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Proyecto Gemelo Digital: Un caso real de modelización y simulación del control de inundaciones
Las estructuras de control de inundaciones, como diques, presas, espolones, diques, canales de drenaje y vías de inundación, tienen por objeto proteger las zonas costeras y fluviales de las ciudades, las explotaciones agrícolas y otras zonas de valor económico, así como a las personas que viven en ellas. Se espera que estas estructuras eviten la inundación de las regiones bajas y de los edificios cercanos, como viviendas, empresas, carreteras y vías férreas, en algunos casos canalizando el flujo de agua hacia una masa de agua, como un lago, mar o depósito de agua. Cuando se diseñan y construyen adecuadamente, pueden reducir considerablemente los daños causados por las inundaciones, fomentar el desarrollo en las zonas propensas a las inundaciones y proporcionar seguridad a las comunidades. Sin embargo, si se diseñan, construyen, operan o mantienen incorrectamente, pueden ser insuficientes para detener una inundación incontrolada y pueden aumentar el riesgo de inundación. Por lo tanto, a la hora de planificar una nueva estructura, los ingenieros deben disponer de datos muy precisos para construir un modelo digital gemelo de inundación que proporcione una base científica para la ingeniería y la construcción de la futura estructura de control de inundaciones.
¿Cómo debe construirse exactamente el modelo de gemelo digital de la inundación? ¿En qué debe basarse? Descubramos el proyecto de la Oficina de Hidrología y Recursos Hídricos de China que se ha llevado a cabo recientemente en la parte del río Amarillo en China, en un tramo de 28 km de la cuenca del río.
I. Recogida de datos de múltiples fuentes
El primer paso del proyecto comenzó con la adquisición de datos 3D bajo el agua, en tierra y desde el aire.
Figura 1: Los productos y soluciones de CHCNAV preparados para la encuesta frente a la Oficina de Hidrología y Recursos Hídricos de la provincia de Shandong (China).
Los datos topográficos de ambas orillas del río fueron recogidos por UAV con LIDAR y cámara ortográfica, mientras que los USV con ecosondas monohaz y multihaz recogieron los datos topográficos y batimétricos submarinos de alta precisión:
1. Los datos subacuáticos fueron recogidos por ecosondas multihaz y monohaz montadas en los USV (vehículos de superficie no tripulados) Apache 6 y Apache 4.
2. El sistema AlphaUni LiDAR montado en el UAV (vehículo aéreo no tripulado) BB4 recogió los datos del terreno.
3. Y los datos aéreos se obtuvieron mediante un sistema fotográfico oblicuo de CHCNAV montado en un UAV.
Figura 2: Productos y soluciones de adquisición de datos de CHCNAV utilizados en la encuesta.
Con estos equipos complementarios se obtuvieron datos heterogéneos procedentes de múltiples fuentes, como imágenes de teledetección a gran escala, nubes de puntos láser, datos del terreno, fotografías oblicuas, dibujos CAD y modelos BIM. CoPre es un software de preprocesamiento de escaneado láser 3D avanzado y fácil de usar que puede procesar los datos brutos capturados, incluidas las trayectorias de los puntos de venta, los datos LiDAR y las imágenes RGB para su coloración. Se utilizó el software CoProcess (software diseñado para las tareas de posprocesamiento de la captura de la realidad y la generación de DEM/DTM) para generar modelos DEM de alta precisión, una representación en 3D de una superficie del suelo creada a partir de datos de elevación, con una densidad de nubes de puntos de más de 50 puntos/m2 para las zonas por encima y por debajo del agua.
Figura 3: De izquierda a derecha, de arriba a abajo: los modelos Tilt, BIM, DOM y DEM.
Además, la Oficina preparó previamente para el proyecto datos de posicionamiento de alta precisión en tiempo real obtenidos de las estaciones CORS y los sensores GNSS de CHCNAV, así como datos meteorológicos e hidrológicos, datos de vídeo de IA (inteligencia artificial) y otra información pertinente sobre el funcionamiento y el mantenimiento de las defensas contra inundaciones, los canales fluviales y los embalses.
II. Carga masiva de datos y renderización rápida
La cantidad de datos recogidos y generados en la base de datos de gemelos digitales alcanzó los petabytes (PB); se utilizó una potente plataforma de terceros para la simulación y visualización de inundaciones en 3D para renderizar y procesar rápidamente este volumen de información.
III. Simulación inteligente de inundaciones y modelización de múltiples escenarios
Figura 4: Los componentes del proceso de modelización de inundaciones.
En este punto, se han implementado tres pasos adicionales:
1) Análisis de datos
El análisis hidrológico requiere comprender cómo se mueve el agua por el paisaje. Su objetivo es ayudar a determinar dónde es probable que se produzcan inundaciones y con qué probabilidad. Los datos del lugar (registros climáticos, mapas de inundaciones, registros de caudales, resúmenes hidrológicos, registros de niveles de aguas subterráneas, calidad del agua, datos de recursos, etc.) y los datos precisos y completos obtenidos de los vehículos operados a distancia y los modelos generados se utilizaron como base para el análisis. La calidad de los datos aportados fue una contribución esencial para un modelo de alta calidad.
2) Modelización y simulación de inundaciones históricas de alta resolución
La información sobre las inundaciones históricas se utilizó en la fase de definición del alcance para desarrollar un modelo conceptual de los mecanismos de inundación. A partir de los registros de inundaciones reales, se reprodujo todo el proceso de inundación de los distintos años en la plataforma de simulación de inundaciones de terceros.
Figura 5: La simulación y el análisis de las inundaciones históricas en el software de terceros; basado en los datos recogidos por el USV y el UAV del CHCNAV.
3) Modelización y simulación del riesgo de inundación en tiempo real
Basándose en el cálculo de un modelo hidrodinámico en 3D, el proceso de extrapolación de inundaciones en tiempo real se simuló en el software de modelización de inundaciones de terceros, donde los patrones de flujo estables y no estables se simularon mediante algoritmos de modelización hidrodinámica de desarrollo propio.
Figura 6: La simulación del proceso de extrapolación de inundaciones en tiempo real en el software de terceros; basado en los datos recogidos por el USV y el UAV del CHCNAV.
IV. Aplicación empresarial personalizada
Como siguiente paso, y basándose en el modelo digital de inundación desarrollado, el proyecto de gemelos digitales de cuencas hidrográficas pide que el personal técnico, los expertos y los usuarios trabajen conjuntamente para desarrollar aplicaciones personalizadas para la ingeniería y la construcción de cuencas hidrográficas en los próximos años, de acuerdo con el calendario del proyecto (2022-2025).
En conclusión, el uso de sistemas de adquisición masiva de datos en 3D, como los UAV, USV y LiDAR de CHCNAV, para mantener datos topográficos y batimétricos actualizados y de alta calidad, es el fundamento de los modelos gemelos digitales, ya que es la base para la construcción de modelos hidráulicos y en la producción de mapas de inundaciones. Sin embargo, la información obsoleta puede aumentar considerablemente el tiempo y el coste del desarrollo de modelos digitales y la probabilidad de que se produzcan errores humanos. Incluso cuando se reutilizan los datos heredados, y antes de la aplicación de soluciones de captura de la realidad 3D, es fundamental confirmar que no se han producido cambios significativos (erosión o deposición, crecimiento de la vegetación, construcción, alteración, eliminación, etc.) en la zona de estudio desde la recogida inicial de datos.
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Acerca de CHCNAV
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