数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系构建与应用初探
Establishment and application of “sky-space-earth-water-project” integrated monitoring and perception system for digital twin water resources
钱峰¹，成建国¹，夏润亮¹，王金星¹，丁昱凯¹，王文种²，李冰³
（1.水利部信息中心，100053，北京；2.水利部南京水利水文自动化研究所，210012，南京；3.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，450003，郑州）
摘要：监测感知是数字孪生水利的前提和基础。单一监测感知手段已难以满足全面提升水利对象全要素和水利治理管理全过程智能感知能力需求。构建数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系，是加强自然灾害监测预警的迫切要求，是发展水利新质生产力的必然要求，是数字孪生水利提质增效的基本要求。介绍了“天空地水工”一体化监测感知体系的总体框架、基本原则与建设目标，从夯实技术设备、通信安全、数据归集、制度标准等四方面通用公用基础，提升水旱灾害防御、水资源管理与调配、水利工程建设和运行管理、河湖长制及河湖管理、水土保持、农村水利水电等六方面业务监测感知能力两个大类，梳理了“天空地水工”一体化监测感知体系实施路径，以及强化组织领导、资金保障、科技创新、人才支撑等保障措施。分析了湖南团洲垸堤防决口险情应对的监测感知体系应用案例。研究成果能够为全面建成“天空地水工”一体化监测感知体系，支撑具有全要素高保真“四预”功能的数字孪生水利提供参考。
关键词：数字孪生水利；天空地水工；一体化；监测感知体系
作者简介： 钱峰，副主任，正高级工程师，主要研究方向为水利信息化。
通信作者： 夏润亮，正高级工程师，主要从事河流数值模拟与水利信息化方面研究。
基金项目： 国家重点研发计划“流域多业务融合的知识平台构建技术”（2023YFC3209203）；2023年度水利人才发展资助项目“基于AI大模型和水利专业模型融合的流域洪水预报调度技术研究”（JHYC202309）；中国水利经济研究会2024年度资助课题“数字孪生水利产品研制与价值发挥模式研究——以水利部数字孪生模型平台与AI大模型为例”（CSWEZZ2024-07）。
推进数字孪生水利建设是发展水利新质生产力的显著标志，是推动水利高质量发展、保障我国水安全的重要路径。水利部深入贯彻习近平总书记关于网络强国的重要思想、习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路和关于治水重要论述精神，认真落实党的二十大和二十届三中全会精神，按照数字孪生水利建设顶层设计要求，坚持“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”原则，针对算据不够全面、实时、准确、智能、规范等突出问题，提出健全数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系，为数字孪生水利的高保真建设运行提供算据保障，支撑构建具有预报、预警、预演、预案“四预”功能的数字孪生水利体系，驱动引领水利高质量发展。
构建“天空地水工”一体化监测感知体系的重要意义
监测感知是指通过各类传感器和装备对特定对象进行实时、长序列监视与测量，进而感知各类要素信息时空变化情况，是实现物理世界数字化映射的关键技术手段。数字孪生水利系统是以物理水利对象为单元、时空数据为底座、数学模型为核心、水利知识为驱动，对物理水利全要素和水利治理管理活动全过程进行数字映射、智能模拟、前瞻预演，与物理水利系统同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，实现对物理水利系统实时监控、发现问题、优化调度的新型基础设施。高标准的数字孪生水利需要高频率、高精度、实时在线的监测体系进行支撑，并源源不断地为数字孪生平台特别是水利专业模型计算提供动态监测数据，实时精准更新水利对象的状态。监测感知系统的科学建设和高频乃至在线运行是实现“孪生”的重要前提，是支撑业务实现实时精准“四预”的保障。因此加快构建“天空地水工”一体化监测感知体系具有重要意义。
1.加强自然灾害监测预警的迫切要求
在全球气候变化背景下，极端强降水、洪涝灾害事件呈现趋多趋广趋强态势，给人民群众生命财产安全带来严重威胁。2024年，全国大江大河创纪录发生26次编号洪水，超警河流数量一度达到常年同期的260%，水利部汛期发布预警4600余次，区域性极端暴雨洪水导致多起罕见重大灾害事件。结合河南“21·7”特大暴雨洪水、海河“23·7”流域性特大洪水、2024年7月湖南团洲垸一线堤防决口、2024年8月内蒙古老哈河堤防溃口等极端洪涝灾害造成的险情能够看出，仅靠地面站单一监测手段已无法满足雨水情和灾情全面、实时、精准监测预警的要求，特别是雨水情、工情险情监测信息采集以及断网断电断路“三断”情况对数据传输提出了更高要求，迫切需要“天空地水工”一体化监测感知数据及时畅通、直达一线，为人员撤离，水库、蓄滞洪区等启用以及防御预案的生成等决策指挥提供有力数据支撑，构建信息一体化互补的防洪业务全链条，补齐监测短板，减少自然灾害给人民群众生命财产安全带来的损失。
2.发展水利新质生产力的必然要求
数字孪生水利具有高科技、高效能、高质量特征，成为水利新质生产力的显著标志和有力抓手。监测感知体系是数字孪生水利建设的重要基础，天-空-地-水-工监测感知技术基础条件不断完备，卫星遥感、卫星互联网、北斗通导遥一体化、无人机、无人船、激光雷达、测雨雷达、声光电雷达、水下机器人、智能传感等现代空间观测、智能网络、智能建模等通用专用先进技术及装备为水利业务监测感知提供了先进生产工具，并已在水利行业逐步得到有效应用，正不同程度促进监测感知体系提档升级。数字孪生水利通过促进水利劳动者、生产资料、劳动对象及其优化组合进一步跃升来实现水利生产力的发展。开展“天空地水工”一体化监测感知体系建设，能够促进以数据、信息、科技为核心的新型生产资料的升级，促进由新时期水利劳动者、生产资料（监测感知数据）以及劳动对象（数字孪生业务系统）组成的水利新质生产力发展。
3.数字孪生水利提质增效的基本要求
算据是数字孪生水利建设的基础，丰富一体的监测感知体系是实时获取算据的保障，没有实时精准的算据支撑就无法实现数字孪生水利动态计算、实时调优、迭代优化的效能，如流域下垫面动态数据支撑精准的洪水预报，工程BIM数据支撑精准的工程结构应力与溃坝风险分析，蓄滞洪区地形等数据支撑准确的分洪决策。水利部已初步构建涵盖23颗遥感卫星、2500架无人机、1.5万处视频点位、15.5万个地面水文报汛站、千万级工程安全监测点位的水利信息综合采集体系，但仍然存在监测感知手段单一、覆盖范围不足、监测要素不全、全量程全过程监测能力弱、数据质控不足、跨业务跨层级协同难等问题，整体上智能化、自动化程度不高，新技术应用不足，距离透彻、实时、精准感知目标存在较大差距，制约着数字孪生水利虚实交互以及水利业务精准“四预”功能实现。加快构建数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系，是夯实算据支撑、驱动算法动态计算、合理设计算力保障、充分发挥数字孪生水利效能的基本要求。
综上所述，数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系，是数字孪生水利的重要组成部分，对水利对象全要素和水利治理管理全过程的监测感知数据通过信息网和水利云等进行通信传输和分析存储，保障数字孪生平台中的模型平台和知识平台算据调用，支撑实现水利业务“四预”。现阶段数据建设的空间范围和建设精度均和已有工作有所不同，为科学完善监测站网、升级改造监测设备，更好地规范卫星遥感、无人机、视频等“点线面体”多源、多维、多模态异构数据的采集、传输、归集等过程，为数字孪生水利模型平台、知识平台以及水利领域大模型提供高效融合的算据支撑，亟须加快构建“天空地水工”一体化监测感知体系，支撑数字孪生水利建设高保真建设运行要求及水利业务“四预”功能实现。
“天空地水工”一体化监测感知体系构建框架与建设目标
“天空地”一体化监测指借助卫星平台、无人机平台以及地面设施设备实现立体化监测，弥补单一监测手段缺陷，正越来越广泛应用于各行各业，如生态环境部提出“天空地一体化”生态质量监测网络，国家林草局构建国家公园“天空地”一体化监测体系，广西海洋站建设天空地海一体化监测示范工程——茅尾海生态环境立体智能综合监测基地等。数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系面向水利行业河湖水体和水利工程监测重要性以及监测对象内在特点（如河湖水下地形、水体水质要素，以及水利工程渗流渗压、应力应变等要素），以业务为牵引，进一步聚焦跨业务、跨层级、跨技术数字孪生一体化监测感知需求，实现对水利对象全要素和水利治理管理全过程监测感知，能够更好服务数字孪生水利建设，解决水利业务痛点难点。
1.总体框架
数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系，是数字孪生水利的重要组成部分，综合应用“天空地水工”多种监测技术装备方法，构建支撑水利多业务的一体化监测感知网，其中“天”“空”“地”为广义的监测感知技术手段，“水”特指对河湖库水体水中水下水利要素的监测感知，“工”特指对水利工程内部外部要素的监测感知。
▲“天空地水工”一体化监测感知与数字孪生水利关系
▲“天空地水工”一体化监测感知示意
“天”主要利用光学遥感、SAR（合成孔径雷达）、重力卫星、气象卫星、北斗等技术装备实现对流域下垫面、河湖水体、洪涝灾害、工程面貌等大尺度全局监测感知；
“空”主要利用无人机、高塔等设施设备搭载激光雷达、天气雷达、测雨雷达等监测仪器，实现对水域岸线、蓄滞洪区、山洪灾害易发区等重点区域的地形、雨情等要素的中小尺度高精度动态及时监测感知；
“地”主要利用雨量站、蒸发站、地下水监测站、土壤墒情站、视频监测站等地面监测设施设备，实现对关键区域点位雨情、蒸发量、地下水水位、墒情等要素的精准实时监测感知；
“水”主要利用声、光、电、无人船等监测技术装备实现对河湖库水体的水位、流速、水质、泥沙、水下地形、水生生物等水中水下要素的精准自动化监测感知；
“工”主要利用渗压计、光纤光栅、应变计、震动仪、测量机器人、水下机器人等手段实现对水库大坝、堤防、水闸、隧洞等水利工程内外的渗流渗压、位移变形、应力应变等工情险情要素的实时精细监测感知。
天基、空基、地基、水基、工基监测五位一体，从水利行业监测全局出发，全面覆盖水旱灾害防御、水资源管理与调配等水利“2+N”业务监测范围。一体化监测，从系统观念出发，是对一个水利对象或一项水利业务的一体化监测，弥补行业单一监测手段缺陷，多手段综合应用，保证全方位、全覆盖、全要素监测；同时是建立在全国、流域、省级、工程管理单位共谋、共建、共用、共享基础上的一体化监测，实现系统完备、集约节约、不重不漏；也是各个业务监测感知之间的一体化，共用如电力、通信、监测地点等基础设施，打通业务数据共享壁垒，采集面向水利对象全要素和水利治理管理全过程的监测感知数据，将水利监测数据在时空、范围、精度、频次等方面协同融合，通过信息网和水利云等进行通信传输和分析存储，保障数字孪生平台中的模型平台和知识平台算据调用，支撑实现水利业务“四预”功能。
2.基本原则
需求牵引，应用至上。聚焦解决实际水利业务问题，面向数字孪生水利模型输入，面向水利知识平台和领域大模型训练与决策的数字孪生监测感知需求，以实现数字化映射、智慧化模拟、前瞻性预演为导向，避免刻意追求“天空地水工”种类全覆盖而忽视业务实战实用。以支撑数字孪生模型动态计算和业务仿真决策为牵引，解决行业痛点难点，如山洪灾害监测应重点加强测雨雷达的应用，以实现延长洪水预见期和提升预报精度的有效统一；水利工程安全监测应重点强化水库大坝安全自诊断和坝外感知设备研发应用，实时精准监测感知水库大坝位移变形、渗流渗压、应力应变等工情险情要素；高含沙河流治理监测应重点加强含沙量、河势和滩区的地形监测，以更好地支持游荡性河段河流模拟仿真。在满足业务需求的情况下，做到应设尽设、应测尽测、应在线尽在线，贯通前端感知、平台归集、信息应用全过程，支撑“四预”功能。
强化统筹，分工协作。系统谋划江河湖泊治理、水利工程建设、水利治理管理活动等站网布设、监测要素选择和技术装备配置，综合考虑常规与应急监测需求，统筹构建集约化一体化立体监测感知网和数据归集平台，系统设计“天空地水工”一体化监测布局，确保“天空地水工”各类监测技术互相结合，空间范围有机互补，业务系统集成复用。加强国家水行政主管部门、流域管理机构、地方水行政主管部门、水利工程管理单位和水利规划设计、科学研究、监测计量等单位分工协作，按照职责范围和任务分工建立健全协同工作机制。
创新驱动，提标提档。加快研发和应用智能化监测技术、装备、方法，促进新一代信息技术与水利监测感知深度融合，推进数据采集、传输、处理、分析及应用全链条数字化、网络化、智能化。按照具备“四预”功能要求，对现行水利监测技术标准进行全面检视评估和修订完善，推进已建监测感知设施设备数智化提档，在建和新建工程监测感知网构建应适度超前。
标准统一，有机互补。构建“天空地水工”一体化监测感知标准体系，全面推进天、空、地、水、工技术一体化互补，空间一体化覆盖，监测对象业务一体化共享。通过统一标准设计实施，充分利用已建水利感知网成果，确保“天空地水工”集约高效化建设。
安全可靠，自主可控。全面提升网络通信安全防护能力，确保监测感知信息在安全可靠环境采集、传输、归集与应用。加快推进国产化技术和设备研发应用，提升设施设备集约性、可靠性、稳定性，实现全生命周期高效智能运维。
3.总体目标
到2026年年底，以水利部、流域管理机构、省级水行政主管部门的三级数字孪生平台为依托，基本建成卫星、雷达、无人机、无人船、视频监测点、地面监测站、水面水下监测点、水利工程监测站等组成的“点线面体”监测网络，持续优化迭代升级，基本覆盖水利对象全要素和水利治理管理全过程，结构、密度、功能实现提档升级，监测感知技术、环境、制度、标准等基础保障明显夯实，水旱灾害防御、水资源管理与调配、水利工程建设和运行管理、河湖长制及河湖管理、水土保持和农村水利水电等业务监测感知能力明显提升，为具有“四预”功能的数字孪生水利体系提供全面、实时、精准、可靠的算据支撑。
“天空地水工”一体化监测感知体系实施路径
水利部通过实施“天空地水工”一体化监测感知夯基提能行动，结合数字孪生水利建设先行先试重点成果，构建数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系。2024年7月，水利部印发《数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知夯基提能行动方案（2024—2026年）》，细化明确近3年内数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系的实现路径，重点提出夯实技术设备、通信安全、数据归集、制度标准等四方面通用公用基础，提升水旱灾害防御、水资源管理与调配、水利工程建设和运行管理、河湖长制及河湖管理、水土保持、农村水利水电等六方面业务监测感知能力，共计10个方面40项任务，赋能水利“2+N”业务应用，全面提升水利对象全要素和治理管理全过程智能感知能力。
▲“天空地水工”一体化监测感知实施路径
1.夯实四方面通用公用基础
（1）强化技术装备基础平台
加快构建水利专用、公益性、军民融合、商业等光学、雷达、重力卫星等组成的水利遥感卫星应用星座，通过发射“水利一号”等遥感卫星，深化各方合作，推进水利监测感知技术创新升级，及时提供动态遥感卫星数据服务。搭建无人机监测共享服务平台，实现无人机资源在线管理和共享应用。重点水利工程、河湖的关键部位视频监控全覆盖，共享使用中国铁塔高点视频监控、无人机等资源，协同建立水旱灾害事件应急处置信息保障机制。基于北斗定位、导航、授时和短报文服务功能，保障雨水情、工情及时连续传输，基本建成基于北斗的数字孪生水利时空数据底座。推进智能监测感知新技术设备应用，推进水利测雨雷达、激光雷达、智能芯片、高坝深水探伤、水文应急监测、冰下在线测流、堤坝高精度电磁探测、分布式光纤等服务于数字孪生水利建设的先进技术装备应用，为行业监测感知提供坚实技术装备基础。
（2）保障感知数据通信安全
提升数据通信效能和韧性，升级水利卫星通信网主架构，综合运用卫星互联网及北斗技术实现通信应急双备份，扩展水利业务网骨干网带宽，增加专线弹性带宽，解决偏远地区“最后一公里”数据传输难题，强化重点区域、点位的韧性建设，保障断网、断电、断路风险下的通信。强化网络安全防护，对前端感知设备、传输网络和后端接收处理平台进行全面安全防护，重点强化感知设备自身安全、身份鉴别、准入控制等措施，并通过等保测评。强化数据安全防护，全面推进商用密码应用，构建密码服务基础设施，保障监测感知数据安全。
（3）强化数据归集共享
在“天空地水工”一体化监测感知网基础上，构建水利部本级-流域-省份-工程“纵向到底，横向到边”的数据归集平台，对接全国一体化政务服务平台，实现跨部委共享数据的统一归集与数据目录同步，整合水利部视频级联集控平台、水利部无人机监测共享服务平台、水利部卫星遥感监测平台等平台共享服务。建立水利部与流域管理机构、省级水行政主管部门、有关工程管理单位之间稳定的数据传输链路。在水利一张图上构建“天空地水工”一体化监测感知专题图。围绕业务应用需求，开展多源、多维、多尺度数据归集治理，保障水利基础对象逻辑一致性、数据一致性，确保数据“一数一源”。
（4）建立健全制度标准
建立健全数据归集共享管理制度，制定监测感知数据采集、归集、共享等方面的管理制度和工作机制。加强监测感知标准与计量支撑，面向数字孪生水利建设需求，构建适当超前、相对稳定、持续扩展、实用性强的数字孪生水利监测感知技术标准体系，建立健全监测感知计量体系，围绕流量、水位、雨量等关键要素加强计量标准装置建设。
2.提升六方面业务监测感知能力
（1）水旱灾害防御
以流域为单元，统筹结构、密度、功能及系统集成，加快构建雨水情监测预报“三道防线”。推进洪涝灾害遥感监测，实现洪涝灾害卫星遥感监测自动化、业务化、规范化。加强山洪灾害监测预警，强化蓄滞洪区协同动态监测，精准掌握蓄滞洪区容积及其结构信息，动态掌握蓄滞洪区内居住人口变化情况。推进卫星遥感、无人机、固定和移动视频旱情一体化监测，面向数字孪生水利模型平台水文水动力、水库调度等水利专业模型和水利大模型决策需求，实现降雨、河道来水、库塘蓄水、土壤墒情、凌情相关指标实时按需更新，提升水旱灾害防御监测感知能力。提升极端灾害应急监测能力，实现在极端灾害导致断网、断电、断路“三断”情况下的重要防洪对象雨水情、工情、险情监测信息采集和数据传输。
（2）水资源管理与调配
推进国家水网监测感知体系构建，面向数字孪生国家水网调度业务模型和知识需求，重点开展国家水网重要结点工程工情、流量、水质等要素在线监测，推进调水工程水量监测，强化取水水源设施的水位、水质、流量，输水设施的流量、压力、变形、渗流、温度，以及调蓄设施的水位、进出口流量、淤积等调水工程全流程、全环节、全要素监测，完善取用水监测计量体系。开展河湖水资源和生态保护监测，持续推进全国重点河湖生态流量和跨省重要断面江河水量常态化监测。强化农业灌溉面积、断流河流、萎缩湖泊遥感监测，加强集中式饮用水水源地水量水质监测。加强地下水监测能力建设，完善全国地下水水位监测站网，加大基于重力卫星数据的地下水蓄变量监测分析研究与应用，提升取用水、河湖水资源、生态流量保障、饮用水安全、地下水资源等业务监测感知能力。
（3）水利工程建设和运行管理
面向全国现代化水库运行管理矩阵平台建设需求以及水利工程建设和运行管理孪生模拟需求，加强已建水库大坝安全监测，重点围绕水库大坝、2级及以上堤防、大中型水闸等安全运行及管理实施“天空地水工”一体化监测感知建设。新建改建水利工程按规模和功能科学布设监测传感器，持续推进已建大中型水库视频监视、大坝安全监测、智能巡检及自动化监测全覆盖，推进小型水库雨水情监测及视频监视设施全覆盖、大坝安全监测设施应设尽设，推进水库库区淹没区实物调查。推进堤防水闸位移形变北斗监测，推进2级及以上堤防关键断面水位等监测全覆盖，强化堤防渗漏、管涌、滑坡、崩岸、白蚁危害等险情监测感知技术、装备研发应用，精准掌握堤内河滩地形、河槽水下地形、高秆作物、碍洪植物和构筑物分布情况和经济社会信息，实时分析预测河势变化及行洪能力。推进大中型水闸闸前水位、闸后水位、过闸流量自动监测，以及重点部位视频监视、位移变形、渗流渗压监测设施等建设。
（4）河湖长制及河湖管理
面向全国河湖长制管理信息系统以及河湖监管业务需求，提升河湖库“天空地水工”一体化监测感知能力，面向河湖库监测信息量大类杂，单一遥感识别模型精度低、效率低，夜间、动态复杂条件下问题发现识别难等问题，加强高分辨率卫星遥感（亚米级）、北斗、无人机、激光雷达、视频智能识别等监测技术应用，开展水库工程管理和保护范围上图，重点河流、湖泊管理范围内地物图斑变化按季遥感监测和人工智能识别，开展重要防洪水库库容侵占监测。运用北斗技术、船舶自动识别系统（AIS）、视频监控、无人机巡查等技术，提升河道采砂智慧监管能力，为全面服务河湖水域岸线空间管控和河湖库“清四乱”（清理乱占、乱采、乱堆、乱建）规范化常态化工作提供数据支撑。
（5）水土保持
提升人为水土流失遥感监测感知能力，基于多源卫星遥感数据，开展覆盖全国范围的水土保持遥感监管，提升违法违规扰动位置、面积和水土流失风险发现的及时性。利用无人机遥感数据，识别弃渣场选址变化、水土保持措施落实等情况，为精准实施现场监管提供支撑。通过全面实施国家水土保持监测站点优化布局工程，实现对国家水土保持监测站点监测数据的智能化采集、实时传输、自动入库和大数据管理。开展全国水土流失年度动态监测，掌握水土流失状况、分布及变化情况。以雨量监测、水位监测、视频监控为主，持续推进下游有居民点和重要设施的中型以上淤地坝安全监测设施全覆盖。
（6）农村水利水电
聚焦农田灌溉用水计量精准化、管理运维智能化、灌溉方式高效化，加强灌区水情、工情、墒情、农情等信息监测感知，补充完善灌区监测计量、重点泵站远程监控设施设备，因地制宜推行无人机巡渠、远程量测水、闸门自动控制等技术装备，实现重点区域典型大中型灌区水情、工情、农情等在线监测计量。通过推动实现对规模化供水工程水量、水质、水压、取用水计量等关键参数和水泵、药剂投加等主要设备设施的在线监控，实现一批千吨万人及以上规模供水工程的取用水监测。通过对基础条件较好的小水电站试点开展物联网建设，实现发电机组监控、雨水情、视频监控、巡检系统等实时数据的链接、传输、存储和分析。
3.强化组织实施
（1）强化组织领导
要落实工作责任，加强组织领导，构建业务、网信、技术、管理等部门协同推进的长效机制，强化各项任务的全生命周期监督管理，按需开展调度会商，及时研究解决“天空地水工”一体化监测感知体系建设过程中发现的各类问题，推进任务有序有效开展。
（2）强化资金保障
要重点推进“天空地水工”一体化监测感知体系建设，积极争取基建投资、财政资金和政府专项债券等其他相关渠道投入，按照“整合已建、统筹在建、规范新建”的原则利用好各渠道资金，按照“两手发力”的要求积极探索通过市场机制筹集资金。
（3）强化科技创新
创新科技攻关机制，加强“天空地水工”一体化监测感知相关成果的推广应用，探索“揭榜挂帅”机制，以及业务部门负责“出题”并指导有关科研攻关工作，科研机构、高等院校及企业“答题”，市场“阅卷”的新型产学研用结合等模式。
（4）强化人才支撑
要在实战中积累、锻炼、培养复合型人才，依托水利部卓越水利工程师培养试点（数字孪生水利方向）和数字孪生水利人才培养基地等载体汇集智力，攻坚克难，紧密围绕新质生产力要求，融合理论与实践，为“天空地水工”一体化监测感知体系建设提供人才支撑。
“天空地水工”一体化监测感知体系典型应用场景
在2024年“七下八上”防汛关键期，针对大江大河26次编号洪水，湖南团洲垸、湘江支流涓水、吉林蛤蟆河下游、辽河支流王河、西辽河支流老哈河等多处堤防决口险情，四川汉源和康定、湖南资兴等地山洪地质灾害，水利部迅即启动重大水旱灾害事件调度指挥机制，统筹调度卫星遥感、无人机航摄、视频级联监控、铁塔高点视频资源，并与地面水文站、应急监测、工况感知融合，初步形成“天空地水工”一体化监测感知体系，滚动跟踪洪水演进，精准感知洪水态势，为掌握险情发生位置、堤防决口宽度、洪水演进动态、淹没影响范围等提供了全覆盖、全要素、全天候、全周期的数据支撑。
特别是在应对湖南团洲垸堤防决口险情期间，“天空地水工”一体化监测感知技术手段发挥了重要作用。收到“湖南岳阳市华容县团洲垸洞庭湖一线堤防发生管涌险情，紧急封堵失败后堤坝决堤”的信息后，水利部针对团洲垸及周边区域紧急搭建“天空地水工”一体化监测感知体系。
▲“天空地水工”一体化监测感知体系在湖南洞庭湖团洲垸堤防决口险情处置中的应用
“天”：利用卫星遥感影像对洞庭湖进行滚动监测分析，基于7月5日18时的遥感影像发现湖南省岳阳市华容县团北村附近一处堤防溃口，宽度190.38m，造成疑似淹没范围1.05km²，至7月8日22时44分影像显示，溃口已完全封堵；从决口发生、封堵到排水共计开展86次连续跟踪监测，初期最高监测频次达小时级，后续逐日监测排涝进展、团洲安全区和钱团间堤安全状况。
“空”：无人机搭载热红外相机监测决口流速，协调使用中国铁塔视联平台高点视频监控点位，实时查看现场影像，结合溃口情况监测到7月6日1时30分溃口流量5150m³/s。
“地”：构建溃口内外应急站，针对流量、水位、溃口长度等要素以小时级频次开展监测，7月6日12时，监测到溃口宽度增至225m左右，垸内外水位基本持平。
“水”：开展洞庭湖区域应急水文监测，并依托全国水利一张图组织开展洪水演进预报专用下垫面DEM和堤防数据收集处理、分析及集成。
“工”：运用无人机激光雷达航摄系统、两栖无人机等设备构建堤防三维点云，持续对团洲垸和钱团间堤开展巡测，避免后续隐患。
截至团洲垸决堤处合龙时，共计增加应急监测站点10处，协调中国铁塔视频15处、遥感影像24幅。该体系的建设为团洲垸堤防决口洪水预报预演提供了有力的数据支撑。根据紧急搭建的“天空地水工”一体化监测感知体系，实时更新监测感知信息，快速构建团洲垸堤内外应急监测站点洪水预报方案，发布预报成果，并构建二维水动力学洪水演进模型，利用团洲垸洪水模拟与遥感和铁塔视频实况进行验证，复现团洲垸淹没过程。假设最高水位时钱团间堤北部薄弱堤段、南部薄弱堤段分别溃堤，构建钱粮湖南垸内悦来河西岸、东岸、省道等多套防守方案，综合分析需抢筑子堤长度10.7km，预计土方量需求68.6万m³，为会商决策和抢险调度提供有力支撑。
总结与展望
监测感知是数字孪生水利的前提和基础，加快构建数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系，将为提升数字孪生水利高保真建设运行效能、实现水利业务预报、预警、预演、预案“四预”精准化决策应用提供丰富的感知数据基础。本文研究梳理了建设数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系的意义，提出了总体思路和实施路径，浅析了典型应用场景，为全面开展数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系建设提供了经验。然而由于物理水利系统和已有监测感知系统的复杂性，仍存在数据汇集、数据质量控制、专用设备等大量涉及技术攻关与管理机制等方面的问题需要解决。今后水利部将进一步组织指导各有关单位持续深入开展数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系建设，并加强全过程、全链条跟踪指导，有组织开展技术攻关和机制优化，通过建立数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知夯基提能行动台账和一张图，实施动态管理，督促“天空地水工”一体化监测感知各项建设任务落实，加强“天空地水工”一体化监测感知体系建设成果与数字孪生水利数据底板、模型平台、知识平台、水利领域大模型等的融合集成，实现监测感知实时全覆盖，模型动态调算，知识灵活更新，支撑构建具有“四预”功能的数字孪生水利体系，为水利数字孪生建设支撑保障水安全，引领水利高质量发展提供强有力的前端支持。
Abstract: Monitoring and perception should be the premise and foundation of digital twin water resources. Application of monitoring or perception only can no longer meet the requirement for whole-process intelligent perception of all elements of water resources objects and water governance and management. Developing “sky-space-earth-water-project” integrated monitoring and perception system is urgent for monitoring and early warning of natural disasters, and an inevitable trend for developing new water conservancy productivity and a basis for improving quality and efficiency of digital twin water resources. Introductions are made on the overall framework, basic principles, and construction goals, with a focus on four aspects of technologies and equipment, communication security, data collection, institutional mechanism and standards. It aims to enhance monitoring and perception capabilities in six areas, including water and drought disaster prevention, water resource management and allocation, project construction and operation, river and lake chief system and governance, soil and water conservation, irrigation and drainage and rural water supply and hydropower development. Discussions are also made on the implementation path of “sky-space-earth-water-project” integrated monitoring and perception system, as well as measures of strengthening leadership, finance, scientific and technological innovation, and support of talents. The case of using monitoring and perception system to deal with breach of the Tuanzhou embankment in Hunan Province was evaluated. The research findings can provide reference for the comprehensive establishment of an integrated monitoring and perception system that covers “sky-space-earth-water-project”and support the development of a digital twin for water resources with full-element, high-fidelity “four-pre” (prediction, pre-warning, pre-emption, and preparedness) capabilities.
Keywords: digital twin water resources; sky-space-earth-water-project; integrated; monitoring and perception system
本文引用格式：
钱峰，成建国，夏润亮，等.数字孪生水利“天空地水工”一体化监测感知体系构建与应用初探[J].中国水利，2024（24）：39-47.
封面供图｜水利部信息中心
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