數字孿生峽江水利樞紐工程多尺度建模及可視化渲染關鍵技術應用

張煜，劉亮，徐曙光 ，萬迪文 ，張霽云

（1.江西省峽江水利樞紐工程管理局，江西 南昌 330000；2.江西省水投江河信息技術有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

智慧水利作為水利高質量發展的顯著標志，是推進新階段水利高質量發展的六大實施路徑之一，數字孿生是水利行業向智慧化升級轉型的必要技術[1]，建設數字孿生流域和數字孿生工程已經成為當前智慧水利建設的核心任務和目標[2-3]。水利部開展數字孿生流域和數字孿生水利工程先行先試，各省和各大流域機構分別進行了數字孿生流域建設的初步探索[4-5]。地理空間數據和可視化模型作為數字孿生流域的重要建設內容，多尺度建模及可視化渲染技術的應用可助力建設內容落地實現。

在水利行業中，利用多尺度建模及可視化渲染技術對流域和水利工程中涉水要素進行虛擬仿真，可為水資源調度、工程安全監測、防汛抗旱、水生態保護等提供高效且準確的分析和決策支持。相關專家學者在多尺度建模和可視化渲染方面也有相應的研究，如喻杉等[6]研究了流域全要素建模、高保真高性能渲染、地形數據加工處理等模擬仿真關鍵技術，全域、全過程實時準確再現流域物理世界中各要素之間的關系，從而實現流域水流、信息流、業務流、價值流的全過程實時鏡像；饒小康等[7]借助 GIS，BIM，IoT（物聯網），人工智能等新興技術，利用數字孿生技術在信息空間中對堤防工程、外部工況、環境等實體進行復刻，構建相應的堤防工程安全管理數字孿生平臺；陳建群等[8]以鄱陽湖濕地為研究對象，采用 3ds Max 建模方法對遙感影像進行處理，使影像與真實場景更接近，同時，在場景中加入使用三維建模方法制作的鄱陽湖濕地水利樞紐工程仿真模型，形象逼真地展現了工程的細部結構特征；陳志鼎等[9]設計了基于數字孿生技術的水輪機虛實交互系統，實現了數字孿生體對物理實體和控制操作的實時反饋模擬，基于高度集成虛擬模型，進行水輪機運行狀態優化和在線仿真分析。

江西省峽江水利樞紐工程位于贛江中游峽江縣巴邱鎮上游峽谷河段，是國家 172 項重大水利工程、省重點水利工程。水庫正常蓄水位為 46.0 m，總庫容為 11.9億m3，防洪庫容為 6.0億m3；電站裝機容量為 360 MW，共裝 9臺40 MW 的燈泡貫流式水輪發電機組。庫區工程包括同江、上下隴洲、柘塘、金灘、樟山、槎灘、吉水縣城等 7 個防護區工程，以及防護區內外同江、水田、沙坊等 20 片共計 25 km2抬田，12 座排澇站，39 臺套裝機，總容量為 15 995 kW。

本研究基于數字孿生峽江水利樞紐工程先行先試項目（以下簡稱項目），應用多尺度建模及可視化渲染關鍵技術，構建峽江水利樞紐工程范圍及影響區域內地理空間數據及可視化模型，發揮數字孿生水利工程的數字映射、可視化模擬作用。

1 整體方案

多尺度方法能夠實現微觀、宏觀及中間尺度的聯合分析。多尺度建模是指在同一個計算模型中既包含高效率的宏觀單元又包含高精度的精細單元，不同單元在同一個模型中通過一定的方法進行耦合連接，從而平衡建模的計算時間和精度?？梢暬夹g是把無法直觀顯示的數據轉化為能夠直接感知的形狀、字符、色彩、紋路等?？梢暬秩臼菍祿蚰Ｐ娃D化為立體或平面的圖片或動畫，有助于更好地理解和分析復雜的數據或模型。通過交互式渲染工具，手動或自動地控制數據或模型的可視化效果，調整視角、光線和材料等屬性，呈現不同的場景和效果，使數據或模型更具有動態性和真實感。

多尺度建模方面，項目在宏觀層面采用無人機傾斜攝影技術進行建模，具備數據生產效率高、三維模型效果理想、建模精度高等優點，建模范圍覆蓋壩區、庫區工程及影響區域。在局部和微觀層面，采用三維激光掃描技術，通過圖紙進行 BIM 反向建模，針對圖紙缺失的情況則采用三維激光掃描技術進行三維數據采集，可完整表達設備和結構的基礎信息、空間位置等，大大提高數據采集的效率和精度，建模范圍覆蓋壩區、庫區工程的重要站點和核心設備，包括壩區工程的清污機、啟閉機、泄水閘、船閘、魚道等，庫區工程的 12 座電排站、36 座灌溉閘、提灌站、自排閘等站點和設備。

可視化渲染方面，項目采用 UE4（Unreal Engine 4）進行三維可視化渲染。場景及功能制作完成后，將標準插件及定制 API 接口在渲染服務器上進行打包封裝，發布上傳至云渲染平臺，將服務器地址及網絡端口進行配置，配置完成后即可調用場景及 API 服務，既能滿足宏觀大范圍面積孿生場景的可視化展示需求，又能滿足微觀場景的精細化還原需求，同時還能保持系統運行的流暢程度。結合數字孿生峽江三維建模成果，實現全要素場景可視化表達、實時三維渲染、空間分析、業務模擬仿真，為峽江水利樞紐工程數字孿生場景創造更具有交互性、真實感、沉浸感的三維地理環境，實現數字孿生峽江水利樞紐工程與物理世界同步仿真運行。多尺度建模和可視化渲染整體技術流程如圖 1 所示。

圖1 多尺度建模和可視化渲染整體技術流程

2 多尺度建模關鍵技術

數字孿生水利工程建設內容包括地理空間數據管理和可視化模型建設，從而將真實的物理世界轉化為孿生的數字世界。從宏觀到局部再到微觀，還原不同尺度的物理世界，需要用到多尺度建模手段[10-11]。

血管母細胞瘤，又稱血管網織細胞瘤，約占中樞神經系統腫瘤的1.5%～3.0%，好發于小腦半球(80%～85%)，其次為延髓、脊髓，5%～10%發生于幕上[3-4]。腫瘤多位于腦內，腦外(基于硬膜)罕見。根據病理及影像表現可分為4種類型，單囊型、大囊型、微囊型及實性腫塊型，其中單純實性腫塊型相對少見，約占30%[5]。

2.1 無人機傾斜攝影

傾斜攝影技術是低空航空攝影測量領域的新興技術，通過無人機搭載相機，從不同角度全方位拍攝地表真實情況，為大規模建筑物或復雜地形等場景構建提供更完整的信息，但對于光線、云層等環境的干擾比較敏感。無人機傾斜攝影建模技術可在獲取傳統正射影像的基礎上，進一步生成具有三維坐標的地物地貌真實模型，將物理世界轉換為數字世界，作業、數據處理等流程分別如圖 2和3 所示。

圖2 無人機傾斜攝影作業流程

圖3 無人機傾斜攝影數據處理流程

無人機傾斜攝影航線設計中最重要的是航高設計，需要根據使用的相機參數及要求的地面分辨率確定航高，相對航高=地面分辨率×焦距/像元大?。ㄆ渲械孛娣直媛首詈脙炗?2 cm）。以傾斜相機為例，航高與地面分辨率對應關系如表 1 所示。

表1 航高與地面分辨率對應關系表

通過對原始像片、POS 數據、相機檢校參數、像控點等原始數據，進行像片勻光、畸變處理、旋轉等預處理，導入 Inpho 建模軟件進行空三加密和 DEM（數字高程模型）生成，以及正射糾正、鑲嵌、分幅，形成DOM（數字正射影像）數據。在 Match-AT 模塊實現完全自動化的高效空三處理，對所有加密點坐標和每張航片外方位元素進行解析；在 Match-T DSM 模塊應用先進的多影像匹配技術，自動獲取并生成各像對范圍內的 DTM（數字地面模型）；利用 DTMaster 模塊對 DTM 數據進行編輯、拼接、剪裁，與實際地形保持一致，生成達到精度要求的 DEM；在 OrthoMaster模塊中結合生成的 DEM 進行單張像片正射糾正，在OrthoVista 模塊中利用糾正后的像片智能鑲嵌出整個測區的初始 DOM，檢查、編輯 DOM 和鑲嵌線，自動分幅后完成 DOM 制作。

2.2 地面三維激光掃描

地面三維激光掃描技術突破傳統的單點測量方法，最先在測繪領域應用，后憑借高分辨率、高精度、非接觸測量等優點，逐漸應用于地質災害測量、數字孿生等領域[12-15]。利用激光測距原理，通過高速測量和記錄被測物體外表大量密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，能夠準確生成建筑、地形等復雜的結構模型，快速復建被測目標的三維模型，以及線、面、體等各種圖件數據，但掃描數據量較大，對計算機的處理能力要求較高。地面三維激光掃描作業流程如圖 4 所示。

圖4 地面三維激光掃描作業流程

地面三維激光掃描數據采集包括點云數據和紋理圖像采集，點云數據精度劃分等級與特征點間距中誤差、點位相對于鄰近控制點中誤差、最大點間距及配準要求相關，紋理圖像精度則與像元大小相關，具體技術指標和規定如表 2和3 所示。

表2 地面三維激光掃描點云精度與技術指標

表3 紋理投影像元技術規定

利用三維激光掃描儀自帶的 Z+FLaser Control軟件對點云數據進行拼接、去噪等，輸出高精度點云數據。采用 3ds Max 軟件對規則模型進行三維建模，保持模型中所有物體的編輯使用 Edit Mesh或Edit Poly 方式完成，特殊情況下可使用 Surface 建模。采用 Geomagic Studio 軟件對不規則模型進行三維建模，導入所有（x，y，z）點云數據，在三維模型構建的形狀階段創建曲面片，構建格柵及生成曲面，在多邊形階段實現模型修補及優化，在模型合并后進行紋理貼圖并渲染成型。

2.3 BIM 技術

BIM 以三維數字技術為基礎，實現對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達，在數字孿生三維建模中，建筑物、設備等三維模型的建立可以簡化為BIM 數據庫的建立，利用 BIM 技術建立的三維模型更精確，功能更強大[16-17]，作業流程如圖 5 所示。

圖5 BIM 技術三維建模作業流程

在 BIM 構建過程中，針對水庫大壩等的規則模型，先采用能表達實體特征的面域創建基本實體模型，再進行平移、旋轉、鏡像等操作，最后利用幾何圖形布爾運算求模型的差集、并集、交集等，得到三維實體模型；針對水輪機組等的不規則模型，先采用曲面建模方法，分解為若干個四邊形或三角形網格，再利用微平面逼近曲面的方法完成三維實體模型。同時基于 WebGIS 能力，對 BIM 進行輕量化處理，利用WebGIS 的交互能力通過瀏覽器和智能手機端調用BIM 數據，進行各種問題標記、追蹤等協調工作，大大降低 BIM 使用難度。

3 可視化渲染關鍵技術

通過整合三維全景數據庫，進行數據模擬和真實場景效果渲染，充分利用實時渲染引擎對場景進行優化處理，以彌補無法在三維建模過程中實現的不足，并在數字孿生平臺可視化模型中加以應用。

3.1 實時渲染引擎

目前主流的渲染引擎為 WebGL和UE4。WebGL可在所有主流瀏覽器上運行，無需安裝額外的軟件或插件，同時提供了標準的 API，允許開發人員使用JavaScript與GPU 交互，得到高效的動畫效果和可交互的三維圖形，但渲染效果可能會受網絡速度影響，尤其是在使用大量粒子和紋理的情況下。UE4 提供了一系列先進的渲染功能和可編程的動畫特效，可創建出極具現實感的 3D 效果，但對 GPU 性能有一定要求，并且需要調用 GPU 服務資源才能實現網頁訪問。采用UE4 渲染引擎進行三維可視化渲染，將模型數據計算、場景等渲染工作放在云端，渲染結果以 WebRTC 等視頻串流形式實時推送到客戶端。用戶無需下載安裝客戶端或瀏覽器插件，只需要具備 Web 視頻播放能力就可以體驗到高畫質效果，為在移動端、信創等低算力環境中體驗高保真水利模擬仿真預演創造了可能，滿足水利用戶隨時隨地跨終端、可交互、高清、沉浸式的訪問需求。

3.2 光源及天氣處理與優化

基于圖形學將球諧光照和實時光線追蹤技術結合起來，烘培動態場景中眾多采樣點的球諧光照信息，實現 24 h 晝夜變換、大氣渲染和自動光照變化效果，賦予周圍動態、靜態物體豐富的全局光照信息，實現對聚光燈、天光等多種光源類型的實時模擬。依靠定制的自動化工具查找并匹配對應天氣效果參數，根據云層高度、風向、邊緣噪波尺寸等天氣動態數據，模擬陰、晴、雨、雪等多種真實天氣，支持場景時間現實仿真，利用環境霧氣技術創建霧化效果。

3.3 物理仿真特效優化

內置的高質量粒子系統可實現物理仿真特效優化，通過編輯粒子效果，場景中數百萬的動態粒子可接受和反射光線，控制各種粒子的大小、顏色、密度、下降散開和反彈運動軌跡等效果參數，快速創建水體、植被、泥沙、道路等效果，實現數字孿生場景中各種粒子效果動態控制和變化。引擎開發庫中有豐富的水利場景元素和仿真素材，開發者只需完成部分地貌、水工場景的構建，引擎可自動填充優化完成其余部分。

3.4 多細節層次處理

多細節層次（LOD）技術根據物體模型節點在現實環境中所處的位置和重要度，決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數和細節度，從而達到高效率渲染運算，可充分展現精細化模型效果（觀察距離為 5 m～10 km，紋素比為 1，模型結構精度為 1 m，紋理精度為 0.1 m）。對細小紋理進行映射處理，較遠的原始紋理貼圖可自動產生較小的分辨率紋理?；?GPU 多投影新架構，鏡頭匹配陰影處理，通過鏡頭陰影矯正技術，實現像素著色性能的多重改進。該功能提高了多分辨率陰影渲染能力，通過渲染最合適并接近鏡頭校正圖像的表層，避免對應在圖像輸出到顯示端之前被丟棄的一些本像素點進行渲染。

3.5 渲染優化處理

為支持真實物理效果的材質渲染，還原最真實的材質，以更匹配高像素密度的鏡頭校正圖像渲染，將單個畫面分割成不同形狀的幾個分區，用不同的分辨率渲染不同分區，如中間區域用高分辨率渲染，周圍區域用低分辨率渲染，分區渲染不會額外占用計算資源。統一模型的制作標準和規范，提交三維建模成果，從而減少可視化渲染過程中模型處理的工作量，以達到渲染優化處理的目的。

4 應用案例

4.1 多尺度建模

采用泡沫固定翼無人機搭載微單相機，在峽江水利樞紐工程庫區 710 km2作業范圍內布設 250 余個測控點，實現傾斜攝影數據采集；采用三維激光掃描儀采集營區雕像、泵房建筑、設備外部結構等三維點云數據；根據工程及設備圖紙，利用 BIM 對水泵機組、發電機組、大壩壩體等進行三維建模。采用 UE4渲染引擎，利用云端 GPU 服務器資源，實現云端渲染，渲染結果以視頻串流形式實時推送到客戶端，客戶端通過瀏覽器訪問，并將交互操作通過指令流傳回服務端，服務端響應交互操作，再將響應后的視頻流實時推送至客戶端。項目配置的渲染算力資源為PR2510P2 服務器、4215R CPU和32GB內存、960 GB SSD 硬盤、8張GeForce RTX 3090 24GB 顯卡，滿足支持 8 路用戶同時在線的實時渲染要求。

4.2 多源數據集成

采用 UE4 實時渲染技術，將 BIM，DEM，DOM，激光掃描點云等數據，以及 3ds Max 模型導入 UE4。其中，3ds Max 模型作為靜態或骨骼網格，被視為場景的一部分，可在藍圖中引用模型資源，或在關卡編輯器中直接將模型拖放到場景中。導入的 BIM 數據用于創建精細化建筑場景，可編輯和優化 BIM 數據的細節，或添加光照、陰影、反射等效果，展示和交互 BIM 數據。導入的激光掃描點云數據用于生成真實感強的地形或物體模型，可在 UE4 中編輯和優化點云數據的密度、顏色、法線等屬性，使用材質和貼圖增強點云數據的視覺效果。導入的 DEM 數據用于生成地形，在 UE4 中編輯和優化地形的高度、坡度、細節等屬性，使用材質和貼圖增加地形的紋理和細節，或使用植被工具添加草地、樹木等植物。導入的 DOM 數據用于生成地表紋理，在UE4中編輯和優化 DOM 數據的分辨率、投影、裁剪等屬性，使用材質和貼圖調整 DOM 數據的顏色、對比度、明暗等效果。

4.3 可視化模型應用

數字孿生峽江水利樞紐工程多尺度建模及可視化渲染成果應用主要體現在以下 3 個層面：

1）宏觀層面。三維可視化建模范圍北至贛江大橋，南至井岡山大橋，沿贛江河岸、防護區，抬田范圍外擴 2 km，總面積達 710 km2；內容包括分辨率為2 m的DEM、分辨率為 0.2 m的DOM，以及 710 km2范圍內的道路、水系、植被、建筑等矢量數據，建模范圍及成果如圖 6 所示。

圖6 宏觀三維可視化建模范圍及成果

2）局部層面。三維可視化建模范圍包括樞紐大壩、營區、魚類增殖站、電排站、堤防、導托渠，內容包括灌溉閘室、魚道閘室、泄水閘室、船閘閘室、營區辦公樓、電排站建筑物、魚類增殖站建筑物、51 km 堤防及 42 km 導托渠，建模成果示例如圖 7 所示。

3）微觀層面。三維可視化建模范圍包括樞紐大壩、營區、魚類增殖站、電排站、導托渠，內容包括水輪機、清污機、啟閉機、泄洪閘、水泵、高低壓柜、發電機組、灌溉閘、自排閘、育苗魚缸、水輪機組內部零件，建模成果示例如圖 8 所示。

圖7 局部三維可視化建模成果示例

圖8 微觀三維可視化建模成果示例

為解決水利樞紐工程建模不易、可視化不直觀等問題，對多尺度建模和可視化渲染等技術進行了融合研究。在空間數據管理方面，集成宏觀層面的 GIS 與微觀層面的 BIM，GIS 完善 BIM 周邊場景，BIM 優化GIS 微觀數據來源，兩者優勢互補。在 Web端加載、渲染大規?？臻g數據方面，對 GIS 和BIM 數據進行層次劃分，獲取 GIS 和BIM 數據各層級子文件，在保證數據信息完整性的同時，提高空間數據在 Web 端渲染效率的預期，有效解決高效、準確地對峽江水利樞紐工程進行多尺度建模和渲染可視化的問題，對水利樞紐工程的科學治理與決策具有重要研究價值和社會意義，同時為仿真渲染與可視化提供思路。

4.4 創新點

本研究創新點可概括為以下幾點：

1）從可視化角度融合 BIM與GIS。將大場景分為多個小場景，先渲染宏觀的 GIS 數據，隨著視角的切入再渲染微觀的 BIM 模型，合理利用有限資源。

2）將 LOD 技術應用于模型?？杀Ｕ纤麡屑~工程模型在全生命周期內不同階段中的發展程度（完整度），既能完好地保存工程屬性信息，又能達到與模型相同的可視化效果。

3）實現了可視化模型云端渲染。創新性提出將云渲染技術運用于水利數字孿生場景中，實現了對峽江水利樞紐工程宏觀、局部、微觀等 3 個層面的可視化模型渲染，并將渲染結果以視頻串流形式推送至客戶端，滿足用戶在低算力環境下的訪問需求。

5 結語

利用無人機傾斜攝影、三維激光掃描、BIM 等多尺度建模技術和 UE4 可視化渲染，有效構建了峽江水利樞紐工程宏觀、局部、微觀等 3 個層面的可視化模型，實現了工程多時態、全要素地理空間數字化映射，高效支撐了數字孿生峽江水利樞紐工程業務應用建設，為實現模擬仿真及綜合決策提供了基礎，為多尺度建模和可視化渲染在水利行業的應用提供了參考，有力推動了基于數字孿生的智慧水利建設和高質量發展。目前僅對多尺度建模和可視化渲染關鍵技術進行了應用研究，后期擬對三維建模數據處理過程、可視化渲染設備配置等方面展開研究。