河口海岸數字孿生建設與挑戰（特邀）

彭 忠，王長波，劉 利，呂振華，朱學明，何 青，李 武，宋德海，周 烜，武 文，柴 扉0，彭 偉，彭 偉，WANG Zhengbing，，YE Qinghua

（1.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200241；2.華東師范大學計算機科學與技術學院，上海 200062；3.清華大學地球系統科學系，北京 100084；4.華東師范大學軟件工程學院，上海 200062；5.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519085；6.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；7.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島 266100；8.華東師范大學數據科學與工程學院，上海 200062；9.中國海洋大學海洋與大氣學院，山東 青島 266100；10.廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室，福建 廈門 361102；11.國家海洋技術中心，天津 300112；12.華東師范大學信息化治理辦公室，上海 200062；13.Delft University of Technology，Delft 2628CJ，Netherlands；14.Deltares，Delft 2628CJ，Netherlands）

河口海岸是地球系統中典型的多圈層多界面地帶，也是人類生存和發展的重要區域。然而，在氣候變化和人類活動的雙重脅迫下，河口海岸面臨環境惡化、濕地生態受損和災害風險增加等多重問題。解決這些問題需要一個基礎工具和平臺，它必須具備無限接近真實、快速高效和系統緊密關聯的特點，從而能夠降低復雜系統的分析成本，并幫助我們識別潛在問題、預測系統性能、優化應對方案和進行預防性維護，提高應對效果和管理效率。然而，現有的觀測手段和數值模型等工具無法同時滿足這3 個核心要求，已成為制約河口海岸帶可持續高質量發展的瓶頸。近年來，國際上高新技術發展迅猛，例如聊天機器人（Chat Generative Pre-trained Transformer-4，ChatGPT-4） 實現了生成式人工智能，超級計算機“神威·太湖之光”等為大型模型系統提供了充足的算力支持，數字孿生技術也自2003 年提出以來成為世界十大戰略性科技趨勢之一。據艾瑞咨詢研究院指出，2022 年中國數字孿生市場規模超過100 億元，并預計2025 年將達到375 億元[1]。正因為如此，國際社會為了應對全球環境變化的重大挑戰，提出了“數字地球”的概念，并發起了歐盟“地球終點”項目和聯合國“海洋數字孿生”大科學計劃?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》則提出“加快數字化發展，建設數字中國，以數字化轉型整體驅動生產方式、生活方式和治理方式變革”的目標。結合數字孿生和人工智能等前沿科技的發展演進，構建一個無限逼近真實、快速高效、系統緊密關聯，能夠提供預報、預警、預演和預案（簡稱“四預”）服務的數字孿生已成為河口海岸可持續高質量發展的歷史選擇。

1 數字孿生的概念

數字孿生的概念有一個演變過程。從最開始無法進行數據自動交換的數字模型（Digital Model），到能夠自動同化物理數據的數字影子（Digital Shadow），再到如今能夠進行物理世界和虛擬空間雙向信息交互反饋的數字孿生（Digital Twin）[2]（圖1）。數字孿生的概念模型最早是由Grieves 教授在2003年美國舉行的制造工程師學會會議上公開介紹的[3]，當時被稱作“鏡像空間模型（Digital Mirror and Digital Mapping）”。2010 年，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在技術路線圖中正式提出數字孿生，標志著數字孿生的正式誕生[4]。GRIEVES M[5]在2011 年給出了數字孿生的三個組成部分：物理空間的實體產品、虛擬空間的虛擬產品、物理空間和虛擬空間之間的數據和信息交互接口。2012 年，NASA 給出的數字孿生概念描述如下：充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多尺度的仿真過程，作為虛擬空間中對實體產品的鏡像，反映了相對應物理實體產品的全生命周期過程[6]。相比較Grieves教授的數字孿生定義，NASA 給出的定義包括仿真或模型，能得到有實際意義的真實世界實體或系統的數字表示。莊存波等[7]認為數字孿生是采用信息技術對物理實體的組成、特征、功能和性能進行數字化定義和建模的過程。DUAN H B 等[8]識別了概念系統、參考架構、應用框架和數字孿生成熟度模型之間的關系，并提出了一套統一的模型。陶飛等[9]在2022 年提出了另一種數字孿生成熟度模型，將數字孿生成熟度分為“以虛仿實（L0）、以虛映實（L1）、以虛控實（L2）、以虛預實（L3）、以虛優實（L4）、虛實共生（L5）”6 個等級。

圖1 數字孿生概念的演變過程[2]

盡管數字孿生這一概念比較新，但是自從2003年提出以來，其發展極其迅速。NASA 在2010 年的太空技術路線中引入數字孿生的概念來實現飛行系統的全面診斷和預測功能，以保障在整個系統使用壽命期間實現持續安全地操作[10]；美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory，AFRL）于2011年將數字孿生技術用于飛機結構壽命預測的概念模型中[11]。2013 年，AFRL 正式啟動了耗資龐大的工程驗證項目——機身數字孿生計劃的第一階段工作，項目使用了真實的F15 戰機全尺寸的外機翼作為驗證對象[12]。由于通用電氣、西門子等公司的推廣，數字孿生技術近年在工業制造領域同樣發展迅速。世界著名咨詢公司Gartner 連續兩年將數字孿生列為十大戰略性科技趨勢之一[13-14]，并預估2027年前40%的世界大公司會使用數字孿生來增加項目的盈利[15]?！吨袊鴶底謱\生行業現狀深度研究與投資趨勢分析報告（2022—2029 年）》顯示，數字孿生已經成為全球多個國家重點布局行業。例如，美國工業互聯網盟將數字孿生作為工業互聯網落地的核心和關鍵，德國工業4.0 參考架構將數字孿生作為重要內容?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035 年遠景目標綱要》也強調“加快數字化發展，建設數字中國”的國家需求。然而，當前數字孿生的一個關鍵問題是它們未能完整地表示物理原理、過程和系統之間的關聯，比如，CALDRELLI G 等[16]指出傳統的數字孿生城市往往過分強調城市的物理組成部分，從而極大地簡化了人類的互動，這可能導致以數據驅動的治理和規劃出現不足之處。

目前數字孿生主要集中在航空航天、智能制造、數字化城市、地球系統等領域[17-21]，而關于海洋數字孿生方面的研究較少。海洋數字孿生就是用虛擬手段將真實的海洋呈現出來，能夠幫助領域專家和用戶甚至整個社會回答某些具體情景發生時海洋會如何變化的相關問題，諸如發展海洋經濟、開發利用海洋資源、設立海洋保護區、應對氣候變化、減少海洋污染等相關活動。海洋數字孿生不僅有助于規劃海洋空間、制定海洋治理政策，還可以有效推動科學家、政策制定者和公眾參與海洋相關的經濟活動。因此，國際社會為應對全球海洋環境變化重大挑戰，2020 年9 月，歐盟委員會發布了“構建透明和可觸及的海洋”倡議，旨在幫助歐盟委員會實現在綠色協議和數字化方面做出的承諾，開發非常高精度的地球數字模型。2021 年，聯合國“海洋十年”計劃將創建海洋的綜合數字化孿生體列為十大挑戰之一，并啟動了海洋數字孿生行動計劃（Digital Twin of the Ocean Program）[22]，助力聯合國《2030 年可持續發展議程》。

2 河口海岸數字孿生必要性

河口海岸作為陸地與海洋的分界線，是海陸相互作用最強烈的地帶，也是一個非常復雜的多圈層、多界面、多過程系統[23]。其中，海陸界面主要包括了由上游流域帶來的水通量、泥沙、營養鹽、陸源碳和污染物等因素的影響，以及由下游海洋帶來的波浪、潮汐、海流、高鹽等因素的影響（圖2）；海氣界面包括蒸發、凝結、熱交換，氣體和溶解物質的交換等過程；海底或流固界面則體現在海床泥沙運動、動力沉積地貌過程等。這些因素不僅影響著河口海岸的生態環境，還可能對漁業、海洋交通和旅游等產業造成不利影響。河口海岸帶還是人類生存的重要空間、經濟發展的關鍵區域[24]。全球約有40%的人口生活在離海岸線100 km 以內的陸地上，約有10%的人口生活在低于10 m 的區域。近年來，全球氣候變化導致海平面上升和風暴強度加大，沿岸地區洪水災害風險日趨增大。與此同時，劇烈的人類活動給海岸環境和生態系統帶來了前所未有的威脅。在過去幾十年里，近海漁業資源減少了近30%，有接近50%的濕地消失，60%的珊瑚礁嚴重退化[25]，大型港口航道和圍墾工程等頻繁上馬，河流入海泥沙銳減，環境和淡水資源被不斷污染，河口海岸可持續發展正面臨著極大的挑戰[26]。

圖2 河口海岸多圈層、多界面和多過程系統[27]

目前，河口海岸的研究和應用現狀還不足以從監測、預報和情景分析等方面應對河口海岸可持續發展面臨的挑戰。第一，現有野外觀測數據缺少時效性，歷史觀測資料缺少聚融性，遙感產品缺少連續性，因此在代表真實世界狀態時有諸多局限性；第二，目前學術界和政府業務單位運行的河口海岸模型盡管比較成熟，如風暴潮模型等，但大都缺少系統關聯性和多維度數據同化算法，因此無法逼近真實；第三，河口海岸數據大型、多源和異構，缺少基于人工智能技術的數據聚融和數據挖掘；第四，河口海岸相關的應用服務有效性不足，以臺風事件為例，除了洪水災害預報預警等問題，臺風事件中濱海城市應急管理系統等往往被忽略；第五，長期以來我國河口海岸科學研究和工程應用普遍依賴于國外相關的專業模型，包括海洋波浪模型Wavewatch 芋[28]、海浪數值模式（Simulating Waves Nearshore，SWAN）[29]，海洋、海岸、河口水動力數學模型（An Advanced Circulation Model For Oceanic，Coastal and Estuarine Waters，ADCIRC）[30]，動力與地貌模型Delft3D[31]，有限體積海岸海洋模型（Finite-Volume Coastal Ocean Model，FVCOM）[32]、颶風氣象預報模型（Hurricane Weather Research and Forecasting model，HWRF）[33]，洪澇模型LISFLOOD[34]等，缺乏具有自主知識產權的專業模型系統。

近年來，在以智能化為主要特征的第四次技術革命的背景下，“空天地?！币惑w化立體觀測、遙感反演、數值模擬等技術在河口海岸研究和應用中陸續普及，河口海岸大數據呈指數式增長，數字化和智能挖掘技術在經略海洋中的作用日益凸顯。結合數字孿生和人工智能等前沿科技發展，河口海岸數字孿生采用多源異構數據同化技術，將河口海岸綜合現場監測數據與河口海岸專業模型相結合，生成高精度精細化的預報和再分析大數據產品，通過構建專業知識庫和研發深度學習等人工智能算法服務災害防控、生態修復、環境管控和海洋資源利用等應用場景，預期能夠實現優化、“四預”和情景分析等功能（圖3）。由于具有“實時同步、忠實映射、高保真度”的特點[35]，河口海岸數字孿生將使廣泛的用戶能夠與河口海岸數據和信息進行互動，以增強理解并為決策提供參考，使用戶能夠探索河口海岸在不斷變化的條件下將如何響應。不僅如此，河口海岸數字孿生還有助于推動河口海岸學科群的發展，從技術角度影響濱海濕地生態系統和人類活動，提升海岸帶風險防控、綜合管理水平，為陸海統籌、資源安全、災害防控、生態環保等國家需求提供科技支撐。

圖3 河口海岸數字孿生概念

3 河口海岸數字孿生系統

河口海岸數字孿生旨在提高對河口海岸復雜系統演變機制、趨勢預測和全球變化應對的研究與應用能力。因此，河口海岸數字孿生強調基于全面且準確的感知數據，進行精準建模，達成虛實網絡實時交互，利用跨時空數值模擬和人工智能數據分析技術，為河口海岸的災害防控、環境治理和生態修復等應用場景提供預報、預警、預演和預案等服務（圖4）。河口海岸數字孿生系統主要包括以下幾方面。

圖4 河口海岸數字孿生系統

3.1 河口海岸立體監測和數據聚融

現實世界的感知數據是河口海岸數字孿生的基石和保障。河口海岸是一個具有多過程、多界面和多圈層的區域。為了全面、精確地監測和研究自然環境，需要進行跨學科合作和交叉研究，構建多學科交叉綜合觀測網絡，以綜合觀測大氣、水文、地理等各個領域的數據。這需要發展綜合傳感器、衛星遙感、無人機、雷達等多元感知技術，以實現對多種環境因素的實時“空天地?！绷Ⅲw監測（圖5）。同時，需要具備主動觀測能力，即根據數值模擬結果、數據分析與場景服務的需求，實時動態調整觀測要素、位置、頻次等，以獲取最優觀測數據。數據的質量和一致性對于數據聚融至關重要，因此需要對不同數據源進行有效的整合和清洗。這包括數據采集、校準、修正和插值等預處理手段，以確保數據的準確性和一致性。適當的數據融合方法也應該被采用，如卡爾曼濾波、粒子濾波、最優插值和格點統計等。

圖5 河口海岸“空天地?！绷Ⅲw監測物聯網

3.2 河口海岸多過程耦合模型系統

流域-河口-近海多過程耦合模型系統是河口海岸數字孿生的核心。河口海岸過程受流域和近海影響巨大，要科學合理揭示河口海岸過程，必須綜合考慮流域和近海的影響。同時，河口海岸人類活動頻繁，有必要建立自然過程與人文社會經濟的有機聯系。這要求河口海岸模型系統能夠關聯流域-河口-近海不同尺度不同區域大氣、海洋、陸面、水文水動力、城市和社會經濟等模式（圖6），以更好地模擬和預測流域-河口-近海系統的演變。在建立模型系統時，需要考慮到不同領域中主要物理和生化過程和機理之間的相互作用，例如，流域中的水文過程對河口海岸的影響，城市活動對水環境的影響等。通過系統關聯不同領域的模型，抽象化不同尺度多種模式，更好地模擬和預測系統的響應和變化。這種關聯需要實現多模式與多過程之間的模塊化耦合，提出多尺度時空數據同化算法，融合不同時空尺度的數據，以提高模型的準確性。另外，河口海岸多過程耦合模型系統還應借助目前迅速發展的人工智能技術，突破傳統數值模型在數值差分離散、參數化方案等方面的瓶頸，建立新型智能化數值模型，以期更好地實現人機交互，在提升不同情景下系統預測能力的同時可接受人為動態控制并進行智能調整。

圖6 河口海岸多過程耦合模型系統

3.3 河口海岸數字孿生體

河口海岸數字孿生需要對河口海岸大數據的特征與規律進行分析，這就需要構建一個“有血有肉”的河口海岸數字孿生體?；诃h境的模型重建就是孿生體的“骨架”，河口海岸專業知識圖譜則是孿生體的“血液”，而觀測和模型生成的大數據系統則是孿生體的“肌肉”。結合深度學習的重構方法，可以將二維場景中的數據特征經過模型的學習，迅速獲得對應的三維場景，發展新的基于視頻、圖像、點云數據的多源數據的河口海岸環境重建技術；創建河口海岸專業知識圖譜，包括水文、地貌、生態、環境、工程等歷史數據、風險防控手冊、污染治理手冊、生態修復技術指南等，并利用圖譜檢索推理技術，基于知識圖譜智能生成并推送優化方案；研發一種基于專用云平臺的河口海岸科學數據管理系統，實現河口海岸大規模數據的集成和管理，以及數據的有效組織和高效訪問；著力研發快速搜索算法，實現數據的可靠存儲、快速訪問、計算和共享，確保數據服務的真實性、時效性和安全性；提出基于視覺感知的時空關聯可視化方法，建立人機交互的河口海岸大數據可視化環境，在數字孿生系統、環境數據和用戶之間構建良好的接口。

3.4 河口海岸智能服務平臺

河口海岸數字孿生的目標是為河口海岸情景提供智能服務。利用深度學習技術開發卷積神經網絡模型，對數據采用時間序列分析、關聯規則分析、預測模型、機器學習等方法進行大數據智能挖掘；針對河口海岸災害防控、水沙和航道資源利用、環境污染治理和濕地生態修復等應用場景，河口海岸數字孿生系統能夠利用海岸帶污染風險評估與管控、濱海濕地生態保護與修復和海岸帶水沙航運資源安全與可持續利用等情景模塊，提供精準化預報、精細化預警和系統化預演等智能服務。比如，通過實時監測數據，預測河口海岸風暴潮、巨浪和洪澇等災害的發生，并針對可能發生的情況做出緊急應對措施。河口海岸智能服務平臺將為相關領域人員提供更加便捷的協作和決策平臺，在河口海岸的水土和航運資源安全、水環境管治和濕地生態保護等方面發揮重要作用。

4 河口海岸數字孿生的核心技術

河口海岸數字孿生是一個聚焦河口海岸物理、環境、生態和人文社會經濟等學科專業知識，借助人工智能、虛擬現實等大量新一代信息技術搭建而成，為河口海岸應用場景提供“四預”服務的基礎工具和平臺。因此，河口海岸監測物聯網技術、流域-河口-近海模型耦合技術、數據管理和智能分析技術，以及知識圖譜技術成為河口海岸數字孿生的四大核心技術。

4.1 河口海岸監測物聯網技術

河口海岸監測物聯網的核心任務是設計“空天地?！绷Ⅲw監測系統，實現河口海岸現場監測數據的實時采集和傳輸；利用人工智能進行圖像識別、數據清洗和質量控制，開發多源異構數據的聚融算法，以完成河口海岸全要素智能監測和數據聚融的目標。河口海岸多學科監測物聯網關鍵技術包括：淤現場組網和實時傳輸技術?，F場觀測設備組網是一種將多個觀測設備連接在一起的技術，通過網絡融合技術來實現北斗和5G 之間的無縫切換，以便在地球科學、氣象學、環境監測和其他領域進行實時數據采集和監測；于全域標識技術。觀測設備之間相互協作或相互作用需要明確物體在全域的空間位置及唯一標識，全域標識為物理對象賦予數字身份信息，實現孿生映射，為各類部件賦予獨一無二的數字編碼，從而實現虛實精準映射和一一對應；盂多源數據的信息提取技術。使用文字和圖像檢測和識別算法從采集到的數據中進一步識別并提取樣本信息，分類有聯系的語義和詞句，進行文檔關鍵句生成和事件檢測，并結合海洋環境下的時空數據關系來進行標簽和關聯；榆異構數據的聚融技術。通過數據清洗、數據整合、數據共享等技術，相應抽取不同數據的特性值，清理數據噪聲，重新構建統一規范的數據形式。

4.2 流域-河口-近海模型耦合技術

流域-河口-近海模型耦合需要基于自適應計算網格、隨機-確定過程耦合等技術，在空間尺度上采用動態降尺度耦合流域模型、區域海洋模型和河口海岸-工程結構高分辨率模型，在動力上兼容較大尺度的靜力近似運動和較小尺度的非靜力近似運動，在過程上采用典型場景耦合水動力、泥沙、地貌、生物地球化學和生態等關鍵過程，以及人文社會經濟模式，并兼具自主知識產權、可移植和可擴展等特點。由于每個子模型針對不同對象或過程進行模擬，具有不同空間區域或不同時空離散方法，在程序實現上的程序語言、輸入輸出接口、并行計算剖分方法、運行速度等不盡相同，這導致流域-河口-近海多過程耦合模型在開發過程中常面臨耦合實現的技術難題。地球系統模式領域已有能便捷實現大氣模式、海洋模式、陸面模式、海冰模式等模塊化并行耦合的耦合器，包括法國的通用耦合軟件（Ocean Atmosphere Sea Ice Soil，OASIS），美國的模型耦合工具包（Model Coupling Toolkit，MCT）、地球系統模型框架 （Earth System Modeling Framework，ESMF）、靈活模型系統（the Flexible Modelling Sys-tem，FMS），德國的耦合器（Yet Another Coupler，YAC），中國的C-Coupler[36]等?，F有耦合器有望為河口海岸多過程耦合模型的研發提供基礎支撐，但仍需要面向河口海岸特定需求做進一步改進，特別是水沙快過程和地貌生態慢過程耦合時需要動態改變網格區域的范圍和精度?；谕ㄓ媚Ｊ今詈掀鏖_發的河口海岸多過程耦合模型需要實時地獲取多源數據，并將其集成到模型中，以提高預測和模擬的準確性，這離不開數據同化技術。常用的數據同化算法包括基于卡爾曼濾波的數據同化、基于貝葉斯推斷的數據同化和基于群集算法的數據同化等。為了充分利用觀測信息，需要選擇合適的同化算法，以將不同來源的數據進行整合和融合，動態提高模型的預測能力。

4.3 河口海岸大數據管理和智能分析技術

人工智能在數據質量控制、聚融算法、時序異常檢測、時空關聯分析、指標集合擬定和分層綜合評價等方面有廣泛應用。它可以評估和校驗數據質量，提高可信度，分析融合多源數據，實時監測和預測海岸情況，分析時空關聯關系，篩選指標和建模，以及進行綜合評價。人工智能識別技術包括計算機視覺、深度學習和自然語言處理等，其中，計算機視覺技術可以對海洋環境進行可視化監測，如水位遠程監測、霧天海洋圖像增強與復原等；深度學習技術可以從河口海岸數據中自動提取特征并進行分類和預測，如預測海水溫度和海平面變化趨勢、監測海洋生態系統的變化等；自然語言處理技術可以幫助處理文本數據，從專業知識平臺中提取知識來設計河口海岸應用場景的預案。這些應用為河口海岸的數字孿生和可持續發展提供技術和決策支持。在三維建?？梢暬矫?，人工智能提高了建模效率和準確性。新型測繪技術創建數字孿生河口海岸的三維模型，深度學習可將2D 圖像轉化為高質量的3D 模型，并增強可視化效果。它還生成高質量的渲染圖像和動畫，支持人機交互，提高建模效率、質量和用戶體驗。在河口海岸過程預測中，人工智能具有快速高效的特點。當前需求包括即時和長期態勢化的預測。傳統數值模型受計算量和時效性限制，而人工智能可以從觀測數據和模型模擬數據中學習過程規律，提供更快速、準確的預報和預警，彌補了數值模型的時間尺度的不足。

4.4 河口海岸知識圖譜技術

河口海岸知識圖譜的構建需要針對具體的應用場景。通過分析和提煉具體應用場景的問題和需求，從歷史數據中提取規律、實體及其之間的關系，進行知識圖譜設計和存儲。專業知識圖譜的建設主要包含對象關系圖譜構建、規則識別和智能推薦框架的構建。首先，在遵循既有河口海岸行業標準規范的基礎上，利用信息化存量基礎數據，構建對象關系圖譜。對象關系圖譜是一種表征對象、屬性、關系、基于行業標準與文獻資料的圖譜，主要通過關系的設計、抽取、表示、融合、存儲和更新等功能，從不同來源、不同結構的數據中提取知識并存入知識庫中，并形成一系列高質量的事實表達，為上層智能推薦框架的構建奠定基礎。其次，需要根據場景方案需要，在對象關系圖譜的基礎上進一步擴充規則要素，形成場景方案規則圖譜。具體實現方法是通過關鍵詞和短文本的規則抽取，利用詞向量判斷相似詞距離，從而跟知識圖譜三元組件（實體1-關系-實體2）進行正則模板的匹配；基于方案的結構化表示，完成規則圖譜與對象關系圖譜中對象及其屬性的關聯，實現業務應用中，不同知識庫之間、數據底板與知識平臺之間的互聯互通。最后，基于業務流程，開展河口海岸態勢感知、規則匹配、知識推薦等業務流程的設計，形成面向數字孿生河口海岸的知識推薦框架。根據常態化感知結果，實現流程的自主觸發，依據規則圖譜，開展基于目標確定、分析、規則匹配流程的演算分析，自動化匹配和推薦出適用于當前情形的知識圖譜規則語句、建議等知識。

5 河口海岸數字孿生面臨的挑戰

5.1 多學科全要素綜合監測

河口海岸系統復雜，有著學科交叉和不可控的監測環境，因此，河口海岸數字孿生面臨的最大挑戰是多學科全要素綜合監測。第一，多學科觀測變量的時間尺度不一致，水沙動力是在一個或多個潮汐周期內以分鐘頻率連續獲取，水質污染以天為單位，海岸生態植被特征季節性明顯，地貌變化往往以年際來考量，而海岸動力沉積則以百年甚至以上尺度做比較。第二，多學科觀測變量的空間尺度也不一致，潮灘地形復雜，水沙動力、水質污染或海岸生態植被觀測需要多點測量，從而提高空間分辨率，海岸地形變化往往采用無人機進行大面積觀測，而生物多樣性和海岸動力地貌則以有限的采樣點為主。第三，多學科數據采集和分析方法也不一致。水沙動力和海岸地形特征往往能夠在現場直接獲??；生態植被特征則需要基于現場量取數據進行統計分析獲得；而水質污染和生物群落的特征都依賴室內分析儀器。第四，多學科多要素數據采集涉及傳感器和儀器種類多，目前能滿足長期運行要求的傳感器和儀器種類還比較少，運行成本較高。綜上所述，河口海岸數字孿生需要對河口海岸現場觀測進行頂層設計，提前協調好各個學科的采集需求，共同制定和執行數據共享的政策和標準，加強數據安全和知識產權的保護，綜合應用多種技術手段，提前預判不可控因素的存在和影響，才能為數字孿生的建設和應用提供準確、可靠的監測數據支持。

5.2 人地海耦合模擬

河口海岸系統涉及多個尺度和多個層次的復雜性，包括物理、生態、環境、人文社會經濟等因素，將這些因素整合到一個模型系統中是非常復雜的。理解不同組分之間的相互作用和反饋效應也是極富挑戰的，例如，河流的污染可能會影響海岸生態系統，反之亦然。建立準確的耦合模型需要深入了解這些效應。河口海岸人地海耦合模型系統還必須考慮到人類活動在河口海岸地區的影響，模型需要包括社會經濟因素，如人口增長、城市化、漁業和旅游等。這些因素的評估和核定需要獲取大量且準確的數據以輸入模型，而許多河口海岸地區缺乏高質量的數據，而且數據的不確定性可能會導致模型參數和結果的不確定性。在建立好自然過程和人文社會經濟等子模型系統后，多過程耦合模型還需要制定輸入和輸出標準、基準測試、耦合、網格和驗證標準?？紤]到物理模型的巨大計算量和成本，人工智能等技術逐漸被引入到耦合模型系統里面，智能化模型通常更復雜且可解釋性更低，同時，訓練出的模型通常在特定條件下表現良好，但河口海岸環境的多樣性可能導致模型泛化能力的問題。解決這些挑戰需要自然科學家、社會科學家和工程師之間開展廣泛的多學科交叉。

5.3 跨領域跨行業協同

河口海岸數字孿生是一個系統工程，除了河口海岸相關學科前沿知識和應用場景，還涉及測繪、遙感、電子、通信、人工智能、虛擬現實等大量新一代信息技術。因此它需要不同領域和行業之間的協作，以便數字孿生能夠準確地反演和預測這些要素。政府部門也需要參與到河口海岸數字孿生的建立和應用中來，為數字孿生模型提供政策依據和支持。政府還需要確保數字孿生模型是公開透明的，使所有利益相關者都能夠獲得和理解數字孿生模型的數據和信息。由于河口海岸數字孿生涉及政府、學術界、工業界和社會組織等多個領域的專家和利益相關者的參與，需要建立協作機制和溝通渠道，以促進信息共享和技術交流。只有通過持續的技術和數據基礎設施投資，以及不同領域專家和利益相關者之間的協作，才能建立一個準確可靠的數字孿生模型，為河口海岸管理和保護提供有效的決策支持。

5.4 信息安全保障

河口海岸數字孿生關聯大量的河口海岸數據、模型和算法，其中可能包含地理信息、環境數據、國家安全等信息，因此網絡安全是河口海岸數字孿生面臨的一個重要挑戰。數字孿生需要從不同的數據源和觀測系統中獲取數據，并在不同的網絡環境中進行處理和共享。這使得數字孿生容易成為網絡攻擊的目標，包括黑客攻擊、網絡釣魚、勒索軟件、惡意軟件等等。這些攻擊可能會導致數據泄露、系統崩潰、服務中斷等問題，對數字孿生的建立和應用造成嚴重的影響。另外，數字孿生也需要考慮隱私和數據保護的問題。河口海岸數據可能包含個人隱私、商業機密和知識產權等重要信息，需要采取適當的措施來保護這些信息。為了應對這些挑戰，亟須建立安全的數據共享和存儲機制、采用加密技術來保護數據傳輸和存儲、加強身份認證和授權管理等等；同時，還需要對數字孿生的網絡安全進行定期的評估和檢查，發現并解決可能存在的安全漏洞和風險。

5.5 服務標準制定

河口海岸數字孿生目前缺乏統一的技術標準和規范（數據采集、共享、處理、分析和服務），導致不同數字孿生項目之間存在著數據格式、處理方法、算法模型等方面的差異。缺乏技術相關標準規范，不僅增加了數字孿生開發的復雜度和難度，也降低了數字孿生模型的可重復性和可復制性。此外，不同數字孿生項目之間的數據和技術差異也會增加數字孿生的集成和共享難度，限制數字孿生在河口海岸管理和保護方面的應用和推廣。因此，為了促進河口海岸數字孿生的發展和應用，需要加強頂層設計，匯聚產學研等各方力量設計數字孿生總體架構，搶占數字孿生國際標準和規范制定權，這包括數據格式標準、數據采集和傳輸標準、算法模型標準等，以及數字孿生開發和應用的最佳實踐標準等。這些標準和規范可以為數字孿生開發提供指導和支持，提高數字孿生模型的可重復性、可復制性、可移植性，同時也有助于數字孿生的集成和共享，促進數字孿生在河口海岸管理和保護方面的應用和產業化。

6 河口海岸數字孿生的應用場景

河口海岸數字孿生技術的應用場景廣泛，以下是其中幾個主要的應用場景。

6.1 河口海岸防災減災

河口海岸防災減災的核心在于準確預報和實時發布預警、快速預演方案，并制定應急管理措施。數字孿生技術可預測自然災害，如風暴潮、海浪和海嘯，以及生態災害，如滸苔、綠潮、赤潮和外來物種入侵。它可以評估各子系統的風險指數，構建預警系統，并通過場景預演實時評估各種預案的可行性。此外，數字孿生技術還可提供災害應急管理實施方案和發布信息。通過建立精確的數字模型，數字孿生技術能夠模擬、分析和評估海岸侵蝕的程度和趨勢，預測海岸侵蝕可能帶來的影響和風險。這樣可以更好地了解河口海岸線的變化規律和生態環境，為淤泥質、沙質和珊瑚礁海岸侵蝕管理提供決策支持，并制定有效的防護和治理方案。此外，數字孿生技術還能為沿海城市和社區，以及島礁的海岸線管理與利用提供可持續發展的指導和決策支持。

6.2 河口海岸環境保護與生態修復

河口海岸環境保護與生態修復的關鍵在于通過系統模擬進行方案評估和優化。數字孿生技術可以通過對河口海岸水沙動力和植被相互作用的模擬，提供植被定植的最佳區域、水動力閾值和定植時間窗口。它能夠模擬和評估河口海岸的生態環境，評估生態系統的健康狀況和生態風險，為海岸帶和島礁生態修復提供科學依據。同時，數字孿生技術還可以為海岸和島礁環境監測提供準確的海洋環境和生態環境數據，幫助監測和預測海洋環境的變化趨勢。它能夠獲取突發事件中河口海岸污染物的擴散時間和濃度，并模擬不同方案對生態環境的影響。通過預演污染物治理方案，實時評估預案的有效程度，為海洋環境保護提供科學依據。

6.3 河口海岸資源可持續利用

河口海岸資源可持續利用亟需利用數字孿生技術來增加資源開發效益和縮減成本。數字孿生技術采用可視化交互方式，通過輸入工程設計的參數，數字孿生系統可以預演防護工程和港口航道工程的設計施工，評估各子系統對人類工程的響應程度，以及工程設施未來維護的成本和挑戰。這為海岸防護工程的設計和施工提供優化方案，降低工程建設成本，提高工程質量。此外，數字孿生技術還可以模擬淡水和泥沙資源的分布和開發潛力，預測徑流、波浪、海流、潮汐等因素對資源開發的影響，從而優化設計和運營方案，進一步提高河口海岸資源開發的效率和可持續性。

7 結 論

本文基于數字孿生的理念，結合河口海岸多圈層多界面的系統特征，提出了立體觀測和數據聚融、多過程耦合模型、數字孿生體和智能服務平臺等河口海岸數字孿生關鍵要素；并介紹了河口海岸數字孿生的核心技術，包括監測物聯網、模型耦合、大數據管理和分析、專業知識圖譜等。盡管面臨著多學科全要素監測、人地海耦合模擬、跨領域跨行業協同、信息安全保障、服務標準制定等困難和挑戰，河口海岸數字孿生具有逼近真實、系統關聯和提供智能服務等特點，能夠提供監測、預報、預警、預演和預案等智能服務，其構建預期能夠增強對河口海岸系統的理解，有效保護和管理河口海岸生態系統，支持河口海岸可持續發展。