖率不低于10%，整体数据合格率不得低于95%，不合格数据及时补测修正，标注数据质量等级。8.2系统与模型运维建立每周一次的系统日常巡检机制，及时修复系统漏洞，更新安全补丁；每半年开展一次模型精度验证，当模型准确率低于本指南规定的最低阈值时，及时开展模型参数重率定，每年完成一次模型迭代优化，适配环境变化带来的模型偏差；建立运维台账，完整记录巡检、故障修复、数据更新、模型优化等内容，台账保存期限不低于5年。8.3运维响应要求建立7×24小时运维监控机制，系统故障响应时间不超过1小时，一般故障修复时间不超过4小时，重大故障修复时间不超过24小时，全年系统可用度不低于99.5%。9安全保障技术要求9.1数据安全按照GB/T41479-2022要求开展数据分级分类，敏感数据、涉密数据采用国密算法加密存储与传输，严格落实访问权限控制，落实数据出境安全管理规定，禁止违规传输、泄露敏感环境数据。9.2网络与系统安全按照GB/T22239-2019要求落实网络安全等级保护，省级以上重要数字孪生环境系统安全保护等级不低于第三级，一般应用不低于第二级；部署防火墙、入侵检