CN115796069A - 一种基于数字孪生的平原河网水动力模型服务及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于数字孪生的平原河网水动力模型服务及模拟方法，包括平原河网数据孪生底板构建、河网孪生全景构建、河网水动力模型构建、模型平台服务构建以及耦合模拟五大方面；综合考虑河网的水文、地形、防洪设施、水利工程等条件构建适用于河网的一维非恒定流的水动力数值模型；充分利用水利部一级数字底板和水利部的多分辨率卫星影像，对河网动、静态数据进行全要素叠加，构建河网多尺度数字化底板；基于模型平台模拟仿真服务功能在数字空间对河网治理管理活动进行智慧化模拟，实现河网水位、流向、流速、流量的三维可视化演变，提高河网精细化管理，辅助领导决策判断。
Description
技术领域
本发明属于智慧水利技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的平原河网水动力模型服务及模拟方法。
背景技术
要加快构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力。水利部强调要按照需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力的要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，以算据、算法、算力建设为支撑，加快推进数字孪生流域建设，实现预报、预警、预演、预案功能。
我国平原河网众多，流域广泛，季节性降水特征显著，水流量多，因地势平坦，一旦遇到上游突发洪水，都将对下游平原河网造成巨大的压力，因此平原河网的行洪、防洪、除洪能力非常重要。本发明专利基于真实场景构建三维可视化数字孪生，实现真实河网在虚拟现实中的还原呈现，为水动力模型推演提供实景化场所，便于反映模型模拟情况增加可视化效果。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于数字孪生的平原河网水动力模型服务及模拟方法，通过构建河网多尺度数字化底板，叠加动态、静态多类数据建立河网数字孪生三维可视化场景，并将基于该数字孪生构建的水动力模型封装成模型平台服务，直接调用仿真服务功能在数字空间即可对河网水位、流向、流速、流量进行三维可视化演变模拟，为河网管理“预报、预警、预演、预案”提供场景化辅助，提高河网精细化管理，辅助领导决策判断。
为解决上述问题，本发明具体采用以下技术方案：
一种基于数字孪生的平原河网水动力模型服务及模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
1，确定河网范围，进行基础资料搜集，包括基础地理资料、整编水文资料以及实时监测资料；
1.1，确定需要构建数字孪生场景及水动力模型计算模拟的河网范围，以便于进行资料收集；
1.2，搜集河网基础地理资料，包括：流域地形、土地利用、水库、河道、湖泊、闸坝、行蓄洪区等数据资料；
1.3，搜集河网整编水文资料，包括：降雨、蒸发、水位、流量、工情资料以及场次洪水资料等；
1.4，搜集河网实时监测资料，包括：流域内的水库、闸泵、水文站、水位站、潮位站、雨量站中实时监测数据以及天气预报。
2，根据确定的河网范围，在水利部一级数字底板和水利部的多分辨率卫星影像的基础上构建当前河网数据孪生底板；
2.1，数据模型汇聚：充分利用水利部建设的全国陆域三维数字底板，采用卫星遥感影像、水利一张图矢量数据、30m DEM等构建中低精度河网三维空间信息数据模型，进而构建河网全流域多尺度数字化底板。
2.2，重点河段数据获取：对选取的河网利用无人机倾斜摄影测量、水下多波束探测、BIM三维建模等技术手段，生成OSGB格式倾斜摄影三维模型，同步提供DOM、DEM、DSM等数据地形成果，建立“小尺度”高精度三维数字模型。
2.3，模型集成处理：利用空间位置配准、数据格式转换、模型融合等技术手段，进行模型集成融合，实现上述构建的多源异构数字模型的汇聚与整合。
2.4，数据孪生底板构建：围绕水动力模型模拟建设需求，采用 BIM+GIS+loT融合技术进行数据整合衔接，以二三维基础地理数据为基础框架，融合上述各类数字模型进行一体化搭建河网数字孪生底板。
3，在构建好的河网数字孪生底板的基础上，对河网动、静态数据进行全要素叠加，构建河网孪生全景；
3.1，搭建孪生环境：设计具有展示选择、画面展示、情景漫游功能的全景展示引擎，搭建实时动态且具有沉浸感的虚拟现实环境，将传统二维表达的信息上升到三维立体空间，实现河网的三维可视化与漫游、二维导航图与三维场景的实时联动。
3.2，场景加载：在同一坐标系下，构建重点工程三维地形、卫星影像、倾斜摄影、BIM模型的加载、浏览和交互。
3.3，全要素叠加展示：对步骤1中获取的河网基础地理资料、整编水文资料以及实时监测资料进行处理、判别、预警以及叠加；通过合理设计和编排，实现不同结构数据的集中、统一展示。
4，根据河网的水文、地形、防洪设施、水利工程等条件和调度运行的需求，构建河网水动力模型，并对该模型进行标准化服务封装构建模型平台，为上层业务应用提供标准化接口的模型服务。
4.1，构建河网水动力模型基本模型结构，确定数学模型。
4.1.1，河网水动力学模型由四大模块组成，即数据文件模块、产汇流模块、主计算模型模块和计算结果输出模块，各模块又由若干子模块组成。
4.1.2，一维河道水动力计算模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程组,即一维非恒定流Saint-Venant方程组来模拟河流或河口的水流状态。
4.2，根据数学模型计算需要，划分河网水系及确认计算边界条件。 4.2.1，本模型划分河网水系只对河道及各河道的结点编号，对河道的汇流点不编号，从而不需要对汇流结点水位先行求解。
4.2.2，在河网计算中，边界条件分成两类：一类是外边界条件，通常是作为输入资料给定。另一类是内部边界条件通常是用相容条件给定。
4.3，在河网水动力模型中嵌入降雨产流模型，输入雨型后，产生的地面径流以侧向入流的方式，直接进入河网的水动力计算，便于测报。
4.3.1，降雨产流模型是以三水源模型为基础，结合河网的特征构成。模型结构包括蒸散发计算、产流量计算、水源划分及汇流计算。
4.4，对该水动力模型进行标准化服务封装，构建成标准统一、接口规范、分布部署、快速组装、敏捷复用的模型平台，为上层业务应用提供标准化接口的模型服务。
4.4.1，将开发的水动力模型从数据、算法、模块和模型四个层面出发，通常以tar格式镜像的方式封装。通过定义模型层面的服务封装文档，对模型服务标识符、模型服务描述、模型服务输入、模型调用配置和模型服务输出进行描述，最终形成一个可对外提供服务的水利模型平台，具备模型计算、模型管理、模型服务等功能。最后完成对服务封装文档、服务相关文件以及服务程序tar包的部署，提供对外接口供用户调用服务。
5，基于构建的河网孪生场景调用模型平台服务，进行动态交互、实时融合及高仿真模拟，实现河网水位、流向、流速、流量的三维可视化演变。
5.1，模型平台具备模型服务功能，向下管理统筹模型***，向上提供Web业务应用***业务支撑的功能，因此基于构建的河网孪生场景来调用模型平台服务，给定边界条件及计算参数，在数字空间对水动力模型的输出结果进行可视化模拟。以动态交互来实现河网水位、流向、流速、流量的三维可视化演变。
附图说明
图1本发明开发与应用技术路线图；
图2本发明水动力模型技术图；
图3本发明河网概化示意图；
图4本发明三水源模型空间结构组合图。
具体施方式
一种基于数字孪生的平原河网水动力模型服务及模拟方法，包括以下步骤：
S1,确定河网范围，进行基础资料搜集，包括基础地理资料、整编水文资料以及实时监测资料；
1.1，确定需要构建数字孪生场景及水动力模型计算模拟的河网范围，以便于进行资料收集；
1.2，搜集河网基础地理资料，包括：流域地形、土地利用、水库、河道、湖泊、闸坝、行蓄洪区等数据资料；
1.3，搜集河网整编水文资料，包括：降雨、蒸发、水位、流量、工情资料以及场次洪水资料等；
1.4，搜集河网实时监测资料，包括：流域内的水库、闸泵、水文站、水位站、潮位站、雨量站中实时监测数据以及天气预报。
S2，根据确定的河网范围，在水利部一级数字底板和水利部的多分辨率卫星影像的基础上构建当前河网数据孪生底板；
2.1，数据模型汇聚：充分利用水利部建设的全国陆域三维数字底板，采用卫星遥感影像、水利一张图矢量数据、30m DEM等构建中低精度河网三维空间信息数据模型，进而构建河网全流域多尺度数字化底板。
2.2，重点河段数据获取：对选取的河网利用无人机倾斜摄影测量、水下多波束探测、BIM三维建模等技术手段，生成OSGB格式倾斜摄影三维模型，同步提供DOM、DEM、DSM等数据地形成果，建立“小尺度”高精度三维数字模型。
2.3，模型集成处理：利用空间位置配准、数据格式转换、模型融合等技术手段，进行模型集成融合，实现上述构建的多源异构数字模型的汇聚与整合。
2.4，数据孪生底板构建：围绕水动力模型模拟建设需求，采用 BIM+GIS+loT融合技术进行数据整合衔接，以二三维基础地理数据为基础框架，融合上述各类数字模型进行一体化搭建河网数字孪生底板。
S3，在构建好的河网数字孪生底板的基础上，对河网动、静态数据进行全要素叠加，构建河网孪生全景；
3.1，搭建孪生环境：设计具有展示选择、画面展示、情景漫游功能的全景展示引擎，搭建实时动态且具有沉浸感的虚拟现实环境，将传统二维表达的信息上升到三维立体空间，实现河网的三维可视化与漫游、二维导航图与三维场景的实时联动。
3.2，场景加载：在同一坐标系下，构建重点工程三维地形、卫星影像、倾斜摄影、BIM模型的加载、浏览和交互。
3.3，全要素叠加展示：对步骤1中获取的河网基础地理资料、整编水文资料以及实时监测资料进行处理、判别、预警以及叠加；通过合理设计和编排，实现不同结构数据的集中、统一展示。
S4，根据河网的水文、地形、防洪设施、水利工程等条件和调度运行的需求，构建河网水动力模型，并对该模型进行标准化服务封装构建模型平台，为上层业务应用提供标准化接口的模型服务，技术路线如图2所示。
4.1，构建河网水动力模型基本模型结构，确定数学模型。
4.1.1，河网水动力学模型由四大模块组成，即数据文件模块、产汇流模块、主计算模型模块和计算结果输出模块，各模块又由若干子模块组成。模型的基本结构如图1所示。
(1)数据文件模块由基本参数子模块、边界条件子模块、河网地理特征子模块和水工建筑物子模块组成。
(2)产汇流模块包括雨量、下垫面条件、参数和计算模型。
(3)计算结果输出模块包括文本文件输出、图形文件输出和地理信息图形显示***。
4.1.2，一维河道水动力计算模型是基于垂向积分的物质和动量守恒方程组,即一维非恒定流Saint-Venant方程组来模拟河流或河口的水流状态。方程组如下。
式中：q为旁侧入流，Q、A、B、Z分别为河道断面流量、过水面积、河宽和水位。VX为旁侧入流流速在水流方向上的分量，一般可以近似为零。K为流量模数，反映河道的实际过流能力,α为动量校正系数，是反映河道断面流速分布均匀性的系数。对上述方程组采用四点线性隐式格式进行离散。
4.2，根据数学模型计算需要，划分河网水系及确认计算边界条件。 4.2.1，本模型划分河网水系只对河道及各河道的结点编号，对河道的汇流点不编号，从而不需要对汇流结点水位先行求解。河道编号从主干河道开始，先对支流编号，再对网状河道编号(图3)。求解按主干道、支流和网状河道的次序进行。
4.2.2，在河网计算中，边界条件分成两类：一类是外边界条件，通常是作为输入资料给定。另一类是内部边界条件通常是用相容条件给定。外部边界条件指主干河道(如图3中河道①)的上、下游，支流(如图3中的②、③)的上游给定的计算条件。通常以水位过程线，流量过程线或水位流量关系曲线给定。上游边界条件以水位过程线(即水位随时间变化的关系)或流量过程线(即流量随时间变化的关系)给定。
4.3，在河网水动力模型中嵌入降雨产流模型，输入雨型后，产生的地面径流以侧向入流的方式，直接进入河网的水动力计算，便于测报。
4.3.1，降雨产流模型是以三水源模型为基础，结合河网的特征构成。模型结构包括蒸散发计算(水面蒸发和地面蒸发)；产流量计算(根据蓄满产流理论得出)；水源划分(地面径流、壤中流和地下径流)；汇流计算(壤中流和地下径流的出流过程，用线性水库法；地面汇流、出流过程采用单位线法并进行非线形化处理)。三水源模型空间结构示意图如图4。
4.4，对该水动力模型进行标准化服务封装，构建成标准统一、接口规范、分布部署、快速组装、敏捷复用的模型平台，为上层业务应用提供标准化接口的模型服务。
4.4.1，将开发的水动力模型从数据、算法、模块和模型四个层面出发，通常以tar格式镜像的方式封装。通过定义模型层面的服务封装文档，对模型服务标识符、模型服务描述、模型服务输入、模型调用配置和模型服务输出进行描述，最终形成一个可对外提供服务的水利模型平台，具备模型计算、模型管理、模型服务等功能。最后完成对服务封装文档、服务相关文件以及服务程序tar包的部署，提供对外接口供用户调用服务。
S5，基于构建的河网孪生场景调用模型平台服务，进行动态交互、实时融合及高仿真模拟，实现河网水位、流向、流速、流量的三维可视化演变。
5.1，模型平台具备模型服务功能，向下管理统筹模型***，向上提供Web业务应用***业务支撑的功能，因此基于构建的河网孪生场景来调用模型平台服务，给定边界条件及计算参数，在数字空间对水动力模型的输出结果进行可视化模拟。以动态交互来实现河网水位、流向、流速、流量的三维可视化演变。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案的基础上的所做的任何改动，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于数字孪生的平原河网水动力模型服务及模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定河网范围，进行基础资料搜集，包括基础地理资料、整编水文资料以及实时监测资料；
步骤2：根据确定的河网范围，在水利部一级数字底板和水利部的多分辨率卫星影像的基础上构建当前河网数据孪生底板；
步骤3：在构建好的河网数字孪生底板的基础上，对河网动、静态数据进行全要素叠加，构建河网孪生全景；
步骤4：根据河网的水文、地形、防洪设施、水利工程等条件和调度运行的需求，构建河网水动力模型，并对该模型进行标准化服务封装构建模型平台，为上层业务应用提供标准化接口的模型服务；
步骤5：基于构建的河网孪生场景调用模型平台服务，进行动态交互、实时融合及高仿真模拟，实现河网水位、流向、流速、流量的三维可视化演变。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的平原河网水动力模型服务及模拟方法，其特征在于，所述步骤1中，确定河网范围，进行基础资料搜集，包括基础地理资料、整编水文资料以及实时监测资料，具体包括如下步骤：
步骤1.1：确定需要构建数字孪生场景及水动力模型计算模拟的河网范围，以便于进行资料收集；
步骤1.2：搜集河网基础地理资料，包括：流域地形、土地利用、水库、河道、湖泊、闸坝、行蓄洪区等数据资料；
步骤1.3：搜集河网整编水文资料，包括：降雨、蒸发、水位、流量、工情资料以及场次洪水资料等；
步骤1.4：搜集河网实时监测资料，包括：流域内的水库、闸泵、水文站、水位站、潮位站、雨量站中实时监测数据以及天气预报。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的平原河网水动力模型服务及模拟方法，其特征在于，所述步骤2中，根据确定的河网范围，在水利部一级数字底板和水利部的多分辨率卫星影像的基础上构建当前河网数据孪生底板，具体包括如下步骤：
步骤2.1：数据模型汇聚：充分利用水利部建设的全国陆域三维数字底板，采用卫星遥感影像、水利一张图矢量数据、30m DEM等构建中低精度河网三维空间信息数据模型，进而构建河网全流域多尺度数字化底板；
步骤2.2：重点河段数据获取：对选取的河网利用无人机倾斜摄影测量、水下多波束探测、BIM三维建模等技术手段，生成OSGB格式倾斜摄影三维模型，同步提供DOM、DEM、DSM等数据地形成果，建立“小尺度”高精度三维数字模型；
步骤2.3：模型集成处理：利用空间位置配准、数据格式转换、模型融合等技术手段，进行模型集成融合，实现上述构建的多源异构数字模型的汇聚与整合；
步骤2.4：数据孪生底板构建：围绕水动力模型模拟建设需求，采用BIM+GIS+loT融合技术进行数据整合衔接，以二三维基础地理数据为基础框架，融合上述各类数字模型进行一体化搭建河网数字孪生底板。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的平原河网水动力模型服务及模拟方法，其特征在于，所述步骤3中，在构建好的河网数字孪生底板的基础上，对河网动、静态数据进行全要素叠加，构建河网孪生全景，具体包括如下步骤：
步骤3.1：搭建孪生环境：设计具有展示选择、画面展示、情景漫游功能的全景展示引擎，搭建实时动态且具有沉浸感的虚拟现实环境，将传统二维表达的信息上升到三维立体空间，实现河网的三维可视化与漫游、二维导航图与三维场景的实时联动；
步骤3.2：场景加载：在同一坐标系下，构建重点工程三维地形、卫星影像、倾斜摄影、BIM模型的加载、浏览和交互；
步骤3.3：全要素叠加展示：对步骤1中获取的河网基础地理资料、整编水文资料以及实时监测资料进行处理、判别、预警以及叠加；通过合理设计和编排，实现不同结构数据的集中、统一展示。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的平原河网水动力模型服务及模拟方法，其特征在于，所述步骤4中，根据河网的水文、地形、防洪设施、水利工程等条件和调度运行的需求，构建河网水动力模型，并对该模型进行标准化服务封装构建模型平台，为上层业务应用提供标准化接口的模型服务，具体包括如下步骤：
步骤4.1：构建河网水动力模型基本模型结构，确定数学模型；
步骤4.2：根据数学模型计算需要，划分河网水系及确认计算边界条件；
步骤4.3：在河网水动力模型中嵌入降雨产流模型，输入雨型后，产生的地面径流以侧向入流的方式，直接进入河网的水动力计算，便于测报；
步骤4.4：对该水动力模型进行标准化服务封装，构建成标准统一、接口规范、分布部署、快速组装、敏捷复用的模型平台，为上层业务应用提供标准化接口的模型服务。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的平原河网水动力模型服务及模拟方法，其特征在于，所述步骤5中基于构建的河网孪生场景调用模型平台服务，进行动态交互、实时融合及高仿真模拟，实现河网水位、流向、流速、流量的三维可视化演变，具体包括步骤5.1：模型平台具备模型服务功能，向下管理统筹模型***，向上提供Web业务应用***业务支撑的功能，因此基于构建的河网孪生场景来调用模型平台服务，给定边界条件及计算参数，在数字空间对水动力模型的输出结果进行可视化模拟，以动态交互来实现河网水位、流向、流速、流量的三维可视化演变。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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