CN115272597A - 基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法 - Google Patents

基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法 Download PDF

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CN115272597A CN202210864476.4A CN202210864476A CN115272597A CN 115272597 A CN115272597 A CN 115272597A CN 202210864476 A CN202210864476 A CN 202210864476A CN 115272597 A CN115272597 A CN 115272597A
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Abstract

本发明公开了基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法，包括(1)从全流域、重点湖库、重点河段、重点工程、重点区域五个维度进行数字化模型建设；(2)利用多源数据实现水利数字底板的弹性更新，建立基于遥感影像、信息上报的更新预警机制；共两个步骤。本发明从全流域、重点湖库、重点河段、重要工程、重点区域五个维度进行三维数字化模型建设，为智慧水利数字化建设中三维数字孪生底板的打造提供一种标准化、流程化的思路，实现弹性和固定周期结合的水利数字孪生底板数字化模型更新，补充了水利数字孪生底板的更新问题。

Description

基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法
技术领域
本发明属于三维地理信息技术领域，尤其涉及基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法。
背景技术
智慧水利是城市管理现代化的重要标志之一，智慧水利数字孪生平台是今后重要的建设内容，可以促进水利高质量发展，在数字孪生平台中可以实现洪水、干旱、水环境污染等水利相关的“预报、预警、预演、预案”过程，实现水利过程的数字映射，对防止水灾害发生具有重要意义。为提升水利数字映像的真实性、精度等，对水利信息和过程进行三维数字化展示，水利数字孪生底板是重要的建设内容之一。目前，智慧水利数字孪生平台已经开始成为流域、省、市、县的建设内容，利用遥感卫星、无人机、人工建模、水利基础地理信息等构建水利数字孪生底板，但是水利数字孪生底板的建设机制还不够完善，尤其鲜有数字化平台考虑数字孪生底板的更新问题。
发明内容
本发明目的在于解决现有技术中存在的上述技术问题，提供基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法，能够为智慧水利数字化建设中三维数字孪生底板的打造提供一种标准化、流程化的思路，实现弹性和固定周期结合的水利数字孪生底板数字化模型更新，补充了水利数字孪生底板的更新问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在数字孪生底板建设过程中，使用实景建模和三维测绘技术，借助卫星、无人机遥感拍摄的重叠影像和地面影像，以及水下地形数据，辅以激光扫描技术，生成多空间尺度的流域级且涵盖陆地、水域的三维数字化模型，流域级三维模型采用不同尺度不同精度的分层级建设方式，从全流域、重点湖库、重点河段、重点工程、重点区域五个维度进行数字化模型建设；
(2)利用多源数据实现水利数字底板的弹性更新，建立基于卫星遥感自动发现、无人机遥感快速校核和变化区域信息上报的更新预警机制，再借助卫星、无人机拍摄的重叠影像和地面影像，以及水下地形数据，辅以激光扫描技术对全流域、重点湖库、重点河段、重点工程、重点区域五个维度进行数字化模型更新，构建不定期和固定周期结合的水利数字孪生底板数字化模型弹性更新机制。
进一步，步骤(1)包括：
(1.1)全流域地形级三维数字化模型建设，利用多分辨率遥感卫星影像和数字高程模型DEM数据构建全域三维空间信息模型，为全流域大场景提供基础地形级三维模型支持；
(1.2)重点湖库及湖库沿线数字化模型建设，并对湖库水上、水下地形数据进行整合衔接，实现湖库及其沿线一体化搭建；
(1.3)聚焦重点河段及其沿线，主要对河道水下地形和河道沿线三维实景两部分进行打造，构建河道水上水下高精度三维实景；
(1.4)利用人工建模或激光扫描技术对流域内重点关注的大坝、水闸、电站和泵站重点水利工程开展BIM建模，建立相关水利工程的三维模型；
(1.5)对重点区域进行三维倾斜摄影测量及精细化建模，对重要目标进行单体化建模；
(1.6)在统一空间坐标系内，对重点河湖及其沿线、重点河段及其沿线、重点水利工程、重点区域进行整合衔接，包括数据融合、影像均色、统一坐标系和三维模型镶嵌，以及对全流域、重点湖库、重点河段、重点区域五个层级的影像均建立影像金字塔。
进一步，步骤1.2的详细步骤为：
(1.2.1)重点湖库三维数字化模型建设中，利用湖库水下地形实测数据、卫星遥感技术构建湖库三维水下地形模型；
(1.2.2)湖库沿线数字化模型建设中，对湖库沿线构建高空间分辨率三维地形和实景模型，针对湖库及湖库沿线，利用倾斜摄影测量技术进行三维建模，航飞建模范围为湖库沿线左右岸扩展，提供倾斜摄影三维模型OSGB、数字正射影像DOM、数字高程模型DEM、数字表面模型DSM成果；对湖库沿线的口门重点水工建筑物进行单体化和精细化建模；对湖库沿线的房屋、建筑设施和农田重点目标进行单体化建模；
(1.2.3)在统一空间坐标系统中，对湖库水上、水下三维数据进行整合衔接，重点统一陆地部分DEM和水体部分DEM的垂直基准，实现整体的数字地形模型。
进一步，步骤1.3的详细步骤为：
(1.3.1)利用河道断面测量资料，对重点河段进行水下地形建模，针对重点河道已测量断面地形数据进行空间插值，获取河道水下地形DEM；
(1.3.2)河段沿线构建分辨率优于5cm的OSGB格式倾斜摄影三维模型，以及对重要部件进行单体化建模，针对河道及河段沿线，利用倾斜摄影测量技术进行三维建模，航飞建模范围为重点河道沿线左右岸各扩展0.5-1km，提供倾斜摄影三维模型OSGB、数字正射影像DOM、数字高程模型DEM、数字表面模型DSM成果；对河段沿线的口门等重点水工建筑物进行单体化和精细化建模；对房屋、建筑设施、农田等重点目标进行单体化建模，以利于后期洪水灾害评估、洪水演进；
(1.3.3)在统一空间坐标系统中，对河段水上、水下三维数据进行整合衔接，形成河道及河道沿线三维空间信息模型。
进一步，步骤2的详细步骤为：
(2.1)构建基于多时相卫星遥感数据、无人机技术、近实时上报信息的三维数字化模型变化预警机制，识别需要更新的目标或区域：
(2.2)对全流域、重点湖库、重点河段、重点水工程、重点区域五个层级的三维数字化模型进行替换更新，并保证与原三维数字化模型的空间坐标系、颜色等相融合。
进一步，步骤(2.1)的详细步骤为：
(2.1.1)利用多源遥感数据对流域内进行大尺度变化监测，基于光学遥感数据进行定期地像素级土地利用变化分析，计算土地利用发生变化的栅格占所在影像块的比例，变化栅格超过一定比例时，确定为需要更新目标或区域；
(2.1.2)利用无人机对湖库沿线、河道沿线及重点区域的水上部分疑似变化区域进行近实时核查，确认湖库沿线、河道沿线及重点区域的陆地部分变化区域；
(2.1.3)利用遥感数据对水域地形进行变化监测，识别出疑似变化区域，结合洪涝等可引起水下地形变化的事件进行分析，确定是否为需要更新的区域或目标；
(2.1.4)收集接入近实时上报信息，包括湖库地形、河道地形、重点水工程及其他单体化目标的变化信息。
进一步，步骤(2.2)的详细步骤为：
(2.2.1)结合不定期、固定周期的全流域三维数字化模型弹性更新机制，对变化栅格超过一定比例的影像块进行更新，以及对于一年未更新的影像块进行更新；
(2.2.2)重点湖库及湖库沿线三维数字化模型弹性更新中湖库及湖库沿线中确定的变化区域利用倾斜摄影技术和单体化建模进行近实时更新，以及对一定周期内未更新的区域进行更新；
(2.2.3)重点河道及河道沿线三维数字化模型弹性更新，对河道及河道沿线中确定的变化区域利用倾斜摄影技术和单体化建模进行近实时更新，以及对一定周期内未更新的区域进行更新；
(2.2.4)重点水工程三维数字化模型弹性更新，对水工程三维模型变化信息进行近实时更新，以及对一定周期内未更新的区域进行更新；
(2.2.5)重点区域三维数字化模型弹性更新，对重点区域中确定的变化区域利用倾斜摄影技术和单体化建模进行近实时更新，以及对一定周期内未更新的区域进行更新。
本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
1、本发明从全流域、重点湖库、重点河段、重要工程、重点区域五个维度进行三维数字化模型建设，使用实景建模和三维测绘技术，借助卫星、无人机拍摄的重叠影像和地面影像，以及水下地形数据，辅以激光扫描技术，生成多空间尺度的流域级涵盖陆地、水域的三维数字化模型，为智慧水利数字化建设中三维数字孪生底板的打造提供一种标准化、流程化的思路。
2、数据更新维护是系统平台的重要部分。本发明提出一种基于多源数据的水利数字底板的弹性更新方法，建立基于遥感影像大尺度监测、无人机核查、信息上报的更新预警机制，对全流域、重点湖库、重点河段、重点工程、重点区域五个维度进行数字化模型更新，实现弹性和固定周期结合的水利数字孪生底板数字化模型更新，补充了水利数字孪生底板的更新问题。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法：
(1)在数字孪生底板建设过程中，使用实景建模和三维测绘技术，借助卫星、无人机拍摄的重叠影像和地面影像，以及水下地形数据，辅以激光扫描技术，生成多空间尺度的流域级且涵盖陆地、水域的三维数字化模型，流域级三维模型采用不同尺度不同精度的分层级建设方式，从全流域、重点湖库、重点河段、重点工程、重点区域五个维度进行数字化模型建设；
(1.1)全流域地形级三维数字化模型建设。利用多分辨率遥感卫星影像，如利用2m空间分辨率的卫星遥感影像、30m空间分辨率的DEM数据等构建全域三维空间信息模型，为全流域大场景提供基础地形级三维模型支持。
(1.2)重点湖库及湖库沿线数字化模型建设，并对湖库水上、水下地形数据进行整合衔接，实现湖库及其沿线一体化搭建，具体包括以下步骤：
(1.2.1)重点湖库三维数字化模型建设中，利用湖库水下地形实测数据、遥感技术构建太湖三维水下地形模型。
(1.2.2)湖库沿线数字化模型建设中，对湖库沿线构建高空间分辨率(如：优于5cm)三维地形和实景模型，具体包括以下步骤：
(1.2.2.1)针对湖库及湖库沿线，利用倾斜摄影测量技术进行三维建模，航飞建模范围为湖库沿线左右岸扩展(如：各扩展0.5-1km)，提供倾斜摄影三维模型(OSGB格式)、数字正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)、数字表面模型(DSM)等成果。
(1.2.2.2)对湖库沿线的口门等重点水工建筑物进行单体化和精细化建模。
(1.2.2.3)对湖库沿线的房屋、建筑设施、农田等重点目标进行单体化建模，以利于后期洪水灾害评估、洪水演进等。
(1.2.3)在统一空间坐标系统中，对湖库水上、水下三维数据进行整合衔接，重点统一陆地部分DEM和水体部分DEM的垂直基准，实现整体的数字地形模型。具体内容包括：
(1.3)聚焦重点河段及其沿线，主要对河道水下地形和河道沿线三维实景两部分进行打造，构建河道水上水下高精度三维实景，具体包括以下步骤：
(1.3.1)利用河道断面测量资料，对重点河段进行水下地形建模。针对重点河道已测量断面地形数据进行空间插值，获取河道水下地形DEM。
(1.3.2)河段沿线构建分辨率优于5cm的OSGB格式倾斜摄影三维模型，以及对重要部件进行单体化建模，具体包括以下步骤：
(1.3.2.1)针对河道及河段沿线，利用倾斜摄影测量技术进行三维建模，航飞建模范围为重点河道沿线左右岸各扩展0.5-1km，提供倾斜摄影三维模型(OSGB)、数字正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)、数字表面模型(DSM)等成果。
(1.3.2.2)对河段沿线的口门等重点水工建筑物进行单体化和精细化建模。
(1.3.2.3)对房屋、建筑设施、农田等重点目标进行单体化建模，以利于后期洪水灾害评估、洪水演进等。
(1.3.3)在统一空间坐标系统中，对河段水上、水下三维数据进行整合衔接，形成河道及河道沿线三维空间信息模型。
(1.4)利用人工建模或激光扫描技术对流域内重点关注的大坝、水闸、电站、泵站等重点水利工程开展BIM建模，建立相关水利工程的三维模型，具体内容包括：依据各水利枢纽专业施工图纸、建筑、结构专业图纸，辅以激光扫描技术，对重点水工建筑物进行BIM建模，满足LOD200-LOD300，且模型部件包含工程结构、闸室、闸门、启闭机房、检修桥、主控机房、上下游、围挡、门禁、周边环境等。
(1.5)对重点区域进行三维倾斜摄影测量及精细化建模，对重要目标进行单体化建模。
(1.6)在统一空间坐标系内，对重点河湖及其沿线、重点河段及其沿线、重点水利工程、重点区域进行整合衔接，具体内容包括数据融合、影像均色、统一坐标系、三维模型镶嵌等，以及对全流域、重点湖库、重点河段、重点区域五个层级的影像均建立影像金字塔。
(2)利用多源数据实现水利数字底板的弹性更新，建立基于遥感影像、信息上报的更新预警机制，再借助卫星、无人机拍摄的重叠影像和地面影像，以及水下地形数据，辅以激光扫描技术对全流域、重点湖库、重点河段、重点工程、重点区域五个维度进行数字化模型更新，构建弹性和固定周期结合的水利数字孪生底板数字化模型更新机制。
(2.1)构建基于多时相卫星遥感数据、无人机技术、近实时上报信息的三维数字化模型变化预警机制，识别需要更新的目标，具体包括以下步骤：
(2.1.1)利用多源遥感数据对流域内进行大尺度变化监测，基于光学遥感数据进行定期地像素级土地利用变化分析，如频次为半年一次，识别出全流域疑似变化区域。
(2.1.2)利用无人机对湖库沿线、河道沿线及重点区域的水上部分疑似变化区域进行近实时核查，确认湖库沿线、河道沿线及重点区域的陆地部分变化区域。
(2.1.3)利用遥感数据对水域地形进行变化监测，如频次为1年一次，识别出疑似变化区域，利用无人机对湖库、河道沿线对疑似变化区域进行近实时核查。
(2.1.4)收集接入近实时上报信息，包括湖库地形、河道地形、重点水工程及其他单体化目标的变化信息。
(2.2)对全流域、重点湖库、重点河段、重点水工程、重点区域五个层级的三维数字化模型进行替换更新，并保证与原三维数字化模型的空间坐标系、颜色等相融合，具体包括以下步骤：
(2.2.1)结合弹性、固定周期的全流域三维数字化模型更新。计算步骤(2.1.1)土地利用发生变化的栅格占所在影像块的比例，变化栅格超过一定比例时，如0.1％，对影像块进行更新，以及对于1年未更新的影像块进行更新。
(2.2.2)重点湖库及湖库沿线三维数字化模型弹性更新。对步骤(2.1.2)、(2.1.3)、(2.1.4)中湖库及湖库沿线中确定的变化区域利用倾斜摄影技术和单体化建模进行近实时弹性更新。
(2.2.3)重点河道及河道沿线三维数字化模型弹性更新。对步骤(2.1.2)、(2.1.3)、(2.1.4)中河道及河道沿线中确定的变化区域利用倾斜摄影技术和单体化建模进行近实时弹性更新。
(2.2.4)重点水工程三维数字化模型弹性更新。对步骤(2.1.4)中的水工程三维模型变化信息进行近实时更新。
(2.2.5)重点区域三维数字化模型更新。对步骤(2.1.2)、(2.1.3)、(2.1.4)中重点区域中确定的变化区域利用倾斜摄影技术和单体化建模进行近实时弹性更新。
以上仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此。任何以本发明为基础，为解决基本相同的技术问题，实现基本相同的技术效果，所作出的简单变化、等同替换或者修饰等，皆涵盖于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在数字孪生底板建设过程中，使用实景建模和三维测绘技术，借助卫星、无人机遥感拍摄的重叠影像和地面影像，以及水下地形数据，辅以激光扫描技术，生成多空间尺度的流域级且涵盖陆地、水域的三维数字化模型，流域级三维模型采用不同尺度不同精度的分层级建设方式，从全流域、重点湖库、重点河段、重点工程、重点区域五个维度进行数字化模型建设；
(2)利用多源数据实现水利数字底板的弹性更新，建立基于卫星遥感自动发现、无人机遥感快速校核和变化信息上报的更新预警机制，再借助卫星、无人机遥感拍摄的重叠影像和地面影像，以及水下地形数据，辅以激光扫描技术对全流域、重点湖库、重点河段、重点工程、重点区域五个维度进行数字化模型更新，构建不定期和固定周期结合的水利数字孪生底板数字化模型弹性更新机制。
2.根据权利要求1所述的基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法，其特征在于：步骤(1)包括：
(1.1)全流域地形级三维数字化模型建设，利用多分辨率遥感卫星影像和数字高程模型DEM数据构建全域三维空间信息模型，为全流域大场景提供基础地形级三维模型支持；
(1.2)重点湖库及湖库沿线数字化模型建设，并对湖库水上、水下地形数据进行整合衔接，实现湖库及其沿线一体化搭建；
(1.3)聚焦重点河段及其沿线，主要对河道水下地形和河道沿线三维实景两部分进行打造，构建河道水上水下高精度三维实景；
(1.4)利用人工建模或激光扫描技术对流域内重点关注的大坝、水闸、电站和泵站重点水利工程开展BIM建模，建立相关水利工程的三维模型；
(1.5)对重点区域进行三维倾斜摄影测量及精细化建模，对重要目标进行单体化建模；
(1.6)在统一空间坐标系内，对重点河湖及其沿线、重点河段及其沿线、重点水利工程、重点区域进行整合衔接，包括数据融合、影像均色、统一坐标系和三维模型镶嵌，以及对全流域、重点湖库、重点河段、重点区域五个层级的影像均建立影像金字塔。
3.根据权利要求2所述的基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法，其特征在于：步骤(1.2)的详细步骤为
(1.2.1)重点湖库三维数字化模型建设中，利用湖库水下地形实测数据、卫星遥感技术构建湖库三维水下地形模型；
(1.2.2)湖库沿线数字化模型建设中，对湖库沿线构建高空间分辨率三维地形和实景模型，针对湖库及湖库沿线，利用倾斜摄影测量技术进行三维建模，航飞建模范围为湖库沿线左右岸扩展，提供倾斜摄影三维模型OSGB、数字正射影像DOM、数字高程模型DEM、数字表面模型DSM成果；对湖库沿线的口门重点水工建筑物进行单体化和精细化建模；对湖库沿线的房屋、建筑设施和农田重点目标进行单体化建模；
(1.2.3)在统一空间坐标系统中，对湖库水上、水下三维数据进行整合衔接，重点统一陆地部分DEM和水体部分DEM的垂直基准，实现整体的数字地形模型。
4.根据权利要求2所述的基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法，其特征在于：步骤(1.3)的详细步骤为：
(1.3.1)利用河道断面测量资料，对重点河段进行水下地形建模，针对重点河道已测量断面地形数据进行插值，获取河道水下地形DEM；
(1.3.2)河段沿线构建分辨率优于5cm的OSGB格式倾斜摄影三维模型，以及对重要部件进行单体化建模，针对河道及河段沿线，利用倾斜摄影测量技术进行三维建模，航飞建模范围为重点河道沿线左右岸各扩展0.5-1km，提供倾斜摄影三维模型OSGB、数字正射影像DOM、数字高程模型DEM、数字表面模型DSM成果；对河段沿线的口门等重点水工建筑物进行单体化和精细化建模；对房屋、建筑设施、农田等重点目标进行单体化建模，以利于后期洪水灾害评估、洪水演进；
(1.3.3)在统一空间坐标系统中，对河段水上、水下三维数据进行整合衔接，形成河道及河道沿线三维空间信息模型。
5.根据权利要求1所述的基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法，其特征在于：步骤(2)的详细步骤为
(2.1)构建基于多时相卫星遥感数据、无人机技术、近实时上报信息的三维数字化模型变化预警机制，识别需要更新的目标或区域：
(2.2)对全流域、重点湖库、重点河段、重点水工程、重点区域五个层级的三维数字化模型进行替换更新，并保证与原三维数字化模型的空间坐标系、颜色等相融合。
6.根据权利要求5所述的基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法，其特征在于：步骤(2.1)的详细步骤为：
(2.1.1)利用多源遥感数据对流域内进行大尺度变化监测，基于多时相光学遥感数据进行定期地像素级土地利用变化分析，计算土地利用发生变化的栅格占所在影像块的比例，变化栅格超过一定比例时，确定为需要更新目标或区域；
(2.1.2)利用无人机对湖库沿线、河道沿线及重点区域的水上部分疑似变化区域进行近实时核查，确认湖库沿线、河道沿线及重点区域的陆地部分变化区域；
(2.1.3)利用遥感数据对水域地形进行变化监测，识别出疑似变化区域，结合洪涝等可引起水下地形变化的事件进行分析，确定是否为需要更新的区域或目标；
(2.1.4)收集接入近实时上报信息，包括湖库地形、河道地形、重点水工程及其他单体化目标的变化信息。
7.根据权利要求5所述的基于多源数据的水利数字孪生底板生成、弹性更新方法，其特征在于：步骤(2.2)的详细步骤为：
(2.2.1)结合不定期、固定周期的全流域三维数字化模型弹性更新机制，对变化栅格超过一定比例的影像块进行更新，以及对于一年未更新的影像块进行更新；
(2.2.2)重点湖库及湖库沿线三维数字化模型弹性更新中湖库及湖库沿线中确定的变化区域利用倾斜摄影技术和单体化建模进行近实时更新，以及对一定周期内未更新的区域进行更新；
(2.2.3)重点河道及河道沿线三维数字化模型弹性更新，对河道及河道沿线中确定的变化区域利用倾斜摄影技术和单体化建模进行近实时更新，以及对一定周期内未更新的区域进行更新；
(2.2.4)重点水工程三维数字化模型弹性更新，对水工程三维模型变化信息进行近实时更新，以及对一定周期内未更新的区域进行更新；
(2.2.5)重点区域三维数字化模型弹性更新，对重点区域中确定的变化区域利用倾斜摄影技术和单体化建模进行近实时弹性近实时更新，以及对一定周期内未更新的区域进行更新。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116775792A (zh) * 2023-06-28 2023-09-19 浪潮智慧科技有限公司 一种基于dem的湖库水下地形重构方法、设备、装置及介质
CN117496084A (zh) * 2024-01-03 2024-02-02 江西师范大学 大型湖泊场景建模方法、系统、计算机设备及存储介质

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