一种基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法及系统与流程

本发明涉及一种洪水淹没范围验证方法及系统，尤其涉及一种基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法及系统。

背景技术：

1、随着大数据、云计算、人工智能、物联网等新一代信息技术的快速发展，推动水利向数字化、网络化、智能化转变的需求越来越迫切。

2、在不同季节(丰水期、枯水期)，由于降雨或融雪补给，蒸发、干旱的影响，河流水位、淹没范围差异很大；部分洪水过境还会造成河道地形发生变化；同时部分遥测、监测装置会被洪水冲走或损坏，导致无法及时获取实时监测信息，这些因素会影响数孪生仿真的同步性，影响数字孪生水利防洪“四预”预测的精度，从而对预警、预演以及预案的制定产生不利的影响。因此，对于dom和dem数据的现势性提出了更高的要求。

3、目前的洪水淹没分析大多采用机理模型计算来水量、水速，预测洪水水位、到达时间及淹没范围，对于模型预测精度，采用自动监测站测得的实时水位、流量数据进行验证。但由于水位计、流量计布设位置有限，且有损坏的风险，并不能验证所有洪水淹没位置的正确性，从而影响洪水淹没预演的效果和应急决策的制定。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的是提供一种基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法及系统，提高地理空间信息的现势性，实现河流的动态建模，实现数字孪生同步仿真。

2、技术方案：本发明包括以下步骤：

3、步骤一、河流地理空间信息提取及发布；

4、步骤二、搭建数字孪生平台；

5、步骤三、采用gis引擎，将webgl与地理信息技术相结合，建立基于遥感影像与数字孪生平台的洪水淹没范围验证系统；

6、步骤四、数据底板及河流建模；

7、步骤五、河流动态更新及渲染；

8、步骤六、在系统中针对更新后的数字孪生场景进行淹没分析预测精度验证；

9、步骤七、数据保存。

10、所述步骤一具体包括：

11、1.1影像处理；

12、1.2河流shp、流域shp文件提取，根据不同的影像采用不同的方法进行水体提取；

13、1.3wfs服务发布，将河流shp文件发布为可通过http进行图层调用的wfs服务。

14、所述步骤1.2包括：采用归一化差异水体指数ndwi，利用水体在绿波段和近红波段吸收和反射的反差进行水体自动提取，green为绿色波段的反射值，nir为近红外波段的反射值；采用面向对象方法，利用高分辨率的全色和多光谱数据的空间、纹理和光谱信息进行分割和分类。

15、所述步骤二具体包括：

16、2.1数据底板整合基础数据、监测数据、业务管理数据、地理空间数据，建立标准化可视化管理流程，采用可横向扩展的分布式开源框架构建数据引擎，形成数据在时空关系维度上的统一整合；

17、2.2模型库统一管理水利机理模型及可视化模型。

18、所述步骤四的数据底板可视化模型以数字正射影像、数字高程模型、倾斜摄影数据为基础，结合lod原理，根据数据规模和需求精度对三维场景进行lod级别划分，最后借助基于webgl的开源三维库cesium，构建数据底板及河流的可视化模型。

19、所述步骤四具体包括：

20、4.1基于洪水淹没范围验证系统，将shp文件、dem、dom数据进行坐标统一，dem、dom数据覆盖范围逐一对应；

21、4.2流域场景绘制采取lod技术，根据流域范围确定lod层数，生成多分辨率模型，基于lod模型算法，对流域dom和dem数据进行分层，并对dem、dom数据进行动态调度；

22、4.3综合利用网络gis服务技术，将具有固定纹理的影像数据源转化成wms、wmts服务；具有地形和纹理信息的空间数据，按照树状的空间数据结构，存储带纹理的地形和表面瓦片，索引关系单独记录；河流提取的矢量数据采用wfs服务。

23、所述步骤五具体包括：

24、5.1基于开源geoserver rest接口，更新wfs服务数据源，实现河流地图服务的动态更新；

25、5.2采用异步渲染技术进行实时渲染；

26、5.3对河流水面的三维可视化效果进行渲染。

27、所述步骤六具体包括：

28、6.1调用最新的dem数据和dom纹理数据，更新数据底板地理空间数据；

29、6.2采用机理模型计算河流断面的水位及流量；

30、6.3根据dem信息及模型模拟计算水位和流量，基于洪水水量计算洪水淹没范围；

31、6.4将淹没范围转化为矢量面图层，作为机理模型的计算成果加以存储；

32、6.5水面实时绘制，并嵌入数字孪生流域场景中，表现矢量要素在空间上的移动路径；

33、6.6调用洪水发生后的dem数据、dom纹理数据、河流shp文件，跟机理模型计算绘制的水面进行叠加对比。

34、所述步骤七为将洪水后的shp文件、dem、dom数据作为数字孪生历史洪水场景资料进行保存。

35、一种用于实现上述基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法的系统，包括影像处理模块、机理模型分析模块和数字孪生平台。

36、有益效果：本发明具有以下优点：

37、1)现势性高：解决数字底板河流对象的同步仿真需求；

38、2)精准建模：采用标准范式对实体及属性进行一致性描述，根据地理信息中河流对象拓扑关系，实现河流的动态精准构建；

39、3)自动更新：处理好的shp文件、dem数据、dom数据可自动发布，并在数字孪生场景中进行数据底板地理空间数据局部自动更新；

40、4)多尺度验证：在数字孪生预演场景中进行洪水淹没范围分析比对，验证水文模型准确率，操作方便，实用性比较强；

41、5)工程适用性强，不依赖具体的流域，可进行河流的自动化建模、动态更新和渲染，在数字孪生领域具有很好的推广价值。

技术特征：

1.一种基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：

3.根据权利要求2所述的一种基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法，其特征在于，所述步骤1.2包括：采用归一化差异水体指数ndwi，利用水体在绿波段和近红波段吸收和反射的反差进行水体自动提取，green为绿色波段的反射值，nir为近红外波段的反射值；采用面向对象方法，利用高分辨率的全色和多光谱数据的空间、纹理和光谱信息进行分割和分类。

4.根据权利要求1所述的一种基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

5.根据权利要求1所述的一种基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法，其特征在于，所述步骤四的数据底板可视化模型以数字正射影像、数字高程模型、倾斜摄影数据为基础，结合lod原理，根据数据规模和需求精度对三维场景进行lod级别划分，最后借助基于webgl的开源三维库cesium，构建数据底板及河流的可视化模型。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：

7.根据权利要求1所述的一种基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法，其特征在于，所述步骤五具体包括：

8.根据权利要求1所述的一种基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法，其特征在于，所述步骤六具体包括：

9.根据权利要求1所述的一种基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法，其特征在于，所述步骤七为将洪水后的shp文件、dem、dom数据作为数字孪生历史洪水场景资料进行保存。

10.一种用于实现权利要求1～9任一项所述的基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法的系统，其特征在于，包括影像处理模块、机理模型分析模块和数字孪生平台。

技术总结
本发明公开了一种基于遥感的数字孪生洪水淹没范围验证方法及系统，包括河流地理空间信息提取及发布；搭建数字孪生平台；采用GIS引擎，将webGL与地理信息技术相结合，建立基于遥感影像与数字孪生平台的洪水淹没范围验证系统；数据底板及河流建模；河流动态更新及渲染；在系统中针对更新后的数字孪生场景进行淹没分析预测精度验证；数据保存。本发明根据影像资料，提取河流shp文件、DEM、DOM纹理文件，对河流进行动态建模，对数字孪生底板空间地理信息进行局部更新；根据河流最新的水面面积与机理模型计算得到的淹没分析水面进行叠加对比，验证模型预测精度，为模型调参提供数据支持；工程适用性强，不依赖具体的流域，在数字孪生领域具有很好的推广价值。

技术研发人员：梁艳,徐静波,徐希涛,郭正扬,高磊,谢小燕
受保护的技术使用者：南京南瑞水利水电科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15