一種實(shí)時(shí)高效的流域洪水演進(jìn)可視化仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于洪水演進(jìn)可視化仿真領(lǐng)域，設(shè)及一種實(shí)時(shí)高效的流域洪水演進(jìn)可視化 仿真方法，是一種基于數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的流域洪水演進(jìn)可視化仿真方法，是一種基于 并行處理架構(gòu)的流域洪水演進(jìn)可視化仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 流域洪水演進(jìn)仿真是W觀測(cè)數(shù)據(jù)和水文水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算為驅(qū)動(dòng)，在計(jì)算機(jī)生成 的虛擬流域環(huán)境中，立體直觀地動(dòng)態(tài)仿真模擬洪水在真實(shí)河道內(nèi)的時(shí)空演進(jìn)過程及淹沒狀 況。由于來水來沙條件的動(dòng)態(tài)變化，水流與流域地形相互作用影響，導(dǎo)致河道淹沒區(qū)域存在 不確定性。尤其河道邊界及河床的動(dòng)態(tài)空間行為給實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地仿真洪水淹沒及演進(jìn)過程帶 來了困難。因此，如何確定流域洪水淹沒區(qū)域成為洪水演進(jìn)可視化仿真中亟需解決的關(guān)鍵 問題。
[0003] 洪水淹沒區(qū)域確定方法主要分為有源和無源淹沒兩類，前者是研究的重點(diǎn)和難 點(diǎn)。多數(shù)GIS軟件利用人工干預(yù)方法處理有源淹沒，但擴(kuò)展性和適應(yīng)性不強(qiáng);近年來比較有 代表性的有源淹沒問題的自動(dòng)化處理方法是種子蔓延法和投石問路法。運(yùn)些算法雖然能夠 識(shí)別洪水淹沒區(qū)，但仍存在W下不足:①需要連續(xù)重復(fù)檢測(cè)淹沒及連通區(qū)，當(dāng)遇到較大或較 細(xì)格網(wǎng)的研究區(qū)域時(shí)，會(huì)帶來很大的計(jì)算量，導(dǎo)致擅染效率低下。②用于計(jì)算和顯示的最小 單元是規(guī)則或任意的多邊形格網(wǎng)，較粗格網(wǎng)單元不僅使淹沒區(qū)表達(dá)精度很低，而且還會(huì)出 現(xiàn)明顯錯(cuò)誤的淹沒區(qū)連通性表達(dá)。③洪水淹沒區(qū)是基于"水平面"方法實(shí)現(xiàn)，缺乏相應(yīng)物理 機(jī)制，在移植到河道或河網(wǎng)洪水仿真中，與實(shí)際情況相惇，尤其在遇到水面坡降較大的情形 時(shí)，會(huì)導(dǎo)致虛假的淹沒區(qū)域。④在淹沒區(qū)域處理上，由于沒有考慮相鄰時(shí)間的淹沒形勢(shì)，導(dǎo) 致不能正確處理不連通法地的淹沒情況。因此，研究一種基于更加準(zhǔn)確快速的河道洪水淹 沒區(qū)構(gòu)建算法的流域洪水演進(jìn)仿真方法具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于河勢(shì)貼體網(wǎng)格的實(shí)時(shí)高效流域洪 水演進(jìn)可視化仿真方法。本發(fā)明所述的方法充分利用原型觀測(cè)數(shù)據(jù)、河道水文模型及一維 水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算的特點(diǎn)，引入河勢(shì)貼體的概念構(gòu)建能與計(jì)算斷面空間關(guān)系映射的數(shù)字河 道模型，利用數(shù)字河道模型結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，提出河道水流淹沒線追蹤、淹沒區(qū)識(shí)別及可視化 仿真的方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：一種實(shí)時(shí)高效的流域洪水演進(jìn)可視化仿真方法，所 述方法包括Ξ個(gè)過程:河勢(shì)貼體數(shù)字河道建模過程，河道淹沒邊界捜索算法，河道水流淹沒 仿真過程，所述方法的步驟如下： 河勢(shì)貼體數(shù)字河道建模過程： 獲取網(wǎng)格控制斷面和節(jié)點(diǎn)的步驟：用于通過選用已知的水位站、水文站、測(cè)流斷面、斷 面形狀測(cè)量位置斷面、水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面、重點(diǎn)關(guān)注河段斷面和河勢(shì)變化劇烈處的斷面來確定 控制斷面并設(shè)置斷面節(jié)點(diǎn)； 確定河勢(shì)擬合曲線的步驟:用于利用化rmite Ξ次插值函數(shù)根據(jù)網(wǎng)格控制斷面的走向 和節(jié)點(diǎn)的位置，生成系列通過網(wǎng)格控制節(jié)點(diǎn)和垂直網(wǎng)格控制斷面的縱向網(wǎng)格控制曲線，從 而確定河道縱向網(wǎng)格控制曲線為河勢(shì)擬合曲線。
[0006] 生成加密斷面的步驟：用于依據(jù)網(wǎng)格控制斷面間距，根據(jù)需要在相鄰斷面間增加 斷面?zhèn)€數(shù)，斷面走向垂直于河勢(shì)擬合曲線，斷面長度與河岸線的交點(diǎn)為河岸點(diǎn)； 對(duì)網(wǎng)格控制斷面和加密斷面處理的步驟:用于對(duì)控制斷面節(jié)點(diǎn)的加密，首先保證控制 斷面上的控制節(jié)點(diǎn)位置不變化，W便控制斷面的形狀，在此基礎(chǔ)上增加節(jié)點(diǎn)； 插值生成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)高程的步驟：用于利用實(shí)測(cè)的河道數(shù)字高程數(shù)據(jù)，插值生成網(wǎng)格節(jié) 點(diǎn)的高程值； 生成數(shù)字河道模型的步驟:用于將生成的具有明確拓?fù)潢P(guān)系的結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，通過合理 連接形成Ξ角形面集合，并設(shè)置光照效果、材質(zhì)屬性和紋理映射，生成數(shù)字河道模型； 河道淹沒邊界捜索算法： 基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的斷面水位數(shù)據(jù)獲取的步驟:利用河道沿線布設(shè)的水位測(cè)量設(shè)備，按照 一定的監(jiān)測(cè)頻率將水位數(shù)據(jù)傳送給河道淹沒邊界捜索模塊； 基于水文水動(dòng)力模型的斷面水位數(shù)據(jù)獲取的步驟:用于使用河道一維水動(dòng)力學(xué)模型或 河道水文模型描述水流演進(jìn)，生成計(jì)算斷面水位數(shù)據(jù)； 插值生成斷面水位的步驟:用于對(duì)相鄰實(shí)際測(cè)量斷面或相鄰計(jì)算斷面之間斷面所在位 置的水位進(jìn)行插值； 確定河道淹沒線的步驟:用于首先將河道淹沒線的追蹤"拆分"為相鄰斷面之間淹沒線 段的追蹤，然后，將追蹤的所有斷面間的淹沒線段"組合"為河道的淹沒線，即為最終河道淹 沒線。
[0007] 建立河道淹沒線的拓?fù)潢P(guān)系的步驟:用于根據(jù)追蹤出的系列實(shí)際或虛擬封閉淹沒 線，確定運(yùn)些淹沒線之間的包含關(guān)系，利用樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織生成淹沒線的拓?fù)潢P(guān)系； 河道水流淹沒區(qū)域識(shí)別過程： 識(shí)別淹沒區(qū)的步驟:用于依據(jù)建立的淹沒線的拓?fù)潢P(guān)系，識(shí)別河道最大范圍淹沒線，確 定不同來水條件下因高地和法地的存在而形成的內(nèi)部淹沒線，若法地在水位上升過程中被 淹沒過，那么水位下降時(shí)，法地仍保持原先水位時(shí)的淹沒狀態(tài)，從而得到準(zhǔn)確的河道淹沒區(qū) 域； 河道水流演進(jìn)可視化顯示的步驟：用于處理水體表現(xiàn)方式，在顯示屏上形成水位數(shù)據(jù) 驅(qū)動(dòng)的水體連續(xù)動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)現(xiàn)流域洪水演進(jìn)實(shí)時(shí)仿真，所述對(duì)水體表現(xiàn)方式處理的方法 是紋理貼圖移動(dòng)法或多個(gè)紋理圖片替換法。
[0008] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:所述的方法能夠?qū)崟r(shí)高效準(zhǔn)確地顯示流域洪水演進(jìn)狀 況，創(chuàng)建連續(xù)變化的洪水淹沒層，根據(jù)水面的高程立體地觀察局部或全區(qū)域淹沒范圍，對(duì)于 局部洪水淹沒地區(qū)可實(shí)時(shí)計(jì)算出某一高程洪水水面淹沒的表面積和蓄水量，直接服務(wù)于流 域防洪減災(zāi)，對(duì)于提高減災(zāi)能力具有重要的實(shí)踐意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0009] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0010] 圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一所述方法的流程圖； 圖2是本發(fā)明的實(shí)施例一中河勢(shì)貼體數(shù)字河道地形網(wǎng)格示意圖； 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例一中捜索算法相鄰斷面間淹沒線示意圖； 圖4是本發(fā)明的實(shí)施例一中河道淹沒線邊界點(diǎn)坐標(biāo)求解示意圖； 圖5是本發(fā)明的實(shí)施例一中單一河道淹沒區(qū)識(shí)別示意圖； 圖6是本發(fā)明的實(shí)施例一中淹沒線多叉樹結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是本發(fā)明的實(shí)施例二中樹狀水系河道淹沒區(qū)識(shí)別示意圖； 圖8是本發(fā)明的實(shí)施例Ξ中環(huán)狀水系河道淹沒區(qū)識(shí)別示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 實(shí)施例一. 本實(shí)施例是一種實(shí)時(shí)高效的流域洪水演進(jìn)可視化仿真方法，流程如圖1所示。本實(shí)施例 所述方法包括Ξ個(gè)過程:河勢(shì)貼體數(shù)字河道建模過程，河道淹沒邊界捜索算法，河道水流淹 沒仿真過程。本實(shí)施例能使用任何面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)語言編寫計(jì)算機(jī)程序，該程序能跨計(jì) 算機(jī)平臺(tái)運(yùn)行。如果該計(jì)算機(jī)支持并行處理架構(gòu)，則后續(xù)幾個(gè)步驟可W并行處理，提高處理 速度，使顯示更加流楊。
[0012] 本實(shí)施例的基本思路是:首先將河勢(shì)概念與貼體網(wǎng)格生成思想相結(jié)合，建立了河 勢(shì)貼體數(shù)字河道模型;然后利用水動(dòng)力或水文模型，在計(jì)算出斷面水位的情況下，捜索相鄰 斷面淹沒線段，按照它們之間的連接關(guān)系，拼接追蹤出河道洪水淹沒線；最后，通過建立淹 沒線的拓?fù)潢P(guān)系，識(shí)別出洪水淹沒區(qū)域，實(shí)現(xiàn)洪水水體的實(shí)時(shí)可視化仿真。
[0013] 本實(shí)施例所述方法的具體步驟如下： 一、河勢(shì)貼體數(shù)字河道建模過程： 1.獲取網(wǎng)格控制斷面和節(jié)點(diǎn)的步驟：用于通過選用已知的水位站、水文站、測(cè)流斷面 或水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面確定控制點(diǎn)。
[0014] 確定數(shù)字河道網(wǎng)格控制斷面和節(jié)點(diǎn)。選取研究河段的進(jìn)出口斷面、河段內(nèi)水位/水 文站點(diǎn)、斷面形狀測(cè)量位置斷面、測(cè)流斷面、重點(diǎn)關(guān)注河段斷面和河勢(shì)變化劇烈處的斷面來 確定控制斷面并設(shè)置斷面節(jié)點(diǎn)。河勢(shì)控制斷面W及需要重點(diǎn)研究河段的控制斷面等作為網(wǎng) 格控制斷面，控制斷面應(yīng)盡可能與河流的流向垂直。在所選取的網(wǎng)格控制斷面上確定網(wǎng)格 控制節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)的選擇遵循W下原則:①河道左右岸線上的控制點(diǎn)數(shù)量應(yīng)當(dāng)相等;②在 河流的凹岸或凸岸處確定控制點(diǎn)；③在河道形狀變化較大處多取控制點(diǎn)個(gè)數(shù)，河流順直處 少取控制點(diǎn)個(gè)數(shù)，運(yùn)些節(jié)點(diǎn)可W任意選取在控制斷面的深激點(diǎn)、主流點(diǎn)或中屯、點(diǎn)等處，所選 擇的網(wǎng)格控制節(jié)點(diǎn)即為數(shù)學(xué)上化rmiteS次插值函數(shù)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)。通過選用已知的水位、水 文站點(diǎn)、測(cè)流斷面或水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面確定控制點(diǎn)。
[0015] 2.確定河勢(shì)擬合曲線的步驟：用于利用化rmite Ξ次插值函數(shù)根據(jù)網(wǎng)格控制斷 面的走向和節(jié)點(diǎn)的位置，生成系列通過網(wǎng)格控制節(jié)點(diǎn)和垂直網(wǎng)格控制斷面的縱向網(wǎng)格控制 曲線，從而確定河道縱向網(wǎng)格控制曲線為河勢(shì)擬合曲線。
[0016] 在上一步驟生成的網(wǎng)格控制斷面和節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用化rmite Ξ次插值函數(shù)根 據(jù)網(wǎng)格控制斷面的走向和節(jié)點(diǎn)的位置，生成系列通過網(wǎng)格控制節(jié)點(diǎn)和垂直網(wǎng)格控制斷面的 縱向網(wǎng)格控制曲線?？蒞通過人工交互的方式修改調(diào)整控制斷面和節(jié)點(diǎn)，便