Wie genau sollte das Hochwassermodell des digitalen Zwillings aufgebaut sein? Worauf sollte es sich stützen? Lassen Sie uns das Projekt des chinesischen Amtes für Hydrologie und Wasserressourcen kennenlernen, das vor kurzem für den Teil des Gelben Flusses in China durchgeführt wurde, der einen 28 km langen Abschnitt des Flussbeckens umfasst.
Hochwasserschutzbauten wie Deiche, Dämme, Ausläufer, Dämme, Entwässerungskanäle und Überschwemmungsgebiete sollen die Küsten- und Flussgebiete von Städten, landwirtschaftlichen Betrieben und anderen Gebieten von wirtschaftlichem Wert sowie die dort lebenden Menschen schützen. Diese Bauwerke sollen Überschwemmungen in niedrig gelegenen Gebieten und in der Nähe befindlichen Gebäuden wie Häusern, Betrieben, Straßen und Eisenbahnlinien verhindern, indem sie in einigen Fällen den Wasserfluss in ein Gewässer wie einen See, ein Meer oder ein Wasserreservoir leiten. Wenn sie richtig geplant und gebaut werden, können sie Hochwasserschäden erheblich reduzieren, die Entwicklung in überschwemmungsgefährdeten Gebieten fördern und Sicherheit für Gemeinden bieten. Wenn sie jedoch unsachgemäß geplant, gebaut, betrieben oder gewartet werden, reichen sie möglicherweise nicht aus, um eine unkontrollierte Überschwemmung aufzuhalten, und können das Risiko von Überschwemmungen erhöhen. Bei der Planung eines neuen Bauwerks müssen die Ingenieure daher über hochpräzise Daten verfügen, um ein digitales Zwillingshochwassermodell zu erstellen, das eine wissenschaftliche Grundlage für die Planung und den Bau des künftigen Hochwasserschutzbauwerks bildet.
Abbildung 1. Die Lösungen von CHCNAV vor dem Amt für Hydrologie und Wasserressourcen der Provinz Shandong (China).
Datenerfassung aus verschiedenen Quellen
Der erste Schritt des Projekts begann mit der Erfassung von 3D-Daten unter Wasser, an Land und aus der Luft.
Die topografischen Daten auf beiden Seiten des Flusses wurden von einem UAV mit LIDAR und orthografischer Kamera erfasst, während USVs mit Ein- und Mehrstrahl-Echoloten die hochpräzisen topografischen und bathymetrischen Daten unter Wasser sammelten:
- Die Unterwasserdaten wurden mit Multibeam- und Single-Beam-Echoloten gesammelt, die auf den USVs Apache 6 und Apache 4 (unbemannte Oberflächenfahrzeuge) montiert waren.
- Das AlphaUni LiDAR-System, das auf dem BB4 UAV (unbemanntes Luftfahrzeug) montiert ist, sammelte die Landdaten.
- Die Daten aus der Luft wurden mit einem auf einem UAV montierten Schrägsicht-Fotosystem von CHCNAV gewonnen.
Abbildung 2. Bei der Untersuchung verwendete Datenerfassungslösungen von CHCNAV.
Mit diesen komplementären Geräten wurden heterogene Daten aus verschiedenen Quellen, wie großflächige Fernerkundungsbilder, Laserpunktwolken, Geländedaten, Schrägaufnahmen, CAD-Zeichnungen und BIM-Modelle, erfasst. Die CoPre-Software (eine 3D-Laserscanning-Vorverarbeitungssoftware, die erfasste Rohdaten, einschließlich POS-Trajektorien, LiDAR-Daten und RGB-Bilder, verarbeiten kann) wurde für die Neigungs- und DOM-Modellierung verwendet. Die Software CoProcess (eine Software für die Nachbearbeitung der Realitätserfassung und die Erstellung von DEM/DTM) wurde verwendet, um hochpräzise DEM-Modelle zu erstellen, eine 3D-Darstellung einer Bodenoberfläche, die aus Höhendaten mit einer Punktwolkendichte von mehr als 50 Punkten/m2 für die Bereiche über und unter Wasser erstellt wurde.
Abbildung 3. Neigungs-, BIM-, DOM- und DEM-Modelle.
Darüber hinaus wurden hochpräzise Echtzeit-Positionsdaten, die von den CORS-Stationen und GNSS-Sensoren von CHCNAV gewonnen wurden, sowie meteorologische und hydrologische Daten, KI-Videodaten und andere relevante Informationen über den Betrieb und die Instandhaltung von Hochwasserschutzanlagen, Flusskanälen und Stauseen zuvor vom Büro für das Projekt aufbereitet.
Massives Laden von Daten und schnelles Rendering
Die in der Datenbank des digitalen Zwillings gesammelten und generierten Datenmengen erreichten Petabytes (PB); eine leistungsstarke Plattform eines Drittanbieters für 3D-Hochwassersimulation und -Visualisierung wurde eingesetzt, um diese Datenmengen schnell zu rendern und zu verarbeiten.
Abbildung 4. Die Komponenten des Hochwassermodellierungsprozesses.
Intelligente Hochwassersimulation und Modellierung von mehreren Szenarien
Zu diesem Zeitpunkt wurden 3 zusätzliche Schritte implementiert:
Datenanalyse - Die hydrologische Analyse erfordert ein Verständnis dafür, wie sich das Wasser durch die Landschaft bewegt. Sie soll dazu beitragen, zu bestimmen, wo Überschwemmungen mit welcher Wahrscheinlichkeit auftreten werden. Als Grundlage für die Analyse wurden Standortdaten (Klimaaufzeichnungen, Hochwasserkarten, Durchflussaufzeichnungen, hydrologische Zusammenfassungen, Grundwasserstandsaufzeichnungen, Wasserqualität, Ressourcendaten usw.) sowie genaue und umfassende Daten verwendet, die von den ferngesteuerten Fahrzeugen und den erstellten Modellen gewonnen wurden. Die gelieferte Datenqualität war ein wesentlicher Beitrag zu einem qualitativ hochwertigen Modell.
Hochauflösende historische Hochwassermodellierung und -simulation - Die historischen Hochwasserinformationen wurden in der Scoping-Phase verwendet, um ein konzeptionelles Modell der Hochwassermechanismen zu entwickeln. Auf der Grundlage der aktuellen Hochwasseraufzeichnungen wurde der gesamte Hochwasserprozess für die verschiedenen Jahre auf der Hochwassersimulationsplattform eines Drittanbieters nachgebildet.
Abbildung 5. Simulation und Analyse der historischen Hochwasserereignisse.
Echtzeit-Hochwasserrisikomodellierung und -simulation - Auf der Grundlage der Berechnung eines hydrodynamischen 3D-Modells wurde der Echtzeit-Hochwasser-Extrapolationsprozess mit der Hochwassermodellierungssoftware eines Drittanbieters simuliert, wobei die stationären und instationären Strömungsmuster durch eigens entwickelte hydrodynamische Modellierungsalgorithmen simuliert wurden.
Abbildung 6. Simulation des Hochwasserextrapolationsprozesses in Echtzeit.
Maßgeschneiderte Geschäftsanwendungen
In einem nächsten Schritt und auf der Grundlage des entwickelten digitalen Hochwassermodells fordert das digitale Zwillingsprojekt für Wassereinzugsgebiete technische Mitarbeiter, Experten und Nutzer auf, in den nächsten Jahren gemäß dem Projektplan (2022-2025) gemeinsam maßgeschneiderte Anwendungen für Ingenieur- und Bauvorhaben in Wassereinzugsgebieten zu entwickeln.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz von 3D-Massendatenerfassungssystemen wie den UAVs, USVs und LiDAR von CHCNAV zur Pflege aktueller, qualitativ hochwertiger topografischer und bathymetrischer Daten die Grundlage für digitale Zwillingsmodelle bildet, da sie die Basis für die Konstruktion von hydraulischen Modellen und die Erstellung von Hochwasserkarten sind. Veraltete Daten können jedoch den Zeit- und Kostenaufwand für die Entwicklung digitaler Modelle erheblich erhöhen und die Wahrscheinlichkeit menschlicher Fehler erhöhen. Selbst bei der Wiederverwendung von Altdaten und vor der Anwendung von 3D-Realitätserfassungslösungen ist es von entscheidender Bedeutung zu bestätigen, dass es seit der ersten Datenerfassung keine wesentlichen Veränderungen (Erosion oder Ablagerung, Vegetationswachstum, Bauarbeiten, Veränderungen, Beseitigung usw.) im Untersuchungsgebiet gegeben hat.
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Über CHCNAV
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