基于数字孪生的水动力模型展示方法、系统、设备及存储介质与流程

本发明涉及数字孪生可视化模拟仿真，尤其是基于数字孪生的水动力模型展示方法、系统、设备及存储介质。

背景技术：

1、水动力模型是一种描述水流受力与运动相互关系的数学模型，用于模拟水的流速、流向、水深等物理信息。常见的水动力模拟多基于一维或二维模型，例如cn118395522a公开的技术方案中通过获取水动力模型中的一维和二维水动力结果数据，结合数字孪生技术进行渲染与展示，并通过动态着色显示水深数据。然而，现有的方法难以表达深度较大或复杂水体结构中不同层次的水动力结果，且无法真实呈现水体的流动和水位变化。现有的模拟效果与实际水体的材质和动态变化差异较大，通常只能通过线条或箭头来表示水流方向和流场效应，或者通过色阶表示水深或水位，无法展示水下效果。因此，现有技术通常仅能展示水体的表面状态，缺乏对水下流场和水位变化的直观表现。此外，现有的水动力模拟结果可视化大多局限于单一水体（如河道、湖泊或海洋）的表达，缺乏足够的通用性。当面对更为复杂的水系，如河道与海湾或外海相连时，现有方法难以实现统一的水体整体展示。这种局限性使得在大流域或大范围的水体系统中，无法全面有效地表达不同水体的水动力特征，难以满足用户在复杂水文环境中的需求。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的第一目的是提供一种基于数字孪生来真实直观地展示三维水动力模型的方法，本发明的第二目的是提供一种基于数字孪生来真实直观地展示三维水动力模型的系统，本发明的第三目的是提供实现该方法的设备，本发明的第四目的是提供实现该方法的存储介质。

2、技术方案：本发明所述的基于数字孪生的水动力模型展示方法，包括如下步骤：

3、（1）准备水动力模型的网格shp文件和模拟结果文件，所述模拟结果文件包括每个网格单元的流场数据和水位数据，流场数据包括流向数据和流速数据；

4、若模拟结果文件包含多套不同输入参数下模拟结果的数据集，则将所述模拟结果文件上传至数据服务系统，以便于集中管理和查询；若仅包含单一模拟结果的数据集，则将所述模拟结果文件存储于本地存储设备，以减少数据传输负担；

5、将网格shp文件存储于本地存储设备；

6、（2）在本地存储设备创建配置文件，将网格shp文件的存储路径、模拟结果文件的存储路径或数据服务系统的访问地址写入配置文件；

7、（3）定义可供数字孪生系统实时读取模拟结果的数据结构，所述数据结构包括时间戳字段、网格编号字段、流场模拟结果字段和水位模拟结果字段；

8、（4）根据配置文件中写入的内容，通过模拟结果文件的存储路径或数据服务系统的访问地址，解析并加载模拟结果；若通过存储路径加载模拟结果，采用逐行解析方式提取每行数据中的时间戳、网格编号、流场数据和水位数据；若通过数据服务系统加载模拟结果，则通过http请求获取所需数据并将其存储至数字孪生系统中的数据结构中；

9、（5）根据配置文件中的网格shp文件的存储路径加载网格shp文件，读取网格shp文件的顶点和边数据，根据网格的几何信息在数字孪生系统中生成可视化的水体三维模型；

10、（6）从数字孪生系统中的数据结构中提取每个网格的流场数据和水位数据，根据网格的流场数据和水位数据插值计算网格顶点的流场数据和水位数据，将顶点流场数据归一化到 [0, 1] 范围内；

11、（7）更新网格顶点的流场数据和顶点水位数据到水体三维模型中，将网格顶点的水位数据z1输入到网格顶点的z方向坐标，用以支持水下效果模拟；将网格顶点的流场数据输入到网格顶点的r颜色通道和g颜色通道中，用以显示流向和流速；

12、（8）创建水体材质，设置水体基础吸收光和水面波纹法相贴图，用以模拟水体表面的光学和纹理效果；在数字孪生系统中创建后处理体积postprocessvolume，以模拟水体的水下效果及水面与空气交界面的折射效果；预留水面高度参数z2，用于接收当前相机位置在孪生世界坐标系中的水面z坐标，以控制是否展示水面与空气交界处或水面以下的视觉效果；

13、（9）绘制水体三维模型的网格边，在数字孪生系统中展示基于水动力模型的动态水体三维效果，实现流场和水位模拟结果的可视化。

14、进一步地，步骤（4）中，通过模拟结果文件的存储路径或数据服务系统的访问地址，解析并加载模拟结果的方法为：逐行解析所述模拟结果文件的内容，根据每行数据的时间戳和网格编号字段，将提取的流场数据和水位数据按时间序列存储至所述数据结构中。

15、进一步地，步骤（4）中，通过模拟结果文件的数据服务系统的访问地址，解析并加载模拟结果，将加载的模拟结果存储至数字孪生系统中的数据结构中的方法为：获取数字孪生系统的http模块，创建一个请求对象，设置请求类型为post，请求地址为数据服务系统的访问地址，请求参数为所述模拟结果的情景名称，并绑定回调函数，在回调函数中将所述模拟结果存储至所述数据结构中。

16、进一步地，步骤（5）中，根据网格的几何信息在数字孪生系统中生成可视化的水体三维模型的方法为：使用gdal库读取所述网格shp文件，提取polygon几何要素，获取每个polygon的顶点坐标，并将其存储至三维向量数组中；

17、在所述三维向量数组中，遍历每个顶点，对于四边形网格，将其按照对角线划分为两个三角形，将每个三角形的顶点编号添加到三角形拓扑数组中；

18、在所述三角形拓扑数组中，计算每个顶点的光线法向量，利用向量乘法得到每个顶点的光线法向量，并将其添加至光线法向量数组中；

19、利用所述三角形拓扑数组和所述光线法向量数组，使用程序化模型组件生成水体三维模型。

20、进一步地，步骤（5）中还包括，将读取的网格shp文件中的投影坐标系下的顶点坐标转换为数字孪生系统使用的世界坐标系；对转换后的坐标进行精度校正，以适配数字孪生系统的模型渲染要求。

21、进一步地，步骤（7）中，更新网格顶点的流场数据和顶点水位数据到水体三维模型中包括以下三种方式：时间序列更新模式，即按照时间序列顺序依次更新水位数据与流场数据，以动态展示各时刻的水面高度变化和流场演化过程；指定时刻更新模式，根据用户指定的时间步长，提取对应时刻的水位数据与流场数据，并更新至水体三维模型，以展示该时刻的水面高度和流场分布；数据补全模式，当指定时刻的水位数据或流场数据缺失时，采用最接近的同期水位数据和流场数据进行直接替代，以确保水面高度和流场的连续可视化展示。

22、进一步地，步骤（8）中，创建水体材质之后还包括，将网格顶点的r颜色通道和g颜色通道中流速数据的数值从[0, 1]范围内映射到[-1, 1]范围内。

23、本发明所属的基于数字孪生的水动力模型展示系统，包括：

24、基础数据准备单元，用于准备水动力模型的网格shp文件和模拟结果文件，所述模拟结果文件包括每个网格单元的流场数据和水位数据，流场数据包括流向数据和流速数据；

25、若模拟结果文件包含多套不同输入参数下模拟结果的数据集，则将所述模拟结果文件上传至数据服务系统；若仅包含单一模拟结果的数据集，则将所述模拟结果文件存储于本地存储设备；

26、将网格shp文件存储于本地存储设备；

27、数据配置单元，用于在本地存储设备创建配置文件，将网格shp文件的存储路径、模拟结果文件的存储路径或数据服务系统的访问地址写入配置文件；

28、数据结构创建单元，用于定义可供数字孪生系统实时读取模拟结果的数据结构，所述数据结构包括时间戳字段、网格编号字段、流场模拟结果字段和水位模拟结果字段；

29、模拟结果存储单元，用于根据配置文件中写入的内容，通过模拟结果文件的存储路径或数据服务系统的访问地址，解析并加载模拟结果；若通过存储路径加载模拟结果，采用逐行解析方式提取每行数据中的时间戳、网格编号、流场数据和水位数据；若通过数据服务系统加载模拟结果，则通过http请求获取所需数据并将其存储至数字孪生系统中的数据结构中；

30、水体三维模型生成单元，用于根据配置文件中的网格shp文件的存储路径加载网格shp文件，读取网格shp文件的顶点和边数据，根据网格的几何信息在数字孪生系统中生成可视化的水体三维模型；

31、水动力数据解析单元，用于从数字孪生系统中的数据结构中提取每个网格的流场数据和水位数据，根据网格的流场数据和水位数据插值计算网格顶点的流场数据和水位数据，将顶点流场数据归一化到 [0, 1] 范围内；

32、模型更新单元，用于更新网格顶点的流场数据和顶点水位数据到水体三维模型中，将网格顶点的水位数据z1输入到网格顶点的z方向坐标，用以支持水下效果模拟；将网格顶点的流场数据输入到网格顶点的r颜色通道和g颜色通道中，用以显示流向和流速；

33、水体材质设置单元，用于创建水体材质，设置水体基础吸收光和水面波纹法相贴图，用以模拟水体表面的光学和纹理效果；在数字孪生系统中创建后处理体积postprocessvolume，以模拟水体的水下效果及水面与空气交界面的折射效果；预留水面高度参数z2来接收当前相机位置的水面在孪生世界坐标系中的z坐标，以控制是否展示水面与空气交界面或水面以下的视觉效果；

34、可视化展示单元，用于绘制水体三维模型的网格边，在数字孪生系统中展示基于水动力模型的动态水体三维效果，实现流场和水位模拟结果的可视化。

35、本发明所述的电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的基于数字孪生的水动力模型展示方法。

36、本发明所述的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的基于数字孪生的水动力模型展示方法。

37、有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：（1）本发明通过基于三维水动力模型的模拟结果实现水体的数字孪生展示，能够提取不同层次的水动力模型结果进行展示，向用户呈现不同深度下的水动力情况，包括每个网格和顶点的流速和流向。（2）本发明的水面着色模式能够设置吸收光参数，更真实地模拟水体的焦散与折射效果；通过使用随距离自动缩放的材质uv，确保不同视角和距离下水面的流动和波动效果清晰可见，并避免贴图的明显重复。这样可以使水动力结果更加直观，流场现象更为明显，特别是环流等流场现象更加符合直觉，帮助非专业人员直观地理解水体整体水动力状况，而非仅通过色阶和箭头。（3）本发明通过网络数据服务获取水动力模型结果，减少了本地资源（例如内存）的占用。如果数据量较小，还支持本地文件读取，从而加快水动力数据的更新速度。两种方式的结合能够更灵活地适应不同的使用场景。（4）本发明利用gpu渲染技术，可以更快速和便捷地生成任意形状的水体，节省了三维水体建模的成本和时间，同时突破了单一水体类型的限制，支持更自由地模拟复杂形状的水体，并且包含水下效果。用户可以直观地查看水下淹没区域的情况，而不仅限于水面效果。