[發明專利]一種基于二維水動力學的大規模洪水場景模擬預警交互方法和系統

有效

• 申請號: 202010000075.5
• 申請日: 2020-01-01
• 公開（公告）號: CN111191372B
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 夏浩;劉鑫鋮;張海童;王章野
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T11/00;G06F119/14
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 鄭海峰

1.一種基于二維水動力學的大規模洪水場景模擬預警交互方法，其特征在于包括以下步驟：

1)將模擬場景在水平面上細分為均勻的網格，將水體高度和基礎地形高度存儲在網格中心，將速度存儲在網格邊界；采用基于淺水方程的二維歐拉網格法模擬洪水演進，將淺水方程轉化為拉格朗日表達形式，得到初步建立的物理場；所述物理場包括速度場和高度場；

2)在交錯網格上對物理場進行對流更新，并在更新對流項時采用大時間步長并引入體積守恒與動量守恒，得到基于體積守恒和動量守恒變形后的淺水方程；根據變形后的淺水方程，采用隱式積分法和雅克比迭代法求解更新后的高度場，根據更新后的高度場梯度進一步求解得到更新后的速度場；所述的步驟2)具體為：

2.1)基于體積守恒和動量守恒，在交錯網格上對物理場進行對流更新：

在每個網格位置執行虛擬粒子的向后回溯來計算網格上的對流，對于需要更新的物理場，以物理位置p處的網格單元(i,j)為例，該粒子在上一個時間步長的位置為p_backward＝p-Δt·ν(p)，其中p為當前網格中心點的位置，Δt為時間步長，ν(p)為當前網格中心點通過差值獲得的速度；

對物理場更新對流項時，先更新高度場，再更新速度場；將當前物理場F中的網格的物理量，按照一定比例加權到下一時間步物理場F′的網格中，更新方式為：F′＝Interpolate(F,p_backward)，其中Interpolate(·)表示插值，確保分配時F′中每個網格的物理量比例都為1，保證整體的體積守恒，具體步驟為：

S1：構建一個數組W，用于存儲各個網格實際被分配的比例；

S2：執行對流計算，得到對應網格的回溯點，即該粒子在上一個時間步長的位置p_backward，根據雙線性插值原則得到需要從周圍四個網格提取的比例；

S3：針對比例權重大于1的部分做歸一化處理，針對比例小于1的網格進行分散操作；所述的分散操作具體為：

將多余的物理量分散到對流后F′的網格中，計算映射關系q_forward＝q+Δt·ν(q),其中q表示比例小于1的網格，ν(q)為網格q中心點通過差值獲得的速度，q_forward表示q映射后的網格，對q_forward周圍四個網格做雙線性插值估算比例，按照估算后的比例將網格q中的多余物理量分散到四個網格中；

2.2)更新淺水方程形式：

更新對流項引入體積守恒和動量守恒后，淺水方程變形為：

其中，u代表x方向的速度，v表示y方向的速度，h表示水面總高度，b表示水底地形的高度，η＝h-b為水的深度，g表示重力加速度；上標n+1表示當前時間步長的物理量，n表示前一時間步長的物理量，分別表示更新過對流項后的物理量；

2.3)更新高度場：

計算物理場中的擴散項，使用隱式積分法，根據更新后的淺水方程得到：

其中，

然后使用雅克比迭代法并行求解大型稀疏線性方程組hⁿ⁺¹_i,j＝f(hⁿ⁺¹_i-1,j,hⁿ⁺¹_i+1,j,hⁿ⁺¹_i,j-1,hⁿ⁺¹_i,j+1)，其中f為線性函數，下標(i,j)表示網格位置，從而得到更新后的高度場；

2.4)更新速度場：

根據步驟2.3)得到的高度場梯度，得到：

進一步求解得到更新后的速度場；

3)根據步驟2)更新后的物理場，采用動態自適應網格細分技術抬升渲染水面，采用紋理平鋪技術實現速度場的水流繪制，并采用雙三次B樣條曲線插值法對繪制的洪水邊緣做光滑處理；所述水流繪制包括單塊平板單一流速的繪制、固定流場的繪制以及時變流場的繪制；

4)基于Hydrotec模型，根據淹沒水深和建筑物類別設計洪災損失評估函數，其中每一類建筑物對應一個洪災損失評估函數；對洪災損失評估函數值做歸一化處理，并將歸一化結果設為不同等級，每一個等級使用不同的顏色來表示建筑的受損程度，用于洪水場景繪制時實時改變建筑的外觀顏色，實現可視化預警；

5)當收到預警信號時，選擇在建筑物周圍模擬修建擋板操作，調整擋板所設位置對應網格水底地形的高度，然后重復步驟2)-步驟4)完成洪水場景的實時更新，實現洪水模擬場景下的實時交互。