本發明屬于流域數字孿生應用，具體涉及一種數字孿生流域地形影像服務融合方法。

背景技術：

1、數字孿生技術在流域管理中的應用，是將數字孿生的概念與流域管理相結合，通過集成地理信息系統（gis）、建筑信息模型（bim）、物聯網技術以及水利專業模型等關鍵技術，構建出能夠高度真實地反映實際物理流域中水文和環境變化的數字孿生模型；這樣的模型能夠為水旱災害的預防、水資源的優化配置、水環境的保護與生態修復、以及災害應急響應等多方面的業務應用提供科學、精確的支持和決策依據；

2、流域數字孿生技術是一種創新的管理方法，它通過構建數字孿生模型，能夠高保真地再現真實物理流域的復雜水文和環境變化。這一技術的實施，需要依賴于gis、bim、物聯網、水利專業模型等關鍵技術的支撐。在構建流域數字孿生模型的過程中，為了滿足數字孿生對空間數據的高精度要求，通常會將空間數據按照不同的級別進行劃分，創建出不同級別的地圖場景；這些級別包括l1級、l2級和l3級，每個級別對應不同的區域和精度要求；特別是在l3級別中，工程管理和保護范圍的劃分需要更為細致，這就導致了需要采集和處理大量的影像和地形數據，這些空間數據存在地理范圍不連續、空間尺度精度不連續等特點。為了應對不同區域的地理范圍和精度要求，通常需要將數據劃分成多個不同的服務，傳統的地圖服務建立方式是針對每個級別中的各個區域單獨進行影像和地形的金字塔瓦片處理，并且發布相應的服務。然而，這種做法會導致大量的影像和地形服務產生，從而使得空間數據服務的維護和管理變得異常困難。此外，在不同的應用場景下，如果統一加載不同精度的金字塔影像瓦片，將會產生大量的冗余瓦片數據。例如，在宏觀場景的小比例尺下加載l3級高精度的影像瓦片，在宏觀場景或者中觀場景（0到16級金字塔瓦片）上看實際上只有很小的有效區域，這不僅影響了可視化效果，而且l1級或l2級精度的影像數據就已經足夠滿足數字孿生在該層級的精度和可視化要求。過多的影像和地形瓦片服務還會降低數據加載的效率，并且占用不必要的存儲資源；

3、因此，開發一種減少地圖服務的數量，簡化空間數據服務的維護和管理流程、減少冗余瓦片數據的產生的數字孿生流域地形影像服務融合方法很有必要。

技術實現思路

1、本發明的目的是為了提供一種數字孿生流域地形影像服務融合方法，減少地圖服務的數量，簡化空間數據服務的維護和管理流程、減少冗余瓦片數據的產生，實現地圖數據和服務的輕量化；本發明通過規劃l1級、l2級、l3級滿足數字孿生標準的地圖數據，制定數字孿生流域在不同場景下地圖金字塔層級的加載策略；通過對dom（數字正射影像圖）數據進行瓦片融合，以及對dem（數字高程模型）數據進行融合切片，最終發布一個統一的影像瓦片服務和一個統一的地形瓦片服務，從而滿足整個流域數字孿生對地圖服務的要求和可視化效果；解決了流域數字孿生空間數據在精度和區域劃分上過于細致，導致影像和地形金字塔瓦片服務過多的問題。

2、為了實現上述目的，本發明的技術方案為：一種數字孿生流域地形影像服務融合方法，從數據層面進行服務融合，

3、具體方法，包括如下步驟，

4、s1，按照數字孿生流域地理空間數據的數據精度和建設范圍規劃地圖數據；

5、s2，根據s1規劃的精度和范圍，采集和處理滿足數字孿生流域要求的地圖數據；

6、s3，制訂數字孿生流域不同場景中地圖金字塔層級加載策略；

7、s4，對l1級、l2級、l3級數字孿生的dom數據進行瓦片融合；

8、s5，制作瓦片融合元文件，輸出流域數字孿生影像瓦片數據集；

9、s6，對l1級、l2級、l3級數字孿生的dem數據進行融合切片，輸出流域數字孿生地形瓦片數據集；

10、s7，發布流域數字孿生流域影像服務和地形服務。

11、在上述技術方案中，s1中，數字孿生流域地理空間數據的數據精度和建設范圍分為l1、l2、l3三級；其中，l1級為數字孿生流域中低精度面上建模；l2級為數字孿生流域重點區域精細建模；l3級為數字孿生流域重要實體場景建模；

12、s1中，數字孿生流域地理空間數據中地圖數據包括dom數據和dem數據；其中，dom數據為數字正射影像，用于提供地圖的地理信息和圖像信息；dem數據為數字高程模型，用于提供地圖的高程信息和地形特征；

13、規劃地圖數據包括l1級、l2級、l3級分別對應dom和dem的具體范圍和數據精度；其中，l1級為全國陸域范圍，dom分辨率優于2米，dem格網大小優于30米；l2級中流域防洪等重點業務重點關注區的dom分辨率優于20厘米，l2級中大江大河及主要支流重要河段、重要湖泊、國家蓄滯洪區、水土保持重點區的dom分辨率優于1米、dem格網大小優于15米；l3級中工程管理和保護范圍的dom分辨率優于1米、dem格網大小優于5米，l3級中水工建/構筑物的dom分辨率優于10厘米、dem格網大小優于2米。

14、在上述技術方案中，s2中，采集和處理滿足數字孿生要求的地圖數據包括不同區域（陸地和水下區域）、不同精度（米級、亞米級、厘米級）、不同數據源（衛星遙感、無人機航飛、無人船）的數據；

15、采集和處理滿足數字孿生流域要求的地圖數據包括下述具體步驟，

16、s2-1：根據輸出規劃的矢量范圍數據，分別采集對應區域和精度的l1級、l2級、l3級dom和dem數據，構建原始基礎地理信息地圖數據；

17、s2-2：為了保證數字孿生影像可視化效果，對于采集的dom數據進行后處理，最終輸出dom成果數據；對采集的dom數據進行后處理的方法包括：勻光勻色、水工建筑物陰影去除、水面部分替換河底紋理、鑲嵌和裁剪等；

18、s2-3：為了保證數字孿生地形可視化效果，對于采集的dem數據進行后處理，最終輸出dem成果數據；對采集的dem數據進行后處理的方法包括：去除殘余噪聲、水庫部分u形開挖、不同精度地形邊界平滑、鑲嵌和裁剪等。

19、在上述技術方案中，s3中，數字孿生流域不同場景包括宏觀場景、中觀場景、微觀場景；其中，宏觀場景主要關注較大范圍的地域，范圍為沿流域外擴10公里到20公里，顯示國家、省、市等級別的地理信息；中觀場景主要關注重點流域或重點關注區域，范圍為沿流域外擴500米到1000米，顯示流域級、區域級等級別的地理信息；微觀場景主要關注重點建筑區域，范圍為沿流域外擴100米到200米，顯示管理級、建筑級等級別的地理信息。

20、在上述技術方案中，s3中，制訂數字孿生流域不同場景中地圖金字塔層級加載策略的過程包括如下步驟：

21、s3-1，設計地圖金字塔橫向加載策略；

22、首先，劃分出l1級區域，該區域包括全球、全國、省級；其次，劃分出l2區域，該區域包括重點關注等區域；最后，劃分出l3區域，該區域包括重要實體區域；

23、s3-2，設計地圖金字塔縱向加載策略；

24、為了滿足數字孿生精度和可視化效果，設計總體的地圖金字塔層級為21級，0-13級為宏觀場景加載層級，都是l1區域瓦片，其中，0-7級為全球區域的瓦片，8-10級為全國區域的瓦片，11-13級為省級區域的瓦片；

25、14-18級為中觀場景加載層級，其中，14-16級為l2區域瓦片，17-18包括l2區域和l3區域瓦片；

26、19-21級為微觀場景加載層級，其中，19級包括l2區域和l3區域瓦片，20-21級為l3區域瓦片；本發明通過金字塔層級加載策略，實現支持多層級精度加載，滿足不同場景對多精度數據的需求。

27、在上述技術方案中，s4中，對l1級、l2級、l3級數字孿生的dom數據進行瓦片融合包括對dom數據進行瓦片制作、瓦片提取、瓦片合并；

28、其中，瓦片制作用于生成tms格式的影像金字塔層級瓦片，通過指定原始dom的分辨率和瓦片級別，生成不同縮放比例的瓦片，以便在不同的放大級別下加載相應的瓦片；

29、瓦片提取用于提取數字孿生特定區域以及特定縮放級別的瓦片；特定區域指l1/l2/l3區域范圍的dom數據；特定縮放級別指l1/l2/l3區域dom數據經過切片后提取幾個級別的瓦片；比如l2區域dom經過切片得到0-19級，它屬于中觀場景加載層級，只需要獲取14-19級的瓦片；l3區域dom經過切片得到0-21級，需要獲取17-21級瓦片；

30、瓦片合并通過指定需要合并的瓦片范圍、層級和順序，將它們拼接成一個整體的瓦片影像數據集。

31、在上述技術方案中，對dom數據進行瓦片制作的方法包括：

32、根據需求確定瓦片的尺寸、分辨率和坐標系統，使用專業的地圖瓦片切割工具或軟件，按照預定的規格對地理空間數據進行切割，生成多個瓦片，將切割好的瓦片按照一定的目錄結構存儲到磁盤或數據庫中。

33、在上述技術方案中，dom數據瓦片制作最終生成的瓦片結果包括全球0-7級瓦片、全國0-10級瓦片、省級0-13級瓦片、l2區域0-19級瓦片、l3區域0-21級瓦片以及對應的tilemapresource.xml瓦片融合元數據文件。

34、在上述技術方案中，對dom數據進行瓦片提取的過程包括：

35、基于上述制作的瓦片結果，從中分別提取全球0-7級瓦片、全國8-10級瓦片、省級11-13級瓦片、l2區域14-19級瓦片、l3區域17-21級瓦片。

36、在上述技術方案中，對dom數據進行瓦片融合的方法包括：

37、建立影像融合服務文件夾，按照從低級別到高級別的順序，從瓦片提取處理后的結果，分別依次將全球、全國、省級、l2區域、l3區域的瓦片數據輸入到影像融合服務文件夾中，如果金字塔同一層級在重合區域出現瓦片重復，確保高精度瓦片替換低精度瓦片，最終構建融合不同數據源、不同精度、不同區域的金字塔影像瓦片數據。

38、在上述技術方案中，s5中，制作瓦片融合元文件，輸出流域數字孿生影像瓦片數據集的方法包括：

39、s5-1：定義瓦片融合元文件的根元素，并設置地圖的基本元信息，包括標題、投影方式（如，epsg:3857；也可以根據使用情況選用其他數據）；

40、s5-2：將地圖的包圍框設置為全球范圍，覆蓋web墨卡托投影的完整區域，設置地圖的原點坐標位于全球web墨卡托投影的左下角，實現任意區域影像瓦片具有唯一原點，作為瓦片融合的基礎；本發明通過設置統一的原點比較關鍵，實現瓦片融合，防止瓦片的加載會失敗；行列號命名和加載計算根據原點進行計算，l1/l2/l3不同的dom單獨切片的原點等等信息不同，通過設置統一的原點、范圍框等等信息實現發布一個服務；

41、s5-3：定義瓦片的尺寸（如256x256像素，也可以根據使用情況選用其他像素），并設置每個層級的分辨率和順序，覆蓋所有層級的瓦片數據；

42、s5-4：瓦片融合元數據文件與0-21級瓦片文件夾放置在同級目錄，共同構成融合后的數字孿生影像瓦片數據集。

43、在上述技術方案中，s6中，對l1級、l2級、l3級數字孿生的dem數據進行融合切片，輸出流域數字孿生地形瓦片數據集的方法包括：

44、按照l3級、l2級、l1級的順序分別導入不同精度的dem數據，設置地形切片生成參數，地形切片生成參數包括坐標系、切片級別、瓦片格式等；通過工具進行融合切片的方式，按照l3級、l2級、l1級的圖層順序，保證在重疊區域高精度覆蓋低精度采樣dem數據，構建融合后的流域數字孿生地形瓦片數據集。

45、在上述技術方案中，s7中，輸出數字孿生流域影像服務和地形服務的方法包括：

46、將融合后的數字孿生影像瓦片數據集和數字孿生地形瓦片數據集放到地圖服務器上，利用nginx服務器工具配置服務地址，映射服務地址到影像和地形瓦片數據文件夾進行服務發布，輸出數字孿生流域影像服務和地形服務。

47、本發明的有益效果如下：

48、（1）通過影像和地形數據的融合處理（其中，通過步驟s4和s5實現dom服務融合，通過步驟s6實現dem融合），減少了地圖服務的數量，簡化了空間數據服務的維護和管理流程，降低了維護成本；解決現有傳統的地圖服務建立方式是針對每個級別中的各個區域單獨進行影像和地形的金字塔瓦片處理，并且發布相應的服務，導致大量的影像和地形服務產生，從而使得空間數據服務的維護和管理變得異常困難的問題；

49、（2）本發明通過步驟s4、s5、s6采用數據瓦片融合的方式將數據加載過程優化為一個數據服務，優化了數據加載過程，減少了冗余瓦片數據的產生，提高了數據加載的效率，節省了存儲資源；解決了在不同的應用場景下，如果統一加載不同精度的金字塔影像瓦片，將會產生大量的冗余瓦片數據，過多的影像和地形瓦片服務會降低數據加載的效率，并且占用不必要的存儲資源，影響加載效率、導致電腦卡頓的問題；

50、（3）優化服務性能；本發明采用數據和服務集中化發布機制，將融合后的高程及影像數據分別作為單一服務提供給用戶，有效降低了服務器的運行負載，顯著減少響應時間，提高數據查詢與傳輸的效率，增強了系統的穩健性和適用性；克服了現有技術需要采集和處理大量的影像和地形數據，這些空間數據存在地理范圍不連續、空間尺度精度不連續等特點，為了應對不同區域的地理范圍和精度要求，通常需要將數據劃分成多個不同的服務，即不同區域、不同精度dom發布各自影像地圖服務，且將數據發布0-21級，需要發布很多服務的dom和dem，導致數據加載效率降低，大大增加了響應時間，降低系統的穩健性和適用性的問題；

51、（4）本發明通過數據瓦片融合的方式進行服務的融合，將多精度多區域的不同數據合并到一個服務，dom（數字正射影像圖）通過把l3/l2的不同區域不同精度（l2/l3區域較小但是精度更高）的瓦片合并到l1級（范圍更大但是精度更低）對應的相應金字塔層級瓦片中；dem（數字高程模型）則是把不同精度和區域的dem融合切片，最終實現dom和dem各自只有一個服務；滿足整個流域數字孿生對地圖服務的要求和可視化效果；解決了現有技術實現對地圖服務的要求和可視化效果需要發布很多服務的dom和dem，產生大量的冗余瓦片數據（現有的技術一般都是不同區域、不同精度dom發布各自影像地圖服務，比如：a區域l3級0.1米發布l3級服務，b區域l3級0.1米發布l3級服務，c區域l3級0.2米發布l2級服務，以此類推，流域數字孿生有很多區域和級別的dom和dem），不僅影響地圖服務的可視化效果，過多的影像和地形瓦片服務會降低數據加載的效率，并且占用不必要的存儲資源的問題；

52、（5）實現了發布服務中地圖數據和服務的輕量化，使得數字孿生流域模型的構建更加高效，解決地圖圖層過多會影響效率的問題，使得最終發布的一個統一的影像瓦片服務和一個統一的地形瓦片服務滿足整個流域數字孿生對地圖服務的要求和可視化效果，為流域管理（如水旱災害防御、水資源優化利用、水環境保護與生態修復、災害應急響應等業務）提供了更加直觀和精準有效的支持。