水利工程勘测全过程数字孪生技术研究

水利工程勘测全过程数字孪生技术研究

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

高玉生¹，王国岗¹²，赵文超¹，陈亚鹏¹，衣雪峰¹

1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，300222，天津；2.华北水利水电大学地球科学与工程学院，450046，郑州

摘要：全面提升工程勘测数字化服务水平对加快推进数字孪生水利建设至关重要。按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，深化勘测生产全要素的数字映射、智能模拟、前瞻预演，推动勘测设计工作提质增效、数字赋能和地质风险的智能预警与管控十分必要。针对我国水利行业勘测领域数字孪生认识不统一、成果碎片化及技术路线尚不成熟等现状，根据水利工程勘测工作特点，提出了建立“数字采集—建模仿真—孪生应用—标准建设”的水利工程勘测全过程数字孪生协同机制，明确了水利工程勘测领域数字孪生的内涵、应用需求、建设内容及关键技术，构建了水利工程勘测数字孪生平台。水利工程勘测数字孪生平台包括“天空地”一体化数据采集系统、二三维实景编录系统、三维地质建模系统、岩质边坡设计系统、水利工程勘测“一张图”系统及岩土施工管控系统等，实现勘测全流程数字化作业及成果交付。实践表明，这一技术与平台通过数字孪生技术实现了水利工程勘测全过程动态管控，可为水利行业数字孪生提供可借鉴方案，助力智慧水利建设。

关键词：水利工程；工程勘测；数字孪生；三维地质建模；三维设计；地质编录；智慧水利

作者简介：高玉生，全国工程勘察设计大师，教授级高级工程师，主要从事水利水电工程地质勘察工作。

通信作者：王国岗，工程师，主要从事水利水电工程地质勘察信息化工作。E-mail：wang_gg@bidr.com.cn

基金项目：水利部重大科技项目（SKS-2022147）；天津市自然科学基金项目（25JCYBJC00180）

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.19.002

党的十八大以来，习近平总书记多次对数字中国建设作出重要论述与部署，国家“十四五”规划纲要明确提出构建智慧水利体系。在此背景下，水利部将推进数字孪生水利建设作为推动新阶段水利高质量发展的六条实施路径之一，开展了数字孪生流域、数字孪生水网、数字孪生工程建设先行先试。2022年12月《水利部办公厅关于加强重大水利工程数字孪生项目设计的通知》中指出，在数字孪生平台的数字底板设计中应充分考虑工程地质条件，建立满足数字孪生工程建设需要的三维地质模型；2024年4月水利部印发的《关于推进水利工程建设数字孪生的指导意见》进一步明确“强化数字技术支撑，构建工程可视化模型”，“推进勘察设计阶段基于BIM等技术和模拟分析软件开展多专业一体化设计”，“推行规划、勘测、设计、施工、运维的数据交换和信息共享，实现数字化产品交付”等要求。综上，新时期水利高质量发展对水利工程勘测技术创新提出更高需求。

目前，围绕数字孪生水利建设主线和目标，已形成丰富成果：李俊杰等基于数字孪生技术构建了灌区安全风险管理系统；覃家皓等以BIM+GIS、云计算、物联网技术、运维业务大数据为基础，构建珠三角工程运营期智慧应用建设方案；张宏阳等提出一种点云八叉树索引构建策略及海量点云快速渲染方法，实现水利工程海量点云数据的高质量可视化渲染；贺挺等构建了水利部数字孪生流域模型管理云平台，通过提供水利专业模型、智能识别模型的组件化封装和流程化搭建功能，以微服务的方式对外提供模型共享和模型计算服务。上述成果主要以地理信息、水文、建筑、机电专业为主导，实现方式普遍采用GIS+BIM的途径，呈现方式以三维实景地表测绘模型、水文信息以及水工结构、建筑物、机电设备的三维模型为代表。许多学者在工程勘测数智化方面也进行了相关研究：尚浩等构建了济南城市数字孪生地质模型，集成的地质环境系统实现了地下水动态监测和地质资料实时查询；朱庆等对数字孪生铁路中地质数据编码体系、三维建模、知识库构建进行了系统研究；陈健等、李涛等、祝超等、张帆等分别对岩土工程、地下工程、地下水封石洞油库、矿山的数字孪生技术应用进行了分析；王国岗等构建了水利水电工程勘察数字孪生应用技术框架；卢树盛介绍了数字孪生技术在复杂地质条件下的水工隧洞设计及施工期应用方案。此外，数字孪生技术在项目管理、地质资料、地质钻探、地质剖面等方面应用也有不少研究成果。然而，针对水利工程勘测专业的数字孪生成果较少，对地质勘测数字孪生工作模式缺乏统一认识及成熟应用，地质孪生体对工程地质条件和潜在的地质问题反映不充分。总之，数字孪生虽然在不同行业的地质勘测中取得了丰富成果，但尚未形成服务工程全生命周期的解决方案。

针对上述问题，按照数字孪生水利建设“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，在研究“天空地”一体化数据采集、三维地质建模、岩土三维设计、数字化成果交付等关键技术基础上，集成研发了“水利工程勘测全过程数字孪生平台”，以期推动勘测设计工作提质增效、数字赋能和地质风险的智能预警与管控。

水利工程勘测数字孪生基本认识

1.水利工程勘测数字孪生发展现状与挑战

（1）发展现状与问题

水利工程地质勘测是工程设计的基础，工程设计受工程地质条件制约性强。地质条件是影响水利工程规划、设计、施工和运行的关键因素之一。随着我国水利事业发展，工程规模不断扩大，工程地质条件愈加复杂，传统的地质勘察与分析方法已难以满足现代工程建设需求，尤其大型水利枢纽、高坝大库及深埋长隧洞等所处地质环境复杂，传统方法在精度、效率和预见性方面的局限性日益显现。目前我国数字孪生水利建设已进入快速发展期，各大中型工程项目取得了很多突破性进展，但地质勘测数字孪生技术相对滞后，仍存在诸多事关发展的共性问题，如数字孪生水利对地质勘测对象关注程度低；对水利工程勘测数字孪生的定义、研究对象、技术体系等关键问题研究有待进一步加深；对水利工程勘测数字孪生建设内容、发展方向的认知需深化；信息化标准体系尚不完善等。此外，水利工程勘测数字孪生发展中一些具体问题也亟待解决，如野外勘察数字化程度低，传统二维图件难以实现场景还原；三维地质模型更新机制不完善，数值计算仿真集成技术不成熟，岩土三维设计多专业协同难度大；缺少勘测全过程数字孪生平台，应用偏局部。

（2）建设要求与难点

从应用角度将水利工程勘测数字孪生分为对象孪生、流程孪生、智能化应用三个阶段。

对象孪生的重点是将水利工程勘测地质对象转化成计算机可识别的数据，即构建与这些现实对象呈映射关系的虚拟对象。物理实体对象的三维建模是对象孪生的主要手段，依赖专业计算机图形学算法、根据不同对象特点定制的建模方法，是数字孪生平台建设中难度最大的环节。

相较于对象孪生，流程孪生的实现相对简单，主要借助互联网串接专业业务，实现与现实作业流程的映射关系，保证网络中的数据交互服从现实生产流程，能够映射出水利工程勘测全流程，实现跨专业协同和多专业集成。

在完成对象孪生和流程孪生两个阶段的建设后，水利工程智能化应用是其终极目标，也是数字孪生平台建设的最终目的。如在三维地质模型基础上开展边坡设计时，根据设计坡面揭露的地质条件，按照相关规范要求自动调整坡比，是智能设计的场景之一。更强大的智能技术来源于数值模拟，根据已知条件预测潜在的地质风险，实现地质风险智能诊断。水利工程智能化应用的难点是多专业成果的集成和集成后的数据交互，涉及前期多专业集成、模型动态更新、智能化数值计算等多项关键技术的自主突破。

2.水利工程勘测数字孪生技术内涵

水利工程勘测涉及专业多，工作范围广，作业流程繁杂，数据多源异构，成果提交任务重，包括了地质数据采集、传输、存储、管理、分析、建模、出图和提交报告等。结合地质勘测内容和数字孪生技术特征，将水利工程勘测数字孪生定义为：充分利用“天空地”一体化技术完成地质数据的感知采集，通过三维地质建模和数值仿真手段构建多尺度、多语义的地质孪生体，融合工程施工和运维阶段动态数据，实现与现实工程地质物理环境的相互映射，形成水利工程勘测全要素参与的智能模拟与动态互馈机制，为工程全生命周期提供地质数字化服务。结合水利工程勘测内容和特点，水利工程勘测数字孪生具有以下几个典型特征：

①采集立体化：充分依托“天空地”一体化技术开展地质数据的感知采集，实现对地质信息的全方位、多维度获取，覆盖数据采集的广度与深度。

②要素数字化：水利工程勘测的所有要素以地质数字孪生模型为载体，存储勘测的几何信息和属性信息，实现勘测要素的数字化表达。

③数据动态化：动态更新勘测设计阶段数据，实时融合建设实施和运维阶段动态数据，使地质数字孪生模型能够反映工程全生命周期地质条件变化。

④模型多元化：通过三维地质建模和数值仿真手段，构建多尺度、多语义的地质孪生体，包括三维地质结构模型、三维地质属性模型、岩土三维设计模型、三维数值计算模型等。

⑤仿真精细化：依据物理世界中的地质体形态和物理力学参数，建立精细化的三维数值计算模型，在虚拟空间精细化模拟岩土工程的开挖、支护或加固，进而分析对应的物理地质体的变形与稳定状态。

⑥反馈实时化：水利工程物理地质体在工程建设过程中的变形与稳定状态能实时动态反馈到地质数字孪生模型中，保证数字孪生模型和物理实体在状态和时态上都保持高度仿真。

⑦管理协同化：通过对勘测多源异构数据的标准化，消除“信息孤岛”，利用地质数字孪生模型促进多专业协同。

⑧决策智能化：对地质数字孪生模型采用各种仿真模拟算法，对物理地质体进行数据统计、分析推演，优化设计施工方案，实现智能化决策。

3.水利工程勘测数字孪生技术框架

为实现水利工程地质环境精准感知和工程全生命周期高效管理，搭建了水利工程勘测数字孪生技术架构。该架构分为数据与感知、虚实交互、应用驱动等维度，整合数据、技术与应用，重塑勘测工作模式。

▲水利工程勘测数字孪生技术架构

（1）数据与感知维度：基础支撑层构建

在水利工程勘测数字孪生架构里，多源数据获取与智能感知体系构成基础支撑层，是架构运行的基石。该体系搭建“天空地”一体化协同数据感知与采集方法，卫星遥感和无人机航测承担大范围地理信息的空天采集任务，地面物联网传感设备与移动智能终端则聚焦工程区重点部位，获取精细化数据。

为保障数据质量与效用，建立“数据获取—质量控制—动态更新”标准化流程。多源异构数据汇聚至勘测数据中心，经过数据治理、特征挖掘等技术处理，将物理多元地质信息精准映射到虚拟空间，让数字孪生体系有“数”可依。

（2）虚实交互维度：核心实现机制

虚实交互是水利工程勘测数字孪生架构的核心技术链路，关乎架构能否精准、高效运行。其实现包含两大关键环节：一是融合多源数据并动态传输，在虚拟环境构建高保真地质环境数字映射；二是搭建双向闭环虚实互动机制。

在虚拟空间，基于数字孪生模型开展地质过程模拟、工程安全分析等计算仿真，可视化推演地质风险；在物理空间，借助实时监测数据反馈验证，持续提升虚拟模型精度与可靠性。这种双向交互，既保障数字孪生场景准确，又将传统勘测拓展至虚拟空间深度仿真分析，让勘测工作“虚实相融”。

（3）应用驱动维度：价值实现路径

水利工程勘测数字孪生架构通过知识与模型双轮驱动，实现工程价值转化。知识驱动上，依托勘测数据中心智能分析系统，实时预警地质风险、智能管控建设过程，为岩土工程优化设计提供决策支撑；模型驱动方面，凭借高精度三维建模与动态仿真技术，有力支撑工程全生命周期管理。

实践证明，多维驱动模式显著提升地质勘测智能化水平，为工程决策与管理效率优化提供创新技术方案，让数字孪生从技术架构落地为实际工程价值，助力勘测行业向智能化、高效化发展。

水利工程勘测数字孪生关键技术

水利工程勘测数字孪生关键技术主要指映射与动态模拟勘测物理对象并与地质数字孪生模型之间形成互馈机制所涉及的新一代信息技术。从勘测数据采集、建模、仿真、岩土设计、开挖智能管控等方面分析，关键技术如下。

1.“天空地”一体化数据采集技术

针对水利工程地质勘探中存在的数据采集不规范、原始资料利用困难以及野外工作效率低等问题，通过集成人工智能技术、信息传输技术、“天空地”数据协同采集、多源数据融合以及处理分析方法，形成了“天空地”一体化数据采集技术体系。

▲“天空地”一体化数据采集技术体系

工程地质数据的采集主要从天、空、地（包括地面和地下）三个时空领域入手，利用无人机航测构建高精度三维实景模型，通过多源底图融合生成可以导入移动端的“基本底图”，同时结合GNSS与RTK定位方法提升测绘精度，在地质编录中应用激光雷达、数码相机等设备提升隧洞、钻孔等的编录效率和精度，在项目应用中提出“先内业、后外业、再内业”的工作流程，实现野外地质数据的标准化采集、实时传输及智能分析，为水利工程建设提供更精准、更全面的地质信息支持。

2.多源异构地质数据管理技术

多源异构地质数据的管理主要通过勘测数据中心完成。勘测数据中心由测绘、地质、物探、试验四个专业数据库和公共管理数据库构成，其中测绘、地质、物探、试验数据库分别由专业基础数据库和成果数据库组成，公共管理数据库由专业文件管理、通用文件管理、工程与术语管理、人员与权限管理数据库构成。各专业三维建模、分析软件起到将基础数据加工为成果数据的作用，且这些专业三维软件与勘测数字孪生平台之间只存在“数据接口”关系，实现软件与平台的脱离，增强数据的流通与共享能力。

▲勘测数据中心组织与架构

3.三维地质建模技术

三维地质模型映射了水利工程地质体的几何轮廓和地质属性，是水利工程地质对象孪生建设的目标。完成三维地质建模依赖一系列基础资料，并需借助专业图形几何算法和建模方法实现，是水利工程对象孪生的重难点内容。图形几何算法是三维地质建模的关键核心技术，目前主要采用离散光滑插值和克里金插值两种算法理论。插值算法用于实现对未知区域轮廓和特性的推测，推测结果为离散的数据点，点与点之间按照正确逻辑关系和特定方式彼此连接勾画出地质体的空间展布轮廓形态。由于对地质体认识过程的反复性，对建模技术的要求之一是能够快捷编辑连接关系，如插入、删除、移动某个数据点时，视具体要求判定对邻近数据点是否产生影响，进而实现随意性编辑，即推测结果的修正。

4.BIM/CAE一体化数值仿真技术

BIM/CAE一体化数值仿真技术主要指能够将三维地质模型快速转化为三维数值计算模型的技术，主要包括拓扑型切割封闭、计算块体数据结构构建和计算网格自动剖分等。其中，拓扑型切割封闭指零散、不规则地质界面之间彼此交切，形成严格封闭的包络体，满足计算模型材料分区和参数赋值要求；计算块体数据结构记录大量块体边界间的接触关系，满足计算模型结构面分区赋值和计算过程块体之间荷载传递的要求；计算网格自动剖分基于Delaunay剖分的四面体网格生成算法，实现从展示面片组直接到计算网格的一体化过程。

5.地质数字孪生模型可视化技术

地质数字孪生模型可以通过WebGL技术、UE引擎加载，分别用在不同的场景。WebGL技术适用于加载轻量化处理后的三维地质模型，其关键在于对BIM平台数据的解析与轻量化处理，以保障模型几何、材质、颜色及属性信息的完整，并兼顾后期扩展性，便于查看模型细节及相关数据。如Cesium的GIS引擎作为开源JavaScript库，基于WebGL实现硬件加速图形，跨平台且无需插件，通过封装管理实现GIS、GIM及BIM等多元多态异构数据的加载、坐标转化与配准，完成数据融合，从而搭建地下、地表、地上全时空的三维数字化场景，清晰展示大场景中三维地质模型与周边建筑物的关系及环境影响；UE引擎凭借实时光线追踪、HDR光照、虚拟位移等新技术，搭配高性能显卡，可实现每秒两亿个多边形的实时运算，能在加载地质模型、精细化地表模型及植被模型时呈现增强、美化且逼真的效果，为数字孪生提供高保真基础显示，同时支持数据关联与展示。

6.地质体稳定性智能分析技术

以基于智能化云计算的地质块体失稳快速分析技术为例，集成前期勘察、设计三维模型成果，在施工期利用不断开挖揭露的地质编录数据动态更新前期三维模型、数值计算模型，利用施工监测数据复核计算模型参数取值，再通过数值模拟的云计算，实现开挖过程的地质风险智能诊断。该技术主要涉及模型的动态更新和智能化云计算。其中模型的动态更新通过插值算法和相应应用组件，形成云服务所需后端插件，通过系统前端发布指令，以在线和云服务形式完成；智能化云计算将所选择的数值模拟软件安装在云服务器，在系统前端组织数据，通过发射指令的方式驱动数值计算软件，完成计算模型更新和给定工况的数值计算，并根据预设的判据从大量块体中甄别出不稳定块体，最后将成果返回到系统前端，并提供三维展示和信息查询等功能，服务工程安全管理、支护优化等应用需要。

水利工程勘测数字孪生建设内容

针对水利工程勘测数字孪生的建设需求，建立有效的“数字采集—建模仿真—孪生应用—标准建设”勘测全过程数字孪生协同机制，通过集成三维数字化采集系统、二三维实景编录系统、三维地质建模系统、水利工程勘测“一张图”系统及岩土施工管控系统等多个模块，搭建了水利工程勘测数字孪生平台，并初步构建了水利工程地质勘察信息化标准体系，形成了水利工程勘测全过程数字孪生解决方案。水利工程勘测数字孪生平台涵盖了内外业一体化勘察数据采集、勘察数据智能分析、参数化建模与动态更新、仿真与协同设计、可视化决策支持、实时数据反馈和智能预警等整个地质勘测、设计、施工全过程数字化应用。

▲水利工程勘测数字孪生平台构成示意

在水利工程勘测数字孪生平台中，勘测数据中心是实现勘测全过程数字化的核心环节，存储各类数据及实现数据间的交互。各个三维数字化软件通过标准化的数据接口从勘测数据中心读取数据进行加工，并将成果数据返回数据中心。

1.水利工程勘测数字孪生平台构成

（1）三维数字化采集系统

三维数字化采集系统由硬件设备与软件系统共同组成。其中硬件设备包括电脑终端、智能手机、便携式RTK、电子罗盘、高清录像与录音设备等，确保现场数据采集的多样性与精度；软件系统分别运行于Windows和Android平台，通过二次开发结合第三方框架分别研发桌面端和移动端的数据采集软件，实现地质测绘、勘探、试验等外业数据的采集。

系统基于“先内业、后外业、再内业”的工作思路开发，作业流程如下图所示。首先，在内业利用桌面端采集软件，通过坐标转化、底图配准等操作将多源异构的地质资料形成“融合底图”；然后，在野外现场使用移动端采集软件对“融合底图”上的内容进行调查核实和补充完善，并可外接RTK设备、电子罗盘、摄像机和录音设备等，提高编录精度和效率；最后，将移动端采集的地质数据传回桌面端采集软件，再次融合处理分析及整理归类，得到最终地质成果数据、表格数据及图件，辅助三维地质建模和二维出图。

▲水利工程三维数字化采集系统作业流程

（2）二三维实景编录系统

系统立足于数字摄影测量与计算机视觉科技前沿，研发了地质对象数字影像与实景三维模型的快速采集、结构面真产状量算、地质特征解译、编录成果自动成图等技术与相应的软件产品，实现对工程边坡、基坑的快速精准地质勘察编录，主要功能包括：基于实景边坡基坑的交互式地质编录、边坡基坑的三维可视化与三维动画生成、基于二维影像数据的边坡基坑地质编录、编录成果定制化自动输出与成图。

（3）三维地质建模系统

三维地质建模系统基于MicroStation API，采取Managed C++和Native C++混合编程，并利用WinForm作为交互界面，融合优化的网格曲面生成算法、数模联动技术、二三维联动技术等核心技术，实现了基于数据驱动的正向三维地质建模。针对不同地质对象的点、线、面、体的拟合及地质图件的绘制，开发了如下表所示的功能模块及相应使用工具。

▲水利工程三维地质建模系统功能模块

（4）边坡三维设计系统

边坡三维设计系统针对水利工程岩质边坡（包括一般场地边坡、隧洞进出口边坡、重力坝台阶式边坡、库盆边坡、溢洪道边坡、料场边坡等），功能涵盖边坡三维轮廓设计、稳定性复核计算、加固设计、工程量计算、二维图输出。系统在将地质模型转换为计算模型的基础上，实现在三维地质模型上直接开展边坡轮廓设计、稳定分析和支护设计。

边坡三维设计过程中通过稳定性计算验算边坡稳定性，基于稳定性计算结果动态调整边坡设计参数，从而完成边坡设计。在边坡设计的基础上，进行相应的工程量统计，包括开挖方量的计算、加固结构的统计等。

（5）勘测“一张图”系统

勘测“一张图”系统基于BIM+GIS平台开发，与三维地质建模及岩土三维设计成果进行对接，为基于三维地质模型的动态交互、水利工程问题会商、设计方案展示提供支撑，并进行演示汇报。勘测“一张图”的组织架构如下图所示，分为数据层、业务层、管理应用层三层结构。

▲勘测“一张图”系统组织架构

①数据层：起到数据底座的作用，通过多个专业数据库，存储和管理测绘、地质、设计、属性参数等多专业基础数据和成果数据，包括测绘影像、实景模型、地形数据、三维地质模型、BIM模型等。

②业务层：提供Web服务引擎和数据交互接口，起到衔接专业数据与实现管理应用的作用。

③管理应用层：基于Web端开发一系列生产管理、应用等功能，所有功能通过网页端实现，包括场景搭建、汇报展示和基于专业数据的辅助分析等。

（6）岩土施工管控系统

岩土施工管控系统采用WebGL轻量化融合渲染引擎技术，集成倾斜摄影三维实景模型、水工BIM模型、三维地质模型、监测数据，内嵌三维块体智能诊断算法，实现岩土开挖风险的预警预报，主要分为数据汇聚、专业方法集成、业务数字化支撑三层结构。

▲岩土施工管控系统组织框架

其中，数据汇聚层通过融合勘测、设计、监测等专业的成果数据，将三维模型与基础数据进行关联，利用多专业模型与数据的动态交互实现工程的精细化管理；专业方法集成层通过内置和外接地质专业分析方法（如经验法、解析法、数值法等）实现岩土的智能化设计；业务数字化支撑层利用数据、专业模型搭建业务信息系统，实现地质风险的智能预警与管控。

2.标准体系建设

以中水北方勘测设计研究有限责任公司为例，目前已分别制定了《水利水电工程三维地质模型技术规程》（主编）、《水利水电岩土工程三维协同设计技术规程》（主编）、《水利水电工程勘测图 第3部分：勘测图》（参编）、《水利工程数字孪生地质数据底板构建技术规程》（参编）4项行业、团体标准，分别从三维地质建模、岩土三维协同设计、三维地质制图、数字孪生地质数据底板构建等方面建立地质信息化标准体系，填补行业空白，为水利工程勘测全过程数字孪生解决方案提供标准体系保障。

工程实践成效

由水利工程勘测数字孪生平台与标准体系等构成的水利工程勘测数字孪生解决方案，已成功应用于四川高桥水库、甘肃张家川抽水蓄能电站、天津龙潭沟抽水蓄能电站等近20个工程项目，取得了显著应用成效，部分应用成果详见下表。

▲典型项目应用成果

勘测全过程数字孪生解决方案包括勘测外业数字化采集、三维地质建模、三维数值仿真、岩土工程三维设计与智能管控等，实现了工程地质勘察全生产过程信息化与数字化。

①基于“天空地”一体化的数字化采集极大提高了工程地质专业内外业工作效率，提升了地质勘察工作精准度与可靠性，降低了工程成本。

②基于三维地质建模技术可让地质测绘与勘察成果更为直观可靠，极大地降低了工程设计难度，缩短设计时长；“三维协同”使得工程集成化程度更高，避免了“信息孤岛”，提高了信息利用率。

③快速三维地质数值计算模型系统解决方案，可为地质（岩土）设计提供仿真分析支持；形成信息共享、开放的协同设计环境，通过三维空间和任意视角更直观和生动地展示勘察成果，提供一体化多方位的决策支持服务，大幅度提升工程勘测设计服务水平。

④为水利工程施工期、运行期全生命周期数字孪生应用提供勘测数据底座，汇聚勘察全过程数据，为施工期隧洞及基坑开挖、运行期地质灾害监测等数字孪生应用提供数据底座，为水利工程建设数字化发展提供坚实基础。

勘测全过程数字孪生解决方案解决了传统勘测方法存在的问题，实现了勘测数据的数字化采集、智能化管理，实现了基于数据驱动的正向三维地质建模，并按工程阶段固化模型，实现了勘测三维成果的数字化交付；初步实现了岩土工程三维协同设计；制订了相应的标准规范引领勘测数字化转型。

结论与展望

针对目前水利工程勘测数字孪生面临的问题，指出了对象孪生、流程孪生和智能化应用是水利工程勘测数字孪生建设的要点和难点，构建了水利工程勘测数字孪生技术框架；按照“数字采集—建模仿真—孪生应用—标准建设”的水利工程勘测全过程数字孪生协同机制，在勘测数字化感知与采集、三维地质建模与动态更新、数值仿真与岩土三维设计、岩土建造智能管控等方面进行了理论研究与技术创新，搭建了水利工程勘测数字平台，并形成相应的标准规范；通过不同类型项目应用，验证了所提方法、技术的合理性和可行性。

我国数字孪生水利建设已迈入高速发展阶段，然而地质勘测领域数字孪生技术发展仍显不足，如水利工程勘测模型库与知识库的体系化构建研究尚不完善，水利工程勘测数字孪生技术的应用场景开发亟待深化等。未来需结合人工智能、大数据、云计算等新一代技术，使工程勘测朝着数字化、信息化、智能化方向发展，变革水利水电及相关行业勘察生产方式，助力智慧水利建设。

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，王国岗，赵文超，水利工程勘测全过程数字孪生技术研究[J].中国水利，2025（19）：3-13.

责编王慧

校对｜李卢祎

审核杨轶

监制李坤

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