專利名稱：一種基于cd-tin的城區(qū)地表特征點(diǎn)匯水量計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到城區(qū)雨洪內(nèi)澇分析與模擬仿真領(lǐng)域，特別是城區(qū)暴雨致澇的模擬仿真領(lǐng)域，是一種基于CD-TIN并顧及城區(qū)精細(xì)高程模型和地表多元特征的、能夠精確計(jì)算城區(qū)地表特征點(diǎn)匯水量的方法。
背景技術(shù)：
從古至今，暴雨及其衍生災(zāi)害一直是中華民族的心腹大患[1]。1931年的長江洪澇導(dǎo)致武漢市全城內(nèi)澇長達(dá)數(shù)月之久，數(shù)十萬人罹難，千萬災(zāi)民流離失所[2]。研究表明，由于大城市城區(qū)氣溫高、空氣中粉塵大，周邊上升氣流形成向城市匯聚性運(yùn)動。一旦上升的熱氣流遭遇高空強(qiáng)對流的冷氣團(tuán)，就會形成以城市為中心的暴雨，即所謂的城市雨島效應(yīng)[3]。城市雨島效應(yīng)是城市熱島效應(yīng)與尾氣顆粒的綜合作用，導(dǎo)致城市上空經(jīng)過的冷空氣加速凝結(jié)而降雨[4]。當(dāng)代社會，因暴雨及城市排水問題引發(fā)的城市內(nèi)澇成為一種新的“城市型水災(zāi)害”。2010年5月7日、9日至14日，廣州市區(qū)一周之內(nèi)遭遇3場暴雨，降雨量達(dá)到440mm，是廣州市自1908年有氣象記錄以來汛期從未出現(xiàn)過的極端天氣狀況，中心城區(qū)118處地段出現(xiàn)內(nèi)澇水浸，7人罹難,35個地下車庫被淹沒，地鐵口雨水倒灌、地鐵隧道滲水,全市經(jīng)濟(jì)損失約5.4億元。2011年6月23日，今年入夏以來的最強(qiáng)暴雨光臨了京城大部分地區(qū)，局部地區(qū)降雨量超過了 100毫米。突如其來的傾盆大雨使得城區(qū)積水嚴(yán)重，部分道路中斷，多條地鐵線路運(yùn)營受阻，大批航班取消或延誤。城市這一傳統(tǒng)上人類生存的“安全地帶”，在暴雨引發(fā)的內(nèi)澇面前顯得非常脆弱。城市內(nèi)澇災(zāi)害使交通系統(tǒng)頃刻癱瘓、生產(chǎn)活動停頓、基礎(chǔ)設(shè)施損毀、居民生活受困，直接威脅著人類生存與城市發(fā)展[5]。雨洪的形成、移動、匯聚等一系列過程，均與地表特征相關(guān)，尤其是與地表高程特征的關(guān)系更為密切。高程常常用來描述地形表面的起伏形態(tài)。傳統(tǒng)的高程模型是等高線[6]，其數(shù)學(xué)意義是定義在二維地理空間上的連續(xù)曲面函數(shù)，當(dāng)此高程模型用計(jì)算機(jī)來表達(dá)時，就稱為數(shù)字高程模型m (Digital Elevation Model，DEM)。DEM的數(shù)據(jù)模型按照網(wǎng)格形狀可分為規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型和不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型，其中基于正方形網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型為柵格DEM,基于不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network, TIN)的不規(guī)則鑲嵌數(shù)據(jù)模型為矢量DEM[8]。在防洪減災(zāi)方面，DEM是進(jìn)行水文分析(如匯水區(qū)分析、水系網(wǎng)絡(luò)分析、降雨徑流分析、蓄洪量計(jì)算、淹沒區(qū)分析等)的基礎(chǔ)[9]。目前，在現(xiàn)有的水文分析中，絕大部分算法是針對柵格DEM而設(shè)計(jì)的，如各種水流方向計(jì)算[1°_12]、河網(wǎng)提取算法[13_14]、流域地形分割算法[15]等。柵格DEM具有柵格大小均一、數(shù)據(jù)點(diǎn)排列規(guī)則等特征，這些特征雖然使得上述算法的實(shí)現(xiàn)較為簡單，但是限制了其在地形表達(dá)上的靈活性和準(zhǔn)確性，也給城區(qū)水文分析帶來一系列的困難，如水流方向確定的不準(zhǔn)確、匯水區(qū)水量計(jì)算的不精確等。與柵格DEM相比，基于TIN的矢量DEM的矢量特性使得其在描述如河網(wǎng)結(jié)構(gòu)、流域拓?fù)潢P(guān)系、城區(qū)地表匯水計(jì)算等方面更具優(yōu)勢，例如水流方向可由三角形唯一確定；影響水流方向的各類精細(xì)地表特征，可作為約束條件嵌入到地形TIN之中[16]，形成約束狄洛尼不規(guī)則三角網(wǎng)(Constrained Delaunay Triangular IrregularNetwork, CD-TIN)。參考文獻(xiàn):[I]王靜愛，史培軍，王瑛.中國城市自然災(zāi)害區(qū)劃編制[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2005，14(6):42-46[2]Pietz,David.Engineering the State:The Huai River and Reconstructionin Nationalist Chinel927_1937[M].Routledge，ISBN 0415933889.2002，xvi1:61-70[3]Daniel Rosenfeld.Suppression of rain and snow by urban andindustries air pollution [J].Science，2000，287(10):1793-1796[4] Changnon SA Jr.Precipitation changes in summer caused bySt.Louis [J]，Science，1979，205 (9):402-404[5]國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006 2020年)[6]邱衛(wèi)寧.根據(jù)等高線建立數(shù)字高程模型[J].武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1994[7]湯國安，李發(fā)源，劉學(xué)軍.數(shù)字高程模型教程(第二版)[M].科學(xué)出版社，2010[8]湯國安，劉學(xué)軍，閭國年.數(shù)字高程模型及地學(xué)分析的原理與方法[M].科學(xué)出版社，2005[9]徐宗學(xué)等.水文模型[M].科學(xué)出版社，2009[10]Lea N LAn aspect driven kine matic routing algorithm.1n:ParsonsA J，Overland Flow, eds.Hydraulic sand Erosion Mechanics[M].New York:AbrahamsChapman and Hall，1992[ll]Quinn P F，Beven K J，Chevallier P.The prediction of hillslope flowpaths for distributedhydrological modeling using digital terrain models[J].Hydrological Processes，1991，5(I):59-79[12]Meisels A,Raizman SiKarnieli A.Skeletonizing a DEM into a drainageNetwork[J].1995,21 (1):187-196[13]Band L E.Topographic partition of watershades with digitalelevation models[J].WaterResources Research，1986，22:15-24[14]Qian JiEhrich R W.DNESYS-an expert system for automatic extractionof drainage Networksfrom Digital Elevation Model[J].1EEE Transaction onGeoscience and Remote Sensing，2002，28(I):29-45[15]0’ Callaghan F，Mark D M.The extraction of drainage networks fromdigital elevation data.Computer Vision [J], Graphics and Image Processing，1984，28:323-344[16]劉學(xué)軍，王永君，任政.基于不規(guī)則三角網(wǎng)的河網(wǎng)提取算法[J].水利學(xué)報(bào)，2008，39 (I):27-3
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了 一種基于約束狄洛尼不規(guī)則三角網(wǎng)(Constrained DelaunayTriangularIrregular Network，(D-TIN)的城區(qū)地表特征點(diǎn)匯水量計(jì)算方法，技術(shù)流程包括:基于CD-TIN的城區(qū)地表精細(xì)DEM構(gòu)建、三角形面片水流方向計(jì)算、三角形面片產(chǎn)水量計(jì)算、節(jié)點(diǎn)匯水量初值計(jì)算、邊水流方向計(jì)算、邊水流量計(jì)算、節(jié)點(diǎn)匯水量終值計(jì)算。本發(fā)明的特征在于，它顧及城區(qū)流水特征并基于⑶-TIN構(gòu)建城區(qū)地表精細(xì)DEM，并依據(jù)“水往低處流”的常識，先將三角形面片產(chǎn)水量分配到各節(jié)點(diǎn)形成節(jié)點(diǎn)匯水量初值，再依據(jù)節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)各邊的高差，進(jìn)行CD-TIN中邊水流量計(jì)算和節(jié)點(diǎn)匯水量終值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)基于三角形“面-點(diǎn)-線-點(diǎn)”匯水過程的城區(qū)地表特征點(diǎn)匯水量精確計(jì)算。本發(fā)明可解決現(xiàn)有城區(qū)地表匯水量計(jì)算方法誤差大、精度低，以及對一些可能影響匯水的因素如建筑、道路、隔離帶、馬路牙、綠地、雨水篦、落水井等未加考慮或考慮不足等問題。利用本發(fā)明可以更為精確地計(jì)算城區(qū)地表特征點(diǎn)的匯水量，為城區(qū)內(nèi)澇分析與模擬仿真等提供核心算法與技術(shù)手段。


圖1為本發(fā)明提出的城區(qū)地表特征點(diǎn)匯水量計(jì)算方法流程圖。圖2為本發(fā)明提出的基于CD-TIN的城區(qū)地表精細(xì)DEM局部示意圖，其中，白色粗線代表嵌入其中的可能影響城區(qū)地表匯水的約束條件，如房屋、道路、綠地。圖3為本發(fā)明提出的計(jì)算方法效果圖。其中，箭頭代表其所在三角形面片和邊的水流方向，實(shí)心圓點(diǎn)為匯水節(jié)點(diǎn)，空心圓圈為雨水井口 /雨水箅。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的基于CD-TIN的城區(qū)地表特征點(diǎn)匯水量計(jì)算方法與技術(shù)流程，如圖1所示。1、基于CD-TIN的城區(qū)地表精細(xì)DEM構(gòu)建。I)利用城區(qū)地表測量數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于自由D-TIN的城區(qū)精細(xì)DEM ；2)把可能影響匯水的城區(qū)地表特征如建筑、道路、綠地、雨水井/雨水箅等作為約束條件嵌入D-TIN DEM中，構(gòu)建基于⑶-TIN的城區(qū)地表精細(xì)DEM，如圖2所示，其中白色粗線代表約束條件。2、三角形面片水流方向計(jì)算。根據(jù)“水往低處流”，按照以下步驟計(jì)算三角形面片水流方向:I)提取三角形面片對應(yīng)3個節(jié)點(diǎn)的高程；2)比較這3個節(jié)點(diǎn)的高程大小，得到高程最低的節(jié)點(diǎn)；3)三角形面片水流方向指向高程最低的節(jié)點(diǎn)。如圖3，三角形面片內(nèi)箭頭所示。3、三角形面片產(chǎn)水量計(jì)算按照以下步驟計(jì)算三角形面片產(chǎn)水量:I)計(jì)算三角形面片上的降雨量，它等于降雨強(qiáng)度、歷時與三角形投影面積之積；2)計(jì)算三角形面片上的入滲量，它等于降雨量與入滲系數(shù)二者之積；3)得到三角形面片的產(chǎn)水量，它等于降雨量與入滲量之差。4、節(jié)點(diǎn)匯水量初值計(jì)算。按照以下步驟計(jì)算節(jié)點(diǎn)匯水量初值:I)提取以某個節(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)的所有三角形面片；
2)依次判斷每個三角形面片水流方向是否指向該節(jié)點(diǎn)；3)如果是，則把該三角形面片的產(chǎn)水量賦值給該節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)匯水量初值等于水流方向指向它的所有三角形面片產(chǎn)水量之和。5、邊水流方向計(jì)算。根據(jù)“水往低處流”，按照以下步驟計(jì)算邊水流方向:I)提取構(gòu)成一條邊的兩個節(jié)點(diǎn)的高程值；2)比較這兩個節(jié)點(diǎn)高程值的大小，得到高程值較低的節(jié)點(diǎn)；3)該邊水流方向指向高程值較低的節(jié)點(diǎn)。如圖3，三角形邊上箭頭所示。6、邊水流量計(jì)算。按照以下步驟計(jì)算邊水流量:I)提取以某一節(jié)點(diǎn)為端點(diǎn)但水流方向不指向該節(jié)點(diǎn)的所有邊；2)計(jì)算其中某邊的長度及兩端高差，得到該邊高差與長度的比值；依此類推，得到水流方向不指向該節(jié)點(diǎn)的其它邊的高差與長度的比值，并將所有比值求和；3)以該節(jié)點(diǎn)匯水量初值為輸入，以該邊高差與長度的比值相對于所有邊高差與長度比值之和的商為權(quán)重，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)匯水量初值的分配，計(jì)算出該邊水流量。7、循環(huán)步驟2-6，直到完成模型中所有三角形面片水流方向、產(chǎn)水量、節(jié)點(diǎn)匯水量初值、邊水流方向，以及邊水流量的計(jì)算。8、節(jié)點(diǎn)匯水量終值計(jì)算。節(jié)點(diǎn)匯水量終值等于水流方向指向該節(jié)點(diǎn)的所有邊水流量之和。據(jù)此，實(shí)現(xiàn)了基于⑶-TIN的城區(qū)地表特征點(diǎn)匯水量的計(jì)算。
權(quán)利要求
1.一種基于CD-TIN的城區(qū)地表特征點(diǎn)匯水量計(jì)算方法，其特征在于該方法主要包括:顧及城區(qū)流水特征并基于⑶-TIN的城區(qū)地表精細(xì)DEM構(gòu)建方法、⑶-TIN中邊水流量計(jì)算方法、CD-TIN中節(jié)點(diǎn)匯水量終值計(jì)算方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顧及城區(qū)流水特征并基于CD-TIN的城區(qū)地表精細(xì)DEM構(gòu)建方法，其特征在于它的數(shù)據(jù)模型采用約束狄洛尼不規(guī)則三角網(wǎng)(Constrained DelaunayTriangular Irregular Network, Q)_TIN),并將雨水篤、落水井等作為特征點(diǎn)，以影響城區(qū)地表水流的特征線和特征面(如建筑、道路、綠地、隔離帶、馬路牙等)作為約束條件嵌入其中，共同構(gòu)建基于CD-TIN的城區(qū)地表精細(xì)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CD-TIN中邊水流量計(jì)算方法，其特征在于采用基于水力坡降的多流向算法。以節(jié)點(diǎn)為端點(diǎn)，但水流方向不指向節(jié)點(diǎn)的邊為分配對象，以節(jié)點(diǎn)匯水量初值為輸入，以其中某邊高差與長度的比值相對于所有邊高差與長度比值之和的商為權(quán)重，以輸入乘以權(quán)重，進(jìn)行⑶-TIN中邊水流量計(jì)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CD-TIN中節(jié)點(diǎn)匯水量終值計(jì)算方法，其特征在于計(jì)算水流方向指向節(jié)點(diǎn)的所有邊的水流量之和，從而得到CD-TIN中各節(jié)點(diǎn)匯水量終值。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于CD-TIN的城區(qū)地表特征點(diǎn)匯水量計(jì)算方法，屬于城區(qū)雨洪內(nèi)澇分析及模擬仿真領(lǐng)域。本發(fā)明顧及城區(qū)流水特征并基于CD-TIN構(gòu)建城區(qū)地表精細(xì)DEM，依據(jù)“水往低處流”，先將三角形面片產(chǎn)水量分配到各節(jié)點(diǎn)形成節(jié)點(diǎn)匯水量初值，再依據(jù)節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)各邊的高差，進(jìn)行CD-TIN中邊水流量和節(jié)點(diǎn)匯水量終值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)基于三角形“面-點(diǎn)-線-點(diǎn)”的城區(qū)地表特征點(diǎn)匯水量精確計(jì)算。技術(shù)流程包括三角形面片水流方向計(jì)算、三角形面片產(chǎn)水量計(jì)算、節(jié)點(diǎn)匯水量初值計(jì)算、邊水流方向計(jì)算、邊水流量計(jì)算、節(jié)點(diǎn)匯水量終值計(jì)算。本發(fā)明可以解決現(xiàn)有城區(qū)地表匯水量計(jì)算方法誤差大、精度低、多種影響因素考慮不足等問題，為城區(qū)內(nèi)澇分析與模擬仿真等提供核心算法與技術(shù)手段。
文檔編號G06T17/05GK103208135SQ201210006339
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者吳立新, 劉玉軒, 王植 申請人:吳立新, 劉玉軒, 王植