洞庭湖区时空数据底板建设探索

郑任泰，贺 涛，许克平，严 涛

(湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410000)

为贯彻水利部、省委省政府关于智慧水利和数字孪生流域建设的有关决策部署，建设湖南省数字孪生流域，以洞庭湖流域为试点建设数字孪生流域洞庭湖。根据水利部印发的《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》等文件，数字孪生是实现水利对象全要素数字化映射、全生命周期的管理，包括实时监控、同步仿真运行，与模型库、知识库结合实现智能模拟、前瞻预演、虚实交互、迭代优化、发现问题、优化调度[1]。时空数据底板对数字孪生平台至关重要，搭建洞庭湖区时空数据底板，从而实现洞庭湖流域水利对象全要素数字化映射、全生命周期的管理，对相关业务系统提供基础数据服务支撑[2]。

1 现状分析

时空数据底板的搭建是一个庞大而复杂的问题，涉及大量多源异构数据，不仅要反应其空间特征、属性特征，还要反映随时间空间属性的变化，数据需结合模型库、知识库进行静态建模、动态模拟，需要满足各项建模标准、数据传输标准。

在整理洞庭湖区时空数据时，发现诸多问题，总结如下。

(1)数据收集与整理方面，洞庭湖区数据大多分散在各个科室、设计单位、建设单位，收集难度大；数据大多只有纸质文件，没有进行数字化工作，人工整理工作量大。

(2)数据存储与发布方面，海量三维数据的存储、管理和应用给平台的运行效率带来了极大的挑战。

(3)数据接入与集成方面，多元数据融合以及迭代更新能力不足，数据冗余度高，对水利业务分析和决策的实时性和时效性造成了影响。

(4)规范与标准体系方面，没有形成一套统一的建设规范与标准体系，造成数据管理、利用上困难。

针对洞庭湖区时空数据的这些问题，解决方案如下。

(1)数据收集与整理方面，收集整理各科室、设计单位、建设单位有关洞庭湖区数据，借用湖南省水利一张图调用已有数据，保证“一数一源”。

(2)数据存储与发布方面，利用湖南省水利云，分布式存储海量数据将BIM模型进行轻量化处理，节省存储空间。

(3)数据接入与集成方面，通过服务接口，利用HTTP协议，调用数据，实现数据集成。

(4)规范与标准体系方面，参照《湖南省水利对象分类与编码指南》进行水利对象统一编码。

2 数据整编

2.1 数据分类

洞庭湖区时空数据底板分为地理空间数据、模型数据、基础数据、监测数据、业务管理数据、外部共享数据等。

地理空间数据包括数字高程模型DEM、正射影像图DOM、水下地形、倾斜摄影模型、GIS数据等。

模型数据就是水利对象在空间上的数字化映射，主要指BIM模型。

基础数据是指水利对象的属性信息，包括江河湖泊、水利工程对象、监测站点对象、工程管理对象等水利对象的属性信息。

监测数据是分布在水利对象周围，为了实时监测感知水利对象而布设的监测站点，通过网络连接形成水利信息感知网。监测数据包括水文监测数据、工程安全监测数据、其他监测数据。

业务管理数据是指在具体的业务中除地理空间数据、基础数据、监测数据的以外的数据，包括用户角色、管理权限、文件等等。

外部共享数据是需要调用其他部门接口来获取的数据，比如雨水情、气象、航运、遥感数据等等，结合水利对象模型、基础数据和监测数据更好的进行水旱灾害预警、水资源调度等。为时空数据底板分类如图1所示。

图1 数字孪生流域时空数据底板分类

2.2 数据底板搭建

按地理空间数据精度和建设范围可以将洞庭湖区数据底板分为L1、L2、L33级。L1级数据底板，展示洞庭湖流域中等精度的数字地形数据DLG、数字正射影像DOM、数字栅格地图DRG、高分立体测绘卫星数据、水利对象基础数据、水利监测数据等。L2级数据底板是在L1级数据底板的基础上，重点展示洞庭湖区域重要区域，包括洞庭湖湖盆、四水尾闾河道、四口水系河道、一线防洪干堤、重要内湖及撇洪渠等，显示重点区域的数字高程模型DEM、水下地形数据、断面测量数据和涉及倾斜摄影模型等三维数据。L3级数据底板，在L2级数据底板的基础上，以工程数字化方式逐步补充L3级数据底板内容，夯实水利信息基础设施，扩展水利云节点，完善水利感知网，融合长沙枢纽、马迹塘、株洲航电等重点区域重点水利工程数据以及BIM模型，接入水文、水工程等实时数据监测、业务管理数据、跨行业共享数据等。

洞庭湖区时空数据底板搭建如图2所示。

图2 洞庭湖区时空数据底板搭建

3 主要技术方案

分析了洞庭湖区时空数据底板搭建存在的若干问题，为高效管理和利用洞庭湖区时空数据底板，采用若干技术，比如：采用编码技术实现水利对象数模分离；采用BIM轻量化引擎实现BIM模型在网页端展示；分布式存储数据、发布服务的方式调用数据，实现多源异构数据融合；使用统一的数据管理平台实现空间地理数据、模型数据、基础数据、监测视频等在平台可视化展示与管理；采用“一数一源、一源多用”方式减少数据冗余等等。下面逐一讲解这些技术实现。

3.1 采用编码技术

对水利对象进行编码，采用编码技术将水利对象数模分离。从数据物理结构上，所有的空间数据可以分两个部分：空间结构和属性信息。虽然大多数地理信息系统软件可以同时存储这两个部分的内容，但是由于空间结构和属性信息的精度要求不一致、更新频率不同，导致数据更新造成造成数据冗余。因此，将这两个部分的内容从空间数据库中剥离开来、分别存储，采用编码技术相互关联。目前，洞庭湖区数据底板处理空间数据的软件是国产的地理信息系统软件SuperMap，它可以集成并处理大量的二三维空间数据，如Shapefile、DEM、倾斜摄影模型、BIM模型、遥感影像、水下地形数据等等，属性信息存储在MySQL数据库中，主要包括水利工程基础信息、运行管理信息、规划信息等等。

参考《湖南省水利对象分类与编码指南》，对水利对象根据不同的类别进行统一编码。水利对象分为江河湖泊、水利工程、监测站点、其他管理对象四大抽象类，《湖南省水利对象分类与编码指南》中水利对象的分类如图3所示。不同类别的水利对象按照类型、所属流域水系、行政区划、水资源分区、水功能分区等等进行编码。

图3 水利对象分类

利用SuperMap+MySQL方式实现数模分离，如图4所示。

图4 利用SuperMap+MySQL方式实现数模分离

3.2 BIM轻量化引擎的应用

管理BIM模型，因为需要保存高清贴图和图形属性，需要大量的存储空间，占用大量的服务器资源，使得加载速度十分缓慢，并且BIM模型的建模和加载常常需要特定的专业软件[3]才能打开，例如Bentley、Revit软件等。为了提高BIM模型利用率和加载速度，需要开发一套BIM轻量化引擎，将模型轻量化处理，切片供3DWebGIS场景使用，同时导出GLTF格式、FBX格式或者OBJ格式的模型文件供软件平台中BIM场景使用[4]。BIM轻量化引擎实现方式如图5所示。

图5 BIM轻量化引擎实现方式

3.3 超图的服务应用

为了实现多源异构数据的融合并在网页浏览器上可视化展示，通过SuperMap的iServer，发布服务，生成数据服务、地图服务、三维服务，通过统一的HTTP标准，供平台对数据调用[5]。

数据服务，将数据放在超图工作空间数据源中，即可在网页界面上获得有关要素的空间位置和属性信息，通过网页端解析，展示和渲染出相应图形、弹出属性弹框。优点：数据服务包含要素的空间位置和属性信息。缺点：解析和渲染数据需要占用较大的内存、加载时间较长。

地图服务，在超图工作空间中将各要素制作成地图，即可调用地图服务。优点：不需要渲染、数据加载较快。缺点：丢失属性数据、无法展示三维数据、无法更改要素样式。

三维服务，在超图工作空间中将各要素放在球面场景中，即可调用三维服务。为了实现三维模型在网页上快速调用，BIM模型需要轻量化处理、进行三维切片缓存后再加载到球面场景中。优点：可以获得要素属性信息、展示三维模型、制作三维标签。缺点：占用较大的内存、加载时间较长。

3.4 统一的数据管理平台

通过统一的数据管理平台管理洞庭湖区数据底板，接入超图服务、MySQL数据库、监测视频、共享数据等等，实现多源异构数据融合、可视化展示，从而在平台上管理数据。

洞庭湖数据底板管理平台如图6—7所示。

图6 洞庭湖数据底板管理平台

图7 洞庭湖数据底板管理平台

3.5 “一数一源，一源多用”

针对数据冗余问题，采用“一数一源、一源多用”方式。“一数一源”即确定数

据唯一来源；“一源多用”，即实现在不同的业务模块中多次利用，比如：湖南省水利一张图、山洪灾害管理系统、水资源管理调度、大中型泵站统一监视平台等等。“一数一源、一源多用”示意图如图8所示。

图8 “一数一源、一源多用”示意图

4 结语

本文通过对洞庭湖区时空数据底板建设的探索，成功搭建了统一的时空数据管理平台，实现了数据的整理、编码、轻量化、入库和发布服务。这为智慧水利数据孪生平台的发展提供了明确的思路和实践经验。通过采用“BIM+GIS+IOT”等主流技术，实现了多源异构数据的融合和高效管理。这为各省市建设时空数据底板提供了有价值的借鉴。结果表明，时空数据底板的建设可以为水利管理提供全面的监测、模拟、分析和决策环境，为水安全保障提供支持。然而，本文的研究还存在一些不足。尚未充分探索时空数据在各项业务上的应用，对于标准与规范体系的建立还有待进一步加强。未来的研究可以进一步深化对时空数据的利用，探索更多的应用领域，并完善相关的标准和规范，以推动智慧水利的发展和应用。