1、测绘通报年第期引 文 格 式：满 旺，李 宗 梅，聂 芹，等数 字 孪 生 技 术 在 小 型 水 库 管 理 中 的 应 用 初 探 测 绘 通 报，（）：-：-数字孪生技术在小型水库管理中的应用初探满旺，李 宗 梅，聂芹，许宽，陈 志 景，廖 桂 华（厦 门 理 工 学 院 空 间 信 息 科 学 与 工 程 系，福 建 厦 门；厦 门 易 景 软 件 工 程 有 限 公 司，福 建 厦 门；福 建 三 维 前 沿 航 空 科 技 有 限 公 司，福 建 厦 门）摘 要：针 对 我 国 小 型 水 坝 存 在 的 安 全 隐 患 问 题，本 文 基 于 数 字 孪 生 技 术 提 出 并
2、构 建 了 小 型 水 坝 数 字 孪 生 动 态 监 管 云 平 台，论 述 了小 型 水 坝 数 字 孪 生 平 台 建 设 思 路。首 先 基 于 物 联 传 感 设 备 实 现 雨 水 情、坝 体 安 全 感 知，然 后 通 过 构 建 室 内 外 一 体 化 精 细 三 维 模 型搭 建 统 一 时 空 数 据 底 座，实 现 视 频 监 控 与 三 维 模 型 的 融 合，最 后 基 于技 术 实 现 入 侵 检 测，构 建 小 型 水 库 动 态 监 管 云 平 台。数 字孪 生 技 术 能 够 为 水 库 大 坝 提 供 全 面 的 实 时 监 测 信 息，实 现 实 时 连
3、接 与 动 态 交 互。本 文 初 步 探 讨 了 数 字 孪 生 技 术 在 水 库 大 坝 管 理中 的 应 用，可 为 小 型 水 坝 状 态 感 知 与 安 全 管 理 提 供 参 考。关 键 词：数 字 孪 生；三 维 建 模；物 联 感 知；水 库 动 态 监 控 云 平 台；水 库 安 全中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：-（）-，（，；，；，）：，：，-，-，：；近 年 来，极 端 气 候 导 致 的 暴 雨 时 有 发 生，年 郑 州 暴 雨 时 间 长，覆 盖 范 围 广，雨 量 巨 大，导致 水 库 溃 坝 事 故 时 有 发 生，给 人 民 的 生
4、 命 财 产 安 全造 成 了 极 大 的 威 胁-。我 国 是 水 利 设 施 最 发 达 的国 家 之 一，建 有 近万 座 水 坝。但 我 国 大 部 分 水库 大 坝 建 于世 纪年 代，建 设 标 准 低，质 量差，管 理 体 制 不 顺，运 行 机 制 不 活，加 上 缺 乏 相 应 经费，工 程 运 行 老 化，病 险 水 库 增 多。不 少 水 库 大坝 已 运 行 多 年，库 容 量 在 逐 渐 减 小，抵 制 自 然 灾 害的 能 力 不 断 下 降，安 全 隐 患 日 益 增 多，尤 其 在 雨 季，洪 水、滑 坡、溃 坝 隐 患 时 刻 威 胁 着 水 库 的 安 全，
5、。因 不 同 级 别 的 水 库 大 坝 监 测 内 容 有 所 不 同，本 文 研究 内 容 限 定 为 小 型 水 库。小 型 水 库 一 般 是 指 库 容万以 上、万以 下（不 含）的 小 型 水 库，小 型 水 库 分 为 小（）型 和 小（）型，坝 高 通 常 在 以 下，坝 长 在 以 内。国 内 小 型 水 库 量 大 面 广，管 理 水 平 先 天 不 足，大 多 数 处 于 无 监 测 监 控 状 态，极 大 影 响 水 库 大 坝 的 安 全 管 理。传 统 的 水 库 大 坝 安 全 运 行 的 主 要 技 术 参 数（如水 库 形 变 位 移、库 水 位、浸 润 线、
6、降 雨 量、渗 透 渗 流收 稿 日 期：-；修 回 日 期：-基 金 项 目：福 建 省 自 然 科 学 基 金 引 导 性 项 目（）作 者 简 介：满旺（），男，博 士，副 教 授，主 要 从 事 空 间 信 息 技 术 应 用 研 究。-：年第期满旺，等：数 字 孪 生 技 术 在 小 型 水 库 管 理 中 的 应 用 初 探等），多 由 人 工 定 期 用 传 统 仪 器 到 现 场 进 行 测 量，部分 参 数 甚 至 没 有 观 测 手 段。人 工 安 全 监 测 工 作 量大，受 天 气、人 员 素 质、现 场 条 件 等 因 素 的 影 响，存在 一 定 的 系 统 误 差
7、 和 人 工 误 差。人 工 监 测 还 存 在不 能 及 时 监 测 水 库 大 坝 的 各 项 技 术 参 数，难 以 实 时掌 握 水 库 各 项 安 全 技 术 指 标 等 缺 点，给 水 库 大 坝 安全 运 营 带 来 严 重 挑 战。因 此 亟 须 引 入 新 技 术，对 水库 大 坝 的 安 全 进 行 实 时 监 控，为 水 库 大 坝 安 全 运 行提 供 保 障。年，教 授 在 美 国 密 歇 根 大 学 的 产 品全 生 命 周 期 管 理 课 程 中 提 出 数 字 孪 生 的 概 念，并指 出 数 字 孪 生 的 三 元 模 型，既 实 体 产 品、虚 拟 产 品及
8、 两 者 间 的 连 接，但 囿 于 当 时 的 技 术，相 关 概 念 并未 得 到 应 有 注 意。随 着 物 联 网、大 数 据、云 计 算、地理 信 息 等 技 术 的 快 速 发 展，数 字 孪 生 技 术 的 支 撑 技术 逐 渐 成 熟，数 字 孪 生 的 概 念 逐 渐 得 到 认 可。数 字孪 生 是 构 建 与 物 理 实 体 完 全 对 应 的 数 字 对 象 的 技术、过 程 与 方 法。年 雄 安 新 区 建 设 规 划 中 首 次提 出 建 设 数 字 孪 生 城 市，数 字 孪 生 内 涵 与 外 延 得到 极 大 扩 展，数 字 孪 生 的 对 象 扩 展 到
9、城 市。数 字 孪生 城 市 内 容 上 涵 盖 了 物 理 实 体 与 系 统 的 属 性、结构、状 态、性 能、功 能 等，功 能 上 要 实 现 物 理 世 界 与网 络 世 界 的 虚 实 之 间 的 双 向 映 射、动 态 交 互、实 时连 接，最 终 要 把 城 市 打 造 成 一 个 可 感 知、可 判 断、会 学 习 的 城 市 生 命 体。数 字 孪 生 城 市 是 智 慧 城市 建 设 的 高 级 阶 段，数 字 孪 生 城 市 概 念 的 提 出，极 大 地 扩 展 了 数 字 孪 生 技 术 的 应 用 范 围，使 得 数 字孪 生 技 术 应 用 场 景 的 尺 度
10、不 再 局 限 于 机 械 设 备 等小 尺 度 空 间，进 一 步 将 应 用 场 景 扩 展 到 人 类 生 活 空间。数 字 孪 生 技 术 在 采 矿-、电 力-、应急-中 的 应 用 相 继 提 出。在 水 利 领 域，数 字 孪 生黄 河-、数 字 孪 生 长 江-、数 字 孪 生 珠 江-及 数 字 孪 生 小 流 域的 建 设 规 划 列 入 日 程，掀 起 了数 字 孪 生 水 利 的 建 设 高 潮。数 字 孪 生 技 术 为 水 库 大 坝 监 管、安 全 运 营 提 供了 新 思 路。该 技 术 能 够 为 水 库 大 坝 日 常 安 全 管 理与 安 全 运 行 提
11、供 支 撑 服 务，可 以 提 高 对 于 水 库 溃 坝灾 害 机 理 的 认 识 水 平，建 立 水 库 大 坝 运 行 期 安 全 管理 和 风 险 控 制 的 溃 坝 风 险 综 合 评 判 方 法，全 面提 高 水 库 安 全 监 管 和 日 常 管 理 水 平，增 强 企 业、社会、政 府 对 于 水 库 大 坝 灾 害 的 预 警 响 应 能 力。本 文 拟 利 用 数 字 孪 生 技 术，首 先 通 过 对 水 库 坝区 进 行 精 细 三 维 建 模，建 立 精 细 三 维 数 字 孪 生 平台；然 后 通 过 物 联 网 实 时 监 控 水 位、雨 量、流 量、渗流、应 力
12、 等；最 后 利 用 人 工 智 能 检 测 大 坝 异 常 入 侵及 闯 入，基 于实 现 监 控 视 频 传 输，实 现 监 控 视 频同 实 景 三 维 融 合，以 期 为 大 坝 的 安 全 运 营 提 供 技 术支 持，以 及 为 数 字 孪 生 技 术 进 一 步 在 水 库 大 坝 安 全监 控 方 面 的 应 用 提 供 参 考。小 型 水 库 大 坝 数 字 孪 生 平 台 建 设 思 路利 用 集 成 物 联 传 感、数 据 引 擎、智 能 模 型、专 业模 型 等，构 建 水 库 大 坝 安 全 监 管 云 平 台。通 过 平 台实 现 小 型 水 库 大 坝 的 状 态
13、 感 知，洪 水 预 报，淹 没 分析 等，为 小 型 水 库 大 坝 安 全 运 行 提 供 技 术 支 撑。小型 水 库 大 坝 数 字 孪 生 建 设 方 案 如 图所 示。图小 型 水 库 大 坝 数 字 孪 生 方 案小 型 水 库 大 坝 数 字 孪 生 支 撑 技 术数 字 孪 生 要 实 现 物 理 世 界 与 虚 拟 世 界 的“双 向映 射、动 态 交 互、实 时 连 接”，最 终 建 设 一 个 可 感 知、会 判 断、会 学 习 的 生 命 体。小 型 水 库 大 坝 数 字 孪 生支 撑 技 术 包 括 基 于 倾 斜 摄 影 测 量 与 激 光 雷 达 的 高精 度
14、 三 维 重 建、物 联 网 与通 信 技 术、视 频 与 三 维融 合 技 术、人 工 智 能 技 术 等，利 用 洪 水 预 报 专 业模 型 实 现 对 洪 水 的 预 测 预 报。.基于倾斜摄影测量与激光雷达的三维重建三 维 模 型 数 据 以 其 直 观 性、客 观 性 和 真 实 性 等特 性，成 为 智 慧 城 市 建 设 的 数 字 底 板。通 常 利 用手 工 建 模、倾 斜 摄 影 测 量、激 光 雷 达 扫 描、建 筑 信 息模 型（）等 获 得 精 细 三 维 模 型。倾 斜 摄 影 测 量 技 术 是 国 际 摄 影 测 量 领 域 近 十几 年 发 展 起 来 的
15、高 新 技 术。该 技 术 通 过 多 镜 头 同测绘通报年第期步 获 取 地 表 不 同 视 角 的 影 像，得 到 细 节 丰 富 的 建 筑物 或 地 表 的 顶 面 及 侧 视 的 高 分 辨 率 纹 理，进 一 步 通过 空 三 加 密 和 三 维 重 建，获 得 真 实 的 三 维 城 市模 型-。目 前 无 人 机 倾 斜 摄 影 测 量 已 经 趋 于 成 熟。但倾 斜 摄 影 测 量 无 法 对 建 筑 物 内 部 设 施 进 行 三 维 重建，无 法 实 现 室 内 外 一 体 化 的 三 维 重 建。激 光 雷 达可 以 精 确、快 速 地 获 取 目 标 三 维 空 间
16、 信 息。三 维 激光 雷 达 是 一 种 主 动 成 像 系 统，具 有 分 辨 率 高、测 量精 度 高、抗 干 扰 能 力 强 等 优 点。如 图所 示，通过 架 站 式 或 背 包 式 三 维 激 光 雷 达，获 取 室 内 三 维 扫描 结 果；通 过 倾 斜 摄 影、室 外 场 景 照 片 采 集，建 立 室外 场 景。进 一 步 进 行 室 内 外 融 合 建 模，建 立 室 内 外一 体 的 高 精 度 三 维 模 型。具 体 可 根 据 工 程 需 要，针对 水 库 大 坝 进 行 无 人 机 倾 斜 摄 影 测 量，对 管 理 室、硐 室 等 进 行 激 光 雷 达 扫 描，最 终 建 立 室 内 外 一 体 化的 精 细 三 维 模 型。图室 内 外 一 体 化 三 维 建 模 技 术 流 程.物联网技术与通信技术物 联 网 最 初 的 思 想 起 源 于世 纪年 代 末。麻 省 理 工 学 院（）在年 建 立 的 自 动 识 别 中心（-）提 出 的 网 络 无 线 射 频 识 别（）系 统。年在 突 尼 斯 举 行 的 信息 社 会 世 界 峰 会 上 正 式
