空间智能赋能数字孪生水利解决方案（44页 PPT）

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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 GISTC P6 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 GISTC P9 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 Digital Asset Digital Asset Digital Asset ▶ Manual /offline data flow Automatic / real-time data flow 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 Model Physical Asset 数字模型 数字影子 数字孪生 Digital Shadow Physical Asset 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 Digital Physical 以 虚 控 实 生 命 周 期 演 化 Twin Asset 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… GISTC 2024 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 SuperMap context capturet u DP-Modeler AUTODESK 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/DSM BIM 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 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 BI M 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 GISTC B 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 P18 BIM 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 GISTC Revit 设 计 模型 院 受 函 基 于 GPA SuperMap HandwareSdheda Lndapo Sdeco r 时 数 Smper P20 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 P22 GIS 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 GISTC P23 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 GIS P25 + 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 GISTC GIS 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 6 m 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 GISTC M 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 P23-1 5-1 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 Metric Modul e P 河垃圾堆放监测 沙堆堆放监测 reshape 中 Y∈RC×N Y∈RCH×W×2 Z∈pCXH×W 1×1 conv Y∈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) sofmas A ∈RN×N concan 六、空间交互能力构建 Input Image ResNet. Conv+Pool Res Block1 Res Block2- Res Block3 Res Block4 ^2×upsample 央 4×upsample 矣 8xupsample 1×1 Conv- 1×1 Conv 1×1 Cone 1×1 Conv 遥 感 智 能 识 别 模 型 1×1 conv XER°KHXW×2 R∈R ′×N ⁻ K ERCkH×W×2 reshape Q ∈RC′xN QER“′xXw2 reshap (a)Pipeline Feature Extractor GISTC onctcnioH 3×3 Conv 1×1 Conv Output Feature Map (c)BAM reshape VeRCBX W×2 (d)PAM (2) (b)Feature Extractor x(1) weight-shared 1×1 conv X∈Re×H×W×2 Spatial- Temporal Attention Module