[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

本發明公開了一種基于二維水動力學方法的大規模洪水場景模擬預警交互方法和系統。1)對大規模洪水這一災害現象進行了建模與繪制。2)將半拉格朗日隱式積分法求解淺水方程方法應用于洪水模擬，達到了大時間步長并進行了體積、動量守恒修正。3)應用GPGPU編程基于Computer Shader框架，實現洪水模擬的大規模實時并行。4)引入自適應網格曲面細分技術和紋理平鋪技術，實現了真實感水面，且有效傳達了洪水的高度、流速相關信息。5)應用三次B樣條插值方式解決水體邊界鋸齒問題。6)提出了綜合洪水淹沒水深和建筑物類別的災害評估模型，根據評估結果實時變換建筑物顏色實現分級預警。7)支持洪水演進過程中的實時交互，展示設置擋板阻擋洪水的效果。

技術領域

本發明涉及洪水場景模擬方法，尤其涉及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。

背景技術

洪水是指河流、湖泊、海洋等水文環境上漲超過常規水位的一種自然現象。我國洪水災害在空間上既有普遍性，又具有區域性；在時間上既表現出無序的非穩定性，又存在有序的韻律性、周期性。大量研究表明：洪水災害具有不均勻性與差異性、多樣性、隨機性與可預測性、突變性與規律性等復雜性的特點。對于洪水的研究和仿真有著十分重要的意義，一個成熟完善的模擬系統給普通人洪水預警，提高對于洪水的防范意識，也能夠給決策者做出決策提供可靠的參考，可以大大減少洪水帶來的人員傷亡和財產損失。

洪水模擬的特殊性在于其不僅僅是流體模擬應用于視覺效果或演示，它對于水文專家或是可能會受到洪水影響的普通民眾都具有很強的現實意義，一個可以交互的洪水自然災害模擬系統可以提高普通民眾的防洪意識和預警作用，也可以輔助水文專家或是防洪決策者預見到洪水的災害做出正確的決策。

歐洲方面，奧地利的維也納VRVis研究中心與維也納技術大學合作已經發展出一套比較成熟的理論體系，并且在此基礎上已經有成熟的、投入現實使用的洪水的決策系統Visdom。目前該系統很好的模擬了洪水和暴雨事件，集成了真實地形建模、洪水模擬和決策管理模塊，對于業界洪水的模擬仿真系統的建設有著重要的參考意義。國內方面，西安理工大學的水模擬及災害管理研究團隊主要從事地表水及其附隨過程數值模型的理論推導和實際應用、城市及流域洪澇管理、城市水利和水利遙感技術的研究。對于洪水研究，提出了GAST(GPU Accelerated Surface Water Flow and Transport)模型，即利用GPU加速的模擬水體流動和傳輸的模型，該模型整合了水體的模擬、泥沙和污染物的轉移、地下輸水管網以及海綿城市技術，該模型對比歐洲團隊，不僅注重洪水本身的模擬計算，對于洪水泛濫攜帶的污染物和土質顆粒也進行了模擬計算，系統更加注重洪水整體的長遠決策，例如海綿城市相關的技術探討。不足點在于缺少比較完善的可視化和交互模塊，無法給決策者的即時決策提供一些指導。

發明內容

本發明的目的在于開發一個大規模洪水場景模擬預警交互系統，擁有完善的可視化模塊和交互模塊，為此提出了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，其利用半拉格朗日隱式積分法求解的淺水方程為框架，采用GPU加速的方法達到實時性，并且綜合了多學科的優點，生成真實有效的洪水模擬預警場景。

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，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；