數(shù)字孿生流域“四預(yù)”平臺解決方案

數(shù)字孿生流域"四預(yù)"平臺解決方案 3.1整體架構(gòu) 43.2數(shù)據(jù)底板 63.3模型建設(shè) 6 6 4.1數(shù)據(jù)底板建設(shè) 74.1.1數(shù)據(jù)采集 74.1.2數(shù)據(jù)集成 84.1.3數(shù)據(jù)融合與治理 4.1.4三維場景建模 4.2模型建設(shè) 4.2.1降雨異常識別與融合模型 4.2.2分布式水文模型集群建設(shè) 4.2.3基于分布式GPU的水動力學(xué)模型建設(shè) 、建設(shè)內(nèi)容 、建設(shè)流程 、數(shù)據(jù)需求 4.2.4多位一體數(shù)字水工程聯(lián)合調(diào)控模型 、建設(shè)內(nèi)容 、建設(shè)流程 、數(shù)據(jù)需求 4.2.5可視化模型 、氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)展示 、衛(wèi)星云圖分析展示 、雷達回波圖分析展示 、天氣預(yù)報數(shù)據(jù)展示 4.3.2預(yù)警 、氣象風(fēng)險預(yù)警 、動態(tài)雨量預(yù)警 4.3.3預(yù)演 、實時洪水淹沒 4.3.4預(yù)案 、預(yù)演預(yù)案生成 、預(yù)案成果場景化展示 、預(yù)案數(shù)據(jù)庫建設(shè) 4省級山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報預(yù)警平臺基礎(chǔ)上，以試點小流域為單元構(gòu)建三維場景，提5以專業(yè)模型(包括水文模型、水動力模型、水質(zhì)模型等)通過可視化仿真模擬江河湖泊水利工程治理管理活動對象孿生四預(yù)過程包括預(yù)報-預(yù)警-預(yù)演-預(yù)演，預(yù)報則對降水、水位、流量、徑流量、程調(diào)度運用、突發(fā)水污染事件處置、水生態(tài)過程調(diào)節(jié)等水利調(diào)度應(yīng)用方案進行預(yù)演；預(yù)案則對預(yù)演生成的眾多方案進行影響評估并進行優(yōu)化，結(jié)合救援與人員物水科學(xué)模型)扮演著至關(guān)重要的作用。6網(wǎng)絡(luò)安全體系具有“四預(yù)”功能的水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)安全體系具有“四預(yù)”功能的水利智能業(yè)務(wù)應(yīng)用程預(yù)演為關(guān)鍵預(yù)案為目的前支測度知識，有定管注。夾皮學(xué)級預(yù)報為基礎(chǔ)預(yù)警為前啃預(yù)報為基礎(chǔ)平臺“四預(yù)”能力提升的數(shù)據(jù)底板。試點小流域試點數(shù)據(jù)庫建設(shè)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)融合與治理、三維場景建模和歷史場景庫5部分。根據(jù)當(dāng)前省級山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺模型建設(shè)情況級多階段預(yù)警模型和風(fēng)險評估模型；完善降雨異常識別與融合模型，提升站點監(jiān)基于已建***山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺功能建設(shè)成果，以提升山洪災(zāi)害防御7省級山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報預(yù)警平臺基礎(chǔ)上，以試點小流域為單元構(gòu)建三維場景，提基于我省省級山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺存儲環(huán)境，在政務(wù)云已建計算資源基礎(chǔ)上，將2處常年發(fā)生山洪災(zāi)害的小流域為試點建設(shè)，分別為***小流域，流域山洪災(zāi)害小流域單元“四預(yù)”能力試點建設(shè)主要包括數(shù)據(jù)底板建設(shè)、模型建設(shè)和業(yè)務(wù)功能展示3部分。數(shù)字底板建設(shè)需要明確本省水利部門L1級地理空間據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)和跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)，明確省級水行政主管部門維場景建模和歷史場景庫5部分。4.1.1數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集的范圍需要覆蓋整個小流域主要支流和干流，沿河村落、隱患點、1)全流域高分辨率影像圖采集影像圖覆蓋京津冀21.8萬平方公里，影像圖分辨率為0.8米，平面精度為3-5米，2)小流域三維據(jù)采集8流域選取三維采集面積為82.6km2,三維數(shù)據(jù)采集沿分水線航飛。地形變化較大的山谷(河谷)以及村鎮(zhèn)、廠礦、橋梁等局部重點防洪部位可采用優(yōu)于0.1m的DOM+優(yōu)于2m的DEM,或采用分辨率優(yōu)于3cm的傾斜攝影模型。其他非重要區(qū)域可采用優(yōu)于0.2m的DOM+優(yōu)于5m的DEM,作為小流域L2級數(shù)據(jù)底板底圖。第一，在數(shù)據(jù)處理前，應(yīng)檢查原始數(shù)據(jù)完整性和一致地理信息數(shù)據(jù)的坐標系采用2000國家大地坐標系CGCS采用1985國家高程基準。4.1.2數(shù)據(jù)集成1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)9基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為試點小流域范圍內(nèi)的各類對象要素的基本屬性信息，主要包括小流域基本信息、河流水系、水庫湖泊等對象的基礎(chǔ)信息；各類建(構(gòu))筑物、水工2)監(jiān)測數(shù)據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指通過各類監(jiān)測感知手段獲取的狀態(tài)屬性3)氣象數(shù)據(jù)進行分析，還能對各雷達分站進行成果分析，綜合判斷降水及山洪災(zāi)害天氣態(tài)4)地理空間數(shù)據(jù)地理空間數(shù)據(jù)可通過向相關(guān)業(yè)務(wù)部門獲取高分遙感業(yè)數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)格化數(shù)據(jù)處理、物理特征提取以及三維數(shù)據(jù)建模等處理過程得到5)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)4.1.3數(shù)據(jù)融合與治理數(shù)據(jù)治理主要是面向結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)記錄、半結(jié)構(gòu)合等規(guī)范化的處理流程，通過對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行標準化處理和融合處理提升1)數(shù)據(jù)抽取將采集和接入的各類數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的標準進行入庫，完成將不同數(shù)據(jù)源中的格式的統(tǒng)一，由于不同數(shù)據(jù)源使用的數(shù)據(jù)庫類型均不相同，當(dāng)數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)資源池使用不同關(guān)系型數(shù)據(jù)庫時，就需先將源數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)文件進行抽取轉(zhuǎn)換，再2)數(shù)據(jù)清洗3)數(shù)據(jù)篩查4)數(shù)據(jù)管控數(shù)據(jù)管控是對數(shù)據(jù)資源全生命周期的過程控制和質(zhì)量監(jiān)督，通過規(guī)范化的數(shù)5)數(shù)據(jù)服務(wù)務(wù)鏈能實現(xiàn)不同層級間水利部門的數(shù)據(jù)交互，提供實時數(shù)據(jù)上傳以及和部、省、1)建設(shè)范圍點山洪危險區(qū)等目標區(qū)域開展，目前選取2個試點小流域，小流域選取建模面積共為82.6km2,主要為水壩河沿河兩岸，以河壩為起點，覆蓋下游等重點區(qū)域及村2)三維場景化展示地理平臺進行直觀展示，為"四預(yù)"一體化應(yīng)用的實現(xiàn)提供全面的數(shù)據(jù)支撐。3)空間分析服務(wù)用于海量空間位置信息參與并且實時性要求較高的分析挖掘，主要應(yīng)用于山洪災(zāi)4)可視化服務(wù)5)基礎(chǔ)信息渲染加載基礎(chǔ)幾何基元等地理信息數(shù)據(jù)以及水利業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可視化，同時通過數(shù)據(jù)服務(wù)接模型進行結(jié)合，基于統(tǒng)一時空框架將多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、分析的結(jié)果進行多維融合展6)二三維場景可視化快速完成數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)瀏覽、圖層狀態(tài)控制等，支持三維虛擬地球(37)實時模擬仿真三維場景建模為“地理場景建模”和“地物實體建?！眱刹糠帧Ｇ罢咧饕?.1.5歷史場景庫基于目前做的可視化場景，在人員分布情況動態(tài)統(tǒng)計、預(yù)警信息精準發(fā)布、歷史場景等方面來驗證小流域四預(yù)體系是否準確。本項目要建議結(jié)合小流域歷算法建設(shè)應(yīng)在已建設(shè)的我省山洪災(zāi)害防治區(qū)分布式水文模型、實現(xiàn)全省小成覆蓋山洪災(zāi)害防治區(qū)的分布式水文模型集群，補充建設(shè)重點地區(qū)基于分布式4.2.1降雨異常識別與融合模型4.2.2分布式水文模型集群建設(shè)1)建設(shè)內(nèi)容省山洪災(zāi)害防治區(qū)的分布式水文模型，實現(xiàn)全省小流域洪水分析模擬的模塊化構(gòu)建和統(tǒng)一管理。在已建設(shè)的我省山洪災(zāi)害防治區(qū)分布式垂向混合產(chǎn)流模型的2)建設(shè)流程***山洪災(zāi)害防治區(qū)的分布式水文模型建設(shè)流程是在收集的基礎(chǔ)資料的基礎(chǔ)用和土壤質(zhì)地等網(wǎng)格數(shù)據(jù)的處理分析。然后根據(jù)流域特點和下墊面特征進行水文的水文計算分區(qū)構(gòu)建相應(yīng)的預(yù)報模型，分布式垂向混合產(chǎn)流模型、分布式新安江定，編制河系洪水預(yù)報方案，最后將預(yù)報模型和方案用于山洪災(zāi)害防治區(qū)的實時預(yù)報模型預(yù)報模型分布式水文模型建模流程3)數(shù)據(jù)需求***山洪災(zāi)害防治區(qū)的分布式水文模型建設(shè)需要的數(shù)據(jù)資料主要包括本次項河道水系分布圖。雨量站、水文站、水位站、蒸發(fā)站等站點信息(如站點名稱、經(jīng)緯度，分布圖、控制面積)。項目研究區(qū)域內(nèi)所有的雨量站點的日降雨、場次洪水降雨。項目研究區(qū)域內(nèi)所有的蒸發(fā)站點的日蒸發(fā)數(shù)據(jù)。項目研究區(qū)域內(nèi)所有的水文站和水位站點的日流量、場次洪水流量。水文站和水位站點水位流量關(guān)系曲線。在試點小流域集成應(yīng)用適合山丘區(qū)溝道洪水模擬和淹力學(xué)模型，支持分布式GPU并行計算，具備溝道一維洪水演進模擬和二維演進及淹沒分析能力，可分析模擬路堤、橋涵、堰壩密耦合，基于上游控制斷面洪水預(yù)報信息和產(chǎn)匯流信息2)二維水動力模型針對山洪災(zāi)害防治區(qū)內(nèi)地表不同構(gòu)筑物的影響，進行洪水淹沒演進計算，生成4)水文水動力模型耦合：通過集中入流和旁側(cè)入流兩種來水匯入水動力模型，實時模擬水深、流速、洪水演進(1)一維模型建?？紤]河道、湖泊等不同水體單元的緊密耦合，基于上游控平原區(qū)區(qū)間產(chǎn)匯流信息，構(gòu)建重點山洪災(zāi)害防治區(qū)的河道洪一維河網(wǎng)模型的構(gòu)建過程如下圖所示。一維河網(wǎng)模型構(gòu)建工作主要包括河道斷面數(shù)據(jù)處理、左右堤頂確定、節(jié)點概化、閘壩等水工建筑物的添加等。1)河道斷面數(shù)據(jù)處理：將山洪災(zāi)害防治區(qū)干流及重要支流的河道縱斷面處理成模型需要的標準格式。標準格式主要包括“河段.XLS”和各“河道斷面.XLS”表，其中"河段.XLS"表格主要用來確定河道中心線位置，包括河道名稱、河道中心線的坐標(投影坐標系),所有的河道中心線均在同一個“河段.XLS”表格中。“河道斷面.XLS”包括河道屬性表和河道形狀表，其中河道屬性表數(shù)據(jù)主要包括斷面名稱、樁號、左右岸坐標(投影坐標系)、主槽糙率、灘地糙率，河道形狀表主要包括河道橫斷面形狀(起始點-高程);2)左右堤頂確定：確定每個斷面左右堤頂?shù)奈恢?，并在模型中進行相應(yīng)的堤3)節(jié)點概化：將河道上游斷面、下游斷面及有支流匯入的斷面進行節(jié)點概化；4)閘堰等水工建筑物的添加：流域內(nèi)建有的閘、堰、壩、水電站等聯(lián)系要素在模型中進行相應(yīng)的設(shè)置。河道中心線件型理一維河道建模流程(2)二維模型建模流程河道區(qū)域其他區(qū)域網(wǎng)格劃分方案構(gòu)建邊界條件地形高程高程插值方案管理高程插值首先構(gòu)建好重點山洪災(zāi)害防治區(qū)的干流、重要支流的一維模型和二維模型，然后將一維河道、二維地表模型進行側(cè)向連接的耦合，并進行參數(shù)及邊界條件的設(shè)置，完成一二維耦合水動力模型的構(gòu)建。心線線插值力模型一二維耦合模型建模流程項目研究區(qū)域高精度DEM數(shù)據(jù)(不低于1:10000的比例尺，即高于5m精度的DEM數(shù)據(jù))。項目研究區(qū)域河道斷面數(shù)據(jù)。水庫、堤防、滾水壩和主要橋梁、涵洞、渠道構(gòu)筑物設(shè)計報告和圖紙，內(nèi)含工程水文、地質(zhì)、加固設(shè)計等內(nèi)容。各類工程分布圖、防洪標準、防洪特征水位、水庫運用條件和調(diào)度運用方案等。地區(qū)防洪規(guī)劃報告及經(jīng)批準防洪應(yīng)急搶險預(yù)案等資料。歷史洪澇災(zāi)害情況包括典型歷史洪水過程、上游水庫調(diào)度方案、分洪區(qū)啟用方案、堤防潰決情況、淹沒范圍和淹沒水深(水位)等調(diào)查報告或統(tǒng)計數(shù)據(jù)。、建設(shè)內(nèi)容主要建筑物及一般機電設(shè)備BIM精細度等級應(yīng)達到LOD2.0,閘門等關(guān)鍵機電設(shè)1)分析山洪災(zāi)害防治區(qū)洪水時空分布及成因、支流與干流洪水遭遇的規(guī)律；選擇2)以整個流域為研究對象，分析防洪任務(wù)，分別擬定3)結(jié)合預(yù)報信息，自上而下的空間和時間順序逐級調(diào)度。據(jù)，詳細資料收集清單如下表所示。資料收集之后要進行水利工程分布圖水庫特征水位、水位-庫容關(guān)系曲線、泄流曲線、庫水位-水面面積關(guān)系水庫防洪要求以及下游防護對象的洪水標準水庫、水閘、蓄滯洪區(qū)調(diào)度運用方案與規(guī)則水庫、水閘、堤防、蓄滯洪區(qū)設(shè)計報告和圖紙，內(nèi)含工程水文、地質(zhì)、加固設(shè)計等內(nèi)容。主要阻水建筑物分布、尺寸地區(qū)防洪規(guī)劃報告、預(yù)案；歷史洪澇災(zāi)害情況包括典型歷史洪水過程和調(diào)度過程?？梢暬Ｐ桶ɑ贚1級大場景數(shù)字模型、L2級區(qū)域高精度三維數(shù)字模型和L3級工程三維孿生模型，以及山洪過程模擬結(jié)果的三維可視化模型?？梢暬Ｐ椭С謱?dǎo)入BIM、OBJ、GIS、3DS等模型文件，還可支持傾斜攝影影像OSGB格式文件，完成與數(shù)據(jù)底板的融合，實現(xiàn)二、三維可視化模型環(huán)境的搭建，為水文、水動力計算結(jié)果三維可視化展示、影響區(qū)域和成災(zāi)過程三維可視化基于以上模型建設(shè)要求，小流域水文預(yù)警精準度不低于60%、水動力模型的模擬分析時間不長于5分鐘、模型和地圖加載速度不長于10秒。4.3"四預(yù)"功能展示"四預(yù)”建設(shè)主要是通過在小流域內(nèi)布設(shè)的監(jiān)測設(shè)備，建立“監(jiān)測數(shù)據(jù)閾于購買的國產(chǎn)化GIS平臺，采用B/S服務(wù)架構(gòu)進行開發(fā)部署，部署在省級山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺上。4.3.1預(yù)報基于目前省級山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺對接了短時預(yù)報、短期預(yù)報、中期預(yù)報、山洪氣象預(yù)警、雷達圖和衛(wèi)星云圖等數(shù)據(jù)，需要在此基礎(chǔ)上對預(yù)報氣象實況進行分析，包括氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)展示，衛(wèi)星云圖分析展示、雷達回波分析展示和天氣情況數(shù)據(jù)展示。、氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)展示基于氣象降水預(yù)報數(shù)據(jù)，形成覆蓋全范圍的網(wǎng)格化化面降水，對面降水?dāng)?shù)據(jù)、降水極值、暴雨中心等要素進行綜合分析，并實現(xiàn)任意網(wǎng)格位置的逐小時降水過程數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計。、衛(wèi)星云圖分析展示根據(jù)風(fēng)云衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)，對轄區(qū)及周邊區(qū)域的云層走勢、形狀及厚度進行態(tài)勢綜合掌握，生成衛(wèi)星云圖綜合分析圖，可與各種成果疊加分析，并實現(xiàn)任意4.3.2預(yù)警山洪災(zāi)害風(fēng)險預(yù)警將開展未來1天，有條件的地區(qū)可補充開展未來6小時或12小時的加密風(fēng)險預(yù)警。能查看未來1天(有條件地區(qū)可查看未來6小時或12小時)小流域范圍內(nèi)不同等級山洪災(zāi)害風(fēng)險的落區(qū)，以地圖和列表的方式展示風(fēng)險預(yù)警分為藍色(可能發(fā)生)、黃色(可能性較大)、橙色(可能性大)和紅色(可能性很大)四個等級。雨量預(yù)警應(yīng)以實測降雨和0~3小時臨近預(yù)報降雨作為預(yù)警雨量，以分布式水文水動力模型的洪水預(yù)報結(jié)果作為雨量預(yù)警，對比分析得到村莊、河段的不同預(yù)動態(tài)雨量預(yù)警預(yù)見期一般為3-6小時。4.3.3預(yù)演山洪預(yù)演將以小流域內(nèi)城鎮(zhèn)、重要集鎮(zhèn)、重要基礎(chǔ)設(shè)施(變電站、醫(yī)院、學(xué)校、養(yǎng)老院等)為對象，設(shè)定典型降雨過程、不同頻率極端降雨或未來降雨預(yù)1)降水情景設(shè)置同等級、量級的降水情況作為模擬預(yù)演的前置條件，為小流域提供定制化的預(yù)演2)洪水情景設(shè)置同量級、頻率的洪水作為模擬預(yù)演的水情前置條件，為小流域提供個性化的預(yù)演3)工況情景設(shè)置3)情景管理基于設(shè)置及城鎮(zhèn)、重要集鎮(zhèn)、重要基礎(chǔ)設(shè)施(變電站、醫(yī)院、學(xué)校、養(yǎng)老院等)的淹沒過的地區(qū)可接入實時移動熱力圖數(shù)據(jù)，分析確定淹沒區(qū)域