本發(fā)明涉及城市生態(tài)環(huán)境設計，具體涉及基于數(shù)字孿生的城市生態(tài)環(huán)境設計方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、城市生態(tài)環(huán)境設計是指在城市規(guī)劃與建設過程中，系統(tǒng)地考慮生態(tài)環(huán)境因素，通過科學方法和技術手段優(yōu)化城市的自然環(huán)境與人類居住空間，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標。對城市生態(tài)環(huán)境進行設計的必要性在于，隨著城市化進程的加快，合理的生態(tài)環(huán)境設計能夠緩解城市化帶來的環(huán)境壓力，改善空氣質量、水資源管理、綠地分布等關鍵生態(tài)要素，提升居民生活質量。基于數(shù)字孿生的城市生態(tài)環(huán)境設計是指利用數(shù)字孿生技術，通過實時采集和融合多源生態(tài)數(shù)據(jù)，構建城市生態(tài)環(huán)境的虛擬仿真模型，從而精確評估不同設計方案的生態(tài)影響，并在建設和運行過程中實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控與調整。這種方法的好處在于，它能夠實現(xiàn)更加精細化和智能化的生態(tài)管理，有助于優(yōu)化城市環(huán)境設計，確保城市的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)平衡。

2、現(xiàn)有的基于數(shù)字孿生的城市生態(tài)環(huán)境設計技術通過多個步驟精細化地對城市生態(tài)環(huán)境進行設計。首先，利用傳感器網絡、遙感技術、無人機和物聯(lián)網設備等，全面實時地采集城市中的各種生態(tài)數(shù)據(jù)，如空氣質量、水體質量、土壤濕度、植被覆蓋率和氣象數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)經過嚴格的數(shù)據(jù)清理、整合和融合后，構建出一個高精度的數(shù)字孿生模型，該模型真實地反映了城市生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀。接下來，設計師和規(guī)劃者使用這個數(shù)字孿生模型，對城市中不同區(qū)域和設計方案進行模擬和分析，以評估各個設計方案對生態(tài)環(huán)境的影響，具體包括對空氣質量的改善效果、水資源的管理效率、植被覆蓋率的變化、以及熱島效應的緩解等多個方面。基于這些模擬結果，設計師可以對方案進行優(yōu)化，通過多目標優(yōu)化算法，平衡城市發(fā)展與生態(tài)保護之間的關系，最終選擇最優(yōu)方案。此外，在城市建設和運行階段，數(shù)字孿生模型繼續(xù)發(fā)揮作用，實時監(jiān)控生態(tài)環(huán)境的變化，將實際數(shù)據(jù)與模型預測結果進行對比，及時發(fā)現(xiàn)并糾正潛在問題。這樣，數(shù)字孿生技術不僅為城市生態(tài)環(huán)境設計提供了科學依據(jù)，還確保了設計方案的可持續(xù)性和靈活性，使得整個城市規(guī)劃過程更加精確、動態(tài)和智能化，最終實現(xiàn)生態(tài)與城市發(fā)展的有機結合。

3、現(xiàn)有技術存在以下不足：

4、在季節(jié)性降雨期間，城市中央公園的水體會因地表徑流帶來的污染物持續(xù)累積而受到嚴重影響。地表徑流攜帶的泥沙、肥料、垃圾等污染物逐步沉積在水體中，污染物的累積效應導致水質逐步惡化。而現(xiàn)有的基于數(shù)字孿生的城市生態(tài)環(huán)境設計技術由于難以實時、精確地預測這些污染物在水體中的累積路徑和速度，無法有效評估污染物的長期積累效應，導致水質管理方案在污染物累積初期無法及時調整和優(yōu)化，進而使水體中的污染物濃度持續(xù)上升，溶解氧水平逐步下降。隨著污染物的持續(xù)積累，水質逐漸惡化，水生生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴重的長期破壞風險，魚類和水生植物的生存環(huán)境受到威脅。這不僅破壞了水體的生態(tài)平衡，還增加了后續(xù)治理的難度，提升了城市管理部門的維護成本。

5、在所述背景技術部分公開的上述信息僅用于加強對本公開的背景的理解，因此它可以包括不構成對本領域普通技術人員已知的現(xiàn)有技術的信息。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供基于數(shù)字孿生的城市生態(tài)環(huán)境設計方法及系統(tǒng)，以解決上述背景技術中的問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：基于數(shù)字孿生的城市生態(tài)環(huán)境設計方法，具體包括以下步驟：

3、確定城市中央公園的水體管理目標和環(huán)境條件，建立數(shù)字孿生模型，用于模擬季節(jié)性降雨期間的污染物擴散與累積效應；

4、實時采集城市中央公園在季節(jié)性降雨期間的污染物累積信息，并將采集的污染物累積信息通過數(shù)據(jù)接口傳輸至數(shù)字孿生模型中；

5、對輸入至數(shù)字孿生模型中的污染物累積信息進行分析，評估城市中央公園在季節(jié)性降雨期間的污染物累積風險等級；

6、根據(jù)評估結果，確定污染物累積對水質的潛在影響，并啟動相應的水質管理措施；

7、持續(xù)監(jiān)控水質管理措施的效果，根據(jù)實時反饋信息，動態(tài)調整水質管理策略，優(yōu)化管理措施，維持城市中央公園水體生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

8、優(yōu)選的，對輸入至數(shù)字孿生模型中的污染物累積信息進行分析，評估城市中央公園在季節(jié)性降雨期間的污染物累積風險等級，具體包括以下步驟：

9、提取輸入至數(shù)字孿生模型中的污染物累積信息，并在提取后進行預處理；

10、提取經過預處理的污染物累積信息中的污染擴散動態(tài)信息和水質影響評估信息，并在提取后進行分析，分別生成污染物擴散系數(shù)和水質變化指數(shù)；

11、對生成的污染物擴散系數(shù)和水質變化指數(shù)構建污染累積評估模型，生成污染累積系數(shù)，并將生成的污染累積系數(shù)與預先設定的污染累積系數(shù)閾值區(qū)間進行比對，根據(jù)比對結果評估城市中央公園在季節(jié)性降雨期間的污染物累積風險等級。

12、優(yōu)選的，所述污染物擴散系數(shù)的獲取邏輯如下：

13、提取經過預處理的污染物累積信息中的污染擴散動態(tài)信息，具體包括城市中央公園在季節(jié)性降雨期間內一段時間內不同時刻的平均地表徑流量、平均降雨強度、平均水流速度、平均水體面積以及污染物初始濃度，并分別標定為和c0，表示城市中央公園在季節(jié)性降雨期間內一段時間內m時刻的平均地表徑流量，表示城市中央公園在季節(jié)性降雨期間內一段時間內m時刻的平均降雨強度，表示城市中央公園在季節(jié)性降雨期間內一段時間內m時刻的平均水流速度，表示城市中央公園在季節(jié)性降雨期間內一段時間內m時刻的平均水體面積，c0表示城市中央公園在季節(jié)性降雨期間內的污染物初始濃度，m＝1、2、3、…、k，k為正整數(shù)；

14、計算污染物擴散系數(shù)，具體的計算公式如下：

15、

16、式中，pdc為污染物擴散系數(shù)。

17、優(yōu)選的，所述水質變化指數(shù)的獲取邏輯如下：

18、提取經過預處理的污染物累積信息中的水質影響評估信息，具體包括城市中央公園在季節(jié)性降雨期間內一段時間內不同時刻的污染物平均濃度、平均氮含量、平均磷含量、平均溶解氧水平值和平均水溫，并分別標定為和表示城市中央公園在季節(jié)性降雨期間內一段時間內n時刻的污染物平均濃度，表示城市中央公園在季節(jié)性降雨期間內一段時間內n時刻的平均氮含量，表示城市中央公園在季節(jié)性降雨期間內一段時間內n時刻的平均磷含量，表示城市中央公園在季節(jié)性降雨期間內一段時間內n時刻的平均溶解氧水平值，表示城市中央公園在季節(jié)性降雨期間內一段時間內n時刻的平均水溫，n＝1、2、3、…、h，h為正整數(shù)；

19、計算水質變化指數(shù)，具體的計算公式如下：

20、

21、式中，wqi為水質變化指數(shù)。

22、優(yōu)選的，對生成的污染物擴散系數(shù)和水質變化指數(shù)構建污染累積評估模型，生成污染累積系數(shù)，具體包括以下步驟

23、收集在過去一段時間內生成的若干個污染物擴散系數(shù)、若干個水質變化指數(shù)以及對應的污染累積系數(shù)，并分別標定為pdcx、wqix和pacx，x表示在過去一段時間內生成的若干個污染物擴散系數(shù)、若干個水質變化指數(shù)以及對應的污染累積系數(shù)的編號，x＝3、4、5、…、g，g為正整數(shù)，并將收集的過去一段時間內的數(shù)據(jù)形成歷史數(shù)據(jù)集；

24、選擇多元回歸模型作為污染累積評估模型，并通過歷史數(shù)據(jù)集進行訓練，確定回歸系數(shù)的取值，依據(jù)公式：

25、pacx＝β0+β1*pdcx+β2*wqix

26、式中，β0、β1和β2為回歸系數(shù)；

27、通過最小化預測值與實際值之間的誤差，優(yōu)化回歸系數(shù)，最終確定回歸系數(shù)β0、β1和β2的取值；

28、使用最終確定的回歸系數(shù)，對構建的污染累積評估模型，輸入實時生成的污染物擴散系數(shù)pdc和水質變化指數(shù)wqi，實時生成污染累積系數(shù)pac。

29、優(yōu)選的，將生成的污染累積系數(shù)pac與預先設定的污染累積系數(shù)閾值區(qū)間[pacmin，pacmax]進行比對，根據(jù)比對結果評估城市中央公園在季節(jié)性降雨期間的污染物累積風險等級，具體比對分析如下：

30、若pac<pacmin，城市中央公園在季節(jié)性降雨期間的污染物累積風險等級為低風險等級；

31、若pacmin≤pac≤pacmax，城市中央公園在季節(jié)性降雨期間的污染物累積風險等級為中風險等級；

32、若pac>pacmax，城市中央公園在季節(jié)性降雨期間的污染物累積風險等級為高風險等級。

33、優(yōu)選的，根據(jù)評估結果，確定污染物累積對水質的潛在影響，并啟動相應的水質管理措施，具體包括：

34、若評估結果為城市中央公園在季節(jié)性降雨期間的污染物累積風險等級為低風險等級，則污染物累積對水質的潛在影響為低影響，采取的管理措施為持續(xù)進行水質監(jiān)測，不增加新的干預措施；

35、若評估結果為城市中央公園在季節(jié)性降雨期間的污染物累積風險等級為中風險等級，則污染物累積對水質的潛在影響為中等影響，采取的管理措施為增加水體流動性和過濾處理，控制污染物累積；

36、若評估結果為城市中央公園在季節(jié)性降雨期間的污染物累積風險等級為高風險等級，則污染物累積對水質的潛在影響為高影響，采取的管理措施為通過物理、化學或機械方式降低水體中的污染物濃度，增加污染物處理和水體凈化。

37、優(yōu)選的，基于數(shù)字孿生的城市生態(tài)環(huán)境設計系統(tǒng)，包括水體管理目標設定與環(huán)境分析模塊、污染物累積信息采集與傳輸模塊、污染累積風險評估分析模塊、水質影響評估與管理措施啟動模塊以及水質管理動態(tài)監(jiān)控與策略調整模塊；

38、水體管理目標設定與環(huán)境分析模塊，確定城市中央公園的水體管理目標和環(huán)境條件，建立數(shù)字孿生模型，用于模擬季節(jié)性降雨期間的污染物擴散與累積效應；

39、污染物累積信息采集與傳輸模塊，實時采集城市中央公園在季節(jié)性降雨期間的污染物累積信息，并將采集的污染物累積信息通過數(shù)據(jù)接口傳輸至數(shù)字孿生模型中；

40、污染累積風險評估分析模塊，對輸入至數(shù)字孿生模型中的污染物累積信息進行分析，評估城市中央公園在季節(jié)性降雨期間的污染物累積風險等級；

41、水質影響評估與管理措施啟動模塊，根據(jù)評估結果，確定污染物累積對水質的潛在影響，并啟動相應的水質管理措施；

42、水質管理動態(tài)監(jiān)控與策略調整模塊，持續(xù)監(jiān)控水質管理措施的效果，根據(jù)實時反饋信息，動態(tài)調整水質管理策略，優(yōu)化管理措施，維持城市中央公園水體生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

43、在上述技術方案中，本發(fā)明提供的技術效果和優(yōu)點：

44、1、本發(fā)明通過構建數(shù)字孿生模型和實時監(jiān)控污染物累積信息，實現(xiàn)了對城市中央公園水體的精準監(jiān)控和動態(tài)管理。實時采集和傳輸?shù)奈廴疚锢鄯e數(shù)據(jù)確保了系統(tǒng)能夠快速響應季節(jié)性降雨期間的水質變化。這種實時數(shù)據(jù)采集和傳輸機制大大提升了水體污染物監(jiān)測的效率，使管理者能夠在污染物剛剛開始累積時便獲知信息并及時采取行動。這有效避免了傳統(tǒng)方法中因滯后性而導致的水質惡化，顯著改善了水體的管理效果。

45、2、本發(fā)明中的多元回歸模型通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，建立了精準的污染物累積評估模型，使得系統(tǒng)能夠更有效地預測和評估污染物累積對水質的長期影響。通過生成污染物擴散系數(shù)和水質變化指數(shù)，系統(tǒng)可以在降雨過程中動態(tài)評估污染物的擴散速度與累積風險等級，并根據(jù)評估結果自動啟動相應的水質管理措施。這種基于復雜數(shù)據(jù)分析的模型避免了傳統(tǒng)經驗判斷的不足，使水質管理方案更加科學且可量化，優(yōu)化了污染物管理策略的效果。

46、3、本發(fā)明采用模塊化的結構，每個模塊明確分工，能夠獨立完成各自的任務。這樣的設計使得系統(tǒng)在不同的環(huán)境條件下具有較高的靈活性，易于擴展或修改。比如，水質管理策略模塊能夠根據(jù)監(jiān)控反饋動態(tài)調整策略，優(yōu)化管理措施。這種模塊化設計確保了系統(tǒng)的高度可操作性，同時具備較強的可擴展性，便于后續(xù)根據(jù)實際情況擴展或升級功能。通過各模塊的協(xié)同工作，系統(tǒng)能夠有效應對污染物累積帶來的各種挑戰(zhàn)，維持城市中央公園水體生態(tài)系統(tǒng)的平衡。