基于數字孿生平臺框架的天津市智慧水務一張圖建設研究

吳 昊，賈 翔，賈 方，孫恩林，秦丹軍，葉夢羽

(天津市水務局綜合服務中心，天津 300074)

水利部自2019年開始，先后印發《智慧水利建設頂層設計》《“十四五”智慧水利建設規劃》《“十四五”期間推進智慧水利建設實施方案》，明確了“十四五”期間建設數字孿生流域、“2+N”水利智能業務應用體系等智慧水利的總體要求和主要任務。2022年水利部陸續出臺《數字孿生流域建設技術大綱(試行)》系列建設指南和規范，對數字孿生流域[1]、技術要求、建設標準、集成共享等做了進一步說明。2022年天津市水務局會同市委網信辦、市發改委編制印發《天津市智慧水務專項規劃》，規劃中明確了天津市水務局2025年初步建立基于“一張圖”的天津市水務數字孿生平臺的目標任務。

1 現狀、問題和需求

根據多年積累，天津市水務信息化在基礎設施、數據中心、業務應用等方面取得了明顯成效，通過天津市水務業務管理平臺信息資源整合、數據中心建立、已初步形成天津市智慧水務的框架。算據方面，整合第一次水利普查數據、水務業務專題圖數據、基礎地理數據、遙感影像數據等，建成集中統一的水務業務時空數據庫，初步完成了數據交換與共享的標準化治理。算力方面，采用云技術、服務器虛擬化技術、以“集中+分布”部署的方式建設應用服務器群，基于“天地圖”前置服務，以標準接口的方式為水資源管理、防汛抗旱、城市排水、城市供水等各業務系統提供時空數據服務。

現有時空數據服務初步實現了矢量圖、影像圖、地形圖的切換展示，地圖編輯、查詢等功能，缺少空間分析類服務、“四預”應用支撐、以及三維建模、仿真可視化、大數據分析等新技術應用。天津市水務局已建成的防汛抗旱、水利工程運行管理、農村水利、河湖長制管理等信息系統不同程度基于GIS技術開發，各平臺系統獨立建設，時空數據資源分散，共建共享困難；時空數據來源、種類多樣，質量精度參差不齊，數據融合治理難度大；缺少時空數據更新、管理維護有效機制和技術手段。

天津市智慧水務一張圖建設需求總體上包含天津市水務內部和外部兩類需求。內部需要主要包括時空數據標準規范統一、時空數據映射建模、時空數據引擎建設、一張圖能力升級。外部主要為共建共享需求，包括縱向與水利部全國水利一張圖、海委水利一張圖和各個區縣水務一張圖的時空數據資源共建共享，橫向對接融合天津市政府和其他委辦局時空數據資源，實現天津市水務時空數據底板建設工作的延伸、整合。

2 目標任務

以《天津市智慧水務專項規劃》制定的智慧水務整體框架布局為基礎，明確智慧水務一張圖建設整體架構和技術路線，統一一張圖建設標準，對一張圖時空數據資源進行優化統籌，構建一張圖運維保障體系，對時空數據服務需求進行整合分析，為時空數據底板搭建、地圖服務功能完善、時空數據更新和運維管理等問題提供解決方案，為實現智慧水務管理決策“一張圖”做好技術鋪墊。

3 整體框架和技術路線

基于智慧水務整體框架，在現狀時空數據算據、算力、水務業務管理平臺基礎上，對天津市水務局內外部的時空數據進行歸集、標準化治理，融合形成天津市水務數字孿生平臺時空數據底板。通過時空數據管理引擎支撐數據資源池運行、專業模型計算以及知識庫構建等，支撐“四預”等業務應用。

智慧水務一張圖整體采用微服務技術架構，基于多粒度水務對象模型實現時空數據的“全連接”，采用多源異構時空數據智能匯聚技術和GIS組件庫開發時空數據管理引擎，采用多態混合的海量異構時空大數據存儲、云GIS資源池化與自動彈性調度技術實現云平臺下多源異構時空數據存儲，采用鑲嵌數據集、三維模型輕量化、虛擬仿真推演場景模擬等技術實現二三維影像數據管理展示，軟硬件兼容國產操作系統、數據庫、處理器架構。

4 時空數據標準統一

以數字孿生流域建設相關標準規范為依據，制定天津市智慧水務數字孿生平臺時空數據標準和時空數據管理規范，確保在采集、傳輸、分析、加工、存儲、發布、應用等環節“數據語言”的一致性。

4.1 時空要素制圖規范研究

按照水利部《水利空間要素數據字典》《水利空間要素圖式與表達規范》以及自然資源部等其他國家部委下發的地圖制圖規范，并結合天津市水務自身業務應用需求，規范水利時空要素分類和定義、幾何形態和表示方法、比例尺和圖例尺的定義、顏色和標注規范、標簽和注釋規范、可視化和交互規范等，確保水務空間要素的統一組織和表達。

4.2 時空數據匯聚標準研究

規范時空數據源認證與管理、數據采集入庫、元數據注冊、數據更新管理等標準，明確各類時空數據歸口管理部門、數據匯聚格式、數據質量標準等，確保進入時空數據資源池的數據經過質檢達到數據匯聚要求。

4.3 時空數據治理建庫標準研究

規范多維、多時空尺度數據空間參考、入庫標準和入庫格式，包括矢量、電子地圖、遙感影像、三維模型等數據。確保在統一的規則約束下進行數據生產和應用建設，打破時空數據壁壘，實現數據共享互認。

4.4 時空數據服務設計管理標準研究

規范時空數據服務設計和管理，時空數據服務設計包括服務設計方法、流程及關鍵要素，指導時空數據服務發布；時空數據服務管理包括管理制度、調試方法、審批流程等。

4.5 時空數據共享交換標準研究

規范時空數據對外共享的規則和流程，明確共享范圍、共享形式、共享后持續更新等內容，明確共享各環境相關審批責任人和審批權限。

5 時空數據映射建模

以現有時空數據為基礎，收集天津市水務范圍內基礎及專題時空數據，以重點水務對象為核心進行時空數據關聯與融合，形成二三維一體化跨層級、跨業務三級時空數據底板，實現智慧水務全要素數字化映射。

5.1 時空數據資源池構建

按照時空數據流轉方向與治理流程，將時空數據資源池構建過程分為時空數據資源梳理、多源時空數據匯聚、時空數據清洗轉換、時空數據存儲入庫和時空數據服務共享五部分。

時空數據資源梳理：對天津市水務相關矢量數據、影像數據、高程模型數據、三維模型數據、新型測繪產品數據及元數據進行調查、梳理、采集、整編，通過共享交換方式接入其他來源時空數據，形成時空數據資源池。

多源時空數據匯聚：明確天津市水務多源時空數據采集的范圍、方式、頻次、標準，切實打通縱向與水利部、海委、區縣，橫向與市各委辦局相關業務系統之間的空間數據交換通道，構建共享交換機制。時空數據匯聚方式支持數據實體匯聚和虛擬匯聚[3]。實體匯聚包括批量處理、數據復制同步、消息集成和流集成等方式。虛擬匯聚通過元數據注冊、共享服務接入等方式。

時空數據清洗轉換：對時空數據進行標準化和規范化處理，通過統一格式和坐標轉換、矢量數據一致性和配圖處理、影像數據鑲嵌處理、三維地形數據輕量化處理等操作，確保一數一源、統一規范。

時空數據存儲入庫：對時空數據進行分層存儲，邏輯上劃分為全量數據層、核心數據層、主題數據層。全量數據層匯聚原始多源時空數據；核心數據層存儲標準化、基于時空數據模型組織的成果數據，實現“一碼多態”的空間數據組織與表達；主題數據層根據業務需求對核心數據進行抽取、二次加工和分析，衍生主題數據。

時空數據服務共享：依據時空數據服務相關標準，按照數據類型、數據來源和數據模型進行梳理與組織，構建統一管理和對外服務的時空數據資源目錄體系；同時基于不同場景和應用需要實現不同主題的電子地圖、專題底圖數據服務配置和發布。時空數據共享服務提供輕量級的服務集成、管理、服務調用功能。

5.2 多維多尺度時空數據模型建設

以多維多時空尺度數據模型[2]為基礎，以重點水務對象為核心進行時空數據關聯與融合，對全域時空場景進行全要素數字化和語義化映射，對水務對象的全貌性、整體性、邏輯組織、對象間關系與限制進行描述。天津市水務時空數據模型以北京時間為時間基準，以2000國家大地坐標系和1985國家高程基準為空間基準，將水務對象所包含的點、線、面和三維模型數據進行關聯，構建時空數據模型。

5.3 三級時空數據底板建設

按照數據范圍和精度分級，建設天津市水務二三維一體化、跨層級、跨業務的三級時空數據底板。

L1級時空數據底板：共享水利部L1級數據底板。收集整編天津市范圍內的30m格網DEM數據；收集整編1∶10000國家基本比例尺地形圖，包括行政區劃、交通、水系及設施、居民地及設施、管線等圖層；收集整編1∶50000數據中的流域分區、河湖管理范圍、岸線功能分區、水閘、引水工程等水利專題數據圖層。

L2級時空數據底板：以海委水利一張圖平臺共享數據為基礎，整合天津市大數據中心統一的地形數據(DEM)以及數字正射影像數據(DOM)，疊加傾斜攝影、激光點云等方式獲取的天津市水務管理重點區域和重點河段精細地表和水下地形數據(DEM)；補充主要河道管理范圍、重要湖泊和使用頻率高的蓄滯洪區、防汛重點部位DOM數據；補充完善河湖長制、山洪災害、防汛等業務專題數據圖層。

L3級時空數據底板：匯集更新天津市一二級河道、水庫、堤防、橡膠壩、水閘、泵站、蓄滯洪區等水系，以及水務工程二三維基礎數據；接入水情、工情、災情、水質、取用水、墑情等監測數據，接入社會經濟、土地利用、生態環保、氣象等跨行業共享數據，融合構建精細化L3級時空數據底板。

6 時空數據管理引擎

以時空數據映射建模為基礎，構建時空數據資源一體化運維管理機制與多層次時空數據服務體系，解決時空數據源、匯、存、治、用問題。

6.1 時空數據匯聚引擎

覆蓋時空數據從源到資產的全過程管理，形成一套完整的數據匯聚采集、數據清洗轉換流程體系，構建持續性數據資源匯聚更新機制，打通多源異構數據進入數據資源池路徑，支持數據源管理、結構化數據匯聚任務管理、非結構化數據匯聚任務管理和半結構化數據匯聚任務管理以及匯聚任務編排等功能。

6.2 時空數據治理引擎

對時空數據進行標準化融合處理，包括映射建模、質量控制和資產管理。

映射建模圍繞模型創建、模型編輯、模型查看、模型上線、模型刪除、元數據管理維護等能力進行研究。

質量控制對時空數據質量進行規范化管理，包括質檢規則創建、質檢規則配置、質檢任務管理、質檢記錄等內容。

資產管理聚焦全域數據資源的整體情況呈現，實現多層級時空數據資產目錄組織、數據血緣分析、全域資源檢索、多維度數據資源統計等能力。

6.3 時空數據服務

時空數據服務提供輕量級服務集成、管理、調用、共享功能，對數據進行計算邏輯封裝生成API服務，實現基于授權的從服務發布、服務管理、服務目錄到服務鑒權的全過程統一管理與調度，支撐天津市水務內部和外部時空數據共享與服務需求。

6.4 時空數據更新維護

構建持續性時空數據資源更新機制，既包括地圖服務與水務業務應用之間的數據聯動同步更新，也包括時空數據資源池基礎地理、水務基礎空間、衛星遙感影像等數據的及時、持續和有效更新。

7 一張圖能力升級

基于現有時空數據成果，圍繞時空數據可視化展示、數據共享交換和數據申請訂閱等需求進行建設研究，為領導輔助決策、智能預測、大數據分析提供支持。

7.1 時空數據可視化

三級底板展示：以三級時空數據底板成果展示為核心，通過切換地圖疊加不同時空數據圖層實現對時空數據資源的展示控制，提供屬性查詢、底圖切換、鷹眼圖、地圖測距測面、圖層控制等功能。

高仿真三維動態場景：基于三維可視化、游戲引擎等技術，疊加基礎地理、水務專題場景、三維模型等時空數據要素，確保不同數據精度、不同范圍、不同數據源的矢量、影像等時空數據要素在三維空間實現融合、無縫銜接、無縫切換，并集成空間分析、模型分析等功能，支持數字孿生場景搭建。

7.2 時空數據及服務應用

時空數據管理：以目錄方式對時空數據進行分級展示。時空數據資源按照基礎地理、遙感影像、水務工程、洪水風險分析、山洪災害和流域水系等目錄分類展示，提供目錄對應的基本信息和縮略圖查看、成果篩選等功能。

時空服務管理：以目錄方式提供智慧水務數字化場景時空數據服務分類展示，包括三級空間底板地圖服務和數據接口服務。

空間分析能力：基于二三維一體化空間分析引擎，提供多種空間分析服務。二維空間分析能力包括緩沖區分析、疊加分析、鄰域分析、距離分析、插值分析、空間統計分析等。三維空間分析包括日照分析、通視分析、可視域分析、天際線分析、限高分析等。

7.3 時空應用定制

地圖定制：提供在線坐標轉換、格式轉換、地名地址匹配等地圖處理、在線制圖、應用搭建等服務。

時空數據交換共享：建立時空數據資源發布、共享、交換、服務的網絡和軟件服務體系，實現時空數據資源跨部門的“橫向”交換共享，以及與水利部和海委“縱向”互聯互通。

8 智慧水務一張圖“四預”應用支撐

預報(預測)[4]應用支撐，以降雨防洪業務場景為例，基于智慧水務一張圖時空數據底板及模型平臺、知識平臺，使用多種降雨場景作為輸入，結合水利數學模型進行演算預報，通過數字流場可視化展示，為防洪預警、調度提供決策支撐。

預警應用支撐，依托智慧水務一張圖時空信息展現技術，圍繞流域防洪業務，針對實際監測信息、現場監視信息、預測預報信息、演變趨勢信息、調度效果評價信息，通過水務一張圖進行直觀可視化表達。

預演應用支撐，基于智慧水務一張圖仿真可視化技術，在虛擬現實場景下，對流域洪水、潰堤、工程險情、山洪中各種事件發展態勢進行推演展示，支撐調度、應急決策。

預案應用支撐，基于智慧水務一張圖時空數據底板構建預案的數字化指標體系，根據不同預案的預演展示過程，為預案優化、分析評估提供支撐。

9 建設任務分解

智慧水務一張圖建設，服務于智慧水務專項規劃，各階段目標與總體規劃相互銜接，圍繞階段工作目標和重點任務，總體謀劃部署，分步分階段實施。

(1)一期計劃：2023年底，基于現狀時空數據資源，搭建一張圖時空數據資源池。匯聚水利部、海委、區水務局以及其他跨行業共享時空數據資源，進行標準化治理和建模，按照三級數據底板標準進行分類分級建設。

(2)二期計劃：2024年年底，基于智慧水務數字孿生平臺框架，部署一張圖時空數據底板，完成時空數據管理相關功能開發及配套標準規范建設。

(3)三期計劃：2025年年底，結合模擬仿真技術，提升一張圖的可視化展示能力，實現與物理年流域同步仿真運行、虛實交互、迭代優化，為“2+N”智能業務應用體系構建和江河流域“四預”功能開展提供支撐。

(4)四期計劃：2026年年底，智慧水務一張圖已基本達到數字孿生流域總體規劃要求，在此基礎上，結合2+N業務工作需求，構建示范應用場景，提升天津市水務業務管理效率和水平。

10 結語

智慧水務一張圖建成后，能夠滿足天津市智慧水務和數字孿生流域項目建設所需時空數據資源和服務需求，解決數據多源、數據合規使用、時空數據動態更新、共建共享不暢等問題，為各業務應用、各層級單位提供鮮活的水務時空數據服務，但是要真正達到助力天津市智慧水務“四預”業務應用開展實施的目標，還需要深入調研分析各業務對一張圖具體應用需求和對接方式，解決一張圖與現狀各業務系統地圖模塊的適配和數據共享等問題。