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文檔簡介
P1數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)與應(yīng)用實踐2024畢6月25第二部分:
數(shù)字孿生海河的應(yīng)用實踐第一部分:
數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)目錄P2
01數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)P3水利部把建設(shè)數(shù)字孿生水利作為推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的六條實施路徑
之一
,
通過2022和2023年兩年的先行先試工作和技術(shù)攻關(guān)
,
總結(jié)提煉了構(gòu)建數(shù)
字孿生水利的關(guān)鍵技術(shù)難題
,
提出了解決難題的思路方法。算
法算
據(jù)算
力一、
背景新建升級改造數(shù)字孿生水利層次關(guān)系圖數(shù)字孿生水利總體架構(gòu)P4至“十四五”末,按照“突出重點、急用先建”的原則
,建成七大江河數(shù)字孿生流域;按照“規(guī)劃先行、
先導(dǎo)推進”的原則,
骨干水網(wǎng)中的數(shù)字孿生南水北調(diào)中線
基本建成
,省級數(shù)字孿生水網(wǎng)取得突破;按照“重點提升、
同步新建”的原則
,大江大河重要控制性樞紐基本建成數(shù)
字孿生工程;在重點防洪地區(qū)實現(xiàn)流域防洪“
四預(yù)
”
,在跨流域重大引調(diào)水工程、跨省重
點河湖基本實現(xiàn)水資源管理與調(diào)配“
四預(yù)
”
,水利工程建設(shè)與運行管理、河湖管理、水土保持、農(nóng)村水利水電等N項業(yè)務(wù)智能應(yīng)用水平大幅提升;數(shù)據(jù)共享和網(wǎng)絡(luò)安全防護能力明顯增強。為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強力驅(qū)動。P5先行
先試技術(shù)
攻關(guān)推廣
建設(shè)頂層
設(shè)計一、
背景實施路徑建設(shè)目標2.算法方面:優(yōu)化算法2.1數(shù)據(jù)知識融合驅(qū)動的模型構(gòu)建技術(shù)2.2遙感GIS一體化和AI識別技術(shù)2.3大模型賦能知識平臺3.算力方面:提升算力3.1全國產(chǎn)化適配技術(shù)4.應(yīng)用方面:強化業(yè)務(wù)“四預(yù)”4.1業(yè)務(wù)“
四預(yù)”構(gòu)建技術(shù)4.2研發(fā)基于超額水量分配的水庫群逆
向調(diào)度技術(shù)1.算據(jù)方面:豐富算據(jù)1.1“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系1.2.雨水情監(jiān)測預(yù)報“三道防線”構(gòu)建
技術(shù)1.3.地理空間數(shù)據(jù)底板構(gòu)建技術(shù)1.4.顧及水系連通性的HDEM構(gòu)建方法
1.5.水下地形數(shù)據(jù)處理技術(shù)1.6.水利對象一體化組織技術(shù)二、數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)P6各類監(jiān)測手段形成的時空、
范圍、
要素、
精度、
頻次等方面互補協(xié)同的技術(shù)體系:“天
”利用光學(xué)衛(wèi)星、
SAR衛(wèi)星、
重力衛(wèi)星、
氣象衛(wèi)星以及北斗等技術(shù)裝備
,
實現(xiàn)對流域下墊面、
河湖水
體、洪澇災(zāi)害、
工程面貌等的大尺度全局監(jiān)測感知;“空
”利用無人機、
高塔等設(shè)施設(shè)備
,
搭載激光雷達、
天氣雷達、
測雨雷達等監(jiān)測儀器
,
實現(xiàn)對水域岸
線、
蓄滯洪區(qū)、
山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)等重點區(qū)域的地形、
雨情等要素的中小尺度高精度動態(tài)及時監(jiān)測感知;“地”指對河湖水體及水利工程以外的水利要素監(jiān)測方式
,
主要利用雨量站、
蒸發(fā)站、
地下水測站、
土壤
墑情站、
視頻監(jiān)測站等地面監(jiān)測設(shè)施設(shè)備
,
實現(xiàn)對關(guān)鍵點位雨情、
蒸發(fā)、
地下水位、
墑情等要素的精準實時監(jiān)
測感知;“水
”利用聲、
光、
電、
無人船等監(jiān)測技術(shù)裝備
,
實現(xiàn)對河湖水體的水位、
流速、
水質(zhì)、
泥沙含量、
水下
地形、
水生生物等水中水下要素的精準自動化監(jiān)測感知;“工”利用滲壓計、
光纖光柵、應(yīng)變計、
震動儀、
測量機器人、
水下機器人等手段
,
實現(xiàn)對水庫大壩、
堤
防、水閘、
隧洞等水利工程內(nèi)外的滲流滲壓、
位移形變、
應(yīng)力應(yīng)變等工情險情要素的實時精細監(jiān)測感知。二、數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)(豐富算據(jù))1.1“天空地水工”一體化監(jiān)測感知體系P71.2雨水情監(jiān)測預(yù)報“三道防線”構(gòu)建技術(shù)擴展第一道防線
(衛(wèi)星云圖與測雨雷達)
:
在
“
云中雨
”
監(jiān)測預(yù)報的基礎(chǔ)
上
,耦合流域產(chǎn)匯流水文模型和洪水演進水動力學(xué)模型
,
開展產(chǎn)匯流及洪水演進預(yù)
報
,有效延長洪水預(yù)見期;加密第二道防線(雨量站)
:
在“落地雨”監(jiān)測預(yù)報基礎(chǔ)上
,
對接“第一道防
線”監(jiān)測預(yù)報成果
,
持續(xù)率定流域產(chǎn)匯流水文模型和洪水演進水動力學(xué)模型參數(shù)
,
實時更新模型輸入
,迭代優(yōu)化監(jiān)測預(yù)報結(jié)果
,
在保證洪水預(yù)見期的同時
,
提高洪水
預(yù)報精準度。合理布設(shè)第三道防線(水文站)
:
對接“第二道防線”監(jiān)測預(yù)報成果
,
迭代優(yōu)
化洪水演進預(yù)報并向下游水文站或斷面逐級傳遞
,
實現(xiàn)河系滾動傳導(dǎo)預(yù)報
,
進一步
提高洪水預(yù)報精準度。“三道防線”是一個統(tǒng)一整體
,各道
“
防線”相互促進
,
實現(xiàn)延長洪水預(yù)報預(yù)見期和提高預(yù)報精準度的有效統(tǒng)一。二、數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)(豐富算據(jù))P81.3地理空間數(shù)據(jù)底板構(gòu)建技術(shù)基于激光雷達、
傾斜攝影測量、
衛(wèi)星立體測圖、
影像微分糾正、
波束回聲探測、
建
筑信息集成等技術(shù)獲取流域下墊面影像、
水上水下地形、
地表形態(tài)和建筑信息模型
,
經(jīng)
數(shù)據(jù)融合、
數(shù)據(jù)評價等處理
,
耦合數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)引擎
,
構(gòu)建多時空尺度、
多源異構(gòu)數(shù)
字孿生水利地理空間數(shù)據(jù)底板
,
支撐水文水力學(xué)、
水環(huán)境水生態(tài)、
河湖岸線管控等模型
計算和綜合水利信息提取。二、數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)(豐富算據(jù))DOM數(shù)字孿生水利地理空間數(shù)據(jù)傾斜攝影影
像DEM/DSM/
HDEMBIM激光點云水下地形下墊面地表覆蓋提取水環(huán)境水生態(tài)計算河湖庫四亂識別水文水力學(xué)計算業(yè)務(wù)
支撐模型引擎P9統(tǒng)籌考慮堤防、
大壩、
圩垸、
涵洞、
倒虹吸、
橋梁等涉水建構(gòu)筑物對水系連通的影響
,
提出了水利地形HDEM概念
,
創(chuàng)建了顧及通水建筑物去除、
阻水構(gòu)筑物增補和
水下地形嵌刻的局部高程修正的HDEM構(gòu)建方法
,
解決了傳統(tǒng)DEM在水利領(lǐng)域應(yīng)用存
在水系連通失真問題。二、數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)(豐富算據(jù))1.4顧及水系連通性的HDEM構(gòu)建方法水系上下游一貫連通
水上水下一體融通部頒技術(shù)文件及行業(yè)標準P10為滿足流域防洪等重點水利業(yè)務(wù)工作對高精度河道地形數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求
,按照水利專業(yè)模型計算的技術(shù)指標要求加工處理生成河道斷面數(shù)據(jù)集
,采用國家認定的地理信息
保密處理技術(shù)進行處理后
,生成非涉密環(huán)境可用的數(shù)據(jù)成果
,
對河道管理范圍內(nèi)的陸域
地形和水下地形數(shù)據(jù)成果進行融合處理
,形成水下、
地上一體化高精度地形融合數(shù)據(jù)。二、數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)(豐富算據(jù))1.5高精度河道地形數(shù)據(jù)處理技術(shù)高精度河道地形數(shù)據(jù)處理流程河道地形融合樣例水下地上一體化DEM融合數(shù)據(jù)已有水下地形數(shù)據(jù)河道斷面數(shù)據(jù)集水下地形非密數(shù)據(jù)河道斷面非密數(shù)據(jù)提取河道斷面滿足水下地形融合
要求融合處理滿足技術(shù)要求滿足保密技術(shù)
要求安全處理擬合處理P111.6水利對象一體化組織技術(shù)構(gòu)建水利數(shù)據(jù)模型
,
實現(xiàn)對水利對象的空間特征、
關(guān)系特征和時間特征的一體化
組織。根據(jù)行政區(qū)劃、
自然流域、
水資源功能區(qū)和數(shù)值計算等需求
,構(gòu)建水利網(wǎng)格模型
,
形成一套多元化、
精細化、
個性化的水利網(wǎng)格化體系
,
支撐水利業(yè)務(wù)應(yīng)用多目標、
多
層次復(fù)雜需求。二、數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)(豐富算據(jù))基于水利網(wǎng)格模型的信息融合基于地理空間參考的數(shù)據(jù)融合基于水利數(shù)據(jù)模型的信息融合
異構(gòu)數(shù)據(jù)精準匹配
數(shù)據(jù)升維轉(zhuǎn)換統(tǒng)一時空基準自然流域行政區(qū)劃水資源功能區(qū)水利多維主題應(yīng)用水利對象分類分級水利實體對象模型水利元數(shù)據(jù)模型P12知識驅(qū)動方法與數(shù)據(jù)驅(qū)動方法是指導(dǎo)工程人員研究洪水預(yù)報的兩大方法論
,通過數(shù)據(jù)知識融合驅(qū)動實現(xiàn)對問題
全局和局部特征
,
規(guī)則與經(jīng)驗的有機結(jié)
合
,
實現(xiàn)預(yù)報綜合性能的提升。二、數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)(優(yōu)化算法)數(shù)據(jù)驅(qū)動方法u有限場景下數(shù)據(jù)樣本u經(jīng)驗?zāi)P屯诰騿栴}特征u關(guān)聯(lián)關(guān)系知識驅(qū)動方法u考慮問題整體u機理模型
規(guī)則描述u問題本質(zhì)
新理論2.1數(shù)據(jù)知識融合驅(qū)動的模型構(gòu)建技術(shù)知識與數(shù)據(jù)驅(qū)動方法P13衛(wèi)星遙感和人工智能(A
I)
技術(shù)的融合應(yīng)用
,
研發(fā)了臨河房屋等11類河湖主要地物AI識別模型
,
支撐了全國河湖
“清四亂”、妨
礙河道行洪突出問題排查整治等專項工作。
通過多區(qū)域、
多傳感器、
多時相和多地形等維度
,
分析現(xiàn)有算法模型典型問題
,
增加模型主
干網(wǎng)絡(luò)算法參數(shù)量
,提升不同地類的特征融合
,
優(yōu)化預(yù)測算法架構(gòu),
通過樣本+算法+應(yīng)用的閉環(huán)式迭代優(yōu)化AI模型
,
持續(xù)提升模型精
度和性能。利用遙感GIS一體化技術(shù)
,
打造遙感影像生產(chǎn)、
解譯識別和服務(wù)應(yīng)用一體化流程。
影像生產(chǎn)、解譯流程可視化編排二、數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)(優(yōu)化算法)2.2遙感GIS一體化技術(shù)和AI識別技術(shù)基于AI建筑物提取效果基于AI水體提取效果P14多業(yè)務(wù)知識庫構(gòu)建。
歸集形成安全合規(guī)的水利領(lǐng)域基礎(chǔ)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集
,
建設(shè)高質(zhì)量的文字、
圖片、
音頻、
視頻等水利領(lǐng)域大模型預(yù)
訓(xùn)練與調(diào)優(yōu)語料庫;
建立行業(yè)級基礎(chǔ)知識庫;
構(gòu)建典型業(yè)務(wù)邏輯推
理知識圖譜。基于領(lǐng)域大模型的知識引擎構(gòu)建技術(shù)。
針對水利業(yè)務(wù)智能化決
策需求
,
通過研究應(yīng)用高效并行訓(xùn)練、
領(lǐng)域化指令學(xué)習對齊
,
以及
百億參數(shù)規(guī)模模型的推理壓縮和端側(cè)部署技術(shù)
,
構(gòu)建具有善學(xué)習、
能交互、
會計算、
可展示等能力水利大模型
,
并基于此實現(xiàn)水利知
識引擎。二、數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)(優(yōu)化算法)2.3基于領(lǐng)域大模型的知識引擎構(gòu)建技術(shù)P153.1全國產(chǎn)化適配技術(shù)構(gòu)建全國產(chǎn)化地理信息應(yīng)用體系
,
實現(xiàn)國產(chǎn)GIS平臺與安全可靠軟硬件適配
,
成
功開展水利系統(tǒng)大規(guī)模業(yè)務(wù)化運行;
基于國產(chǎn)密碼開展重要數(shù)據(jù)保護
,
利用水利部密
碼基礎(chǔ)設(shè)施
,加強數(shù)據(jù)全生命周期安全保護
,
實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全共享應(yīng)用。水利網(wǎng)絡(luò)安全體系系列文件二、數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)(提升算力)操作系統(tǒng)全面
國產(chǎn)化信創(chuàng)軟硬件體系中間件CPU終端/
服務(wù)器kun
penoG
IS
平臺數(shù)據(jù)庫P164.1業(yè)務(wù)“四預(yù)”構(gòu)建技術(shù)“預(yù)報
”是基礎(chǔ):
由傳統(tǒng)的要素預(yù)報向影響預(yù)報轉(zhuǎn)變
,不僅要預(yù)報出要素的大小與量級
,還要能預(yù)報出影響對象與影響范圍?!邦A(yù)警
”是前哨:
由傳統(tǒng)的閾值預(yù)警向風險預(yù)警轉(zhuǎn)變,
同時要考慮公眾、專業(yè)人員、上級部門等不同預(yù)警對象
,采用不同的形式與內(nèi)容??臻g上更關(guān)注
重點單位,
時間上有不同時段。“預(yù)演
”是關(guān)鍵
:實現(xiàn)正向推演向逆向推演轉(zhuǎn)變,“正向
”預(yù)演風險形勢和影響
,標定洪水威脅區(qū)域;“逆向”推演流域水工程運用次序、運用時機、
運用規(guī)模
,實現(xiàn)物理流域與數(shù)字孿生流域間的實時交互
,相互影響相互作用
,達到最優(yōu)的效果?!邦A(yù)案
”是目的
:基于預(yù)演形成的方案
,根據(jù)工程狀況、人員轉(zhuǎn)移要求、
物資保障、社會經(jīng)濟影響程度、風險大小等
,形成可操作的執(zhí)行預(yù)案。二、數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)(強化業(yè)務(wù)“四預(yù)”)多方案比選洪水淹沒推演水位預(yù)警指示站P17基于超額水量分配與輪庫補償?shù)碚?/p>
,采用最優(yōu)化算法對超額洪量進行時空動態(tài)分配
,
逆向推演出上游水庫群的防洪調(diào)度方案和安全運行邊界條件。
開發(fā)了黃河小
花區(qū)間、
西江大藤峽-梧州、
北江飛來峽-石角、
長江三峽-隔河巖-沙市、
漢江丹江口
-鴨河口-黃莊等多個區(qū)域的水庫優(yōu)化調(diào)度反算方案。二、數(shù)字孿生水利構(gòu)建技術(shù)(強化業(yè)務(wù)“四預(yù))4.2研發(fā)基于超額水量分配的水庫群逆向調(diào)度技術(shù)P18
02數(shù)字孿生海河的應(yīng)用實踐P19京津冀地區(qū)特殊的地貌格局決定了防汛的重要性
:位于太行山、
燕山山脈前緣
,
山前到平原過渡帶短
,
河流水系呈扇形分布;
源短流急
,洪水陡漲
陡落
,極易在短時間內(nèi)發(fā)生暴雨洪水。2023年7月28日至8月1日
,
受臺風“杜蘇芮”北上與冷空氣交綏影響,
海河發(fā)生流域性特大洪水
,
其中
,
大清河、
永定河發(fā)生特大洪水
,
子牙河發(fā)
生大洪水。本次洪水呈現(xiàn)降水范圍廣總量大、
暴雨時空集中強度大、
洪水并發(fā)量級
大、洪水漲勢猛演進快、
徑流總量大地下水回補多等五大特點。一、
雨水情特點P20數(shù)字孿生海河基于全國水利一張圖構(gòu)建“數(shù)字孿生平臺”
,
2023年6月20日進行了發(fā)布。洪水期間積極利用衛(wèi)星遙感、
無人機、
視頻
監(jiān)控等多種技術(shù)手段
,
強化天空地多源信息融合
,
夯實“算據(jù)”基礎(chǔ);持續(xù)完善模型平臺
,
開發(fā)知識平臺
,
強化
“算法”核心。融合X86云和信創(chuàng)云平臺
,
高性能計算集群
,
做實”算力”支撐。算
力數(shù)字孿生海河算
據(jù)二、
構(gòu)建數(shù)字孿生海河新建升級改造算
法P21利用激光雷達、
傾斜攝影、
多波束等構(gòu)建海河流域高精度地理空間數(shù)據(jù)底板。匯聚更新海河流域2214條河流、
28處國家蓄滯洪區(qū)、
155座重點大中型水庫、
2160公里堤防等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。逐一復(fù)核完善海河流域884座水庫與測站關(guān)系
,
實現(xiàn)蓄
滯洪區(qū)范圍內(nèi)堤防、
口門、
進退洪閘、
安全區(qū)等8類對象和
428路視頻監(jiān)測點關(guān)聯(lián)。開展水庫54項重要指標一致性自動比對
,分析水位及
庫容等特征值問題數(shù)據(jù)
,
建立與水庫管理單位、
水庫責任人
快速校核應(yīng)急機制。二、
構(gòu)建數(shù)字孿生海河完善算據(jù)(基礎(chǔ)數(shù)據(jù))P22加強天空地一體化監(jiān)測
,
全方位感知暴雨洪水態(tài)勢。交換匯集1874個地面監(jiān)測站、
280個地面應(yīng)急監(jiān)測點
實時監(jiān)測水情信息。利用氣象衛(wèi)星和測雨雷達進行精細化降雨監(jiān)測
,發(fā)布
測雨雷達預(yù)警1873次、
涉及6100鄉(xiāng)鎮(zhèn)次
,
氣象衛(wèi)星預(yù)警
160次、
涉及3096地市次。利用13顆雷達、
光學(xué)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、
20架次無人機航
攝數(shù)據(jù)、
一萬多路視頻監(jiān)視點滾動跟蹤洪水演進。天空地多源監(jiān)測信息融合
,
開展了持續(xù)跟蹤監(jiān)測
,
天
空地多源信息在線融合應(yīng)用。二、
構(gòu)建數(shù)字孿生海河完善算據(jù)(動態(tài)數(shù)據(jù))8月10日17時18分衛(wèi)星影像
,黑色為水體灘里干渠漫溢潰口衛(wèi)星影像近出現(xiàn)長度約90米
的缺口盧溝橋攔河閘和分洪閘監(jiān)視視頻白溝河右堤西茨村附P23研發(fā)水利專業(yè)、
智能識別和可視化模型。
研發(fā)了新安江、
API、
馬斯京根等42個模型并實現(xiàn)微服務(wù)化部署
,
依托模型平臺前處理工具、
模型
編排、
并行計算等
,
具備預(yù)報方案快速構(gòu)建、
模型參數(shù)在線率定、
多家
模式集合預(yù)報、
洪水實時動態(tài)演進、
正反向推演計算等功能。集成海河流域洪水預(yù)報方案240套。
構(gòu)建海河流域東淀、
永定河等8
個蓄滯洪區(qū)洪水演進方案。
搭建自然背景、
流場動態(tài)、
水利工程、
機電
設(shè)備等可視化模型
,在數(shù)字場景中實現(xiàn)模擬仿真展示。構(gòu)建模擬仿真引擎。
利用知識圖譜構(gòu)建海河流域9772個自然匯流和
人工設(shè)施相結(jié)合的斷面上下游拓撲關(guān)系
,
基于圖數(shù)據(jù)庫快速生成任意預(yù)
報節(jié)點拓撲關(guān)系概化圖
,
支撐河系洪水預(yù)報、
庫群聯(lián)合調(diào)度和蓄滯洪區(qū)
洪水演進。
建成水利部本級模擬仿真引擎
,
具備模型注冊和發(fā)布、
模型
編排、
模型實例化等功能。二、
構(gòu)建數(shù)字孿生海河優(yōu)化算法P24搭建高速并行計算環(huán)境。
融合X86云平臺和信創(chuàng)云平臺。搭建每秒58.3萬億次雙精度浮點計算的高性能計算集群
,
支撐
每日2次全國范圍內(nèi)的未來3天逐小時、
3公里
×
3公里短期預(yù)報
和一次未來5天逐3小時、
9公里
×
9公里中期預(yù)報制作以及大清
河逐時精細化預(yù)報
,
縮短業(yè)務(wù)處理時間1.
5小時
,
縮短洪水作
業(yè)預(yù)報時間30分鐘。持續(xù)優(yōu)化完善會商調(diào)度環(huán)境。
每日通過視頻、
藍信等連線
會商5~6次
,
溝通水庫、
堰閘等水工程對洪水預(yù)報影響
,特別
是動態(tài)掌握蓄滯洪區(qū)啟用時間、
水頭演進、
滯蓄水量、
淹沒范
圍等調(diào)度運用狀態(tài)
,
為海河流域洪水防御提供算力和會商支撐。二、
構(gòu)建數(shù)字孿生海河提升算力南水北調(diào)中線惠南莊視頻連線高性能計算集群P25預(yù)報:
加強降雨預(yù)報和洪水預(yù)報耦合
,
實現(xiàn)洪水預(yù)報由落地雨向空中雨轉(zhuǎn)變
,
既延長了預(yù)見期又提高了精準度。
依據(jù)預(yù)報
,
7月28日啟動洪水防御Ⅲ級應(yīng)急響應(yīng)
,
7月30日把應(yīng)急響應(yīng)提升至Ⅱ級。
7月27日提
前5天研判將啟用6個蓄滯洪區(qū)
,
關(guān)鍵期洪水預(yù)報精準度明顯提升。預(yù)警:
本次充分利用氣象衛(wèi)星、
天氣雷達和測雨雷達的監(jiān)測信息
,對未來3小時內(nèi)可能發(fā)生強降雨地區(qū)
進行自動風險預(yù)警。
強降水過程期間通過藍信累計發(fā)布各類預(yù)警2155次
,信息直達一線人員。預(yù)演:
建立永定河、
東淀等8個蓄滯洪區(qū)的二維水動力學(xué)洪水演進模型
,參考衛(wèi)星遙感、
無人機航攝等
數(shù)
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