城市洪涝数字孪生推演方法技术

本发明专利技术公开了城市洪涝数字孪生推演方法，包括以下步骤：S1、获取三维模型数据，建立三维城市模型；S2、根据二维模型数据和一维模型数据分别构建二维水动力学模型和一维水动力学模型，得到城市洪涝模拟结果；S3、根据城市洪涝模拟结果得到洪涝模拟的基础属性，并根据洪涝模拟的基础属性进行洪涝过程的描述；S4、根据三维城市模型和洪涝过程的描述渲染城市洪涝积水过程，完成城市洪涝数字孪生推演。本发明专利技术可以实现水深、水面、流速及洪涝风险在三维城市模型上的叠加显示，可以更直观地实现城市积水过程推演。本发明专利技术基于少量公开数据即可实现城市数字孪生效果构建，与数值模拟结果进行动态耦合，实现对城市洪涝的动态推演和展示。实现对城市洪涝的动态推演和展示。实现对城市洪涝的动态推演和展示。

【技术实现步骤摘要】
城市洪涝数字孪生推演方法


[0001]本专利技术属于城市洪涝模拟与防控领域，具体涉及城市洪涝数字孪生推演方法。

技术介绍

[0002]在气候变化影响下，极端暴雨发生频率和强度显著增加，加之我国处于快速城市化阶段，两者叠加极易引发严重的城市洪涝灾害。科学的城市洪涝过程模拟与仿真推演，有助于科学认识城市洪涝的发生发展过程，特别是基于降雨预报、情景模拟等开展的推演，可辅助管理人员对洪涝的严重程度、发展过程等进行科学研判，对于城市洪涝防控决策具有重要意义。近年来，数字孪生概念和技术快速兴起，在各行各业加快应用。多数的城市洪涝推演系统主要基于数值模拟系统研发，主要面向专业技术人员，其专业性较强，但直观程度较低，不利于辅助决策和形象化展示。部分系统实现了城市洪涝数值模拟结果与三维场景的叠加，但一般是静态的叠加展示，即仅针对某一时刻的模拟结果与三维场景的叠加，无法实现时间序列的动态推演和展示。此外，在三维场景构建方面，多数需要基于复杂、丰富的基础数据构建，主要包括倾斜摄影、高精度高程数据等。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的城市洪涝数字孪生推演方法解决了现有的城市洪涝的动态推演方法无法实现动态推演和展示的问题。
[0004]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：城市洪涝数字孪生推演方法，包括以下步骤：
[0005]S1、获取三维模型数据，建立三维城市模型；
[0006]S2、根据二维模型数据和一维模型数据分别构建二维水动力学模型和一维水动力学模型，得到城市洪涝模拟结果；
[0007]S3、根据城市洪涝模拟结果得到洪涝模拟的基础属性，并根据洪涝模拟的基础属性进行洪涝过程的描述；
[0008]S4、根据三维城市模型和洪涝过程的描述渲染城市洪涝积水过程，完成城市洪涝数字孪生推演。
[0009]进一步地：所述S1中，三维模型数据包括DEM数据、卫星影像、道路数据、绿地数据和建筑数据；
[0010]所述S1具体为：
[0011]将卫星影像作为城市模型的底图，将DEM数据作为城市模型的高程基础，将建筑数据、道路数据和绿地数据依次导入城市模型中，得到三维城市模型。
[0012]进一步地：所述S2中，所述一维水动力学模型用于描述管道水流运动，所述一维水动力学模型的连续方程具体为下式：
[0013][0014]所述一维水动力学模型的动量方程具体为下式：
[0015][0016]式中，x为第一距离，t为时间，A为过水断面面积，Q为流量，H为水头，g为重力加速度，S
f
为摩阻比降。
[0017]进一步地：所述S2中，所述二维水动力学模型用于描述城市地表径流过程，所述二维水动力学模型的连续方程具体为下式：
[0018][0019]所述二维水动力学模型的动量方程具体为下式：
[0020][0021]式中，y为第二距离，u为x方向的流速，v为y方向的流速，h为水深，Z为水位，v
e
是有效粘性系数，F
x
为x方向的底摩阻项，F
y
为y方向的底摩阻项，div(
·
)为散度符号通式，为梯度算子。
[0022]进一步地：所述S3中，所述洪涝模拟的基础属性包括水深、x方向的流速和y方向的流速；
[0023]所述洪涝过程的描述具体为：展示城市各节点的水深和流速，以及洪涝风险。
[0024]上述进一步方案的有益效果为：城市洪涝模拟结果存放在相应城市节点的属性中，通过读取城市节点属性可以直接获取水深、x方向的流速、y方向的流速。
[0025]进一步地：所述城市各节点的流速通过箭头进行描述，所述箭头具体为依次连接的第一端点、第二端点和第三端点；
[0026]其中，流速l的表达式具体为：
[0027][0028]式中，u为x方向的流速，v为y方向的流速；
[0029]所述第二端点的坐标为城市节点的坐标，所述第一端点和第二端点坐标的表达式具体为：
[0030]x3＝x2‑
l*cos(a+30*π/180)
[0031]y3＝y2‑
l*sin(a+30*π/180)
[0032]x4＝x2‑
l*cos(a
‑
30*π/180)
[0033]y4＝y2‑
l*sin(a
‑
30*v/180)
[0034]式中，x2为第二端点的横坐标，y2为第二端点的纵坐标，x3为第三端点的横坐标，y3为第三端点的纵坐标，x4为第四端点的横坐标，y4为第四端点的纵坐标，a为箭头方向与x方向的夹角大小。
[0035]进一步地：得到所述洪涝风险的方法具体为：
[0036]计算洪涝风险参数，当洪涝风险参数小于3，水深小于1.1和流速小于2.6同时满足时，则洪涝风险为低风险；
[0037]当洪涝风险参数不小于0.3且小于1.2，水深不小于0.12且小于1.1，流速不小于0.27且小于2.6同时满足时，则洪涝风险为中风险；
[0038]当洪涝风险参数大于1.2，水深不小于1.1和流速不小于2.6同时满足时，则洪涝风险为高风险；
[0039]其中，计算洪涝风险参数h
v
的表达式具体为：
[0040]h
v
＝h*l
[0041]式中，h为水深，l为流速。
[0042]上述进一步方案的有益效果为：洪涝风险是淹没模拟的重要结果展示之一，它能够提示区域风险，警示高风险地区，减少洪涝损失，本专利技术可以展示城市各节点的洪涝风险。
[0043]进一步地：所述S4具体为：
[0044]将城市各节点的水深和流速，以及洪涝风险加载到三维城市模型中，实现在三维城市模型中渲染城市积水水深、积水流速和洪涝风险的变化情况，完成城市洪涝数字孪生推演。
[0045]上述进一步方案的有益效果为：本专利技术将水深、流速和洪涝风险加载到cesium地图中，即可在三维城市模型中渲染城市积水水深、积水流速和洪涝风险的变化情况，对于不同地区不同城市可构建相应模型，更直观便捷地观测城市洪涝积水过程，以相应作出预防措施，减少洪涝损失。
[0046]本专利技术的有益效果为：
[0047](1)本专利技术提供的城市洪涝数字孪生推演方法可以实现水深、水面、流速及洪涝风险在三维城市模型上的叠加显示，可以更直观地实现城市积水过程推演。
[0048](2)本专利技术基于少量公开数据即可实现城市数字孪生效果构建，与数值模拟结果进行动态耦合，实现对城市洪涝的动态推演和展示。
附图说明
[0049]图1为本专利技术城市洪涝数字孪生推演方法的流程图。
[0050]图2为本专利技术得到三维城市模型方法的流程图。
[0051]图3为本专利技术构建二维水动力学模型和一维水动力学模型的流程图。
[0052]图4为本专利技术渲染城市洪涝积水过程方法的流程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种城市洪涝数字孪生推演方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取三维模型数据，建立三维城市模型；S2、根据二维模型数据和一维模型数据分别构建二维水动力学模型和一维水动力学模型，得到城市洪涝模拟结果；S3、根据城市洪涝模拟结果得到洪涝模拟的基础属性，并根据洪涝模拟的基础属性进行洪涝过程的描述；S4、根据三维城市模型和洪涝过程的描述渲染城市洪涝积水过程，完成城市洪涝数字孪生推演。2.根据权利要求1所述的城市洪涝数字孪生推演方法，其特征在于，所述S1中，三维模型数据包括DEM数据、卫星影像、道路数据、绿地数据和建筑数据；所述S1具体为：将卫星影像作为城市模型的底图，将DEM数据作为城市模型的高程基础，将建筑数据、道路数据和绿地数据依次导入城市模型中，得到三维城市模型。3.根据权利要求1所述的城市洪涝数字孪生推演方法，其特征在于，所述S2中，所述一维水动力学模型用于描述管道水流运动，所述一维水动力学模型的连续方程具体为下式：所述一维水动力学模型的动量方程具体为下式：式中，x为第一距离，t为时间，A为过水断面面积，Q为流量，H为水头，g为重力加速度，S
f
为摩阻比降。4.根据权利要求3所述的城市洪涝数字孪生推演方法，其特征在于，所述S2中，所述二维水动力学模型用于描述城市地表径流过程，所述二维水动力学模型的连续方程具体为下式：所述二维水动力学模型的动量方程具体为下式：式中，y为第二距离，u为x方向的流速，v为y方向的流速，h为水深，Z为水位，v
e
是有效粘性系数，F
x
为x方向的底摩阻项，F
y
为y方向的底摩阻项，div(
·
)为散度符号通式，为梯度算子。5.根据权利要求1所述的城市洪涝数字孪生推演方法，其特征在于，所述S3中，所述洪涝模拟的基础属性包括水深、x方向的流速和y方向的流速；所述洪涝过...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅超，刘家宏，王浩，董莉榕，宋天旭，王佳，高希超，杨志勇，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：