(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111503024.5 (22)申请日 2021.12.10 (71)申请人 浙江水利水电学院 地址 310000 浙江省杭州市经济技 术开发 区2号大街5 08号 (72)发明人 聂俊坤　徐存东　华尔天　秦子鹏　 (74)专利代理 机构 郑州明华专利代理事务所 (普通合伙) 41162 代理人 王明朗 (51)Int.Cl. G06Q 10/06(2012.01) G06Q 50/26(2012.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 基于数字孪生的国土空间全域全要素防洪 防涝系统及预警方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于数字孪生的国土空 间全域全要素防洪防涝系统和预警方法。 具体是 通过构建防洪防涝系统实现实现国土空间全域 全要素的洪水、 涝水预报及预警， 其中， 防洪防涝 系统包括国土空间全域全要素智能感知单元、 国 土空间全域全要素数字孪生体系单元、 国土空间 全域全要素洪水、 涝水预报单元以及国土空间全 域全要素的洪灾、 涝灾预警与决策支持单元， 该 系统能够面向国土空间构建全域洪涝管控工作 范围与全要素保护对象覆盖， 在覆盖不同国土全 空间类型的同时， 能够1:1数字化映射并全面真 实模拟、 动态仿真、 可视化展示国土空间内不同 要素的所面临的防洪防涝风险， 从而实现国土空 间全域全 要素的洪灾、 涝灾预警与决策支持。 权利要求书4页 说明书15页 附图2页 CN 114240119 A 2022.03.25 CN 114240119 A 1.一种基于数字孪生的国土空间全域全要素防洪防涝预警方法， 其特征在于： 包括以 下步骤： 步骤一、 构建国土空间全域全要素的数字孪生本底数据库； 录入目标国土空间范围内 的不同重现期的降水数据、 河湖水系数据、 水文数据、 下垫面地形数据， 储存至数字孪生本 底数据库中； 同时动态衔接目标国土空间范围内的气象数据、 国土空间开 发建设数据、 国土 空间范围周边的流域上下游水文 水力条件数据， 实时传输至所构建的数字孪生本底数据库 中； 步骤二、 构建国土空间全域全要素的数字孪生流域： 基于河湖水系干支流、 水利工程、 下垫面地形数据、 城乡排水系统， 划分构建覆盖国土空间全域空间的流域， 对国土空间范围 内的物理流域、 自然要素、 经济社会信息进行全要素 的数字化映射并构建数字化孪生流域 系统； 构建耦合数字化孪生 流域的国土空间全域全要素 数字洪涝模拟器； 步骤三、 构建降水数据库： 通过统计历史降水数据并结合区域暴雨图集、 水文手册以及 多源降水预报产品， 生成覆盖 国土空间全域空间的不同重现期降水数据库； 结合气象预报 数据动态更新优化降水 数据库， 实现降水 数据与数字 孪生流域之间的动态同步 性； 步骤四、 覆盖国土空间全域的洪水、 涝水预报： 将降水数据与构建的数字化孪生流域系 统耦合， 构建国土空间数字化孪生流域的水文水动力仿真模型， 实时模拟预报洪水与涝水 水情； 步骤五、 覆盖国土空间全域全要素的洪灾、 涝灾预警与决策支持： 依据洪灾、 涝灾预警 级别标准， 智慧辨识覆盖 国土空间范围内洪灾、 涝灾风险等级， 根据实时洪水水情、 降雨雨 情， 实时滚动生成洪灾、 涝灾预警信息， 并可视化预警展示洪灾、 涝灾 风险位置与致 灾灾情。 2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的国土空间全域全要素防洪防涝预警方法， 其 特征在于： 步骤二中国土空间全域全要素 数字洪涝模拟器的构建包括以下步骤： S1、 构建覆盖全域国土空间的水文水动力模型： 基于数字孪生流域、 降水数据库数据， 模拟流域内河湖水系与 洪涝淹没范围的水文 水动力过程， 通过对比水文实测资料、 规划、 设 计、 施工方案与模拟结果的偏差， 率定与优选所构建水文水动力学模 型选取的参数， 智能感 知识别遥感、 航拍等历史洪涝灾害数据， 深度学习并动态优化构建的覆盖全域国土空间的 水文水动力模型； S2、 构建边界条件模块： 综合考虑国土空间所处流域的上下游洪水管控要求， 基于统一 的河湖水系、 城市空间、 乡镇空间、 村庄空间、 地上 空间、 地下空间的防洪、 防涝标准， 结合上 述构建的覆盖全域国土空间的水文水动力模型， 动态优化模型中河湖水系 上游来水量、 下 泄水量、 堤防工程、 内涝淹没水深、 内涝退水时间等水力边界条件， 构建真实感知反映国土 空间内的自然 要素、 社会要素与数字 孪生流域水力关系的数字边界条件 模块； S3、 构建全景仿真模型： 基于模拟辨识的河湖水系、 城市空间、 乡镇空间、 村庄空间、 地 上空间、 地下空间的洪水漫堤、 内涝淹没等险情， 可视化仿真、 定量化呈现国土空间全域内 洪水、 涝水灾害场景， 精准化支撑洪涝灾害防御与救灾决策； 并通过事前模拟支撑制定最优 化的防洪防涝预案 。 3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的国土空间全域全要素防洪防涝预警方法， 其 特征在于： 采用SCE ‑UA算法与水文实测资料、 规划、 设计、 施工方案相结合的方法对水文水 动力学模型选取的参数进行率定与优选， 参数优选与率定的具体过程包括以下步骤：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114240119 A 2（1） 生成初始参数组： 基于SCE ‑UA算法设定初始水文水动力参数、 迭代次数、 模型收敛 准则以及 模型优化的似然函数， 根据水文实测资料、 规划、 设计、 施工方案数据， 基于矩法优 选率定洪水、 涝水的Nash模型中的 n、k参数； 确定参数的取值优选范围并生成参数组初始 值； 其中似然函数 S(D)与均方根误差RMSE可分别表达为： 式中：D表示形状参数； N表示模拟洪水、 涝水的总次数； n表示模拟洪水、 涝水的时刻； Qsim,n、Qmea,n分别表示时刻 n时的水文模拟值与实测、 设计值； （2） 求解似然函数与 参数优化； 将上述初始参数组代入Nash模型， 推求流域洪水涝水的 径流过程并求解似然函数， 将似然函数反馈至SCE ‑UA算法优化参数组， 迭代循环该步骤直 至满足设定的模型收敛准则， 选择优化的最优 模型参数组构建水文水动力学模型。 4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的国土空间全域全要素防洪防涝预警方法， 其 特征在于： 步骤三具体包括以下步骤： S1、 确定区域不同重现期的暴雨资料： 基于国家、 省级、 市级、 县级多层级气象预报平 台、 气象站， 统计区域历史暴雨降水数据， 形成基础实测暴雨数据系列资料； 收集区域暴雨 图集、 水文手册、 统计年鉴等资料， 采用图则查阅、 数据插补等方式分析得出资料层面的暴 雨数据系列资料； 同时与区域规划、 设计、 施工以及实测资料进行对比， 校正得出区域不同 重现期的区域 暴雨资料作为模拟的降水依据； S2、 确定覆盖全域的暴雨资料： 针对无实测或统计暴雨资料的区域， 基于所得区域 10min、 1h、 3h、 6h、 24h、 3d等不同重现期的暴雨数据离散点， 采用泰森多边形法构建覆盖全 域的暴雨数据多边形网， 作图连线插补得 出覆盖全域的暴 雨资料。 5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的国土空间全域全要素防洪防涝预警方法， 其 特征在于： 构建覆盖全域的暴 雨数据多边形网包括以下步骤： （1） 构建全域暴雨数据三角网： 设区域内已获取的暴雨数据为离散点 （ Xi，Yj） （i=1,2, 3，……，k；j=1,2,3，……，k，k为暴雨数据离散点点数） ， 将区域内暴雨数据离散点用一组直 线段划分为 k个相邻的三角网； （2） 对暴雨数据离散点与三角网编号： 对与每个离散点相邻的三角形按顺时针或逆时 针方向排序； 设离散点为 f，找出以f为顶点的一个三角形设为 E； 取三角形 E除f以外的另一 顶点e，并同时找出三角形的最后一个顶点 g； 则下一个三角形必 然是以fg为边的， 即为三角 形G； 三角形G的另一顶点 为h， 则下一三角形是以fh为边的； 如此重复进行， 直到回到 fe边； （3） 构建全域暴雨数据多边形网： 绘制每个暴雨数据三角形的外接圆圆心， 根据每个暴 雨数据离散点的相邻三角形， 连接这些相邻三角形 的外接圆圆心， 即得到全域暴雨数据多 边形网。 6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的国土空间全域全要素防洪防涝预警方法， 其 特征在于： 步骤四具体包括以下步骤： S1、 基于选定的重现期的降水数据、 边界条件驱动国土空间全域全要素数字洪涝模拟 器， 模拟预报暴雨条件、 实测暴雨条件、 设计降水条件以超标 降水条件下的流域产汇流过 程、 洪水演进态 势、 涝水淹没态 势；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114240119 A 3