デジタル・ツイン・プロジェクト治水モデリングとシミュレーションの実例

デジタルツインの洪水モデルは具体的にどのように構築されるべきなのか？何を基に構築されるべきなのだろうか？中国の水文学・水資源局が最近実施した、黄河流域の28km区間を対象としたプロジェクトを見てみよう。

堤防、ダム、突堤、堤防、排水路、水路などの治水構造物は、都市、農場、その他の経済的価値のある地域の沿岸地域や河川地域、そしてそこに住む人々を守ることを目的としている。これらの構造物は、場合によっては、水の流れを湖、海、貯水池などの水域に流すことによって、低地地域および住宅、事業所、道路、鉄道などの近隣の建物の浸水を防止することが期待されている。適切に設計・建設された場合、洪水被害を大幅に軽減し、洪水常襲地域の開発を促進し、 地域社会の安全を確保することができる。しかし、設計、建設、運用、または維持管理が不適切である場合、制御不能な洪 水を止めるには不十分である可能性があり、洪水のリスクを増大させる可能性がある。したがって、新しい構造物を計画する場合、技術者は、将来の洪水調節構造物を設計・建設するための科学的基礎となるデジタルツイン洪水モデルを構築するために、精度の高いデータを持たなければならない。

図1. 山東省水文水資源局（中国）前に設置されたCHCNAVのソリューション 。

複数のソースからのデータ収集

プロジェクトの最初のステップは、水中、陸上、空中から3Dデータを取得することから始まった。

河川両岸の地形データは、LIDARと正投影カメラを搭載したUAVによって収集され、水中の高精度地形・水深データは、シングルビーム・エコーサウンダーとマルチビーム・エコーサウンダーを搭載したUSVによって収集された：

• 水中データは、アパッチ6と アパッチ4の USV（無人探査機）に搭載されたマルチビーム・エコーサウンダーとシングルビーム・エコーサウンダーによって収集された。

• 陸上データは、BB4 UAV（無人航空機）に搭載されたAlphaUniLiDARシステムが収集した。

• また、UAVに搭載されたCHCNAV社の斜め撮影システムにより 、航空データを取得した。

図2.調査に使用されたCHCNAV社のデータ取得ソリューション。

これらの補完的な機器により、大規模リモートセンシング画像、レーザー点群、地形データ、斜め写真、CAD図面、BIMモデルなど、複数のソースからの異種データを取得した。CoPreソフトウェア（POS軌跡、LiDARデータ、RGB画像など、取得した生データを処理できる3Dレーザースキャニング前処理ソフトウェア）は、TiltおよびDOMモデリングに使用された。CoProcessソフトウェア （リアリティ・キャプチャの後処理作業とDEM/DTM生成のために設計されたソフトウェア）は、標高データから作成された地表面の3D表現である高精度DEMモデルを生成するために使用され、水上と水下の領域について50点/m2以上の点群密度を持つ。

図3.傾斜、BIM、DOM、DEMモデル。

さらに、CHCNAVのCORS ステーションとGNSSセンサーから得られた高精度リアルタイム測位データ、気象・水文データ、AI（人工知能）映像データ、その他洪水防御、河道、貯水池の運用・維持管理に関する関連情報が、プロジェクトのために同局によって事前に準備されていた。

大量のデータ読み込みと高速レンダリング

デジタル・ツイン・データベースで収集・生成されたデータ量はペタバイト（PB）に達した。この大量の情報を迅速にレンダリング・処理するために、3D洪水シミュレーションとビジュアライゼーションのための強力なサードパーティ製プラットフォームが使用された。

図4.洪水モデリングプロセスの構成要素

インテリジェントな洪水シミュレーションと複数シナリオのモデル化

この時点で、さらに3つのステップが実施されている：

データ解析 - 水文解析では、水がどのように地形上を移動するかを理解する必要がある。その目的は、どこでどの程度の確率で洪水が発生する可能性があるかを判断することである。現場データ（気候記録、洪水マップ、流量記録、水文サマリー、地下水位記録、水質、資源データなど）、および遠隔操作車両と生成モデルから得られた正確で包括的なデータが解析の基礎として使用された。提供されたデータの質は、高品質のモデルに不可欠な貢献であった。

高解像度の過去の洪水モデリングとシミュレーション - 過去の洪水情報は、洪水メカニズムの概念モデルを開発するためのスコーピング段階で利用された。実際の洪水記録に基づき、さまざまな年の洪水プロセス全体がサードパーティの洪水シミュレーショ ンプラットフォーム上で再現された。

図 5.過去の洪水事象のシミュレーションと分析。

リアルタイムの洪水リスクのモデリングとシミュレーション - 3次元流体力学モデルの計算に基づいて、サードパーティの洪水モデリングソフトウェアでリアルタイムの洪水外挿プロセスをシミュレートし、独自に開発した流体力学モデリングアルゴリズムによって定常および非定常の流れパターンをシミュレートした。

図6.リアルタイム洪水外挿過程のシミュレーション。

カスタマイズされたビジネスアプリケーション

次のステップとして、開発されたデジタル洪水モデルに基づいて、デジタル流域ツインプロジェクトでは、プロジェクトスケジュール（2022-2025年）に従い、技術スタッフ、専門家、ユーザーが共同で、流域のエンジニアリングや建設イニシアティブのためのカスタマイズされたアプリケーションの開発に今後数年間取り組むことを求めている。

結論として、CHCNAVのUAV、USV、LiDARのような3次元大量データ取得システムを使用して、最新で高品質な地形・水深データを維持することは、水理モデルの構築や洪水マップの作成におけるベースとなるため、デジタルツインモデルの基礎となる。しかし、情報が古いと、デジタルモデルの開発にかかる時間やコストが大幅に増加し、人為的ミスが発生する可能性も高くなります。レガシーデータを再利用する場合でも、3Dリアリティキャプチャソリューションを適用する前に、最初のデータ収集以降、調査地域に大きな変化（浸食や堆積、植生の生長、建設、改変、除去など）がないことを確認することが重要です。

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CHCNAVについて

CHCナビゲーション（CHCNAV）は、革新的なGNSSナビゲーションと測位ソリューションを創造し、お客様の作業をより効率的にします。CHCNAVの製品とソリューションは、地理空間、建設、農業、海洋など、さまざまな業界をカバーしています。世界中に拠点を持ち、120カ国以上に販売代理店を持ち、1,500人以上の従業員を抱えるCHCナビゲーションは、今日、ジオマティクス技術において最も急成長している企業の1つとして認められています。