[發明專利]一種基于元胞自動機的復雜地形洪水淹沒進程模擬方法

有效

• 申請號: 202011336996.5
• 申請日: 2020-11-25
• 公開（公告）號: CN112270115B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 劉曙光;顧家悅;周正正;鐘桂輝;甄億位;顧圣華;鞠玉梅;林荷娟;姜桂花;陳甜
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙志遠

1.一種基于元胞自動機的復雜地形洪水淹沒進程模擬方法，其特征在于，所述的模擬方法包括以下步驟：

步驟1：獲取待模擬區域數據信息；

步驟2：基于元胞自動機模型，建立洪水淹沒進程模型的基礎地理場景；

步驟3：確定對每一個中心元胞鄰域元胞中的下游元胞；

所述的步驟3具體為：

當元胞水深大于等于干濕分界的最小水深ε₁，即時，元胞中水量可以流向其鄰域元胞；

比較中心元胞與其鄰域元胞的水位值，當中心元胞的水位高于鄰域元胞，并且水位之差大于等于最小水位差ε₂時，即時，則此鄰域元胞為中心元胞的下游元胞，水量僅從中心元胞轉移到其鄰域的下游元胞；

步驟4：計算t時刻元胞的流速；

步驟5：確定t時刻的下一個時間步長Δt內，對于每一個中心元胞i轉移水量至其下游元胞的分配權重；

所述的步驟5具體為：

對于每一個中心元胞i，根據t時刻中心元胞i流向下游元胞的流速，確定t時刻的下一個時間步長Δt內，其下游元胞的水量分配權重：

其中，M表示對于中心元胞i，其鄰域有M個下游元胞；為t時刻中心元胞的水位值與兩元胞中心元胞i與其下游元胞j中地表高程較高值的差；

步驟6：計算t時刻的下一個時間步長Δt內，進行元胞的水量轉移計算；

所述的步驟6中進行元胞水量轉移時，需要遵循從水位高處轉移到水位低處的原則，因此中心元胞在轉移水量后，不得低于任一個下游元胞；

所述的元胞水量轉移包括兩種情況，分別為中心元胞轉出水量后的水位與下游元胞獲得水量后的水位最高值相等以及中心元胞轉出其t時刻所有水量后，高程仍然高于下游元胞獲得水量后的水位最高值；

所述的元胞水量轉移情況為中心元胞i轉出水量Q₁^t+Δt后的水位與下游元胞獲得水量后的水位最高值相等時，具體計算方法為：

即

其中，A為元胞的面積；

所述的元胞水量轉移情況為中心元胞i轉出其t時刻所有水量后，高程仍然高于下游元胞獲得水量后的水位最高值，此時中心元胞i轉出的水量為Q₂^t+Δt，具體計算方法為：

其中，為元胞i在t時刻的水深；

t時刻的下一個時間步長Δt內，中心元胞i轉出水量為根據下式計算：

即

t時刻的下一個時間步長Δt內，中心元胞i的下游元胞獲得的水量為根據下式計算：

步驟7：確定模型的自適應時間步長Δt；

所述的步驟7具體為：

根據下式計算模型的自適應時間步長Δt：

當即時，那么當時，

當時，

綜上，即

即Δt取待模擬區域內的最小值，其中，n為曼寧糙率系數；

步驟8：計算t+Δt時刻元胞的水深和流速；

所述的步驟8具體為：

對于元胞i，其在t時刻的下一個時間步長Δt內，交換的水量是其作為中心元胞轉移水量和作為其他元胞的下游元胞獲得水量的總和，因此元胞i在t+Δt時刻的水位為：

水深為：

t時刻的下一個時間步長Δt內，中心元胞的流速為中心元胞流向其下游元胞流速的矢量和，即

步驟9：返回步驟4，繼續進行迭代，直至滿足模擬時長要求；

步驟10：完成對洪水淹沒進行的模擬。

2.根據權利要求1所述的一種基于元胞自動機的復雜地形洪水淹沒進程模擬方法，其特征在于，所述步驟1中待模擬區域數據信息包括：待模擬區域數字高程數據DEM、下墊面類型、曼寧糙率系數以及初始狀態下待模擬區域的洪水水深數據。

3.根據權利要求2所述的一種基于元胞自動機的復雜地形洪水淹沒進程模擬方法，其特征在于，所述步驟2包括：

將元胞自動機模型的元胞形狀結構設置為正方形，元胞的領域關系采用vonNeumann型四鄰域；

根據獲得的數字高程數據DEM的精度選取元胞的面積；

采用笛卡爾坐標系定義每個元胞的位置；

定義邊緣細胞的開邊界或閉邊界屬性。

4.根據權利要求1所述的一種基于元胞自動機的復雜地形洪水淹沒進程模擬方法，其特征在于，所述的步驟4具體為：

在下一個時間步長Δt內，從中心元胞流向其某個下游元胞的流速值為：

其中，為t時刻中心元胞i與其下游元胞j之間的水力坡度，計算式為d為元胞邊長。