[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

本發明涉及一種基于元胞自動機的復雜地形洪水淹沒進程模擬方法，包括：獲取待模擬區域數據信息；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；確定對每一個中心元胞鄰域元胞中的下游元胞；計算t時刻元胞的流速；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；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；確定模型的自適應時間步長Δt；計算t+Δt時刻元胞的水深和流速；返回步驟4，繼續進行迭代，直至滿足模擬時長要求；完成對洪水淹沒進行的模擬。與現有技術相比，本發明具有實現實時模擬以及大量計算模擬需求、精度高、穩定性好等優點。

技術領域

本發明涉及洪水過程模擬和防災減災技術領域，尤其是涉及一種基于元胞自動機的復雜地形洪水淹沒進程模擬方法。

背景技術

洪水災害是我國發生頻率最高、影響范圍最廣、威脅人類生命財產最嚴重的自然災害之一。隨著計算機技術、地理信息技術的發展，洪水計算模擬技術也在不斷進步。

目前，作為洪水淹沒計算模擬方法，水面高程推算法和水動力模型法是理論和技術較為成熟的常用方法。水面高程推算法雖然能快速計算得到大范圍洪水淹沒情況，但是不能動態模擬洪水淹沒進程。水動力模型法雖然能夠得到詳細洪水淹沒進程，但是通過數值求解二維水動力方程，所需計算時間較長。

中國專利CN110442988B中公開了一種基于元胞自動機的城市地表徑流流向計算方法及裝置，該專利利用元胞自動機進行經驗化的徑流流向與流量計算，在模擬過程中使用了復雜的經驗化參數用于模擬洪水過程中的動態水深和流速，經驗參數的物理可解釋性較差。

中國專利CN109190168A中公開了一種實時測量數據支持下的洪水演進模擬動態修正方法，該專利采用實時測量數據對洪水演進模擬結果進行修正，依賴于大量的洪水實時數據(如，水位等)，對于目前大部分地區還不具有適用性。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種實現實時模擬以及大量計算模擬需求、精度高、穩定性好的基于元胞自動機的復雜地形洪水淹沒進程模擬方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于元胞自動機的復雜地形洪水淹沒進程模擬方法，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；

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；

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；

步驟7：確定模型的自適應時間步長Δt；

步驟8：計算t+Δt時刻元胞的水深和流速；

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。

優選地，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。

更加優選地，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；