一、案例简介

天空地一体化多源异构数据融合湖库监测模拟系统技术应用，属于解决方案类别，本项目技术上需要处理不同数据来源和数据结构，多维度的水情、气象、水质、工情、图像等涉水信息，研究开发相互率定融合机制，数据与湖库水动力和水质模型体系的耦合，预测湖库水文水质变化并实现智慧控制等。

二、案例背景

项目目标是把卫星遥感水文水质反演数据和无人机倾斜摄影等方式获得的信息与地面及水中在线传感器监测的水文水质数据相融合，形成由点监测変成面监测的系统。以解决湖库监测设备稳定运行寿命不足、监测站点数量不足、通信困难且流量费用较高、在线设备需要定期运维等问题。

特别是结合当前新冠肺炎疫情的发展，大量的消杀用品广泛使用后排放入水体，影响水质变化，需要更加科学的非接触监测手段，优化水务管理部门的管理手段，提升管理水平。

三、案例介绍

本项目的开发方向是把卫星遥感水文水质反演数据和低空遥感、倾斜摄影等方式获得的信息与地面及水中在线传感器监测的水文水质数据相融合。天空地不同数据来源和数据结构、多维度的水文、气象、水质、工情、图像等涉水信息相互融合、率定、优化，融合之后数据与湖库水动力和水质模型体系相耦合，推导预演湖库水文水质变化趋势，根据模型结果，提出决策专家方案库，最终和SCADA等智慧控制设施设备相结合，实现湖库的监测、模拟与管理调度系统的智慧化。

本项目包括天地空感知数据深度融合、多源异构数据无缝拼接融合展示、融合数据与模型耦合分析计算、管理调度决策支撑、实现浸入式漫游调度效果预演、智慧调度输出与驱动，实现湖库监测、模拟与管理调度的智慧化。

本项目要解决的主要技术问题包括：

1）综合感知：天空地一体化打破传统监测数据来源单一的局限和困境，转向三维+时间四维监测数据采集和相互融合。

2）分析模拟：多维度数据融合之后导入模型体系，多维度多尺度多模型进行率定和优化，为智慧管理和调度建立基础。

3）联合调度：基于模型的专家系统提出最优化决策方案，SCADA系统实现智慧调度。

1、天：卫星遥感数据反演

通过采用卫片反演数据，对水体进行大范围、周期性、全天候、全天时、多频次、多角度、快速、低成本动态监测，提供丰富的可供定性、定量分析的水环境信息。弥补实地监测耗时长、监测范围局限、长期趋势分析困难且费用高的缺陷，极大降低维护运行成本，完善现有常规监测技术在不确定性、代表性、精确性、少资料等方面的不足。与人工智能、高性能数值仿真、大数据技术等高新信息化技术有机交叉融合在一起，提升水文、水动力、水质模型的细部刻画能力和模拟预测的精度、可靠性，满足智能化、精细化、全自动化的水环境管理与决策的需求；发现实地监测方法和地表模型难以揭示的污染源和污染物的迁移特征，及时捕捉突发性、大范围的水环境质量变化。本思路的优势在于：

1）有丰富的遥感数据源用于水环境生态监测与反演；

2）遥感反演、高性能数值模拟、智能优化方法、数字流域等先进理论及关键技术与水资源和水环境领域的建模与决策问题进行多学科交叉融合已成热点，有丰富的成果；

3）卫星遥感数据的获得越来越便捷和低成本。

2、空：无人机倾斜摄影+多光谱影像

通过空-地-数据融合技术应用，实现实时和静态数据融合，利用低空摄像和多光谱影像反演数据对其他方案采集数据进行率定，进一步提高数据可靠性。

3、地：地面和水中传感器在线监测

通过地面传感器进行湖库水环境监测，从可行性、代表性、监测长期性、系统安全性和运行经济性与天空地一体化监测实现互补，对湖库进水区、湖心区、出水区、功能区（饮用水源）、排污口进行水环境监测，提供视频影像对现场进行识别，提供多通道的数据可靠性甄别方案，解决投入式传感器数据可靠性差的痛点。

4、多源异构数据融合

通过数据处理流程，对多源数据进行处理：数据采集、数据总线、数据处理、数据存储、数据应用。包括数据智能采集、多源异构数据入库、同时支持多种通讯方式，支持通信故障时自动缓存和自动补发等技术。

数据融合展示，将视频监控数据与天空地反演数据融合；实现水文、水质、气象、工情等实时数据与摄像机实时视频无缝融合空-地-3D技术应用，多源异构数据无缝拼接；无人机航拍倾斜摄影以及监控摄像头拍摄的视频监控数据，与实景三维地图无缝融合，并能将跟踪目标换算至统一坐标管理。系统借助水模型及三维可视化技术，智能化生成环境和设备融合的三维实时运行变化、预报、预警、操作等功能并三维立体呈现。

5、水量和水质双目标模型

开发多模型计算耦合，提供快速建模导入。遥感解译面监测数据，打破传统单点监测的局限；提供精确的多维度监测反演数据输入模型。事件或者感知驱动（降雨、水情水质变化），提前对将发生的情况进行趋势预判；

控制策略优化：结合模型及融合数据分析，建立应对策略专家库，并结合事件结果对历史策略库进行优化，为后期调度提供最优管理措施。

6、决策支撑和智慧调度

建立湖库水量水质多目标联合调控决策支持系统和方案优化系统，并通过建立的智慧调度系统予以实现。

本项目关键技术节点与核心创新点：

1）高分卫星水文水质数据反演算法，能够反演湖库水位等水文数据；包括叶绿素a、蓝绿藻、氨氮、COD、浊度等水质指标；

2）天空地一体化监测数据融合，利用地面在线传感器的高精度、连续数据对卫星和倾斜摄影的反演数据进行标定和率定，极大提升反演数据的准确性和可靠性；

3）监测数据融合展示，首先实现反演数据、监测数据和卫片、现场监控视频的融合展示；后期逐步实现多源异构数据在不同尺度和不同维度的融合展示；

4）多源异构融合数据和水量水质模型的耦合，融合后形成的四维数据体系输入水量水质模型，模型能够以水量和水质为目标，以不同时间步长和时间跨度，输出不同尺度的模拟结果；

5）基于水量水质模型的调度专家系统，基于水量水质模型的输出结果，建立不同的调度策略形成专家系统方案库，支撑管理和调度的决策；

6）基于多源异构数据融合和模型的智慧调度系统，通过稳定可靠的SCADA系统软件和硬件，在数据融合和趋势模拟的基础上，实现湖库的智慧管理和调度。

本项目主要技术路线如下：

天空地监测数据采集、多源异构数据融合分析展示、水量水质模型支持、湖库水量水质双目标联合调控

应用场景：

本项目的主要用户为全国各级水务部门、环保部门，在当前国家水治理环境下，为了能实现水质、水量综合管理，实现湖库管理联合调度，减少水质水量投入式传感器的线下运维工程量和成本，需要借助更加先进的综合技术，解决用户对水系水体的综合检测管理痛点，并以低成本运维方式得以保持监测的持续性。

其次是结合当前新冠肺炎疫情的持续发展，公众大量使用的消杀用品，通过广泛使用后排放入水体，影响河湖水质变化，需要更加科学的非接触监测手段，减少人员现场抽样检测、面对面数据分析等工作量，优化水务管理部门对水系统的管理手段，提升整体水质水量管理、调度水平，有效改善民生体验。

四、典型经验提炼

（一）具体措施和成效

通过本项目的实施将形成以下技术成果：

1.天空地数据采集方案；《天空地数据采集技术指南》

2.多源异构数据融合分析展示系统，数据融合展示效果定稿（可供展示的DEMO），确定数据融合的相关技术路线、接口关系等；

3.水量水质模型系统确定,实现水量、水质数据处理及计算的算法及自学习的模型（AI技术），取得软件著作权;

4.湖库水量水质双目标联合调控系统,通过数据耦合和算法，形成水质水量控制的专家库（水质水量控制解决方案）,开发完成实现控制的平台。

（二）借鉴意义

运用这些成果，将可以在不同城市、水域的水务管理系统进行复制，目通过在实地实施运行，可以为公司产生直接的经济效益，通过项目方案在湖库范围实施，经济效益在每平方公里86万元左右。推广到全国湖库范围内，公司的经济可持续性向好，效益可观。目前本项目方案在广东、武汉、苏州等地已经开展了宣讲，客户反响良好，有意对此进行投入。

同时本项目通过长期运行实施，可以给生态环境部门提供对受纳水体水质超标的排放都可以不发放许可决策依据，对水务管理部门提供雨洪预测，提前做好库容清理预案，杜绝城市看海模式等有非常重要的支撑作用。相对整个城市而言，城市水生态、水环境得到改善，居民舒适度得到提高，同时水安全的提示让公众放心，契合中华民族追逐中国梦的宏大愿景。