水利工程勘測全過程數(shù)字孿生技術(shù)研究

Research on digital twin technology for the whole process of water conservancy engineering survey

高玉生1，王國崗12，趙文超1，陳亞鵬1，衣雪峰1

1.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，300222，天津；2.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，450046，鄭州

摘要：全面提升工程勘測數(shù)字化服務(wù)水平對加快推進(jìn)數(shù)字孿生水利建設(shè)至關(guān)重要。按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，深化勘測生產(chǎn)全要素的數(shù)字映射、智能模擬、前瞻預(yù)演，推動勘測設(shè)計(jì)工作提質(zhì)增效、數(shù)字賦能和地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的智能預(yù)警與管控十分必要。針對我國水利行業(yè)勘測領(lǐng)域數(shù)字孿生認(rèn)識不統(tǒng)一、成果碎片化及技術(shù)路線尚不成熟等現(xiàn)狀，根據(jù)水利工程勘測工作特點(diǎn)，提出了建立“數(shù)字采集—建模仿真—孿生應(yīng)用—標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)”的水利工程勘測全過程數(shù)字孿生協(xié)同機(jī)制，明確了水利工程勘測領(lǐng)域數(shù)字孿生的內(nèi)涵、應(yīng)用需求、建設(shè)內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了水利工程勘測數(shù)字孿生平臺。水利工程勘測數(shù)字孿生平臺包括“天空地”一體化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、二三維實(shí)景編錄系統(tǒng)、三維地質(zhì)建模系統(tǒng)、巖質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)系統(tǒng)、水利工程勘測“一張圖”系統(tǒng)及巖土施工管控系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)勘測全流程數(shù)字化作業(yè)及成果交付。實(shí)踐表明，這一技術(shù)與平臺通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了水利工程勘測全過程動態(tài)管控，可為水利行業(yè)數(shù)字孿生提供可借鑒方案，助力智慧水利建設(shè)。

關(guān)鍵詞：水利工程；工程勘測；數(shù)字孿生；三維地質(zhì)建模；三維設(shè)計(jì)；地質(zhì)編錄；智慧水利

作者簡介：高玉生，全國工程勘察設(shè)計(jì)大師，教授級高級工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。

通信作者：王國崗，工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察信息化工作。E-mail：wang_gg@bidr.com.cn

基金項(xiàng)目：水利部重大科技項(xiàng)目（SKS-2022147）；天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（25JCYBJC00180）

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.19.002

黨的十八大以來，習(xí)近平總書記多次對數(shù)字中國建設(shè)作出重要論述與部署，國家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出構(gòu)建智慧水利體系。在此背景下，水利部將推進(jìn)數(shù)字孿生水利建設(shè)作為推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六條實(shí)施路徑之一，開展了數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水網(wǎng)、數(shù)字孿生工程建設(shè)先行先試。2022年12月《水利部辦公廳關(guān)于加強(qiáng)重大水利工程數(shù)字孿生項(xiàng)目設(shè)計(jì)的通知》中指出，在數(shù)字孿生平臺的數(shù)字底板設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮工程地質(zhì)條件，建立滿足數(shù)字孿生工程建設(shè)需要的三維地質(zhì)模型；2024年4月水利部印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)水利工程建設(shè)數(shù)字孿生的指導(dǎo)意見》進(jìn)一步明確“強(qiáng)化數(shù)字技術(shù)支撐，構(gòu)建工程可視化模型”，“推進(jìn)勘察設(shè)計(jì)階段基于BIM等技術(shù)和模擬分析軟件開展多專業(yè)一體化設(shè)計(jì)”，“推行規(guī)劃、勘測、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的數(shù)據(jù)交換和信息共享，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)品交付”等要求。綜上，新時(shí)期水利高質(zhì)量發(fā)展對水利工程勘測技術(shù)創(chuàng)新提出更高需求。

目前，圍繞數(shù)字孿生水利建設(shè)主線和目標(biāo)，已形成豐富成果：李俊杰等基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了灌區(qū)安全風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)；覃家皓等以BIM+GIS、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、運(yùn)維業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建珠三角工程運(yùn)營期智慧應(yīng)用建設(shè)方案；張宏陽等提出一種點(diǎn)云八叉樹索引構(gòu)建策略及海量點(diǎn)云快速渲染方法，實(shí)現(xiàn)水利工程海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高質(zhì)量可視化渲染；賀挺等構(gòu)建了水利部數(shù)字孿生流域模型管理云平臺，通過提供水利專業(yè)模型、智能識別模型的組件化封裝和流程化搭建功能，以微服務(wù)的方式對外提供模型共享和模型計(jì)算服務(wù)。上述成果主要以地理信息、水文、建筑、機(jī)電專業(yè)為主導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)方式普遍采用GIS+BIM的途徑，呈現(xiàn)方式以三維實(shí)景地表測繪模型、水文信息以及水工結(jié)構(gòu)、建筑物、機(jī)電設(shè)備的三維模型為代表。許多學(xué)者在工程勘測數(shù)智化方面也進(jìn)行了相關(guān)研究：尚浩等構(gòu)建了濟(jì)南城市數(shù)字孿生地質(zhì)模型，集成的地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地下水動態(tài)監(jiān)測和地質(zhì)資料實(shí)時(shí)查詢；朱慶等對數(shù)字孿生鐵路中地質(zhì)數(shù)據(jù)編碼體系、三維建模、知識庫構(gòu)建進(jìn)行了系統(tǒng)研究；陳健等、李濤等、祝超等、張帆等分別對巖土工程、地下工程、地下水封石洞油庫、礦山的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了分析；王國崗等構(gòu)建了水利水電工程勘察數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)框架；盧樹盛介紹了數(shù)字孿生技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的水工隧洞設(shè)計(jì)及施工期應(yīng)用方案。此外，數(shù)字孿生技術(shù)在項(xiàng)目管理、地質(zhì)資料、地質(zhì)鉆探、地質(zhì)剖面等方面應(yīng)用也有不少研究成果。然而，針對水利工程勘測專業(yè)的數(shù)字孿生成果較少，對地質(zhì)勘測數(shù)字孿生工作模式缺乏統(tǒng)一認(rèn)識及成熟應(yīng)用，地質(zhì)孿生體對工程地質(zhì)條件和潛在的地質(zhì)問題反映不充分?？傊?，數(shù)字孿生雖然在不同行業(yè)的地質(zhì)勘測中取得了豐富成果，但尚未形成服務(wù)工程全生命周期的解決方案。

針對上述問題，按照數(shù)字孿生水利建設(shè)“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，在研究“天空地”一體化數(shù)據(jù)采集、三維地質(zhì)建模、巖土三維設(shè)計(jì)、數(shù)字化成果交付等關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，集成研發(fā)了“水利工程勘測全過程數(shù)字孿生平臺”，以期推動勘測設(shè)計(jì)工作提質(zhì)增效、數(shù)字賦能和地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的智能預(yù)警與管控。

水利工程勘測數(shù)字孿生基本認(rèn)識

1.水利工程勘測數(shù)字孿生發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

（1）發(fā)展現(xiàn)狀與問題

水利工程地質(zhì)勘測是工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，工程設(shè)計(jì)受工程地質(zhì)條件制約性強(qiáng)。地質(zhì)條件是影響水利工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。隨著我國水利事業(yè)發(fā)展，工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，工程地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，傳統(tǒng)的地質(zhì)勘察與分析方法已難以滿足現(xiàn)代工程建設(shè)需求，尤其大型水利樞紐、高壩大庫及深埋長隧洞等所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)方法在精度、效率和預(yù)見性方面的局限性日益顯現(xiàn)。目前我國數(shù)字孿生水利建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展期，各大中型工程項(xiàng)目取得了很多突破性進(jìn)展，但地質(zhì)勘測數(shù)字孿生技術(shù)相對滯后，仍存在諸多事關(guān)發(fā)展的共性問題，如數(shù)字孿生水利對地質(zhì)勘測對象關(guān)注程度低；對水利工程勘測數(shù)字孿生的定義、研究對象、技術(shù)體系等關(guān)鍵問題研究有待進(jìn)一步加深；對水利工程勘測數(shù)字孿生建設(shè)內(nèi)容、發(fā)展方向的認(rèn)知需深化；信息化標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完善等。此外，水利工程勘測數(shù)字孿生發(fā)展中一些具體問題也亟待解決，如野外勘察數(shù)字化程度低，傳統(tǒng)二維圖件難以實(shí)現(xiàn)場景還原；三維地質(zhì)模型更新機(jī)制不完善，數(shù)值計(jì)算仿真集成技術(shù)不成熟，巖土三維設(shè)計(jì)多專業(yè)協(xié)同難度大；缺少勘測全過程數(shù)字孿生平臺，應(yīng)用偏局部。

（2）建設(shè)要求與難點(diǎn)

從應(yīng)用角度將水利工程勘測數(shù)字孿生分為對象孿生、流程孿生、智能化應(yīng)用三個(gè)階段。

對象孿生的重點(diǎn)是將水利工程勘測地質(zhì)對象轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可識別的數(shù)據(jù)，即構(gòu)建與這些現(xiàn)實(shí)對象呈映射關(guān)系的虛擬對象。物理實(shí)體對象的三維建模是對象孿生的主要手段，依賴專業(yè)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法、根據(jù)不同對象特點(diǎn)定制的建模方法，是數(shù)字孿生平臺建設(shè)中難度最大的環(huán)節(jié)。

相較于對象孿生，流程孿生的實(shí)現(xiàn)相對簡單，主要借助互聯(lián)網(wǎng)串接專業(yè)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)作業(yè)流程的映射關(guān)系，保證網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交互服從現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)流程，能夠映射出水利工程勘測全流程，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)協(xié)同和多專業(yè)集成。

在完成對象孿生和流程孿生兩個(gè)階段的建設(shè)后，水利工程智能化應(yīng)用是其終極目標(biāo)，也是數(shù)字孿生平臺建設(shè)的最終目的。如在三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上開展邊坡設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)坡面揭露的地質(zhì)條件，按照相關(guān)規(guī)范要求自動調(diào)整坡比，是智能設(shè)計(jì)的場景之一。更強(qiáng)大的智能技術(shù)來源于數(shù)值模擬，根據(jù)已知條件預(yù)測潛在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)智能診斷。水利工程智能化應(yīng)用的難點(diǎn)是多專業(yè)成果的集成和集成后的數(shù)據(jù)交互，涉及前期多專業(yè)集成、模型動態(tài)更新、智能化數(shù)值計(jì)算等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的自主突破。

2.水利工程勘測數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵

水利工程勘測涉及專業(yè)多，工作范圍廣，作業(yè)流程繁雜，數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，成果提交任務(wù)重，包括了地質(zhì)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、管理、分析、建模、出圖和提交報(bào)告等。結(jié)合地質(zhì)勘測內(nèi)容和數(shù)字孿生技術(shù)特征，將水利工程勘測數(shù)字孿生定義為：充分利用“天空地”一體化技術(shù)完成地質(zhì)數(shù)據(jù)的感知采集，通過三維地質(zhì)建模和數(shù)值仿真手段構(gòu)建多尺度、多語義的地質(zhì)孿生體，融合工程施工和運(yùn)維階段動態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)工程地質(zhì)物理環(huán)境的相互映射，形成水利工程勘測全要素參與的智能模擬與動態(tài)互饋機(jī)制，為工程全生命周期提供地質(zhì)數(shù)字化服務(wù)。結(jié)合水利工程勘測內(nèi)容和特點(diǎn)，水利工程勘測數(shù)字孿生具有以下幾個(gè)典型特征：

①采集立體化：充分依托“天空地”一體化技術(shù)開展地質(zhì)數(shù)據(jù)的感知采集，實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)信息的全方位、多維度獲取，覆蓋數(shù)據(jù)采集的廣度與深度。

②要素?cái)?shù)字化：水利工程勘測的所有要素以地質(zhì)數(shù)字孿生模型為載體，存儲勘測的幾何信息和屬性信息，實(shí)現(xiàn)勘測要素的數(shù)字化表達(dá)。

③數(shù)據(jù)動態(tài)化：動態(tài)更新勘測設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)融合建設(shè)實(shí)施和運(yùn)維階段動態(tài)數(shù)據(jù)，使地質(zhì)數(shù)字孿生模型能夠反映工程全生命周期地質(zhì)條件變化。

④模型多元化：通過三維地質(zhì)建模和數(shù)值仿真手段，構(gòu)建多尺度、多語義的地質(zhì)孿生體，包括三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型、三維地質(zhì)屬性模型、巖土三維設(shè)計(jì)模型、三維數(shù)值計(jì)算模型等。

⑤仿真精細(xì)化：依據(jù)物理世界中的地質(zhì)體形態(tài)和物理力學(xué)參數(shù)，建立精細(xì)化的三維數(shù)值計(jì)算模型，在虛擬空間精細(xì)化模擬巖土工程的開挖、支護(hù)或加固，進(jìn)而分析對應(yīng)的物理地質(zhì)體的變形與穩(wěn)定狀態(tài)。

⑥反饋實(shí)時(shí)化：水利工程物理地質(zhì)體在工程建設(shè)過程中的變形與穩(wěn)定狀態(tài)能實(shí)時(shí)動態(tài)反饋到地質(zhì)數(shù)字孿生模型中，保證數(shù)字孿生模型和物理實(shí)體在狀態(tài)和時(shí)態(tài)上都保持高度仿真。

⑦管理協(xié)同化：通過對勘測多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，消除“信息孤島”，利用地質(zhì)數(shù)字孿生模型促進(jìn)多專業(yè)協(xié)同。

⑧決策智能化：對地質(zhì)數(shù)字孿生模型采用各種仿真模擬算法，對物理地質(zhì)體進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析推演，優(yōu)化設(shè)計(jì)施工方案，實(shí)現(xiàn)智能化決策。

3.水利工程勘測數(shù)字孿生技術(shù)框架

為實(shí)現(xiàn)水利工程地質(zhì)環(huán)境精準(zhǔn)感知和工程全生命周期高效管理，搭建了水利工程勘測數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)。該架構(gòu)分為數(shù)據(jù)與感知、虛實(shí)交互、應(yīng)用驅(qū)動等維度，整合數(shù)據(jù)、技術(shù)與應(yīng)用，重塑勘測工作模式。

▲水利工程勘測數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)與感知維度：基礎(chǔ)支撐層構(gòu)建

在水利工程勘測數(shù)字孿生架構(gòu)里，多源數(shù)據(jù)獲取與智能感知體系構(gòu)成基礎(chǔ)支撐層，是架構(gòu)運(yùn)行的基石。該體系搭建“天空地”一體化協(xié)同數(shù)據(jù)感知與采集方法，衛(wèi)星遙感和無人機(jī)航測承擔(dān)大范圍地理信息的空天采集任務(wù)，地面物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備與移動智能終端則聚焦工程區(qū)重點(diǎn)部位，獲取精細(xì)化數(shù)據(jù)。

為保障數(shù)據(jù)質(zhì)量與效用，建立“數(shù)據(jù)獲取—質(zhì)量控制—動態(tài)更新”標(biāo)準(zhǔn)化流程。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)匯聚至勘測數(shù)據(jù)中心，經(jīng)過數(shù)據(jù)治理、特征挖掘等技術(shù)處理，將物理多元地質(zhì)信息精準(zhǔn)映射到虛擬空間，讓數(shù)字孿生體系有“數(shù)”可依。

（2）虛實(shí)交互維度：核心實(shí)現(xiàn)機(jī)制

虛實(shí)交互是水利工程勘測數(shù)字孿生架構(gòu)的核心技術(shù)鏈路，關(guān)乎架構(gòu)能否精準(zhǔn)、高效運(yùn)行。其實(shí)現(xiàn)包含兩大關(guān)鍵環(huán)節(jié)：一是融合多源數(shù)據(jù)并動態(tài)傳輸，在虛擬環(huán)境構(gòu)建高保真地質(zhì)環(huán)境數(shù)字映射；二是搭建雙向閉環(huán)虛實(shí)互動機(jī)制。

在虛擬空間，基于數(shù)字孿生模型開展地質(zhì)過程模擬、工程安全分析等計(jì)算仿真，可視化推演地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)；在物理空間，借助實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋驗(yàn)證，持續(xù)提升虛擬模型精度與可靠性。這種雙向交互，既保障數(shù)字孿生場景準(zhǔn)確，又將傳統(tǒng)勘測拓展至虛擬空間深度仿真分析，讓勘測工作“虛實(shí)相融”。

（3）應(yīng)用驅(qū)動維度：價(jià)值實(shí)現(xiàn)路徑

水利工程勘測數(shù)字孿生架構(gòu)通過知識與模型雙輪驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)工程價(jià)值轉(zhuǎn)化。知識驅(qū)動上，依托勘測數(shù)據(jù)中心智能分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)預(yù)警地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、智能管控建設(shè)過程，為巖土工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供決策支撐；模型驅(qū)動方面，憑借高精度三維建模與動態(tài)仿真技術(shù)，有力支撐工程全生命周期管理。

實(shí)踐證明，多維驅(qū)動模式顯著提升地質(zhì)勘測智能化水平，為工程決策與管理效率優(yōu)化提供創(chuàng)新技術(shù)方案，讓數(shù)字孿生從技術(shù)架構(gòu)落地為實(shí)際工程價(jià)值，助力勘測行業(yè)向智能化、高效化發(fā)展。

水利工程勘測數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)

水利工程勘測數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)主要指映射與動態(tài)模擬勘測物理對象并與地質(zhì)數(shù)字孿生模型之間形成互饋機(jī)制所涉及的新一代信息技術(shù)。從勘測數(shù)據(jù)采集、建模、仿真、巖土設(shè)計(jì)、開挖智能管控等方面分析，關(guān)鍵技術(shù)如下。

1.“天空地”一體化數(shù)據(jù)采集技術(shù)

針對水利工程地質(zhì)勘探中存在的數(shù)據(jù)采集不規(guī)范、原始資料利用困難以及野外工作效率低等問題，通過集成人工智能技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、“天空地”數(shù)據(jù)協(xié)同采集、多源數(shù)據(jù)融合以及處理分析方法，形成了“天空地”一體化數(shù)據(jù)采集技術(shù)體系。

▲“天空地”一體化數(shù)據(jù)采集技術(shù)體系

工程地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集主要從天、空、地（包括地面和地下）三個(gè)時(shí)空領(lǐng)域入手，利用無人機(jī)航測構(gòu)建高精度三維實(shí)景模型，通過多源底圖融合生成可以導(dǎo)入移動端的“基本底圖”，同時(shí)結(jié)合GNSS與RTK定位方法提升測繪精度，在地質(zhì)編錄中應(yīng)用激光雷達(dá)、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備提升隧洞、鉆孔等的編錄效率和精度，在項(xiàng)目應(yīng)用中提出“先內(nèi)業(yè)、后外業(yè)、再內(nèi)業(yè)”的工作流程，實(shí)現(xiàn)野外地質(zhì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化采集、實(shí)時(shí)傳輸及智能分析，為水利工程建設(shè)提供更精準(zhǔn)、更全面的地質(zhì)信息支持。

2.多源異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)管理技術(shù)

多源異構(gòu)地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理主要通過勘測數(shù)據(jù)中心完成?？睖y數(shù)據(jù)中心由測繪、地質(zhì)、物探、試驗(yàn)四個(gè)專業(yè)數(shù)據(jù)庫和公共管理數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，其中測繪、地質(zhì)、物探、試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫分別由專業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和成果數(shù)據(jù)庫組成，公共管理數(shù)據(jù)庫由專業(yè)文件管理、通用文件管理、工程與術(shù)語管理、人員與權(quán)限管理數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。各專業(yè)三維建模、分析軟件起到將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)加工為成果數(shù)據(jù)的作用，且這些專業(yè)三維軟件與勘測數(shù)字孿生平臺之間只存在“數(shù)據(jù)接口”關(guān)系，實(shí)現(xiàn)軟件與平臺的脫離，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的流通與共享能力。

▲勘測數(shù)據(jù)中心組織與架構(gòu)

3.三維地質(zhì)建模技術(shù)

三維地質(zhì)模型映射了水利工程地質(zhì)體的幾何輪廓和地質(zhì)屬性，是水利工程地質(zhì)對象孿生建設(shè)的目標(biāo)。完成三維地質(zhì)建模依賴一系列基礎(chǔ)資料，并需借助專業(yè)圖形幾何算法和建模方法實(shí)現(xiàn)，是水利工程對象孿生的重難點(diǎn)內(nèi)容。圖形幾何算法是三維地質(zhì)建模的關(guān)鍵核心技術(shù)，目前主要采用離散光滑插值和克里金插值兩種算法理論。插值算法用于實(shí)現(xiàn)對未知區(qū)域輪廓和特性的推測，推測結(jié)果為離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間按照正確邏輯關(guān)系和特定方式彼此連接勾畫出地質(zhì)體的空間展布輪廓形態(tài)。由于對地質(zhì)體認(rèn)識過程的反復(fù)性，對建模技術(shù)的要求之一是能夠快捷編輯連接關(guān)系，如插入、刪除、移動某個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，視具體要求判定對鄰近數(shù)據(jù)點(diǎn)是否產(chǎn)生影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隨意性編輯，即推測結(jié)果的修正。

4.BIM/CAE一體化數(shù)值仿真技術(shù)

BIM/CAE一體化數(shù)值仿真技術(shù)主要指能夠?qū)⑷S地質(zhì)模型快速轉(zhuǎn)化為三維數(shù)值計(jì)算模型的技術(shù)，主要包括拓?fù)湫颓懈罘忾]、計(jì)算塊體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建和計(jì)算網(wǎng)格自動剖分等。其中，拓?fù)湫颓懈罘忾]指零散、不規(guī)則地質(zhì)界面之間彼此交切，形成嚴(yán)格封閉的包絡(luò)體，滿足計(jì)算模型材料分區(qū)和參數(shù)賦值要求；計(jì)算塊體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記錄大量塊體邊界間的接觸關(guān)系，滿足計(jì)算模型結(jié)構(gòu)面分區(qū)賦值和計(jì)算過程塊體之間荷載傳遞的要求；計(jì)算網(wǎng)格自動剖分基于Delaunay剖分的四面體網(wǎng)格生成算法，實(shí)現(xiàn)從展示面片組直接到計(jì)算網(wǎng)格的一體化過程。

5.地質(zhì)數(shù)字孿生模型可視化技術(shù)

地質(zhì)數(shù)字孿生模型可以通過WebGL技術(shù)、UE引擎加載，分別用在不同的場景。WebGL技術(shù)適用于加載輕量化處理后的三維地質(zhì)模型，其關(guān)鍵在于對BIM平臺數(shù)據(jù)的解析與輕量化處理，以保障模型幾何、材質(zhì)、顏色及屬性信息的完整，并兼顧后期擴(kuò)展性，便于查看模型細(xì)節(jié)及相關(guān)數(shù)據(jù)。如Cesium的GIS引擎作為開源JavaScript庫，基于WebGL實(shí)現(xiàn)硬件加速圖形，跨平臺且無需插件，通過封裝管理實(shí)現(xiàn)GIS、GIM及BIM等多元多態(tài)異構(gòu)數(shù)據(jù)的加載、坐標(biāo)轉(zhuǎn)化與配準(zhǔn)，完成數(shù)據(jù)融合，從而搭建地下、地表、地上全時(shí)空的三維數(shù)字化場景，清晰展示大場景中三維地質(zhì)模型與周邊建筑物的關(guān)系及環(huán)境影響；UE引擎憑借實(shí)時(shí)光線追蹤、HDR光照、虛擬位移等新技術(shù)，搭配高性能顯卡，可實(shí)現(xiàn)每秒兩億個(gè)多邊形的實(shí)時(shí)運(yùn)算，能在加載地質(zhì)模型、精細(xì)化地表模型及植被模型時(shí)呈現(xiàn)增強(qiáng)、美化且逼真的效果，為數(shù)字孿生提供高保真基礎(chǔ)顯示，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與展示。

6.地質(zhì)體穩(wěn)定性智能分析技術(shù)

以基于智能化云計(jì)算的地質(zhì)塊體失穩(wěn)快速分析技術(shù)為例，集成前期勘察、設(shè)計(jì)三維模型成果，在施工期利用不斷開挖揭露的地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)動態(tài)更新前期三維模型、數(shù)值計(jì)算模型，利用施工監(jiān)測數(shù)據(jù)復(fù)核計(jì)算模型參數(shù)取值，再通過數(shù)值模擬的云計(jì)算，實(shí)現(xiàn)開挖過程的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)智能診斷。該技術(shù)主要涉及模型的動態(tài)更新和智能化云計(jì)算。其中模型的動態(tài)更新通過插值算法和相應(yīng)應(yīng)用組件，形成云服務(wù)所需后端插件，通過系統(tǒng)前端發(fā)布指令，以在線和云服務(wù)形式完成；智能化云計(jì)算將所選擇的數(shù)值模擬軟件安裝在云服務(wù)器，在系統(tǒng)前端組織數(shù)據(jù)，通過發(fā)射指令的方式驅(qū)動數(shù)值計(jì)算軟件，完成計(jì)算模型更新和給定工況的數(shù)值計(jì)算，并根據(jù)預(yù)設(shè)的判據(jù)從大量塊體中甄別出不穩(wěn)定塊體，最后將成果返回到系統(tǒng)前端，并提供三維展示和信息查詢等功能，服務(wù)工程安全管理、支護(hù)優(yōu)化等應(yīng)用需要。

水利工程勘測數(shù)字孿生建設(shè)內(nèi)容

針對水利工程勘測數(shù)字孿生的建設(shè)需求，建立有效的“數(shù)字采集—建模仿真—孿生應(yīng)用—標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)”勘測全過程數(shù)字孿生協(xié)同機(jī)制，通過集成三維數(shù)字化采集系統(tǒng)、二三維實(shí)景編錄系統(tǒng)、三維地質(zhì)建模系統(tǒng)、水利工程勘測“一張圖”系統(tǒng)及巖土施工管控系統(tǒng)等多個(gè)模塊，搭建了水利工程勘測數(shù)字孿生平臺，并初步構(gòu)建了水利工程地質(zhì)勘察信息化標(biāo)準(zhǔn)體系，形成了水利工程勘測全過程數(shù)字孿生解決方案。水利工程勘測數(shù)字孿生平臺涵蓋了內(nèi)外業(yè)一體化勘察數(shù)據(jù)采集、勘察數(shù)據(jù)智能分析、參數(shù)化建模與動態(tài)更新、仿真與協(xié)同設(shè)計(jì)、可視化決策支持、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋和智能預(yù)警等整個(gè)地質(zhì)勘測、設(shè)計(jì)、施工全過程數(shù)字化應(yīng)用。

▲水利工程勘測數(shù)字孿生平臺構(gòu)成示意

在水利工程勘測數(shù)字孿生平臺中，勘測數(shù)據(jù)中心是實(shí)現(xiàn)勘測全過程數(shù)字化的核心環(huán)節(jié)，存儲各類數(shù)據(jù)及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的交互。各個(gè)三維數(shù)字化軟件通過標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口從勘測數(shù)據(jù)中心讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，并將成果數(shù)據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)中心。

1.水利工程勘測數(shù)字孿生平臺構(gòu)成

（1）三維數(shù)字化采集系統(tǒng)

三維數(shù)字化采集系統(tǒng)由硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)共同組成。其中硬件設(shè)備包括電腦終端、智能手機(jī)、便攜式RTK、電子羅盤、高清錄像與錄音設(shè)備等，確保現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的多樣性與精度；軟件系統(tǒng)分別運(yùn)行于Windows和Android平臺，通過二次開發(fā)結(jié)合第三方框架分別研發(fā)桌面端和移動端的數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)測繪、勘探、試驗(yàn)等外業(yè)數(shù)據(jù)的采集。

系統(tǒng)基于“先內(nèi)業(yè)、后外業(yè)、再內(nèi)業(yè)”的工作思路開發(fā)，作業(yè)流程如下圖所示。首先，在內(nèi)業(yè)利用桌面端采集軟件，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化、底圖配準(zhǔn)等操作將多源異構(gòu)的地質(zhì)資料形成“融合底圖”；然后，在野外現(xiàn)場使用移動端采集軟件對“融合底圖”上的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)查核實(shí)和補(bǔ)充完善，并可外接RTK設(shè)備、電子羅盤、攝像機(jī)和錄音設(shè)備等，提高編錄精度和效率；最后，將移動端采集的地質(zhì)數(shù)據(jù)傳回桌面端采集軟件，再次融合處理分析及整理歸類，得到最終地質(zhì)成果數(shù)據(jù)、表格數(shù)據(jù)及圖件，輔助三維地質(zhì)建模和二維出圖。

▲水利工程三維數(shù)字化采集系統(tǒng)作業(yè)流程

（2）二三維實(shí)景編錄系統(tǒng)

系統(tǒng)立足于數(shù)字?jǐn)z影測量與計(jì)算機(jī)視覺科技前沿，研發(fā)了地質(zhì)對象數(shù)字影像與實(shí)景三維模型的快速采集、結(jié)構(gòu)面真產(chǎn)狀量算、地質(zhì)特征解譯、編錄成果自動成圖等技術(shù)與相應(yīng)的軟件產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)對工程邊坡、基坑的快速精準(zhǔn)地質(zhì)勘察編錄，主要功能包括：基于實(shí)景邊坡基坑的交互式地質(zhì)編錄、邊坡基坑的三維可視化與三維動畫生成、基于二維影像數(shù)據(jù)的邊坡基坑地質(zhì)編錄、編錄成果定制化自動輸出與成圖。

（3）三維地質(zhì)建模系統(tǒng)

三維地質(zhì)建模系統(tǒng)基于MicroStation API，采取Managed C++和Native C++混合編程，并利用WinForm作為交互界面，融合優(yōu)化的網(wǎng)格曲面生成算法、數(shù)模聯(lián)動技術(shù)、二三維聯(lián)動技術(shù)等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的正向三維地質(zhì)建模。針對不同地質(zhì)對象的點(diǎn)、線、面、體的擬合及地質(zhì)圖件的繪制，開發(fā)了如下表所示的功能模塊及相應(yīng)使用工具。

▲水利工程三維地質(zhì)建模系統(tǒng)功能模塊

（4）邊坡三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)

邊坡三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)針對水利工程巖質(zhì)邊坡（包括一般場地邊坡、隧洞進(jìn)出口邊坡、重力壩臺階式邊坡、庫盆邊坡、溢洪道邊坡、料場邊坡等），功能涵蓋邊坡三維輪廓設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性復(fù)核計(jì)算、加固設(shè)計(jì)、工程量計(jì)算、二維圖輸出。系統(tǒng)在將地質(zhì)模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)在三維地質(zhì)模型上直接開展邊坡輪廓設(shè)計(jì)、穩(wěn)定分析和支護(hù)設(shè)計(jì)。

邊坡三維設(shè)計(jì)過程中通過穩(wěn)定性計(jì)算驗(yàn)算邊坡穩(wěn)定性，基于穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果動態(tài)調(diào)整邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)，從而完成邊坡設(shè)計(jì)。在邊坡設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的工程量統(tǒng)計(jì)，包括開挖方量的計(jì)算、加固結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)等。

（5）勘測“一張圖”系統(tǒng)

勘測“一張圖”系統(tǒng)基于BIM+GIS平臺開發(fā)，與三維地質(zhì)建模及巖土三維設(shè)計(jì)成果進(jìn)行對接，為基于三維地質(zhì)模型的動態(tài)交互、水利工程問題會商、設(shè)計(jì)方案展示提供支撐，并進(jìn)行演示匯報(bào)?？睖y“一張圖”的組織架構(gòu)如下圖所示，分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層、管理應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)。

▲勘測“一張圖”系統(tǒng)組織架構(gòu)

①數(shù)據(jù)層：起到數(shù)據(jù)底座的作用，通過多個(gè)專業(yè)數(shù)據(jù)庫，存儲和管理測繪、地質(zhì)、設(shè)計(jì)、屬性參數(shù)等多專業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)，包括測繪影像、實(shí)景模型、地形數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)模型、BIM模型等。

②業(yè)務(wù)層：提供Web服務(wù)引擎和數(shù)據(jù)交互接口，起到銜接專業(yè)數(shù)據(jù)與實(shí)現(xiàn)管理應(yīng)用的作用。

③管理應(yīng)用層：基于Web端開發(fā)一系列生產(chǎn)管理、應(yīng)用等功能，所有功能通過網(wǎng)頁端實(shí)現(xiàn)，包括場景搭建、匯報(bào)展示和基于專業(yè)數(shù)據(jù)的輔助分析等。

（6）巖土施工管控系統(tǒng)

巖土施工管控系統(tǒng)采用WebGL輕量化融合渲染引擎技術(shù)，集成傾斜攝影三維實(shí)景模型、水工BIM模型、三維地質(zhì)模型、監(jiān)測數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌三維塊體智能診斷算法，實(shí)現(xiàn)巖土開挖風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警預(yù)報(bào)，主要分為數(shù)據(jù)匯聚、專業(yè)方法集成、業(yè)務(wù)數(shù)字化支撐三層結(jié)構(gòu)。

▲巖土施工管控系統(tǒng)組織框架

其中，數(shù)據(jù)匯聚層通過融合勘測、設(shè)計(jì)、監(jiān)測等專業(yè)的成果數(shù)據(jù)，將三維模型與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，利用多專業(yè)模型與數(shù)據(jù)的動態(tài)交互實(shí)現(xiàn)工程的精細(xì)化管理；專業(yè)方法集成層通過內(nèi)置和外接地質(zhì)專業(yè)分析方法（如經(jīng)驗(yàn)法、解析法、數(shù)值法等）實(shí)現(xiàn)巖土的智能化設(shè)計(jì)；業(yè)務(wù)數(shù)字化支撐層利用數(shù)據(jù)、專業(yè)模型搭建業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的智能預(yù)警與管控。

2.標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

以中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司為例，目前已分別制定了《水利水電工程三維地質(zhì)模型技術(shù)規(guī)程》（主編）、《水利水電巖土工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（主編）、《水利水電工程勘測圖 第3部分：勘測圖》（參編）、《水利工程數(shù)字孿生地質(zhì)數(shù)據(jù)底板構(gòu)建技術(shù)規(guī)程》（參編）4項(xiàng)行業(yè)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，分別從三維地質(zhì)建模、巖土三維協(xié)同設(shè)計(jì)、三維地質(zhì)制圖、數(shù)字孿生地質(zhì)數(shù)據(jù)底板構(gòu)建等方面建立地質(zhì)信息化標(biāo)準(zhǔn)體系，填補(bǔ)行業(yè)空白，為水利工程勘測全過程數(shù)字孿生解決方案提供標(biāo)準(zhǔn)體系保障。

工程實(shí)踐成效

由水利工程勘測數(shù)字孿生平臺與標(biāo)準(zhǔn)體系等構(gòu)成的水利工程勘測數(shù)字孿生解決方案，已成功應(yīng)用于四川高橋水庫、甘肅張家川抽水蓄能電站、天津龍?zhí)稖铣樗钅茈娬镜冉?0個(gè)工程項(xiàng)目，取得了顯著應(yīng)用成效，部分應(yīng)用成果詳見下表。

▲典型項(xiàng)目應(yīng)用成果

勘測全過程數(shù)字孿生解決方案包括勘測外業(yè)數(shù)字化采集、三維地質(zhì)建模、三維數(shù)值仿真、巖土工程三維設(shè)計(jì)與智能管控等，實(shí)現(xiàn)了工程地質(zhì)勘察全生產(chǎn)過程信息化與數(shù)字化。

①基于“天空地”一體化的數(shù)字化采集極大提高了工程地質(zhì)專業(yè)內(nèi)外業(yè)工作效率，提升了地質(zhì)勘察工作精準(zhǔn)度與可靠性，降低了工程成本。

②基于三維地質(zhì)建模技術(shù)可讓地質(zhì)測繪與勘察成果更為直觀可靠，極大地降低了工程設(shè)計(jì)難度，縮短設(shè)計(jì)時(shí)長；“三維協(xié)同”使得工程集成化程度更高，避免了“信息孤島”，提高了信息利用率。

③快速三維地質(zhì)數(shù)值計(jì)算模型系統(tǒng)解決方案，可為地質(zhì)（巖土）設(shè)計(jì)提供仿真分析支持；形成信息共享、開放的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，通過三維空間和任意視角更直觀和生動地展示勘察成果，提供一體化多方位的決策支持服務(wù)，大幅度提升工程勘測設(shè)計(jì)服務(wù)水平。

④為水利工程施工期、運(yùn)行期全生命周期數(shù)字孿生應(yīng)用提供勘測數(shù)據(jù)底座，匯聚勘察全過程數(shù)據(jù)，為施工期隧洞及基坑開挖、運(yùn)行期地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等數(shù)字孿生應(yīng)用提供數(shù)據(jù)底座，為水利工程建設(shè)數(shù)字化發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

勘測全過程數(shù)字孿生解決方案解決了傳統(tǒng)勘測方法存在的問題，實(shí)現(xiàn)了勘測數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集、智能化管理，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的正向三維地質(zhì)建模，并按工程階段固化模型，實(shí)現(xiàn)了勘測三維成果的數(shù)字化交付；初步實(shí)現(xiàn)了巖土工程三維協(xié)同設(shè)計(jì)；制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范引領(lǐng)勘測數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

結(jié)論與展望

針對目前水利工程勘測數(shù)字孿生面臨的問題，指出了對象孿生、流程孿生和智能化應(yīng)用是水利工程勘測數(shù)字孿生建設(shè)的要點(diǎn)和難點(diǎn)，構(gòu)建了水利工程勘測數(shù)字孿生技術(shù)框架；按照“數(shù)字采集—建模仿真—孿生應(yīng)用—標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)”的水利工程勘測全過程數(shù)字孿生協(xié)同機(jī)制，在勘測數(shù)字化感知與采集、三維地質(zhì)建模與動態(tài)更新、數(shù)值仿真與巖土三維設(shè)計(jì)、巖土建造智能管控等方面進(jìn)行了理論研究與技術(shù)創(chuàng)新，搭建了水利工程勘測數(shù)字平臺，并形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；通過不同類型項(xiàng)目應(yīng)用，驗(yàn)證了所提方法、技術(shù)的合理性和可行性。

我國數(shù)字孿生水利建設(shè)已邁入高速發(fā)展階段，然而地質(zhì)勘測領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展仍顯不足，如水利工程勘測模型庫與知識庫的體系化構(gòu)建研究尚不完善，水利工程勘測數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用場景開發(fā)亟待深化等。未來需結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代技術(shù)，使工程勘測朝著數(shù)字化、信息化、智能化方向發(fā)展，變革水利水電及相關(guān)行業(yè)勘察生產(chǎn)方式，助力智慧水利建設(shè)。

Abstract: Comprehensively improving the digital service level of engineering survey is crucial for accelerating the construction of digital twin in water conservancy. In accordance with the requirements of “demand-driven, application-oriented, digital empowerment, and capability enhancement”, it is necessary to deepen the digital mapping, intelligent simulation, and forward-looking rehearsal of all elements in survey production, so as to promote the quality and efficiency of survey and design work, realize digital empowerment, and achieve intelligent early warning and control of geological risks. In view of the current situation in China’s water conservancy survey field, where understanding of survey digital twin is not unified, achievements are fragmented, and technical routes are immature, this paper proposes a collaborative mechanism for the whole process of water conservancy engineering survey digital twin, consisting of “digital collection - modeling and simulation - twin application - standard construction”. The connotation, application requirements, construction contents, and key technologies of survey digital twin are clarified, and a digital twin platform for water conservancy engineering survey is constructed. The platform includes an “sky-space-earth integrated” data acquisition system, a 2D and 3D real-scene cataloging system, a 3D geological modeling system, a rock slope design system, a “one-map” system for water conservancy engineering survey, and a geotechnical construction management and control system, thereby realizing whole-process digital operations and result delivery. Practice shows that this technology and platform enable dynamic management and control of the entire survey process through digital twin technology, providing a referable solution for digital twin development in the water conservancy industry and supporting the construction of smart water conservancy

Keywordswater conservancy engineering; engineering survey; digital twin; 3D geological modeling; 3D design; geological cataloging; smart water conservancy

本文引用格式：

高玉生，王國崗，趙文超，水利工程勘測全過程數(shù)字孿生技術(shù)研究[J].中國水利，2025（19）：3-13.

責(zé)編王慧

校對｜李盧祎

審核楊軼

監(jiān)制李坤

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