基于数字孪生技术的EFDC三维水质数据多模式推演方法与流程

本发明涉及数字孪生，更具体地说它是一种基于数字孪生技术的efdc三维水质数据多模式推演方法。

背景技术：

1、近年来，随着数字孪生技术的快速发展及智慧水利建设的深入实施，水利部启动了数字孪生流域先行先试工作，在大江大河重点河段、重要水利工程、主要支流等区域开展数字孪生建设；水质安全的预警与管理是数字孪生流域建设的重要环节，而对水污染源的扩展过程进行准确数值计算是开展模拟推演的基础；美国弗吉尼亚大学海洋科学研究所开发efdc模型是水质管理与应用中最常用的模型，代码开源，可以模拟河流、湖泊、水库、湿地、近岸海域等区域的泥沙传输、污染物扩散、水体富营养化等过程，目前已在高校、政府和工程及环境咨询机构中广泛使用。

2、利用efdc模型计算水质的三维演化过程时，需根据待计算区域的覆盖范围、污染物类型、水体高程分布、流速等因素，对三维水体开展平面投影方向及垂直方向的网格构建与划分，并结合植被阻力、干湿边界、水工构筑物等条件进行水质过程计算；目前对水质计算结果的可视化大多采用二维平面展示方式，针对水质分层中的某一层级、极值或均值指标等进行分级设色渲染，呈现各网格的水质分布情况，并采用时间轴播放的方式呈现水质演化过程；而对于水质计算结果的三维可视化方案，大多数专业计算和分析软件均较少涉及，常用软件中仅有美国环境保护署资助(epa)开发的efdc explorer商业软件提供了简易的三维可视化模块，将efdc计算结果的垂向网格进行分级设色展示。

3、现有的可视化方案能在一定程度上直观展示efdc水质计算结果，但存在下列问题：

4、1)现有可视化方案大多为二维平面展示方式，局限于展示水质分层中的某一层级、极值或均值指标，难以表达整体的水质状况；

5、2)efdc explorer提供了简易的三维可视化模块，但该软件仅对水质网格模型本身进行可视化，无法接入高精度地形、实景三维模型等，难以与数字孪生场景进行集成融合；

6、3)开展efdc三维水质计算时，通常将水体区域划分为相互独立的垂向立方体，相邻区域的节点连接不平滑，导致三维展示结果存在立方体的颗粒感，且颜色分级渲染不连续，可视化效果不佳。

7、因此，亟需提出一种基于数字孪生技术的efdc三维水质数据多模式推演仿真方法以解决上述问题，实现三维水质推演过程的直观、准确、流畅、动态呈现。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足之处，而提供一种基于数字孪生技术的efdc三维水质数据多模式推演仿真方法。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：基于数字孪生技术的efdc三维水质数据多模式推演仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、步骤1，三维水质网格与分层属性提取解析：

4、从原始efdc三维水质计算结果文件中提取水质推演网格的平面坐标、河底高程数据，及各网格对应的分层水深、分层流速、分层流向、分层污染物浓度时序属性数据；解析水质推演网格的平面坐标、河底高程数据，及各网格对应的分层水深、分层流速、分层流向、分层污染物浓度时序属性数据；

5、步骤2，水质网格顶点信息优化计算：

6、对水质推演网格中相互邻接的多边形进行处理，消除因按空间单元划分产生的水质网格在接边处的高程值和信息差异，形成优化后的平滑连续网格信息，将其记录为水质网格顶点和拓扑连接数据，并依据顶点关系计算重新计算属性信息；

7、步骤3，水质网格边缘矢量线提取：

8、基于计算得出的水质网格顶点优化后结果，结合各水质网格顶点的连接关系、顶点连接的多边形数量信息，计算获得水质网格边缘矢量线，为三维水质边缘网格体的构建提供依据；

9、步骤4，水质分层数字孪生网格体构建：

10、在数字孪生仿真引擎中，基于三维水质各分层的网格顶点和拓扑关系，以水质分层为单元，分别创建水质层和水质边缘的数字孪生网格体，并根据各水质分层的污染物浓度属性信息对顶点颜色进行赋值；

11、步骤5，不同水质分层模式下的效果控制：

12、根据三维水质数据的在垂直方向上的划分模式，给出分层可视化方案，结合整体抬升、垂向夸张、边缘拉伸、纹理透明、分层显隐控制操作，满足三维水质数据的多种展示需求；

13、步骤6，水质指标演化过程时序推演仿真：

14、按照水质分层网格对应的时序属性数据，根据水质指标的时序演化演过，对数字孪生场景中的水质分层网格体进行更新，生成随时间变化的水质推演仿真结果。

15、在上述技术方案中，步骤1包括：

16、步骤1.1：原始efdc三维水质计算输出的结果数据中，corners.inp文件记录了每个水质网格的平面坐标，水质网格以四边形的形式存储，从文件中解析坐标网格数据并转换为wgs1984坐标，水质网格的数量为n，对各网格进行顺序编号；ee_wc.out文件记录了各网格的河底高程；

17、步骤1.2：从原始efdc三维水质计算输出的结果数据中解析属性数据，其中ee_wc.out文件记录了水下地形的河底高程，ee_ws.out文件记录了时序分层水深，ee_vel.out文件记录了时序分层流速、时序分层流向，ee_wq.out文件记录了时序分层污染物浓度；通过解析这些数据，获得的水质推演数据结果帧数为t，水质网格的垂向层数为l，将时序属性数据按照水质推演时刻、水质网格所在层级、网格编号组织为三维数组，则时刻t分层l网格编号n的数据为gdata[t][l][n]。

18、在上述技术方案中，步骤2包括：

19、步骤2.1：网格顶点共用计算：遍历网格文件corners.inp，每个网格由4个顶点组成，记录了网格的x和y方向投影坐标，对所有网格的顶点进行共用计算，若顶点vi与vj的容差：

20、|vi(x)-vj(x)|<0.01，且|vi(y)-vj(y)|<0.01，则认为两顶点相同，记录该顶点涉及的网格编号；

21、步骤2.2，顶点属性信息平滑优化计算：

22、由于efdc三维水质的网格划分大小一致，认为每个网格的属性信息对顶点的权重相等；对于某共用顶点v，其涉及的网格为a、b、c、d，以水质浓度属性q为例，则顶点水质信息：

23、v(q)=(a(q)+b(q)+c(q)+d(q))/4；

24、按照此方式对水位、流速、流向、分层水深、污染物分层浓度属性进行优化计算。

25、在上述技术方案中，步骤3包括：

26、步骤3.1：经顶点共用计算后，获得了每个共用顶点涉及的网格数量；根据efdc模型构网的规则，若顶点涉及1-2个网格则为边缘点，若涉及4个网格则为内部点，若涉及3个网格的为边缘点或内部点；因此，分别对涉及1、2、3个网格的顶点进行标记，为后续的矢量线提取提供特征点；

27、步骤3.2：涉及1个网格的顶点为单个网格的角点，以这些特征点为起点进行遍历计算；

28、步骤3.2.1：定义矢量线line，其顶点序列为ptarr，选取某顶点v，其涉及的网格数n(v)=1，以该点为起点进行遍历，并将点v加入到ptarr顶点序列中；

29、步骤3.2.2：顶点v所在的网格为g1，获取该网格4个顶点的连接顺序，则顶点在该网格中的左右邻接顶点分别为vl和vr，获取它们涉及的网格数n(vl)、n(vr)，若n(vl)<=n(vr)且n(vl)<4，则将点vl加入ptarr顶点序列中；

30、步骤3.2.3：若n(vl)=2，该点为边缘点，获取vl涉及的网格g1、g2，在g2网格中，顶点vl在该网格中的左右邻接顶点分别为vll和vlr，按步骤3.2.2的逻辑继续遍历；

31、若n(vl)=3，为边缘点或内部点，获取vl涉及的网格g1、g2、g3，以g2和g3网格为计算单元，按步骤3.2.2的逻辑遍历，若可以找到下一个边缘点则继续，若不能找到下一个边缘点，则将vl从ptarr中移除，此时若n(vr)<4，以vr为起点进行重新遍历；

32、步骤3.2.4：持续遍历到无法获取下一个边缘点为止，输出该矢量线line；

33、步骤3.3：从剩余的顶点中继续重复步骤3.2的操作，获取所有的边缘矢量线，这些矢量线组成了efdc三维水质模型数据的外边缘和内边缘。

34、在上述技术方案中，步骤4包括：

35、步骤4.1：读取并解析水质数据，包括水质网格空间信息、水质分层结构模式、水质网格的时序分层属性信息，其中：水质网格空间信息包括网格平面坐标、网格河底高程；水质分层结构模式包括水质分层模式、水质网格垂向层数；时序分层属性信息包括分层水深、分层流速、分层流向、分层污染物浓度；

36、步骤4.2：推演网格与属性信息组织，包括水质网格平面坐标优化、水质网格边缘矢量线提取、水质网格垂向平滑优化、水质网格时序属性信息优化；

37、步骤4.3：在数字孪生仿真引擎中构建三维水质仿真数字孪生网格体，并将属性信息进行关联映射：将水质污染物浓度依据分级色带转换为顶点渲染的颜色，在平面上平滑渲染为渐变颜色；将水质分层水深转换为网格顶点的高程，进行垂向分层呈现；将水质边缘线进行分层封闭构造，得到封闭的水质边缘。

38、在上述技术方案中，在步骤5中有三个分层可视化方案，步骤5包括：

39、步骤5.1：根据三维水质数据的在垂直方向上的划分模式，对分层水深进行计算；

40、步骤5.1.1：对于方案一，每个平面网格的分层数相同；所有网格的垂向分层数为l，则分层高程值zi=底水位+水深/l*(l–i+1)；

41、步骤5.1.2：对于方案二，每个平面网格的分层数不同，但厚度相同，最大分层数为lmax；某一顶点处的分层数为l，若分层i<=l，则分层高程值zi=底水位+水深/l *(l–i+1)；若分层 l<i<=lmax，则分层高程值zi=底水位；

42、步骤5.1.3：对于方案三，每个平面网格的分层数不同，每层厚度也不同，最大分层高度处的水深序列为 hi；某一顶点处的水质分层i，若，则zi=底水位，否则；

43、步骤5.2：获得了各顶点的分层水深值后，结合整体抬升、垂向夸张、边缘拉伸等展示模式，对水深值进行相应的计算；根据纹理透明、分层显隐等显示特性，对纹理及显隐效果进行控制。

44、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

45、1)本发明通过构建三维水质各分层对应的数字孪生网格体，与三维水质信息进行关联渲染，融合高精度水下地形、实景三维模型等数据，并提供水质整体抬升、垂向夸张、边缘拉伸、纹理透明、分层显隐等多种显示和控制模式，相较于传统方法可提供信息更加全面、展示模式更加自由可控的三维水质数字孪生展示效果；

46、2)本发明通过对水质推演网格中相互邻接的多边形进行优化处理，消除了由空间单元划分造成的水质网格接边处高程值和属性信息差异，形成优化后的平滑连续网格，避免了直接对分层格网设色造成的颜色离散且不连续的效果；

47、3)本发明结合数字孪生仿真引擎的特点，将水质分层网格顶点与分层网格拓扑关系分离开来，在拓扑关系不变的情况下，实现三维水质推演过程中网格高程、污染物浓度等信息的快速更新，并结合垂向夸张等效果直观呈现随时间变化的三维水质污染物扩散推演过程。