一种基于数字孪生的水库可视化数据监管控制系统及方法与流程

本发明涉及数据处理，具体为一种基于数字孪生的水库可视化数据监管控制系统及方法。

背景技术：

1、随着水文信息化的发展，涌现出众多水库监测系统，逐渐实现水文数据的分析和管 理。由于其大多采取传统水库监测方法，即通过设置水文监测站点，采用专业的仪器测量水量、水环境等参数，测量结果较为精确，但存在着对大区域监测过程复杂、信息传递不稳定、设备损耗较大等缺点，越来越难以满足水库参数快速获取的要求。因此，需要寻找一种高效的水库监测手段，及时获取水库的动态变化。

2、现有技术cn109710672b通过安装不同的设备并通过多层管理系统对水库的实时监测，但是由于目前的监测设备存在着对大区域监测过程复杂、信息传递不稳定的不足，会导致监测信息存在误差，不足以满足实际需要。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于数字孪生的水库可视化数据监管控制系统及方法，具备监测过程简单、信息传递稳定等优点，解决了水库参数快速获取的问题。

2、为解决上述水库参数快速获取的技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、本实施例公开一种水库数据监管控制方法，具体包括以下步骤：

4、s1、在水库周围设置q个控制点并在每个控制点上安装三维激光拍摄装置；

5、s2、基于各个控制点安装的三维激光拍摄装置对水库以及水库周围环境的拍摄，实时构建水库的三维模型；

6、s3、基于实时拍摄的水库图像数据，通过sar图像分割算法计算当前水库水位面积，水位面积为水库当前水位下水面表面积；

7、s4、基于当前水库水位面积以及建立的水库的三维模型推测水库库容；

8、s5、基于水库渗透量计算方式并结合实时监测的水库数据实时估算单位时间内水库的渗透量；并基于建立的水库的三维模型、单位时间内水库的渗透量以及水库库容天气情况预测水库水位变化情况；

9、s6、基于水库水位变化情况采取相应措施对水库进行管理。

10、优选地，所述在水库周围设置q个控制点并在每个控制点上安装三维激光拍摄装置步骤包括:

11、s11、基于设置的控制点，对q个控制点进行编号q1，q2，……，qq；

12、s12、以控制点q1为坐标原点，根据q1坐标建立三维控制坐标系，并基于控制点q1确定其他各个控制点的坐标；

13、s13、将各个控制点的坐标保存在系统的数据库内。

14、优选地，所述通过sar图像分割算法计算当前水库水位面积，水位面积为水库当前水位下水面表面积包括以下步骤：

15、s31、通过模糊均值算法实现图像目标与背景的分离；

16、s32、对分离后的图像目标进行优化。

17、优选地，所述通过模糊均值算法实现图像目标与背景的分离包括：

18、设定图像的总像素点的个数为n，将其分为a类，a为每个类的中心点，µij表示点j属于第i类，则目标函数式（1）和约束条件式（2）表示：

19、（1），

20、（2），其中，m为模糊指数，ai表示第i类的中心点，xj表示采集的样本点，||(xj-ai)||2表示点j到第i类中心点ai的距离，j表示目标函数；

21、对同类的像素进行迭代聚类运算，完成图像目标与背景的分离；

22、对同类的像素进行迭代聚类运算包括：

23、基于初始设定的每个类的中心点，计算类中随机点到类中心点的距离；

24、根据约束条件不断调整每个类的中心点，不断迭代，直至所有类中点不再变化，迭代停止；

25、进一步地，通过寻找每个样本点对应的目标函数的最小值，完成对图像中像素点的分类，从而实现图像目标与背景的分离；

26、基于聚类算法更新的聚类中心ai和聚类矩阵µij如式（3），式（4）所示：

27、（3），

28、（4），

29、其中，ak表示第k类的中心点；d(xjai)表示点j到第i类中心点ai的距离，d(xjak)表示点j到第k类中心点ak的距离。

30、优选地，所述基于当前水库水位面积以及建立的水库的三维模型推测水库库容包括：

31、设定地球上两个点经纬度分别为c(lat1,lng1)和d(lat2,lng2)，地球的半径为r，两点之间的距离为dl；

32、（9），

33、设定图像对应的四个点的经纬度坐标为c(lat1,lng1)，d(lat2,lng2)，e(lat3,lng3)，f(lat4,lng4),根据两点间的距离公式可计算出cd之间距离为dl1，de之间的距离为dl2；则图像对于的水库区域的实际面积s1如公式（10）所示：

34、（10），

35、设定图像的尺寸大小为h×w，其对应的面积大小为s2，图像上每个像素点实际对应的大小p，根据图像上的尺寸大小与实际对应的面积比值获得，图上面积s2和实际大小p如公式（11）、公式（12）所示：

36、（11），

37、（12），

38、水库面积s为水域像素点个数乘每个像素点所代表的实际大小，计算公式如式（13）所示：

39、（13），

40、其中，sum表示水域像素点个数，s表示水库面积；

41、通过棱台公式推算水库库容；

42、棱台公式：

43、（14），

44、其中，si表示第i层等高线所量的面积，si-1表示第i层上一层登高线所量的面积，△h表示等高距，vi表示第i层等高线所推算的库容。

45、优选地，所述基于水库渗透量计算并结合实时监测的水库数据计算时间段内水库的渗透量包括：

46、基于水量平衡公式实时估算水库渗透量计算方法：

47、其中，v入库表示水库入库水量，由水库的入库河流水文站测量得到；v库降表示库面降水总量，由水库雨量站测量得到；v库出表示水库出库水量，包括水库泄水量、工农业用水和调水量，由水库坝下水文站监测得到；v库蒸表示水库水面蒸发量，从水库周边水面蒸发站监测得到；v库容差表示一段时间内水库库容的变化量，例如由于自然环境变化导致水库库容的变化；

48、设定每过半年通过水库渗透量计算公式计算水库渗透量，并基于计算水库渗透量对实时估算水库渗透量进行比较修正；

49、水库渗透量计算公式：

50、其中，q表示水库渗透量，q i表示水库分区的渗透量，z表示分区数；ki表示各区水量交换层渗透系数，gi表示水库各区面积；△hi表示水库水位与地下水位的差值；li表示各区的形心到地下水的水位观测井的距离；

51、根据计算水库渗透量，设定水库渗透量误差阈值，当实时估算的水库渗透量与计算水库渗透量的差值在误差范围内，则继续估算过程，当实时估算的水库渗透量与计算水库渗透量的差值超过误差阈值，则对实时估算中的各项数据进行核验；

52、对于实时估算的水库渗透量，通过设定水库渗透量阈值的方式，当水库渗透量超过阈值时，判断水库出现渗流破坏，同时通过报警设备上报，并安排采取相应的工程补救措施。

53、优选地，所述基于水库的实时建模、实时估算的水库渗透量、水库库容以及天气情况合理预测水库水位变化情况包括：

54、基于实时监测的天气情况，通过数字孪生技术，设定水库入库水量和水库出库水量不变，当天气发生变化时，通过库面降水总量以及水库水面蒸发量对水库水位变化进行预测。

55、优选地，根据水库库容和实时估算的水库渗透量情况，基于水库等高线在水库周围安装一系列报警设备，当实时监测的水位到达报警设备时，报警设备会进行水位上报提醒，并由水库工作人员安排相应的工程补救措施。

56、本实施例还公开一种基于数字孪生的水库可视化数据监管控制系统，具体包括：三维激光拍摄装置、报警设备、分析模块、数据库、可视化模块、三维模型构建模块以及数据孪生模块；

57、所述三维激光拍摄装置用于实时拍摄水库以及水库周围环境并将拍摄到的图像数据传输至三维模型构建模块；

58、所述三维模型构建模块用于根据传输得到的图像数据进行实时建模，同时将实时构建的三维模型数据传输至孪生模块和可视化模块；

59、所述数据库用于存储测量的数据以及收集到的水文数据；

60、所述数据孪生模块用于根据计算得出的数据、水库监测数据以及三维模型构建模块构建的三维模型数据对构建的三维模型数据进行预测，并将预测结果传输至可视化模块；

61、所述分析模块用于根据实时监测的数据以及收集到的水文数据对水库状况进行分析，当分析得出发生紧急情况，立即产生紧急信号给报警设备；

62、所述可视化模块用于提供一个可视化界面对传输得到的数据进行显示；

63、所述报警设备用于实时上报接收到的数据。

64、与现有技术相比，本发明提供了一种基于数字孪生的水库可视化数据监管控制系统及方法，具备以下有益效果：

65、1、本发明通过提前布置控制点以及在控制点中安装三维激光拍摄装置，最大限度的考虑到水库的结构轮廓，并通过对拍摄数据实时建模的方式，提高了对水库监测管控的实时性。

66、2、本发明通过sar图像分割算法通过聚类算法并通过不断调整阈值的方式将拍摄图像中的背景和目标进行分离减少了背景对目标的干扰，保证了对目标检测的精确性和有效性。

67、3、本发明通过对拍摄图像上的尺寸大小与实际对应的面积比值的方式实现对水库面积的计算，并通过棱台公式精确推算各层登高线上的水库库容，保证了推算水库库容的精确性。

68、4、本发明通过水量平衡公式和水库渗透量计算公式结合的方式计算水库渗透量，并通过数字孪生技术基于水库的实时建模、实时估算的水库渗透量以及水库库容天气情况合理预测水库水位变化情况，保证了对水库水位预测的合理性和精确性。

69、5、本发明通过在不同登高线上安装报警设备的方式实现对水位的预警，保证了对水库水位的及时管控，提高了对水库管控的效率。