本發(fā)明涉及水動力模型構(gòu)建，具體為一種基于數(shù)字孿生渲染的水動力三維模型構(gòu)建方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)的水動力學(xué)模型廣泛應(yīng)用于河流管理、洪水預(yù)測、水資源規(guī)劃等領(lǐng)域。這些模型基于水文數(shù)據(jù)、氣候條件和地形特征進(jìn)行設(shè)計，能夠模擬水流的行為，如流速、流量和水位等。傳統(tǒng)模型主要依賴于靜態(tài)的數(shù)據(jù)和假設(shè)，通常通過數(shù)學(xué)和物理方程來描述水流行為。然而，這些模型在處理復(fù)雜的變化環(huán)境、實時數(shù)據(jù)集成和高度互動的可視化表達(dá)方面存在限制。

2、隨著計算能力的提高和數(shù)據(jù)科技的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為模擬和管理復(fù)雜系統(tǒng)提供了新的方法。數(shù)字孿生技術(shù)通過創(chuàng)建物理實體的數(shù)字化副本，允許用戶在虛擬空間中模擬、分析和預(yù)測實體的行為。在水動力學(xué)領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)通過集成實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣候變化模型和地理信息系統(tǒng)（gis），提供了一種動態(tài)且交互性強(qiáng)的模擬環(huán)境。

3、盡管有顯著進(jìn)步，但水動力學(xué)數(shù)字孿生模型仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括如何高效地處理和集成大量實時數(shù)據(jù)，如何提高模型的精確度與適應(yīng)性，以及如何確保模擬結(jié)果的可靠性和實用性。此外，還需要更好地將模型應(yīng)用于決策支持系統(tǒng)，幫助政策制定者和工程師做出科學(xué)的管理和干預(yù)決策。

4、基于上述方案發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)存在的局限至少包括如下問題，首先，傳統(tǒng)方法通常依賴于靜態(tài)的數(shù)據(jù)模型，缺乏動態(tài)更新和實時模擬的能力，并且參數(shù)評估往往局限于初期設(shè)計階段，未能充分考慮整個生命周期中可能發(fā)生的變化，從而容易導(dǎo)致實際應(yīng)用中效益與預(yù)期不符，極大地影響了構(gòu)建后的模型的精確性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字孿生渲染的水動力三維模型構(gòu)建方法及系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)方法通常依賴于靜態(tài)的數(shù)據(jù)模型，缺乏動態(tài)更新和實時模擬的能力，并且參數(shù)評估往往局限于初期設(shè)計階段，未能充分考慮整個生命周期中可能發(fā)生的變化，從而容易導(dǎo)致實際應(yīng)用中效益與預(yù)期不符，極大地影響了構(gòu)建后的模型的精確性的問題。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種基于數(shù)字孿生渲染的水動力三維模型構(gòu)建方法，包括以下步驟：獲取河流的歷史水流數(shù)據(jù)以及河流地理信息，所述歷史水流數(shù)據(jù)包括歷史河流入口狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史河流中段狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史河流出口狀態(tài)數(shù)據(jù)，所述河流地理信息包括河邊界信息和河床信息；對河流的歷史水流數(shù)據(jù)以及河床信息分別進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到河流入口邊界條件、河流中段邊界條件、河流出口邊界條件、河床參數(shù)數(shù)據(jù)集；基于河邊界信息和河床參數(shù)數(shù)據(jù)集建立河流三維模型；基于河流入口邊界條件、河流中段邊界條件、河流出口邊界條件對河流三維模型進(jìn)行水動力學(xué)模擬，并對水動力學(xué)模擬結(jié)果進(jìn)行評估調(diào)整，直至河流三維模型符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

3、進(jìn)一步地，所述歷史河流入口狀態(tài)數(shù)據(jù)具體為河流上游入口的入口橫截面積值以及每個測量位置的歷史入口水流流速測量值、歷史入口水流水位測量值，所述歷史河流中段狀態(tài)數(shù)據(jù)具體為河流的每個河流區(qū)域的區(qū)域橫截面積值以及每個測量位置的歷史區(qū)域水流流速測量值、歷史區(qū)域水流水位測量值，所述歷史河流出口狀態(tài)數(shù)據(jù)具體為河流上游出口的出口橫截面積值以及每個測量位置的歷史出口水流流速測量值、歷史出口水流水位測量值，所述河邊界信息具體為河流的兩邊界的每個坐標(biāo)點的三維坐標(biāo)信息，所述河床信息具體為每個河床區(qū)域的每次測量的河床高度測量值，所述河流入口邊界條件包括河流上游入口的入口水流流速值、入口水流流量值、入口水流水位值，所述河流中段邊界條件包括河流的每個河流區(qū)域的區(qū)域水流流速值、區(qū)域水流流量值、區(qū)域水流水位值，所述河流出口邊界條件包括河流下游出口的出口水流流速值、出口水流流量值、出口水流水位值，所述河床參數(shù)數(shù)據(jù)集具體為每個河床區(qū)域的河床高度均值。

4、進(jìn)一步地，得到河流入口邊界條件、河流中段邊界條件、河流出口邊界條件的具體步驟分別如下：讀取河流上游入口的每個測量位置的歷史入口水流流速測量值、歷史入口水流水位測量值、河流的每個河流區(qū)域的每個測量位置的歷史區(qū)域水流流速測量值、歷史區(qū)域水流水位測量值、河流上游出口的每個測量位置的歷史出口水流流速測量值、歷史出口水流水位測量值，并進(jìn)行預(yù)處理；對預(yù)處理之后的河流上游入口的每個測量位置的歷史入口水流流速測量值、歷史入口水流水位測量值、河流的每個河流區(qū)域的每個測量位置的歷史區(qū)域水流流速測量值、歷史區(qū)域水流水位測量值、河流上游出口的每個測量位置的歷史出口水流流速測量值、歷史出口水流水位測量值，分別結(jié)合加權(quán)平均法進(jìn)行綜合分析，得到河流上游入口的入口水流流速值、入口水流水位值、河流的每個河流區(qū)域的區(qū)域水流流速值、區(qū)域水流水位值、河流下游出口的出口水流流速值、出口水流水位值；基于河流上游入口的入口橫截面積值、河流的每個河流區(qū)域的區(qū)域橫截面積值、河流上游出口的出口橫截面積值以及預(yù)處理之后的河流上游入口的每個測量位置的歷史入口水流流速測量值、河流的每個河流區(qū)域的每個測量位置的歷史區(qū)域水流流速測量值、河流上游出口的每個測量位置的歷史出口水流流速測量值，并分別結(jié)合均值法進(jìn)行綜合分析，得到河流上游入口的入口水流流量值、河流的每個河流區(qū)域的區(qū)域水流流量值、河流下游出口的出口水流流量值。

5、進(jìn)一步地，計算河流的每個河流區(qū)域的區(qū)域水流流速值、區(qū)域水流流量值、區(qū)域水流水位值的具體公式如下：；其中，為河流的第個河流區(qū)域的區(qū)域水流流速值，為河流的第個河流區(qū)域的第個測量位置的歷史區(qū)域水流流速測量值，為河流的第個河流區(qū)域的第個測量位置的歷史區(qū)域水流流速測量值的加權(quán)系數(shù)，為河流的第個河流區(qū)域的區(qū)域水流水位值，為河流的第個河流區(qū)域的第個測量位置的歷史區(qū)域水流水位測量值，為河流的第個河流區(qū)域的第個測量位置的歷史區(qū)域水流水位測量值的加權(quán)系數(shù)，為河流的第個河流區(qū)域的區(qū)域水流流速值，為河流的第個河流區(qū)域的區(qū)域橫截面積值，，為河流區(qū)域的個數(shù)，，為河流區(qū)域內(nèi)測量位置的個數(shù)。

6、進(jìn)一步地，得到河床參數(shù)數(shù)據(jù)集的具體步驟為：對于每個河床區(qū)域，結(jié)合移動指數(shù)平均法，對每次測量的河床高度測量值分別進(jìn)行均值分析，得到每個河床區(qū)域的河床高度均值。

7、進(jìn)一步地，計算每個河床區(qū)域的河床高度均值的具體公式如下：；其中，為第個河床區(qū)域的河床高度均值，為第個河床區(qū)域的第次測量的河床高度測量值，為第個河床區(qū)域的第次測量的河床高度測量值的加權(quán)系數(shù)，為第個河床區(qū)域的第次測量的河床高度測量值，為第個河床區(qū)域的第次測量的河床高度測量值的加權(quán)系數(shù)，為自然常數(shù)，，為河床區(qū)域的個數(shù)，，為河床高度測量值的測量次數(shù)。

8、進(jìn)一步地，基于河邊界信息和河床參數(shù)數(shù)據(jù)集建立河流三維模型的具體步驟如下：對每個河床區(qū)域的河床高度均值進(jìn)行區(qū)域連接處理，得到河床地形信息；將河流的兩邊界的每個坐標(biāo)點的三維坐標(biāo)信息以及每個河床區(qū)域的河床高度均值導(dǎo)入至預(yù)先選擇的數(shù)字孿生引擎中，建立河流三維模型，并進(jìn)行數(shù)字孿生渲染處理。

9、進(jìn)一步地，基于河流入口邊界條件、河流中段邊界條件、河流出口邊界條件對河流三維模型進(jìn)行水動力學(xué)模擬，并對水動力學(xué)模擬結(jié)果進(jìn)行評估調(diào)整，直至河流三維模型符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)的具體步驟為：將河流的每個河流區(qū)域的作為河流三維模型的模擬網(wǎng)格單元；將河流入口邊界條件、河流中段邊界條件、河流出口邊界條件作為模擬參數(shù)；對河流三維模型的模擬網(wǎng)格單元執(zhí)行運(yùn)行水動力學(xué)渲染模擬，即對于河流的每個河流區(qū)域分別執(zhí)行運(yùn)行水動力學(xué)渲染模擬；匯總每個河流區(qū)域的模擬結(jié)果，得到每個河流區(qū)域的區(qū)域水流流速模擬值、區(qū)域水流流量模擬值、區(qū)域水流水位模擬值；將模擬得到的每個河流區(qū)域的區(qū)域水流流速模擬值、區(qū)域水流流量模擬值、區(qū)域水流水位模擬值分別與對應(yīng)的歷史參數(shù)進(jìn)行評估分析，并根據(jù)評估分析對河流三維模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整；對調(diào)整后的河流三維模型進(jìn)行迭代模擬，并重復(fù)評估分析和參數(shù)調(diào)整步驟，直至河流三維模型符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

10、進(jìn)一步地，并根據(jù)評估分析對河流三維模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的具體步驟如下：判斷模擬得到的每個河流區(qū)域的區(qū)域水流流速模擬值、區(qū)域水流流量模擬值、區(qū)域水流水位模擬值是否分別符合對應(yīng)的區(qū)域水流流速值、區(qū)域水流流量值、區(qū)域水流水位值；若是存在區(qū)域水流流速模擬值不符合對應(yīng)的區(qū)域水流流速值的河流區(qū)域，則將區(qū)域水流流速模擬值與區(qū)域水流流速值進(jìn)行均值分析，得到區(qū)域水流流速調(diào)整值，同時對于河流中段邊界條件進(jìn)行更新；若是存在區(qū)域水流流量模擬值不符合對應(yīng)的區(qū)域水流流量值的河流區(qū)域，則將區(qū)域水流流量模擬值與區(qū)域水流流量值進(jìn)行均值分析，得到區(qū)域水流流量調(diào)整值，同時對于河流中段邊界條件進(jìn)行更新；若是存在區(qū)域水流水位模擬值不符合對應(yīng)的區(qū)域水流水位值的河流區(qū)域，則將區(qū)域水流水位模擬值與區(qū)域水流水位值進(jìn)行均值分析，得到區(qū)域水流水位調(diào)整值，同時對于河流中段邊界條件進(jìn)行更新。

11、一種基于數(shù)字孿生渲染的水動力三維模型構(gòu)建系統(tǒng)，包括：數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、模型構(gòu)建模塊、模擬調(diào)整模塊；所述數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取河流的歷史水流數(shù)據(jù)以及河流地理信息，所述歷史水流數(shù)據(jù)包括歷史河流入口狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史河流中段狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史河流出口狀態(tài)數(shù)據(jù)，所述河流地理信息包括河邊界信息和河床信息；所述數(shù)據(jù)分析模塊，用于對河流的歷史水流數(shù)據(jù)以及河床信息分別進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到河流入口邊界條件、河流中段邊界條件、河流出口邊界條件、河床參數(shù)數(shù)據(jù)集；所述模型構(gòu)建模塊，用于基于河邊界信息和河床參數(shù)數(shù)據(jù)集建立河流三維模型；所述模擬調(diào)整模塊，用于基于河流入口邊界條件、河流中段邊界條件、河流出口邊界條件對河流三維模型進(jìn)行水動力學(xué)模擬，并對水動力學(xué)模擬結(jié)果進(jìn)行評估調(diào)整，直至河流三維模型符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

12、本發(fā)明具有以下有益效果：

13、（1）、該基于數(shù)字孿生渲染的水動力三維模型構(gòu)建方法，通過集成歷史水流數(shù)據(jù)和詳細(xì)的地理信息來構(gòu)建三維模型，并對其進(jìn)行迭代優(yōu)化，從而能夠提高了模型的預(yù)測精確度，不僅如此，迭代優(yōu)化過程允許模型適應(yīng)環(huán)境變化和未預(yù)見的水文事件，從而增強(qiáng)模型在實際應(yīng)用中的適用性和靈活性，進(jìn)而適用于動態(tài)和復(fù)雜的水體環(huán)境，使決策者能夠基于最準(zhǔn)確的模擬結(jié)果制定水資源管理策略。

14、（2）、該基于數(shù)字孿生渲染的水動力三維模型構(gòu)建方法，通過精確的模型可以有效預(yù)測河流的反應(yīng)，減少因預(yù)測誤差導(dǎo)致的過度建設(shè)和資源浪費(fèi)，此外，通過數(shù)字孿生渲染的方法，可以在模型初步完成前預(yù)見設(shè)計上的缺陷和潛在問題，從而在實際施工前進(jìn)行調(diào)整，這不僅減少了建設(shè)成本，還縮短了項目周期，加快了投資回報率，最終提高了整個項目的經(jīng)濟(jì)效益。

15、（3）、該基于數(shù)字孿生渲染的水動力三維模型構(gòu)建方法，通過使用基于實際數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生模型進(jìn)行水動力學(xué)模擬，使得河流管理變得更加靈活和應(yīng)對能力更強(qiáng)，特別是在極端天氣條件下，準(zhǔn)確的模型能夠預(yù)測洪水和干旱等自然事件的影響，從而提前采取措施，減少災(zāi)害損失，此外，持續(xù)的監(jiān)測和模擬也確保了水利設(shè)施的運(yùn)行安全，保護(hù)了人民生命財產(chǎn)安全和水生態(tài)環(huán)境。

16、（4）、該基于數(shù)字孿生渲染的水動力三維模型構(gòu)建系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、模型構(gòu)建模塊和模擬調(diào)整模塊，形成了一個集成化平臺，使得數(shù)據(jù)流在各個部門和團(tuán)隊之間無縫對接，這種集成化的工作流程不僅減少了數(shù)據(jù)處理和模型構(gòu)建中的時間延誤，而且通過提供一個統(tǒng)一的、實時更新的視圖，幫助決策者快速準(zhǔn)確地獲取關(guān)鍵信息，從而做出更加科學(xué)和及時的管理決策。

17、當(dāng)然，實施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點。