¿Cómo debe construirse exactamente el modelo gemelo digital de inundación? ¿En qué debe basarse? Descubramos el proyecto de la Oficina China de Hidrología y Recursos Hídricos que se ha llevado a cabo recientemente en la parte del río Amarillo en China, centrándose en la sección de 28 km de la cuenca fluvial.
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 ribereñas de ciudades, granjas 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, comercios, carreteras y vías férreas, en algunos casos canalizando el flujo de agua hacia una masa de agua, como un lago, mar o embalse. Cuando se diseñan y construyen adecuadamente, pueden reducir significativamente los daños causados por las inundaciones, fomentar el desarrollo en zonas propensas a inundaciones y proporcionar seguridad a las comunidades. Sin embargo, si se diseñan, construyen, operan o mantienen de forma inadecuada, pueden ser insuficientes para detener una inundación incontrolada y aumentar el riesgo de inundación. Por ello, 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 pueda proporcionar una base científica para la ingeniería y la construcción de la futura estructura de control de inundaciones.
Figura 1. Soluciones de CHCNAV ante la Oficina de Hidrología y Recursos Hídricos de la provincia de Shandong (China).
Recogida de datos de múltiples fuentes
El primer paso del proyecto comenzó con la adquisición de datos 3D submarinos, terrestres y aéreos.
Los datos topográficos a ambos lados del río se recogieron mediante 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:
- Los datos submarinos fueron recogidos por ecosondas multihaz y monohaz montadas en los USV Apache 6 y Apache 4 (vehículos de superficie no tripulados).
- El sistema LiDAR AlphaUni montado en el UAV (vehículo aéreo no tripulado) BB4 recogió los datos terrestres.
- Y los datos aéreos se obtuvieron mediante un sistema fotográfico oblicuo de CHCNAV montado en un UAV.
Figura 2. Soluciones de adquisición de datos de CHCNAV utilizadas en el estudio.
Con estos dispositivos complementarios se obtuvieron datos heterogéneos de múltiples fuentes, como imágenes de teledetección a gran escala, nubes de puntos láser, datos del terreno, fotografías oblicuas, dibujos CAD y modelos BIM. Para el modelado de inclinación y DOM se utilizó el software CoPre (un software de preprocesamiento de escaneado láser 3D que puede procesar datos sin procesar capturados, incluidas trayectorias POS, datos LiDAR e imágenes RGB). 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 3D de una superficie del terreno 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. Modelos Tilt, BIM, DOM y DEM.
Además, la Oficina preparó previamente para el proyecto datos de posicionamiento en tiempo real de alta precisión 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.
Carga masiva de datos y renderización rápida
La cantidad de datos recopilados 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.
Figura 4. Componentes del proceso de modelización de inundaciones Componentes del proceso de modelización de inundaciones.
Simulación inteligente de inundaciones y modelización de múltiples escenarios
En este punto, se han implementado 3 pasos adicionales:
Análisis de datos - El análisis hidrológico requiere comprender cómo se mueve el agua por el paisaje. Su propósito es ayudar a determinar dónde es probable que se produzcan inundaciones y con qué probabilidad. Como base del análisis se utilizaron datos del lugar (registros climáticos, mapas de inundaciones, registros de caudales, resúmenes hidrológicos, registros de niveles de aguas subterráneas, calidad del agua, datos sobre recursos, etc.) y datos precisos y completos obtenidos de los vehículos teledirigidos y los modelos generados. La calidad de los datos aportados fue una contribución esencial para un modelo de alta calidad.
Modelización y simulación de inundaciones históricas de alta resolución - La información sobre 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 en la plataforma de simulación de inundaciones de terceros todo el proceso de inundación de los distintos años.
Figura 5. Simulación y análisis de las inundaciones históricasSimulación y análisis de las inundaciones históricas.
Modelización y simulación del riesgo de inundación en tiempo real - A partir del 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 estacionario y no estacionario se simularon mediante algoritmos de modelización hidrodinámica de desarrollo propio.
Figura 6. Simulación del proceso de extrapolación de crecidas en tiempo real Simulación del proceso de extrapolación de crecidas en tiempo real.
Aplicación comercial personalizada
Como siguiente paso y basándose en el modelo digital de inundaciones 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 iniciativas de ingeniería y 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 3D, como los UAV, USV y LiDAR de CHCNAV, para mantener actualizados datos topográficos y batimétricos 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, así como la probabilidad de que se produzcan errores humanos. Incluso cuando se reutilizan datos heredados, y antes de la aplicación de soluciones de captura de 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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