“数字孪生流域”助力湖泊生态治理

“数字孪生”技术应用领域日益宽广。近日，记者从中国科学院南京地理与湖泊研究所获悉，该所段洪涛研究员团队以巢湖流域为研究对象，对流域尺度的地理空间要素进行了快速三维重建，并对多元监测监控数据的智能分析、流域多过程机理模型耦合集成等关键技术进行了深入研究，在流域信息化平台的可视化效果和决策支撑能力提升方面取得重要进展。

“以前，流域综合管理信息化系统大部分都是二维平面系统，或者只有地形起伏的简单三维数据展示系统，因此流域的管理、规划等工作和野外真实环境是脱节的。”段洪涛举例，在二维地图界面上可以看到某个地方有条河流，河流中间有个水质监测站，可以看到这个监测站监测的数据如氮磷浓度等，但是河流周边的真实环境，如有没有排污口、岸边的土地利用类型等信息都是看不到的，而这些信息对于流域管理又非常重要。

为解决这一问题，段洪涛带领团队自2018年开始攻克“孪生流域”平台构建关键技术。“我们的目标是在计算机中构建一个和实际流域一模一样的流域环境，并且把数据分析算法和水文、水质、水力、生态、水资源等模型集成进去，实现‘所见即所得’，让流域管理人员在办公室里就能够了解流域全方位情况，提高工作效率和效果。”

如何对流域尺度的多要素快速进行三维建模，成为团队首先要攻克的难题。团队成员邱银国博士介绍，传统的三维建模手段主要适用于外形规则的物体，比如建筑物、道路等，但不适用于流域要素，如植被、沟渠、桥梁、闸坝等，以巢湖流域为例，如果要用传统手段进行全流域三维建模，光建模工作就需要花费一年以上时间。“我们团队成员来自地理信息系统、摄影测量与遥感、水文水资源、水环境模拟、计算机软件研发等多个专业领域，大家通力合作开展交叉研究，利用三维地形建模、无人机建模、人工建模等多种方法，仅用一两个月时间就快速构建了流域三维场景。”

流域要素的三维可视化解决了让信息平台变得“好看”的问题，但这还远远不够，还要让信息平台变得“好用”。邱银国说，平台的核心还是要集成水质、水文、水生态等机理模型。团队依托之前承担的“十三五”巢湖水专项课题，在流域水环境时空大数据分析、流域水污染精准减排等方面的研究成果，实现了模型计算结果在流域实景三维场景中的集成展示。

此外，如何在浏览器端快速加载展示实景三维场景，也是团队着重攻克的难点。因为流域范围的实景三维场景数据量巨大，在浏览器端实现浏览展示，一般都需要安装专门的软件或在特定的高性能服务器上进行，很不方便。团队通过两方面进行了优化，一是设计了一种基于多细节层次的数据组织和管理方法，二是实时判断可见的场景范围，实现了“看到哪里就加载到哪里的模型，看不到的地方则不加载”，从而提高了三维场景数据的加载效率。

“我们目前已可以在‘身临其境’的环境中掌握流域水环境的现状、异常和趋势，把水环境监测数据和实景信息结合起来，就像是人到了现场一样，还能看到在现场也看不到的数据。”段洪涛介绍，经过4年努力，团队在不需要特殊软硬件支撑的条件下，实现了对流域地理要素的逼真模拟、高效可视化和三维空间分析。

此外，团队还实现了流域水环境异常信息的智能诊断和自动报警。这主要是利用大量的自动和人工监测数据，设计了流域水环境时空大数据的分析方法，从而快速掌握哪里的水质或污染物超标了，再定位到超标位置周边的实景三维环境，了解具体情况、做出科学决策。

团队最终初步实现了在“实景三维”环境中对流域的精细化管理。团队依托承担的“十三五”巢湖水专项课题的数据库和专业模型等相关研究成果，在湖区水质达标的前提下，准确计算出了每条河流最多能排进湖里多少污染物、河流的每一段最多能排放多少污染物、陆地上的每个控制单元(如乡镇等)能排放多少污染物，并结合现状排污情况核算各个控制单元的污染物削减量，然后把这些信息集成到“孪生流域”时空基准框架中进行可视化，回答“减什么”“减哪里”“减多少”“怎么减”“如何管”的实践难题。

标签： 污染物削减 人工监测 生态治理 流域水污染