[發明專利]基于SPH算法的洪水潰壩過程仿真方法與仿真系統

有效

• 申請號: 201210113981.1
• 申請日: 2012-04-18
• 公開（公告）號: CN102708227A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 唐新明;汪匯兵;歐陽斯達;李忠;葉芳宏
• 申請（專利權）人: 國家測繪局衛星測繪應用中心
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06F17/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于地學過程模擬與地理信息系統技術領域，尤其涉及一種基于SPH(Smoothed?Particle?Hydrodynamics，光滑粒子流體動力學)算法的洪水潰壩過程仿真方法及仿真系統。

背景技術

近年來全球地質災害頻發，對類似于洪水潰壩這樣的災害的地學過程的模擬，融合了地學、計算機圖形學、仿真計算、物理、數學等多個學科領域，是目前研究熱點和難點。

在地理信息系統領域，傳統的仿真方法是在利用地學模型或數學模型等經驗公式模型來實現，即通過分析洪水潰壩過程的主要影響因子，例如坡度、匯流量等，利用空間分析方法建立地學模型，例如匯流分析、元胞自動機分析、多智能體分析等。這類方法實現的模擬速度較快，適用于大規模的快速地學過程模擬與分析。但因為忽略了很多的物理學與動力學因素，其模擬的可靠性受到模型的因素選取與空間分析方法的約束，其計算結果的精度往往較低，仿真效果較為簡單，在某些應用中不能滿足高精度高仿真的需求。

光滑粒子流體動力學方法是一種無網格粒子數值仿真方法，以其能對復雜的物理作用較好演繹的優勢，最早出現天體物理學的應用中，用于解決復雜天體運動的模擬，目前廣泛應用于流體力學相關領域，包括不可壓流、磁流、重力流、熱傳導、沖擊模擬、水下爆炸等模擬。新加坡、加拿大、澳大利亞、美國、德國在SPH的算法及改進算法都有一定的研究成果，且有較多的探索性應用。將這種方法引進到地學過程模擬中，是顯著提高模擬精度與可靠性的有效途徑。

因為傳統的地學過程仿真方法忽略了很多的物理學與動力學因素，其模擬的可靠性受到模型的因素選取與空間分析方法的約束，其計算結果的精度往往較低，仿真效果較為簡單，在某些應用中不能滿足高精度高仿真的需求。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供一種基于SPH算法的洪水潰壩過程仿真方法與仿真系統，將SPH方法引用到地學過程模擬中，有效提高仿真結果的真實性。

為了達到上述目的，本發明提供一種基于SPH算法的洪水潰壩過程仿真方法，包括：

步驟A、獲取實地地理空間信息數據；

步驟B、基于步驟A獲取的所述地理空間信息數據建立洪水潰壩過程的動力學模型；

步驟C、基于步驟A獲取的所述地理空間信息數據建立地理實體模型；

步驟D、將步驟B得到的所述動力學模型解析為SPH計算式；

步驟E、將步驟C得到的所述地理實體模型初始化為SPH計算中流體粒子與邊界粒子；

步驟F、基于SPH算法的循環計算；

步驟G、對步驟F所得的計算數值結果進行時空過程建模，得到洪水潰壩過程三維時空模型與數據庫；

步驟H、對步驟G所得的洪水潰壩過程三維時空模型及數據庫進行動態可視化。

優選地，所述步驟B包括：

從地理實體的建筑結構，材質，尺寸規格，空間分布狀況，及影像圖、數字線畫圖能反映地理實體的動力學影響范圍的地理信息數據中，獲取洪水潰壩過程的動力因素；

根據洪水潰壩水利分析方法分析潰壩形式和潰口特征，確定動力學分析尺度以及水的可壓縮比；

根據地理空間分析方法洪水主要流向和洪水主要流域范圍；

根據地物分類方法分析流域范圍的地物類型，確定流域范圍的阻力形式、大小與分布，得到系統的洪水潰壩過程的動力學模型。

優選地，所述步驟E包括：

構建空間體素數據集；

通過與流域地形的三維模型和大壩三維模型進行交集檢測，標記出與流域地形的三維模型和大壩三維模型空間相交的體素，以此作為SPH計算中邊界粒子；

通過與水的三維模型進行交集檢測，得到水的外殼邊界；

求出位于水的三維模型內部的體素，以此作為SPH計算中流體粒子。

優選地，所述步驟F包括：

讀入流體粒子于邊界粒子，計算粒子初始位置；

計算各個粒子的初始密度、初始速度、初始壓強、初始質量和初始間距；

計算SPH循環計算的時間變化率；

根據時間變化率，逐步循環計算每一步每個粒子的密度、壓強，計算該時刻每個粒子的由粒子間壓力和粘度所造成的應力加速度、由重力加速度和邊界碰撞所造成的外力加速度；

以上述步驟所得加速度計算粒子的速度與位移量，更新粒子坐標位置，完成該時段的計算進入下一時刻的計算；

按照一定的時間間隔依次輸出所以粒子同一時刻下的速度與坐標值，得到按一定時序排布的SPH計算數值結果。

優選地，所述步驟G包括：