科创中国

城建规划

（对科技成果进行总体性描述。如有，可注明：课题来源、课题立项名称、课题立项编号、研究起始日期、研究终止日期，以及批准登记单位、批准登记号、批准登记日期等信息） 课题来源（背景）： 水利水电行业是一个需要在大尺度地理空间上综合运用海量信息开展工作的行业，将各类水利信息集成到地理空间模型上，建立流域乃至全国的水利地理信息模型，并通过三维地理信息平台实现有效的管理。水利水电三维地理信息云服务平台的开发基于上述背景产生的计划外自选任务。建立水利三维地理信息云服务平台是实现水利水电全面升级的重要基础工作；是实现水利信息化的关键步骤之一；同时填补了国内目前尚无适应于水利水电各专业的三维地理信息系统平台的空白。 课题立项名称： 水利三维地理信息云服务平台 研究起始日期：*** 研究终止日期：*** 传统的水利三维规划设计技术是以Catia三维协同设计平台为主，Revit为辅，CAD（设计）、GoCAD（地质）、Voxler（物探）等其他专业平台，因软件本身的限制，这些平台均无法加载大比例尺、高精度、大数据量的地理信息。且现有的技术手段无法满足地形、建筑物、地质信息与物探成果融合展示需求，不能满足大范围防洪调度成果展示，也难以支持长距离、大范围水利水电工程设计中多专业信息协同，无法满足频繁的多专业方案论证与方案调整。因此目前的现状是，一方面多个专业急需可充分共享的地理信息和三维地理平台来支持各专业高质量、高效率完成规划设计任务，另一方面因为缺少地理信息资源共享渠道和统一的三维地理信息平台，只能是各自为阵，分散建设，重复建设。难以实现信息资源共享、设计成果融合和业务协同处理，制约了企业整体效益的发挥，阻碍了信息化水平的提升。 综合运用了地理信息系统、三维虚拟现实、摄影测量与遥感、空间数据库、计算机网络、并行计算等现代高新技术手段，构建了一个拥有自主知识产权、系统功能满足水利行业设计与应用要求的水利水电三维地理信息云服务平台3DGIS-Ark。研发了三维地形地貌生成，三维模型数据处理，三维数据库加解密，三维地形编辑，三维地理信息集成、浏览与分析子系统等子系统，实现了水利水电空间信息和专业信息的集成管理、三维可视化与分析。 3DGIS-Ark软件平台创新性地解决了复杂水利水电工程枢纽建筑物与三维地形的无缝智能镶嵌，宏大地理场景下的地上下、室内外一体化数据集成管理与可视化，三维GIS环境下原因量与效益量动态变化关系表达等难点问题。 （1）开发了我国首个功能丰富、应用广泛的水利水电三维地理信息平台，通过项目研究形成的水利水电三维地理信息平台，可以管理各类水利信息及相关信息、流域级乃至全国范围的三维地理信息、并具有一系列水利专业管理与分析工作包。各类水利信息、三维地理信息、水利专业工作包的集成管理，可以为水利规划、设计、建设与管理等各专业提供具备水利全要素信息的统一的工作电子平台，将极大地提高水利信息共享能力、协同设计能力、综合管理能力、智能决策能力、大数据分析能力，极大地提高水利工作的科学性与效率，为实现水利事业的升级版提供了重要的工作平台。 （2）水利水电工程枢纽建筑物与三维地形的无缝智能镶嵌技术 地形模型的建立来源于数字正射影像（DEM）和数字高程模型（DOM），建筑物三维模型则由设计人员或建模人员根据点云数据和相关图纸资料创建。将确定的模型按设计要求动态地无缝地镶嵌在不规则的三维地形模型上，是制约三维协同设计的技术问题。本项目基于3DGIS-Ark的功能服务，以水工建筑物三维模型边沿性状为基准，结合数字高程模型和数字正射影像的数据精度，实时进行对多级地形地貌的无缝智能镶嵌，实现了三维模型与地形地貌模型无缝缝合（下图）。 三维地形地貌与渠道的无缝智能镶嵌效果 （3）创新性地将三维地理信息与安全监测业务相互融合。实现了基于断面的三维变形表达方式，监测传感器的查询、自定义漫游、空间位置准确定位及服务等功能。 （4）首次实现了基于原因量与效应量的函数关系的三维动态表达。在三维场景下将原因量与效应量相关关系进行了可视化表达，突破传统二维方式以及函数方式的表达效果，成果更加直观。 （5）实现了安全监测预警及应急预案自动触发。在三维系统中实现了监控指标的智能化触发加密观测，提升了系统的智能水平。 （6）研发了“小浪底工程库区及枢纽区管理三维地理信息系统”，实现了库区管理和枢纽区管理的一体化。基于统一的三维地理信息平台，为水库管理单位的土地管理、水体管理、滑坡体管理、水文水情管理、泥沙观测信息管理、水库周边地震信息管理和文档资料管理等业务提供支持。同时实现了小浪底和西霞院大坝安全监测信息的实时、动态和直观展示，满足枢纽管理部门的大坝安全管理业务需求。 （7）综合运用水文学模型、水力学模型、RS 技术、GIS 技术及三维可视化技术，以水文学、水力学的预报数据为基础，通过三维可视化技术生成三维流域场景，根据不同时刻水位的蔓延情况、流量情况等综合信息。 独占性（重点阐明技术上是否难以获取或复制） 能有效解决水利行业多源、海量、多专业数据集成，三维地形模型和三维建筑物模型、BIM的集成融合。 实现与水利行业专业分析计算模型的深度集成。突破了传统的流域和水工程分散管理模式，实现了基于统一三维平台的多业务一体化协同管理，可服务于流域管理及水利水电工程规划、设计、施工及运维管理全过程。 盈利性（重点阐明是否带来成本下降或性能提高） 1）该平台已带来的直接经济效益： （1）基于平台研发的安全监测信息综合管理及三维可视化系统成功在向家坝水电站安全监测中得到应用，节省了人力、物力，直接经济效益约150万元。 （2）基于平台研发的安全监测信息综合管理及三维可视化系统成功在糯扎渡水电站安全监测中得到应用，节省了人力、物力，直接经济效益约100万元。 （3）基于平台研发的水利水电三维综合管理系统成功应用于小浪底水电站工程区及枢纽区管理中，其成果极大提升了管理工作效率，降低了劳动强度，提升了监测管理的科学性和先进性，节省了大量的开支，为业主创造经济效益110万元。 （4）本平台核心技术与集成方案应用于尼加拉瓜运河三维可视化信息管理系统中，其成果有效地辅助了尼加拉瓜运河规划设计，极大程度上减少了现场复核的工作量，保障了尼加拉瓜运河规划设计的按时完成，为业主创造了经济效益310万元。 （5）通过平台开展的若干项目，累计为单位新签各种合同，累计合同金额达约32141万元。 2）该平台已带来的社会效益： 水利水电三维地理信息云服务平台的开发与应用实践，使长江空间信息技术工程有限公司（武汉）在水利水电工程基础地理数据框架建设、多源海量地理空间数据管理、水利水电工程三维仿真技术、大型工程安全监测、三维建模及模型管理等方面，积累了重要的技术储备，特别是在水利水电工程管理方面做到了远程化、可视化、规范化，改善了以往传统的管理模式，极大程度上降低了现场核查的难度与强度，保障了水利水电工程的正常运作与维护，创造了良好的社会效益。在流域三维管理应用实践、重大水利工程三维管理应用实践、其他三维管理应用实践等三大领域，以水利水电三维地理信息平台为核心支撑，完成了几十个信息化工程项目，市场价值超3亿元。依托“湖北省水利信息感知与大数据工程技术研究中心”等科研和应用平台，水利三维地理信息平台产品化进展显著，逐步形成一整套自主知识产权平台系列产品，为长江空间公司保持在湖北省地理信息企业和全国水利水电行业的领先地位提供了强大支撑。 持续性（重点阐明技术储备和持续创新能力） 经过多年的努力，空间公司开发了一套三维地理信息平台3DGIS-Ark。它是针对市场上三维地理信息平台在水利行业应用中所存在的问题，紧密贴近实际需求，从底层研发的具有自主知识产权三维地理信息系统平台。该平台成功应用于以三峡为核心的水库群投运后防洪形势展示系统（长江防洪数字沙盘），数字小浪底，重庆市潼南、合川山洪灾害预警及洪水推演系统等多个项目中。 该平台在长江防洪数字沙盘中的应用得到了长江委相关领导的充分肯定，并建议在已有工作基础上，对平台进行升级和改造——提升三维地图表现力，优化平台功能与性能，提升洪水演进三维模拟仿真效果，拓展平台应用范围，提高面向流域综合管理的服务能力，构建与长江流域“水利专题一张图”相匹配的三维地理信息服务平台。 由于水利水电行业的特殊性，给三维地理信息平台的研发和应用拓展提出了更高的要求和挑战。所以须统筹规划、分步实施。先期以水利规划、物探、库区移民等专业为突破口，逐步扩展、逐步完善，研发功能和性能越来越成熟的三维地理信息服务平台产品。 本平台已经应用于多个项目，积累了大量的技术经验，并形成了一个团队专门进行该平台的持续开发。随着IT技术的发展，本平台也在不断更新，自2018年开始进行底层重构，以符合新的IT技术架构，满足多终端使用。目前已经基本形成了新的系列平台软件，并在各个行业进行扩展应用开发，已应用于数字城市，地下管线信息管理、环境保护信息管理、城市地铁信息管理等行业。项目团队计划后期改进主要从加强行业应用深度、提高平台底层普适性、提高用户使用的便捷性和加强与新技术（大数据、云计算等）的结合与应用。 先进性（重点阐明技术水平，主要性能指标国内外比较，替代技术发展趋势和现状等） 1）技术水平： （1）形成了国内首套通用的水利水电三维地理信息平台。国内尚无专用的水利水电三维地理信息平台，各种三维地理信息系统或者在通用的三维地理信息平台上扩展而来，或者是只针对某一细分专业领域开发，不具有通用性。 （2）形成了水利水电工程枢纽建筑物与三维地形的无缝智能镶嵌技术。目前国内外建筑物与地形的镶嵌多是通过人工手动调整，实时性和交互性较差。本平台提出并实现了无缝智能镶嵌技术，可自动化的实现三维模型与地形的无缝缝合。 （3）创新性的支撑了水利水电工程安全监测自动化业务。创新性地将三维地理信息与安全监测业务相互融合。实现了基于断面的三维变形表达方式，监测传感器的查询、自定义漫游、空间位置准确定位及服务等功能。完成的糯扎渡水电站安全监测自动化系统国际领先。 （4）丰富了水利空间信息的表达方法。首次实现了基于原因量与效应量的三维动态过程展示，实现了基于断面的三维变形表达方法，研发了自适应的地形夸张表达方法。相比于国内外同类技术，表达方法和技术手段更加丰富，行业针对性更强。 （5）技术应用广度和深度行业领先。技术在水利水电工程管理、流域防洪抗旱信息管理、水利水电工程安全监测智能化中的应用广度和深度在国内外同行业处于领先地位。 2）与国内外对比： 国外主流GIS软件，如ArcGIS、Skyline、GoogleEarth等，能较好满足海量空间数据的集成和管理需求，但未能紧密结合水利行业需求开发，难以与水利三维设施模型集成，难以与专业分析计算模型集成。且存在二次开发接口受限制和数据安全保障困难等问题，难以成为服务水利水电勘测设计及管理工作的三维地理信息支撑平台。 平台建设与应用既要服务于水行政管理，又要服务于水利水电工程规划设计。因而面临空间范围大，覆盖专业多，技术复杂。而现有的各类规划设计软件和平台也无法满足要求，且这些软件不具有通用数据接口，难以进行数据交换和多业务协同处理。因此，迫切需要紧密贴近行业需求开发水利三维地理信息服务平台，既可辅助各专业完成规划设计工作，又可辅助流域管理部门开展水行政管理工作。 3）水利三维地理信息服务平台建设和应用面临的问题和需求是： 一是空间数据快速采集。针对设计院的各类项目涉及的水利水电工程对空间数据的不同需求，研究分类快速数据采集技术，满足工程规划设计对地理数据的采集和更新要求。 二是基于三维地理信息平台的多专业信息集成与协同。研发自主知识产权三维地理信息平台，研究如何将各方面的信息全面融入三维地图环境。由于需要集成的数据既包括结构复杂的三维地质模型、三维建筑物模型，又包括随时间变化的地下空间物探监测数据。各专业数据维度多、来源各异、数据结构不同、存储格式不同。需从顶层设计入手，制定相应的信息组织与分类编码及数据接入流程及接口规范，开发相应的数据接口。而且要在基础地理信息统一存储、统一管理和统一服务基础上，实现基于网络的多专业信息协同。 三是辅助各专业完成规划设计任务。要为水利规划设计、移民规划设计等专业提供基础平台，提供直观多样的可视化服务和灵活的空间分析服务，辅助其完成各类设计和频繁的方案调整。既能宏观表现流域的地形地貌、生态环境、资源分布和开发利用情况等，又能微观展示枢纽建筑物，实现地上地下、室内外一体化漫游，展示水位变化、洪水的演进等情况。平台不仅需要快速地提取的空间数据，而且还要提供丰富的空间分析和计算能力。 四是提供持续的平台优化服务。需要通过对已有基础三维GIS平台进行全面升级改造，最终能形成自主研发的一整套系列产品，满足设计院面向委内外市场提供水利信息服务。需要不断提升基础平台的功能和性能，提供更方便的控件、组件及接口，满足对各类专业信息进行快速模拟再现与信息融合，并能进行高度的专业定制，能快速搭建专业应用系统。基础平台应该是开放的、规范的，也是可靠的、稳定的。借助更丰富的地理信息表达能力和更强大的空间分析能力，提高设计院服务水行政管理的能力。