一种水生态景观的数字孪生设计方法及系统

本发明涉及生态景观设计，具体为一种水生态景观的数字孪生设计方法及系统。

背景技术：

1、在城市规划与生态环境保护领域，河堤景观带的设计与维护一直备受关注，随着城市化进程的不断推进，人们对于河堤景观的美化、生态功能的提升以及防洪排涝安全问题的关注也日益增加，传统的河堤景观设计往往依赖于人工经验和二维图纸，缺乏对于实际环境的准确模拟和深度评估，同时，面对气候变化自然灾害的挑战，传统设计方法往往无法充分考虑不同汛期水位对于景观及人工设施的影响，导致景观功能的降低和维护成本的增加；

2、传统河堤景观设计存在以下不足之处：

3、缺乏对于水位变化对景观影响的准确模拟：传统设计方法无法准确模拟汛期水位变化对于水生植物生长及人工设施破坏的影响，导致设计结果与实际环境存在较大偏差；

4、生态功能评估不全面：传统方法往往只重视景观的美化效果，而忽视了景观的生态功能评估，导致在水位变化等极端条件下，景观的生态功能无法得到有效保障；

5、设施维护成本高：传统设计缺乏针对不同水位条件下人工设施的评价与设计，导致在汛期过后需要大量维护成本来修复损坏的人工设施，增加了维护管理的难度与成本；

6、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种水生态景观的数字孪生设计方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种水生态景观的数字孪生设计方法，具体步骤包括：

4、步骤s1、对当前河堤景观带进行三维建模，形成数字孪生模型，并使用数字孪生模型模拟汛期水位变化情况，以获取在不同水位下，水生态景观的淹没数据与人工设施的损坏数据；

5、步骤s2、对水生态景观的淹没数据进行分析处理，生成第一设计评价指数，该指数能够在不同汛期水位时，对适应淹水环境的水生植物类型进行设计评价，形成第一评价结果，以保持景观的生态功能；

6、步骤s3、对人工设施的损坏数据进行分析处理，生成第二设计评价指数，该指数能够在不同汛期水位时，对设置的不同人工设施进行设计评价，形成第二评价结果，以减少汛期过后对于人工设施的维护成本；

7、步骤s4、采集当前河堤景观带的生态维护成本数据和设施维护成本数据，并进行分析处理，依次生成第一调整因子和第二调整因子；

8、步骤s5、获取第一设计评价指数和第一调整因子，并进行分析处理，构建第一调整模型，该模型能够对第一评价结果提供调整策略；

9、获取第二设计评价指数和第二调整因子，并进行分析处理，构建第二调整模型，该模型能够对第二评价结果提供调整策略。

10、进一步地，所述水生态景观的淹没数据具体包括水位数据、植物生存状态数据和植物种类适用性数据，并对水位数据标记为sw、对植物生存状态数据标记为zwzt，对植物种类适用性数据标记为zwzl；

11、所述人工设施的损坏数据具体包括损坏程度、结构物年限、修复费用，并对损坏程度标记为shcd、对结构物年限标记为jgt、对修复费用标记为xfm；

12、所述生态维护成本数据包括生态恢复费用、生态监测费用、预防费用、间接经济影响费用；对生态恢复费用标定为ecr，对生态监测费用标定为ecm，对预防费用标定为ecp，对间接经济影响费用标定为eci；并定义第一调整因子为f1，计算公式表示为：

13、f1＝b1×ecr+b2×ecm+b3×ecp+b4×eci

14、其中，b1、b2、b3、b4为权重因子，且b1、b2、b3、b4为非负数，b1+b2+b3+b4＝1；

15、所述设施维护成本数据包括修复费用、维护费用、升级费用和操作费用；对修复费用标定为fcr，对维护费用标定为fcm，对升级费用标定为fcu，对操作费用标定为fco；

16、定义第二调整因子为f2为：

17、f2＝c1×fcr+c2×fcm+c3×fcu+c4×fco

18、其中c1、c2、c3、c4为权重因子，且c1、c2、c3、c4为非负数，c1+c2+c3+c4＝1。

19、进一步地，设定s1为第一设计评价指数，公式表达式如下：

20、

21、公式解释，swj表示第j个汛期水位数据，zwzti表示第i个植物的生存状态数据，zwzli表示第i个植物种类适用性数据，n为植物种类总数，μ1为植物生存状态的均值，σ1为植物生存状态的标准差；设定s1的值域取值范围在(0.1,1)之间，基于该值域，所述第一评价结果如下：

22、当s1值越接近1时，代表水生植物对于不同汛期水位的适应性越高；

23、当s1值越接近0.1时，水生植物的适应性较低；将s1的值域(0.1,1)划分为五个连续区间，各区间水生植物的适应性评价依次为极佳、良好、一般、较差和极差的等级。

24、进一步地，对第二设计评价指数定义为s2，计算公式如下所示：

25、

26、其中，s2代表经过归一化处理后的第二设计评价指数，用于评价不同汛期水位下人工设施的设计适应性，shcdu表示第u个人工设施的损坏程度，jgtu表示第u个人工设施结构物的年限，xfmu表示第u个人工设施的修复费用，m为人工设施总数；

27、设定s2公式的值域范围在(0,1)之间；所述第二评价结果包括将s2的值域(0,1)细分为五个连续具体区间，每个区间对应不同的设计适应性级别，分别为低适应性、较低适应性、中等适应性、较高适应性和高适应性区间。

28、进一步地，所述获取第一设计评价指数和第一调整因子，并进行分析处理，构建第一调整模型，具体包括以下内容：

29、定义第一调整模型为dy，计算公式如下：

30、

31、其中，s1是第一设计评价指数；f1是第一调整因子；d1,d2和d3是调整系数，用以平衡s1和f1在模型中的贡献；

32、所述该模型能够对第一评价结果提供调整策略，具体包括以下内容；

33、当dy∈[0.9,1)时，对适应淹水环境的水生植物类型评价为适应性95％，美观性90％；

34、调整策略为生态维护措施，如果f1增加1％，dy下降0.05％，在生态维护成本增加时，需要减少0.05％的调整幅度来维持现有适应性和美观性；对生态维护投入的增加不超过2％以维持当前状态；

35、当dy∈[0.7,0.9)时，对适应淹水环境的水生植物类型评价为适应性85％，美观性80％；

36、调整策略为增加生态维护投入，如果f1增加1％，dy下降0.1％，这表示需要增加1％的生态维护投入，来抵消植物适应性的轻微下降；预计每下降10cm，需要增加生态维护成本的5％来保持植物的适应性；

37、当dy∈[0.5,0.7)时，对适应淹水环境的水生植物类型评价为适应性70％，美观性65％；

38、调整策略为重大调整生态维护策略，考虑更换植物种类，如果f1增加1％，dy下降0.15％，在这个区间，植物的适应性中等，增加生态维护投入将需要更显著的调整来实现改善；推荐更换20％的植物种类，以增加整体景观的适应性和美观性；

39、当dy∈[0.3,0.5)时，对适应淹水环境的水生植物类型评价为适应性50％，美观性40％；

40、调整策略为大规模生态重建，包括植物更换和水域重塑，如果f1增加1％，dy下降0.2％，在适应性较差的情况下；建议进行至少30％的植物更换，并需要重新设计水域布局以提高生态功能；

41、当dy∈(0.0,0.3)时，对适应淹水环境的水生植物类型评价为适应性30％，美观性20％；

42、调整策略为全面重建和重设生态系统，如果f1增加1％，dy下降0.25％，这是最低的适应性区间，需要彻底的策略重新设计；推荐重建50％以上的水生植物区，并调整整个水域的管理策略。

43、进一步地，所述获取第二设计评价指数和第二调整因子，并进行分析处理，构建第二调整模型，具体包括以下内容：

44、设定第二调整模型为t2，其计算公式如下：

45、

46、在这个公式中，t2代表第二调整模型的输出，表示对第二设计评价结果的调整程度；

47、s2为第二设计评价指数，用于评价不同汛期水位下人工设施的设计适应性；

48、f2为第二调整因子，表示设施维护成本对调整的影响；

49、c1,c2,c3,c4为权重因子，分别表示维护成本中修复费用、维护费用、升级费用和操作费用的权重；

50、对第二调整模型t2进行归一化量化处理，以使其值域范围为(0,1)，并将该值域范围划分为若干个区间，第二调整模型t2取值在不同区间能够对第二评价结果提供相应调整策略，具体包括以下内容：

51、当t2取值在区间(0,0.2)时，在此区间，人工设施的设计在当前汛期水位sw下非常不适应；

52、调整策略为针对低适应性的情况，对当前设计量进行大幅度的调整，根据损坏程度超过70％、结构物年限不足30％的预期寿命、修复费用超过设计初始成本的60％的情况，调整当前设计量的90％以上；

53、当t2取值在区间[0.2,0.4)时，为较低适应性，调整策略为对较低适应性的设计，需要进行中等程度的调整，根据损坏程度介于50％到70％之间、结构物年限达到30％到50％的预期寿命、修复费用为设计初始成本的40％到60％的情况，调整当前设计量的50％至60％之间；

54、当t2取值在区间[0.4,0.6)时，为中等适应性，调整策略为对中等适应性的设计，需要进行轻微调整，根据损坏程度介于30％到50％之间、结构物年限达到50％到70％的预期寿命、修复费用为设计初始成本的20％到40％的情况，调整当前设计量的20％至33％之间；

55、当t2取值在区间[0.6,0.8)时，为较高适应性，调整策略为对较高适应性的设计，只需进行轻微调整，根据损坏程度低于30％、结构物年限超过70％的预期寿命、修复费用低于设计初始成本的20％的情况，调整当前设计量的15％至23％之间；

56、当t2取值在区间[0.8,1)时，为高适应性，调整策略为高适应性的设计，无需改进，根据损坏程度低于10％、结构物年限达到或超过预期寿命的90％、修复费用低于设计初始成本的10％的情况，无需调整当前设计量。

57、一种水生态景观的数字孪生设计系统，所述系统用于执行所述的水生态景观的数字孪生设计方法，包括：

58、数据获取模块：用于对当前河堤景观带进行三维建模，形成数字孪生模型，并使用数字孪生模型模拟汛期水位变化情况，以获取在不同水位下，水生态景观的淹没数据与人工设施的损坏数据；

59、第一指数生成模块：用于对水生态景观的淹没数据进行分析处理，生成第一设计评价指数，该指数能够在不同汛期水位时，对适应淹水环境的水生植物类型进行设计评价，形成第一评价结果，以保持景观的生态功能；

60、第二指数生成模块：用于对人工设施的损坏数据进行分析处理，生成第二设计评价指数，该指数能够在不同汛期水位时，对设置的不同人工设施进行设计评价，形成第二评价结果，以减少汛期过后对于人工设施的维护成本；

61、调整因子生成模块：用于采集当前河堤景观带的生态维护成本数据和设施维护成本数据，并进行分析处理，依次生成第一调整因子和第二调整因子；

62、模型构建模块：用于获取第一设计评价指数和第一调整因子，并进行分析处理，构建第一调整模型，该模型能够对第一评价结果提供调整策略；

63、获取第二设计评价指数和第二调整因子，并进行分析处理，构建第二调整模型，该模型能够对第二评价结果提供调整策略。

64、与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过引入数字孪生技术，能够在三维环境中准确模拟汛期水位变化对于景观及人工设施的影响，实现了对于景观生态功能与设施维护成本的全面评估与设计，此外，结合第一、第二设计评价指数以及对应调整因子构建的调整模型，能够针对不同汛期水位提供个性化的景观设计与维护策略。