一种基于数据孪生的场景构建方法与流程

本发明涉及场景构建，具体涉及一种基于数据孪生的场景构建方法。

背景技术：

1、随着科技的发展，数字化转型成为各行各业的趋势，自然资源管理领域也不例外，数据孪生为自然资源管理提供了一种数字化工具，通过对自然系统进行数字化建模，可以更好地理解、分析和优化资源利用，数据孪生（data twin）是指通过对实际物理系统或过程的数字化模型与实际系统的数据进行实时同步，以实现对系统状态的动态监测、预测和优化，在自然资源管理和利用方面，基于数据孪生的自然资源场景构建成为一种先进的方法；

2、基于数据孪生的自然资源场景构建可以实现对自然资源系统的实时监测和预测，通过与实际系统数据同步，数字化模型能够反映实时状态，帮助管理者更好地应对自然资源变化和风险。

3、现有技术存在以下不足：

4、由于国土空间中的自然资源存在分布地域广、空间分布复杂性高等特点，现有的数字化模型无法根据实时数据进行同步更新，容易导致数字化模型的信息滞后，时效性差，并且数字化模型无法向用户提供决策支持，从而不便于用户对相应区域的国土空间中的自然资源进行管理。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于数据孪生的场景构建方法，以解决背景技术中不足。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于数据孪生的场景构建方法，所述构建方法包括以下步骤：

3、s1：采集端采集国土空间中与自然资源相关的多源数据；

4、s2：处理端基于多源数据建立国土空间自然资源的数字化模型；

5、s3：通过实时同步机制，使数字化模型与实际数据实时同步，并根据实际数据的变化对数字化模型进行更新；

6、s4：利用数字化模型进行模拟实验，模拟不同的资源利用方案进行场景优化；

7、s5：提供基于数字化模型和实时数据的决策支持，决策支持包括资源管理建议、风险评估和可持续发展规划；

8、s6：将生成的数字化模型和决策支持发送至用户界面向用户展示。

9、在一个优选的实施方案中，步骤s4中，利用数字化模型进行模拟实验，模拟不同的资源利用方案进行场景优化包括以下步骤：

10、s401：设定不同的模拟场景，模拟场景包括不同的资源利用方案、自然灾害情景；

11、s402：根据设定的场景运行模拟实验，模拟不同的资源利用和自然灾害情况，并获取模拟结果，模拟结果包括资源利用效率、环境影响；

12、s403：对模拟实验的模拟结果进行数据分析，评估各种资源利用和应对自然灾害方案在不同场景下的效果，基于评估结果调整资源利用方案优化场景；

13、s404：将多种方案基于评估结果进行排序，并将排序第一的方案进行可视化展示。

14、在一个优选的实施方案中，步骤s404中，将多种方案基于评估结果进行排序，并将排序第一的方案进行可视化展示包括以下步骤：

15、s4041：获取方案的历史数据和维度数据，历史数据包括投资回报率、碳减排指数、基尼系数，维度数据包括资源增长率；

16、s4042：将投资回报率、碳减排指数、基尼系数以及资源增长率归一化处理后计算得到方案的使用系数，计算表达式为：，式中，为资源增长率，为投资回报率，为碳减排指数，为基尼系数，、、分别为投资回报率、碳减排指数、基尼系数的权重系数，且；

17、s4043：将所有方案依据使用系数由大到小进行排序，并将排序第一的方案进行可视化展示，若排序第一的方案在实际过程中达不到理想的效果，则按顺序往下选择其他方案进行展示。

18、在一个优选的实施方案中，步骤s2中，处理端基于多源数据建立国土空间自然资源的数字化模型包括以下步骤：

19、s201：获取相关的遥感影像数据后对遥感影像数据进行预处理；

20、s202：确定区域内存在的自然资源类型，为分类建模提供标签；

21、s203：在遥感影像上选择代表各类地物的样本点，并标记样本点类别；

22、s204：使用样本点对随机森林分类器进行训练获取数字化模型，数字化模型根据输入的遥感影像数据自动分类各类地物。

23、在一个优选的实施方案中，步骤s204中，使用培训样本对随机森林分类器进行训练获取数字化模型包括以下步骤：

24、s2041：获取遥感影像数据d，其中遥感影像数据d表示包含m个样本的数据集，每个样本有h个特征；

25、s2042：在遥感影像数据d上选择样本集s，并为样本集s标记真实类别标签y形成训练集；

26、s2043：单个决策树由决策树算法生成，对于每个决策树，使用训练集进行训练，在每个节点处随机选择一个特征子集，从中选择最佳特征进行划分，直到满足停止条件；

27、s2044：随机森林包括多个决策树组成的集合，随机森林的分类结果通过投票机制得到，数字化模型的表达式为：，式中，表示分类结果，m是随机森林中决策树的数量，表示第b个决策树对输入特征g的分类结果。

28、在一个优选的实施方案中，步骤s2044中，决策树算法生成决策树包括以下步骤：

29、决策树的计算表达式为：，其中，是通过特征大于阈值的样本集，是通过特征小于等于阈值的样本集，、分别表示两个子节点的样本数量，、分别是两个子节点的基尼指数，为当前节点的样本集，表示当前节点的样本集中的样本数量，为特征集，为从特征集中随机选择的一个特征，为该节点的阈值；

30、基尼指数的计算表达式为：，式中，q是分类类别的数量，表示样本属于第p个类别的概率。

31、在一个优选的实施方案中，步骤s3中，通过实时同步机制，使数字化模型与实际数据实时同步包括以下步骤：

32、s301：确定实时数据传输的频率，选择通信协议和传输方式，通信协议包括http/https、mqtt、websocket，通过分析不同通信协议在当前环境下的性能来选择最优通信协议，传输方式包括点对点通信、发布-订阅模式；

33、s302：统一实时数据的格式和编码，数据格式包括json、xml；

34、s303：在数据传输过程中出现异常时，异常包括网络中断、数据丢失，通过错误处理和容错机制进行异常处理，异常处理包括重新传输机制、错误码处理。

35、在一个优选的实施方案中，步骤s301中，通过分析不同通信协议在当前环境下的性能来选择最优通信协议包括以下步骤：

36、s3011：获取通信协议在当前场景试运行的最大响应时间指数、消息确认率以及程序崩溃率；

37、s3012：将最大响应时间指数、消息确认率以及程序崩溃率做无量纲处理后，取数值综合计算获取选择系数，表达式为：，式中，为消息确认率，为最大响应时间指数，为程序崩溃率，、、分别为消息确认率、最大响应时间指数、程序崩溃率的比例系数，且、、均大于0；

38、s3013：通信协议的选择系数值越大，通信协议在当前场景下试运行性能越好，将选择系数最大通信协议作为当前场景传输数据的通信协议。

39、在一个优选的实施方案中，所述最大响应时间指数的计算表达式为：，式中，是任务v的执行时间，是任务v的执行周期，表示任务v的最大响应时间，是所有具有高优先级的任务的集合，是任务w的执行时间。

40、在一个优选的实施方案中，所述基尼系数的计算表达式为：，式中，表示个体i的收入，是总人口数量，是平均收入，表示个体j的收入。

41、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

42、1、本发明通过采集端采集国土空间中与自然资源相关的多源数据，处理端基于多源数据建立国土空间自然资源的数字化模型，通过实时同步机制，使数字化模型与实际数据实时同步，并根据实际数据的变化对数字化模型进行更新，利用数字化模型进行模拟实验，模拟不同的资源利用方案进行场景优化，提供基于数字化模型和实时数据的决策支持，决策支持包括资源管理建议、风险评估和可持续发展规划。该场景构建方法有效构建数字化模型来反映资源分布、生态系统状态、资源交互等方面的关系，并通过实时同步机制，使数字化模型与实际数据实时同步，保障数字化模型的时效性，最后，提供基于数字化模型和实时数据的决策支持，决策支持包括资源管理建议、风险评估和可持续发展规划，不仅使得用户能够通过数字化模型查看国土空间中自然资源的运行状态，而且为用户提供决策支持，便于管理；

43、2、本发明通过将所有方案依据使用系数由大到小进行排序，并将排序第一的方案进行可视化展示，若排序第一的方案在实际过程中达不到理想的效果，则按顺序往下选择其他方案进行展示，需要注意的是，由于获取的是方案的历史数据和维度数据对所有方案进行评估，并不能完全代表该方案在实际应用中一定能够产生好的效果，但是为了避免构建系统展示方案的随机性和不确定性，通过综合分析历史数据和维度数据对所有方案进行排序和选取展示，有利于提高方案的选取速度和稳定性，从而帮助用户更好的进行决策，且综合分析多项数据，分析更为全面。