基于数字孪生的城市生态环境设计方法及系统

本发明涉及城市生态环境设计，具体涉及基于数字孪生的城市生态环境设计方法及系统。

背景技术：

1、城市生态环境设计是指在城市规划与建设过程中，系统地考虑生态环境因素，通过科学方法和技术手段优化城市的自然环境与人类居住空间，以实现可持续发展的目标。对城市生态环境进行设计的必要性在于，随着城市化进程的加快，合理的生态环境设计能够缓解城市化带来的环境压力，改善空气质量、水资源管理、绿地分布等关键生态要素，提升居民生活质量。基于数字孪生的城市生态环境设计是指利用数字孪生技术，通过实时采集和融合多源生态数据，构建城市生态环境的虚拟仿真模型，从而精确评估不同设计方案的生态影响，并在建设和运行过程中实现动态监控与调整。这种方法的好处在于，它能够实现更加精细化和智能化的生态管理，有助于优化城市环境设计，确保城市的可持续发展和生态平衡。

2、现有的基于数字孪生的城市生态环境设计技术通过多个步骤精细化地对城市生态环境进行设计。首先，利用传感器网络、遥感技术、无人机和物联网设备等，全面实时地采集城市中的各种生态数据，如空气质量、水体质量、土壤湿度、植被覆盖率和气象数据等。这些数据经过严格的数据清理、整合和融合后，构建出一个高精度的数字孪生模型，该模型真实地反映了城市生态环境的现状。接下来，设计师和规划者使用这个数字孪生模型，对城市中不同区域和设计方案进行模拟和分析，以评估各个设计方案对生态环境的影响，具体包括对空气质量的改善效果、水资源的管理效率、植被覆盖率的变化、以及热岛效应的缓解等多个方面。基于这些模拟结果，设计师可以对方案进行优化，通过多目标优化算法，平衡城市发展与生态保护之间的关系，最终选择最优方案。此外，在城市建设和运行阶段，数字孪生模型继续发挥作用，实时监控生态环境的变化，将实际数据与模型预测结果进行对比，及时发现并纠正潜在问题。这样，数字孪生技术不仅为城市生态环境设计提供了科学依据，还确保了设计方案的可持续性和灵活性，使得整个城市规划过程更加精确、动态和智能化，最终实现生态与城市发展的有机结合。

3、现有技术存在以下不足：

4、在季节性降雨期间，城市中央公园的水体会因地表径流带来的污染物持续累积而受到严重影响。地表径流携带的泥沙、肥料、垃圾等污染物逐步沉积在水体中，污染物的累积效应导致水质逐步恶化。而现有的基于数字孪生的城市生态环境设计技术由于难以实时、精确地预测这些污染物在水体中的累积路径和速度，无法有效评估污染物的长期积累效应，导致水质管理方案在污染物累积初期无法及时调整和优化，进而使水体中的污染物浓度持续上升，溶解氧水平逐步下降。随着污染物的持续积累，水质逐渐恶化，水生生态系统面临严重的长期破坏风险，鱼类和水生植物的生存环境受到威胁。这不仅破坏了水体的生态平衡，还增加了后续治理的难度，提升了城市管理部门的维护成本。

5、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、本发明的目的是提供基于数字孪生的城市生态环境设计方法及系统，以解决上述背景技术中的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于数字孪生的城市生态环境设计方法，具体包括以下步骤：

3、确定城市中央公园的水体管理目标和环境条件，建立数字孪生模型，用于模拟季节性降雨期间的污染物扩散与累积效应；

4、实时采集城市中央公园在季节性降雨期间的污染物累积信息，并将采集的污染物累积信息通过数据接口传输至数字孪生模型中；

5、对输入至数字孪生模型中的污染物累积信息进行分析，评估城市中央公园在季节性降雨期间的污染物累积风险等级；

6、根据评估结果，确定污染物累积对水质的潜在影响，并启动相应的水质管理措施；

7、持续监控水质管理措施的效果，根据实时反馈信息，动态调整水质管理策略，优化管理措施，维持城市中央公园水体生态系统的平衡。

8、优选的，对输入至数字孪生模型中的污染物累积信息进行分析，评估城市中央公园在季节性降雨期间的污染物累积风险等级，具体包括以下步骤：

9、提取输入至数字孪生模型中的污染物累积信息，并在提取后进行预处理；

10、提取经过预处理的污染物累积信息中的污染扩散动态信息和水质影响评估信息，并在提取后进行分析，分别生成污染物扩散系数和水质变化指数；

11、对生成的污染物扩散系数和水质变化指数构建污染累积评估模型，生成污染累积系数，并将生成的污染累积系数与预先设定的污染累积系数阈值区间进行比对，根据比对结果评估城市中央公园在季节性降雨期间的污染物累积风险等级。

12、优选的，所述污染物扩散系数的获取逻辑如下：

13、提取经过预处理的污染物累积信息中的污染扩散动态信息，具体包括城市中央公园在季节性降雨期间内一段时间内不同时刻的平均地表径流量、平均降雨强度、平均水流速度、平均水体面积以及污染物初始浓度，并分别标定为和c0，表示城市中央公园在季节性降雨期间内一段时间内m时刻的平均地表径流量，表示城市中央公园在季节性降雨期间内一段时间内m时刻的平均降雨强度，表示城市中央公园在季节性降雨期间内一段时间内m时刻的平均水流速度，表示城市中央公园在季节性降雨期间内一段时间内m时刻的平均水体面积，c0表示城市中央公园在季节性降雨期间内的污染物初始浓度，m＝1、2、3、…、k，k为正整数；

14、计算污染物扩散系数，具体的计算公式如下：

15、

16、式中，pdc为污染物扩散系数。

17、优选的，所述水质变化指数的获取逻辑如下：

18、提取经过预处理的污染物累积信息中的水质影响评估信息，具体包括城市中央公园在季节性降雨期间内一段时间内不同时刻的污染物平均浓度、平均氮含量、平均磷含量、平均溶解氧水平值和平均水温，并分别标定为和表示城市中央公园在季节性降雨期间内一段时间内n时刻的污染物平均浓度，表示城市中央公园在季节性降雨期间内一段时间内n时刻的平均氮含量，表示城市中央公园在季节性降雨期间内一段时间内n时刻的平均磷含量，表示城市中央公园在季节性降雨期间内一段时间内n时刻的平均溶解氧水平值，表示城市中央公园在季节性降雨期间内一段时间内n时刻的平均水温，n＝1、2、3、…、h，h为正整数；

19、计算水质变化指数，具体的计算公式如下：

20、

21、式中，wqi为水质变化指数。

22、优选的，对生成的污染物扩散系数和水质变化指数构建污染累积评估模型，生成污染累积系数，具体包括以下步骤

23、收集在过去一段时间内生成的若干个污染物扩散系数、若干个水质变化指数以及对应的污染累积系数，并分别标定为pdcx、wqix和pacx，x表示在过去一段时间内生成的若干个污染物扩散系数、若干个水质变化指数以及对应的污染累积系数的编号，x＝3、4、5、…、g，g为正整数，并将收集的过去一段时间内的数据形成历史数据集；

24、选择多元回归模型作为污染累积评估模型，并通过历史数据集进行训练，确定回归系数的取值，依据公式：

25、pacx＝β0+β1*pdcx+β2*wqix

26、式中，β0、β1和β2为回归系数；

27、通过最小化预测值与实际值之间的误差，优化回归系数，最终确定回归系数β0、β1和β2的取值；

28、使用最终确定的回归系数，对构建的污染累积评估模型，输入实时生成的污染物扩散系数pdc和水质变化指数wqi，实时生成污染累积系数pac。

29、优选的，将生成的污染累积系数pac与预先设定的污染累积系数阈值区间[pacmin，pacmax]进行比对，根据比对结果评估城市中央公园在季节性降雨期间的污染物累积风险等级，具体比对分析如下：

30、若pac<pacmin，城市中央公园在季节性降雨期间的污染物累积风险等级为低风险等级；

31、若pacmin≤pac≤pacmax，城市中央公园在季节性降雨期间的污染物累积风险等级为中风险等级；

32、若pac>pacmax，城市中央公园在季节性降雨期间的污染物累积风险等级为高风险等级。

33、优选的，根据评估结果，确定污染物累积对水质的潜在影响，并启动相应的水质管理措施，具体包括：

34、若评估结果为城市中央公园在季节性降雨期间的污染物累积风险等级为低风险等级，则污染物累积对水质的潜在影响为低影响，采取的管理措施为持续进行水质监测，不增加新的干预措施；

35、若评估结果为城市中央公园在季节性降雨期间的污染物累积风险等级为中风险等级，则污染物累积对水质的潜在影响为中等影响，采取的管理措施为增加水体流动性和过滤处理，控制污染物累积；

36、若评估结果为城市中央公园在季节性降雨期间的污染物累积风险等级为高风险等级，则污染物累积对水质的潜在影响为高影响，采取的管理措施为通过物理、化学或机械方式降低水体中的污染物浓度，增加污染物处理和水体净化。

37、优选的，基于数字孪生的城市生态环境设计系统，包括水体管理目标设定与环境分析模块、污染物累积信息采集与传输模块、污染累积风险评估分析模块、水质影响评估与管理措施启动模块以及水质管理动态监控与策略调整模块；

38、水体管理目标设定与环境分析模块，确定城市中央公园的水体管理目标和环境条件，建立数字孪生模型，用于模拟季节性降雨期间的污染物扩散与累积效应；

39、污染物累积信息采集与传输模块，实时采集城市中央公园在季节性降雨期间的污染物累积信息，并将采集的污染物累积信息通过数据接口传输至数字孪生模型中；

40、污染累积风险评估分析模块，对输入至数字孪生模型中的污染物累积信息进行分析，评估城市中央公园在季节性降雨期间的污染物累积风险等级；

41、水质影响评估与管理措施启动模块，根据评估结果，确定污染物累积对水质的潜在影响，并启动相应的水质管理措施；

42、水质管理动态监控与策略调整模块，持续监控水质管理措施的效果，根据实时反馈信息，动态调整水质管理策略，优化管理措施，维持城市中央公园水体生态系统的平衡。

43、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

44、1、本发明通过构建数字孪生模型和实时监控污染物累积信息，实现了对城市中央公园水体的精准监控和动态管理。实时采集和传输的污染物累积数据确保了系统能够快速响应季节性降雨期间的水质变化。这种实时数据采集和传输机制大大提升了水体污染物监测的效率，使管理者能够在污染物刚刚开始累积时便获知信息并及时采取行动。这有效避免了传统方法中因滞后性而导致的水质恶化，显著改善了水体的管理效果。

45、2、本发明中的多元回归模型通过对历史数据的分析，建立了精准的污染物累积评估模型，使得系统能够更有效地预测和评估污染物累积对水质的长期影响。通过生成污染物扩散系数和水质变化指数，系统可以在降雨过程中动态评估污染物的扩散速度与累积风险等级，并根据评估结果自动启动相应的水质管理措施。这种基于复杂数据分析的模型避免了传统经验判断的不足，使水质管理方案更加科学且可量化，优化了污染物管理策略的效果。

46、3、本发明采用模块化的结构，每个模块明确分工，能够独立完成各自的任务。这样的设计使得系统在不同的环境条件下具有较高的灵活性，易于扩展或修改。比如，水质管理策略模块能够根据监控反馈动态调整策略，优化管理措施。这种模块化设计确保了系统的高度可操作性，同时具备较强的可扩展性，便于后续根据实际情况扩展或升级功能。通过各模块的协同工作，系统能够有效应对污染物累积带来的各种挑战，维持城市中央公园水体生态系统的平衡。