基于数字孪生的流域生态河湖状况评价服务及仿真方法

摘要

本发明基于数字孪生的流域生态河湖状况评价服务及仿真方法，包括河湖数据孪生底板构建、河湖孪生全景构建、生态河湖状况评价模型平台服务构建及动态仿真四大方面；根据《生态河湖状况评价规范》构建覆盖水安全、水生物、水生境、水空间及公众满意度5大类13小类指标评价模型及模型平台服务，可基于模型平台向业务应用提供评估评价支撑服务功能；充分利用水利部一级数字底板，同时对流域动、静态数据进行全要素叠加，搭建实时动态且具有沉浸感的流域虚拟现实环境；调用评价模型平台服务可自动评价全流域或对任选河段进行评价，基于流域虚拟现实孪生环境进行动态演示，更加直观的展示河湖生态状况变化趋势及主要问题，推进生态河湖建设。

说明书

技术领域

本发明属于智慧水利技术领域，具体涉及基于数字孪生的流域生态河湖状况评价服务及仿真方法。

背景技术

我国人口密集，经济发展与资源环境承载力之间的矛盾仍为突出，河湖保护和治理任务越来越重，全面提升水资源与水环境的承载能力，努力打造“洁净流动之水、美丽生态之水、文化智慧之水”是最终目标，因此在治理过程中，急需一套用于计算河湖生态状况并可被调用的模型服务以及可基于数字孪生场景动态仿真模拟方法，实现流域河湖生态状况的数字可视化展现。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了基于数字孪生的流域生态河湖状况评价服务及仿真方法，根据《生态河湖状况评价规范》构建覆盖水安全、水生物、水生境、水空间及公众满意度5大类13小类指标评价模型及模型平台服务，可基于模型平台向业务应用提供评估评价支撑服务功能；搭建实时动态且具有沉浸感的流域数字孪生虚拟现实环境，通过调用评价模型平台服务可自动评价全流域或对任选河段进行评价，并进行动态演示，更加直观的展示河湖生态状况变化趋势及主要问题，从而促进生态河湖管理，推进生态河湖建设。

为解决上述问题，本发明具体采用以下技术方案：

基于数字孪生的流域生态河湖状况评价服务及仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

1、确定流域范围，进行资料搜集，包括基础资料以及生态河湖状况评价模型所需资料。

1.1，确定需要构建数字孪生场景及流域生态河湖状况评价模型计算模拟的河网范围，以便于进行资料收集；

1.2，搜集水安全资料，包括：防洪工程达标率、供水水量保证程度、集中式饮用水水源地水质达标率及水功能区水质达标率等；

1.3，搜集水生物资料，指的是生物多样性资料，包括河流浮游植物多样性、河流着生藻类多样性和大型底栖动物多样性；

1.4，搜集水生境资料，指的是生态用水满足程度、水质优劣程度、河岸带植被覆盖度等水生态环境数据；

1.5，搜集水空间资料，指的是岸线利用管理指数、管理(保护)范围划定率及综合治理程度。

1.6，搜集公众满意度资料，指的是公众满意度指在河流适宜范围内的公众对河流水质水量、河岸带管理状况、水景观、亲水程度等方面的满意程度资料。

1.7，搜集基础资料，包括基础地理资料、整编水文资料以及实时监测资料等。

2、根据确定的流域范围，在水利部一级数字底板基础上对流域动、静态数据进行全要素叠加，构建河网孪生全景。

2.1，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。

2.2，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。其中卫星遥感技术负责大场景建模，倾斜摄影技术主要针对重点区域、重点河道，BIM建模技术重点针对重要水利枢纽工程，并对多种技术获取的多分辨率地形及三维模型进行融合。

2.3，全要素场景数据服务：基于时空数据引擎，将搜集的流域所有的静态数据、动态数据通过时空结构(特别是空间结构)结构化成为一个有机体，形成技术，为其他模块提供一切关于时空场景的服务。

通过全要素场景服务，应用层模块可以方便的根据空间坐标，时间轴，查询、检索在场景内的一切要素，包括但不限于：

(1)静态场景数据(例如任何坐标高程、道路长度、建筑高度、点实体属性等等)

其中包含：

①水域(河道、湖泊、流域边界、江、海)

②地形数据(包含高程与卫星颜色)

③道路(公路、步道、高架、桥梁、隧道)与道路附件(上街沿、行道树等)

④楼房建筑(商业建筑、住宅等)

(2)动态场景数据(例如上升下降的水位、某时间某坐标的气温等等)；

结合水利部多系统实时数据，实现管辖区域内“水情、雨情、工情、视频”的全面监控，辅助综合掌控大范围水域态势。

3、根据《生态河湖状况评价规范》构建覆盖水安全、水生物、水生境、水空间及公众满意度5大类13小类指标评价模型，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。

3.1，指标体系构建及计算，对各项指标进行评分；

3.2，根据《生态河湖状况评价规范》，确定各项指标权重；

3.3，采用分级指标评分法，逐级加权，综合评分进行生态河湖状况评价；

3.4，对该生态河湖状况评价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、调用评价模型平台服务自动评价全流域或对任选河段进行评价，基于流域虚拟现实孪生环境进行动态演示，直观的展示河湖生态状况变化趋势及主要问题。

4.1，模型平台具备模型服务功能，向下管理统筹模型系统，向上提供Web业务应用系统业务支撑的功能，因此基于构建的河网孪生场景来调用评价模型平台服务，使得整个流域的生态状态评价总分及13项各项分数更加直观化展示，并根据不同等级对流域内水体、植被、岸线等评价要素赋予不同的颜色展示，同时可以根据需要通过点击不同的两点自动的选取评价范围，展示评价结果，并将评价结果与孪生场景结合，动态直观展示。

附图说明

图1为开发与应用技术路线图。

图2为各项指标权重表。

具体施方式

基于数字孪生的流域生态河湖状况评价服务及仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定流域范围，进行资料搜集，包括基础资料以及生态河湖状况评价模型所需资料。

1.1，确定需要构建数字孪生场景及流域生态河湖状况评价模型计算模拟的河网范围，以便于进行资料收集；

1.2，搜集水安全资料，包括：防洪工程达标率Rfl、供水水量保证程度Rgs、集中式饮用水水源地水质达标率Ry及水功能区水质达标率Rgz等；

1.3，搜集水生物资料，指的是生物多样性资料，包括河流浮游植物多样性Rfy、河流着生藻类多样性Rhz和大型底栖动物多样性Rdd。

1.4，搜集水生境资料，指的是生态用水满足程度Rsm、水质优劣程度Rwl、河岸带植被覆盖度Rvc等水生态环境数据；

1.5，搜集水空间资料，指的是岸线利用管理指数Rul、管理(保护)范围划定率Rcl及综合治理程度S1。

1.6，搜集公众满意度资料，指的是公众满意度指在河流适宜范围内的公众对河流水质水量、河岸带管理状况、水景观、亲水程度等方面的满意程度资料。

1.7，搜集基础资料，包括基础地理资料、整编水文资料以及实时监测资料等。

S2、根据确定的流域范围，在水利部一级数字底板基础上对流域动、静态数据进行全要素叠加，构建河网孪生全景。

2.1，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。

2.2，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。其中卫星遥感技术负责大场景建模，倾斜摄影技术主要针对重点区域、重点河道，BIM建模技术重点针对重要水利枢纽工程，并对多种技术获取的多分辨率地形及三维模型进行融合。

进一步的，对骨干河道、水库、具有防洪功能主要湖泊，构建优于2.5m格网的水下地形数据测量精度，其中大断面数据测量精度优于1：5000比例尺。

进一步的，三维实景模型是利用倾斜摄影技术获取，通过无人机飞行平台搭建多台传感器，采用倾斜摄影方式获取测区影像数据，快速、高效获取丰富的数据信息，真实地反映地面的客观情况，满足系统对三维信息的需求

2.3，全要素场景数据服务：基于时空数据引擎，将搜集的流域所有的静态数据、动态数据通过时空结构(特别是空间结构)结构化成为一个有机体，形成技术，为其他模块提供一切关于时空场景的服务。

通过全要素场景服务，应用层模块可以方便的根据空间坐标，时间轴，查询、检索在场景内的一切要素，包括但不限于：

(1)静态场景数据(例如任何坐标高程、道路长度、建筑高度、点实体属性等等)

其中包含：

①水域(河道、湖泊、流域边界、江、海)

②地形数据(包含高程与卫星颜色)

③道路(公路、步道、高架、桥梁、隧道)与道路附件(上街沿、行道树等)

④楼房建筑(商业建筑、住宅等)

(2)动态场景数据(例如上升下降的水位、某时间某坐标的气温等等)；

结合水利部多系统实时数据，实现管辖区域内“水情、雨情、工情、视频”的全面监控，辅助综合掌控大范围水域态势。

S3、根据《生态河湖状况评价规范》构建覆盖水安全、水生物、水生境、水空间及公众满意度5大类13小类指标评价模型，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。

3.1，指标体系构建及计算，对各项指标进行评分；

3.2，根据《生态河湖状况评价规范》，确定各项指标权重，具体权重见表1；

3.3，采用分级指标评分法，逐级加权，综合评分进行生态河湖状况评价；

3.4，对该生态河湖状况评价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。

44、调用评价模型平台服务自动评价全流域或对任选河段进行评价，基于流域虚拟现实孪生环境进行动态演示，直观的展示河湖生态状况变化趋势及主要问题。

4.1，模型平台具备模型服务功能，向下管理统筹模型系统，向上提供Web业务应用系统业务支撑的功能，因此基于构建的河网孪生场景来调用评价模型平台服务，使得整个流域的生态状态评价总分及13项各项分数更加直观化展示，并根据不同等级对流域内水体、植被、岸线等评价要素赋予不同的颜色展示，同时可以根据需要通过点击不同的两点自动的选取评价范围，展示评价结果，并将评价结果与孪生场景结合，动态直观展示。

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。