[發明專利]一種實時高效的流域洪水演進可視化仿真方法

有效

• 申請號: 201610175074.8
• 申請日: 2016-03-25
• 公開（公告）號: CN105631168B
• 公開（公告）日: 2018-12-28
• 發明（設計）人: 冶運濤;梁犁麗;尚毅梓;曹引;趙紅莉;韓素華;杜軍凱;顧晶晶;仇亞琴;盧瓊
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京國林貿知識產權代理有限公司 11001
• 代理人: 袁建水

本發明涉及一種實時高效的流域洪水演進可視化仿真方法，包括：獲取網格控制斷面和節點；確定河勢擬合曲線；生成加密斷面；對網格控制斷面和加密斷面處理；插值生成節點網格；生成數字河道模型；斷面水位數據獲取；插值生成與數字河道地形網格相匹配的斷面水位；確定單一河道、樹狀河網或環狀河網淹沒線；建立河道淹沒線的拓撲關系；識別淹沒區；河道水流演進可視化顯示。所述的方法能夠實時高效地顯示流域洪水演進狀況，可以創建連續變化的洪水淹沒層，根據水面的高程立體地觀察局部或全區域淹沒范圍，對于局部洪水淹沒地區可實時計算出某一高程洪水水面淹沒的表面積和蓄水量，直接服務于流域防洪減災，對于提高減災能力具有重要的理論、實踐意義。

技術領域

本發明屬于洪水演進可視化仿真領域，涉及一種實時高效的流域洪水演進可視化仿真方法，是一種基于數值模擬和實測數據的流域洪水演進可視化仿真方法，是一種基于并行處理架構的流域洪水演進可視化仿真方法。

背景技術

流域洪水演進仿真是以觀測數據和水文水動力學模型計算為驅動，在計算機生成的虛擬流域環境中，立體直觀地動態仿真模擬洪水在真實河道內的時空演進過程及淹沒狀況。由于來水來沙條件的動態變化，水流與流域地形相互作用影響，導致河道淹沒區域存在不確定性。尤其河道邊界及河床的動態空間行為給實時動態地仿真洪水淹沒及演進過程帶來了困難。因此，如何確定流域洪水淹沒區域成為洪水演進可視化仿真中亟需解決的關鍵問題。

洪水淹沒區域確定方法主要分為有源和無源淹沒兩類，前者是研究的重點和難點。多數GIS軟件利用人工干預方法處理有源淹沒，但擴展性和適應性不強；近年來比較有代表性的有源淹沒問題的自動化處理方法是種子蔓延法和投石問路法。這些算法雖然能夠識別洪水淹沒區，但仍存在以下不足：①需要連續重復檢測淹沒及連通區，當遇到較大或較細格網的研究區域時，會帶來很大的計算量，導致渲染效率低下。②用于計算和顯示的最小單元是規則或任意的多邊形格網，較粗格網單元不僅使淹沒區表達精度很低，而且還會出現明顯錯誤的淹沒區連通性表達。③洪水淹沒區是基于“水平面”方法實現，缺乏相應物理機制，在移植到河道或河網洪水仿真中，與實際情況相悖，尤其在遇到水面坡降較大的情形時，會導致虛假的淹沒區域。④在淹沒區域處理上，由于沒有考慮相鄰時間的淹沒形勢，導致不能正確處理不連通洼地的淹沒情況。因此，研究一種基于更加準確快速的河道洪水淹沒區構建算法的流域洪水演進仿真方法具有重要意義。

發明內容

為了克服現有技術問題，本發明提出了一種基于河勢貼體網格的實時高效流域洪水演進可視化仿真方法。本發明所述的方法充分利用原型觀測數據、河道水文模型及一維水動力學模型計算的特點，引入河勢貼體的概念構建能與計算斷面空間關系映射的數字河道模型，利用數字河道模型結構化的特點，提出河道水流淹沒線追蹤、淹沒區識別及可視化仿真的方法。

本發明的目的是這樣實現的：一種實時高效的流域洪水演進可視化仿真方法，所述方法包括三個過程：河勢貼體數字河道建模過程，河道淹沒邊界搜索算法，河道水流淹沒仿真過程，所述方法的步驟如下：

河勢貼體數字河道建模過程：

獲取網格控制斷面和節點的步驟：用于通過選用已知的水位站、水文站、測流斷面、斷面形狀測量位置斷面、水質監測斷面、重點關注河段斷面和河勢變化劇烈處的斷面來確定控制斷面并設置斷面節點；

確定河勢擬合曲線的步驟：用于利用Hermite 三次插值函數根據網格控制斷面的走向和節點的位置，生成系列通過網格控制節點和垂直網格控制斷面的縱向網格控制曲線，從而確定河道縱向網格控制曲線為河勢擬合曲線。

生成加密斷面的步驟：用于依據網格控制斷面間距，根據需要在相鄰斷面間增加斷面個數，斷面走向垂直于河勢擬合曲線，斷面長度與河岸線的交點為河岸點；

對網格控制斷面和加密斷面處理的步驟：用于對控制斷面節點的加密，首先保證控制斷面上的控制節點位置不變化，以便控制斷面的形狀，在此基礎上增加節點；