復(fù)雜河道地形流域洪水演進(jìn)虛擬仿真的淹沒線追蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種復(fù)雜河道地形流域洪水演進(jìn)虛擬仿真的淹沒線追蹤方法，包括四個(gè)過程：數(shù)字河道多分辨率網(wǎng)格細(xì)分模型的生成過程；與數(shù)字河道多分辨率網(wǎng)格細(xì)分模型的生成過程平行運(yùn)行的是流域洪水演進(jìn)狀態(tài)的模擬預(yù)報(bào)模型的建模與計(jì)算過程；復(fù)雜河道地形淹沒邊界精準(zhǔn)搜索過程；流域洪水演進(jìn)淹沒區(qū)的動(dòng)態(tài)識(shí)別過程。本發(fā)明通過建立數(shù)字河道多分辨率網(wǎng)格細(xì)分模型和模擬預(yù)報(bào)模型，對(duì)復(fù)雜河道地形淹沒邊界精準(zhǔn)搜索，實(shí)現(xiàn)了流域洪水演進(jìn)淹沒區(qū)的動(dòng)態(tài)識(shí)別，準(zhǔn)確的模擬各種地形的復(fù)雜河道，快速的模擬洪水的淹沒區(qū)域。對(duì)洪水演進(jìn)到不同河段的時(shí)間、水深和流量甚至流速提供快速、準(zhǔn)確和直觀的預(yù)報(bào)，為洪水到來之前的防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。
【專利說明】
復(fù)雜河道地形流域洪水演進(jìn)虛擬仿真的淹沒線追蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種復(fù)雜河道地形流域洪水演進(jìn)虛擬仿真的淹沒線追蹤方法，是一種 計(jì)算技術(shù)用于水文計(jì)算的方法，具體涉及一種河道洪水演進(jìn)可視化方法，是一種可直觀表 現(xiàn)河道洪水淹沒狀態(tài)，提高流域防災(zāi)減災(zāi)能力的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 流域洪水演進(jìn)仿真是防洪非工程措施決策支持系統(tǒng)構(gòu)建的重要組成部分，它是以 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，以流域數(shù)值模擬為核心，對(duì)洪水在真實(shí)河道里的演 進(jìn)情況以及洪水對(duì)流域內(nèi)區(qū)域的淹沒情況在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的仿 真模擬。它以用戶體驗(yàn)為中心，便于對(duì)流域洪水演進(jìn)的現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行全方位的觀察、操作 和分析，更好地了解復(fù)雜淹沒區(qū)域洪水演進(jìn)過程，對(duì)洪水演進(jìn)到不同河段的時(shí)間、水深和流 量甚至流速提供快速、準(zhǔn)確和直觀的預(yù)報(bào)。
[0003] 在流域洪水演進(jìn)仿真中，關(guān)鍵在于淹沒區(qū)域的識(shí)別，目前淹沒區(qū)的識(shí)別主要分為 基于水流數(shù)學(xué)模型的淹沒區(qū)識(shí)別和基于等水位或等容量的淹沒區(qū)識(shí)別。后者沒有基于水流 運(yùn)動(dòng)機(jī)制，識(shí)別方法包括區(qū)域生長(zhǎng)法、種子蔓延法、投石問路法以及相應(yīng)的改進(jìn)算法等，不 能很好地反映水流實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，無法直接移植到流域洪水演進(jìn)仿真中。前者的水流模型 指一、二、三維水動(dòng)力學(xué)模型或流域水文模型；由于二、三維水動(dòng)力學(xué)模型在給定邊界條件 情況下，能夠動(dòng)態(tài)模擬水流在二維空間中的淹沒狀況，直接根據(jù)計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的干濕變化 確定淹沒區(qū)域，進(jìn)而進(jìn)行三維空間動(dòng)態(tài)仿真，這方面具有一些成果;但是一維水動(dòng)力學(xué)模型 或水文模型通常將河段進(jìn)行離散，控制斷面的選擇經(jīng)常避開州灘，或者將洲灘概化，或者將 斷面概化，導(dǎo)致計(jì)算出的結(jié)果不能很好地與真實(shí)河道進(jìn)行匹配。同時(shí)隨著河道上布設(shè)的水 文測(cè)站越來越密集，數(shù)據(jù)采集頻率越來越高，獲取的數(shù)據(jù)量快速增長(zhǎng)，如何對(duì)其在線可視化 仿真，是直觀了解洪水演進(jìn)規(guī)律的重要途徑;水文測(cè)站所測(cè)的水位和流量是斷面的平均水 位和流量，與一維水動(dòng)力學(xué)模型或水文模型可視化仿真相同的是均將斷面的信息與真實(shí)河 道進(jìn)行映射。
[0004] 因此基于一維水動(dòng)力學(xué)模型或水文模型的洪水淹沒過程分析不僅要考慮水流連 通性問題，還要考慮河道沿程水力坡度導(dǎo)致不同地面水位高程的變化。由于洪水與地形相 互作用、相互影響，使河道與淹沒區(qū)域具備很大的不確定性，同時(shí)，在洪水演進(jìn)模擬過程中， 流域地形和河道呈現(xiàn)出一種動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的關(guān)系，這種動(dòng)態(tài)邊界、動(dòng)態(tài)河床的空間行為給洪 水淹沒及推進(jìn)演進(jìn)過程的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)仿真造成了很大困難。如果不加以正確處理，就會(huì)與實(shí) 際洪水運(yùn)動(dòng)的空間行為嚴(yán)重不符，降低洪水演進(jìn)仿真系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。因此，在洪水演進(jìn)仿 真中，面臨的一個(gè)重大問題就是如何確定河道、洪水淹沒區(qū)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種復(fù)雜河道地形流域洪水演進(jìn)虛擬仿真的 三維淹沒線追蹤方法。所述的方法從時(shí)空自適應(yīng)模型的建立、邊界搜索算法的選擇入手，通 過比較分析，忽略次要因素，簡(jiǎn)化邊界條件，突出影響控制洪水空間行為的主要因素，避免 傳統(tǒng)有源淹沒邊界搜索算法的不足。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種復(fù)雜河道地形流域洪水演進(jìn)虛擬仿真的淹沒線 追蹤方法，其特征在于，所述方法包括四個(gè)過程:數(shù)字河道多分辨率網(wǎng)格細(xì)分模型的生成過 程;與數(shù)字河道多分辨率網(wǎng)格細(xì)分模型的生成過程平行運(yùn)行的是流域洪水演進(jìn)狀態(tài)的模擬 預(yù)報(bào)模型的建模與計(jì)算過程;復(fù)雜河道地形淹沒邊界精準(zhǔn)搜索過程;流域洪水演進(jìn)淹沒區(qū) 的動(dòng)態(tài)識(shí)別過程，所述方法的步驟如下： 數(shù)字河道多分辨率網(wǎng)格細(xì)分模型的生成過程： 獲取河道的河勢(shì)線的步驟:根據(jù)研究區(qū)域河流水體的分布和特性，選擇可用的空間分 辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源，利用單波段閾值法、水體指數(shù)法、基于統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)的分類方 法、基于先驗(yàn)知識(shí)的決策樹分類方法或面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄌ崛∷w，將提取的水體矢量 化，通過人機(jī)交互的方式提取出河道的河勢(shì)線； 獲取河道邊界的步驟:利用遙感影像數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)、歷史水文資料，通過人工和 自動(dòng)相結(jié)合的方式，識(shí)別出河道邊界線； 對(duì)河道進(jìn)行分區(qū)的步驟:對(duì)河道統(tǒng)一建模，并對(duì)河道進(jìn)行分區(qū)，在視點(diǎn)變化過程中，對(duì) 沒有處于窗口內(nèi)的河道，進(jìn)行卸載，不進(jìn)行渲染，或者按照窗口的縱橫比進(jìn)行分區(qū)； 生成地形平面網(wǎng)格步驟:利用遞歸分析法分別對(duì)分區(qū)河段建立多分辨率網(wǎng)格，所述的 遞歸分析法包括:- subd i V i s i on、漸進(jìn)網(wǎng)格法，并記錄不同分辨率下三角形單元格的點(diǎn)、 線、面之間的拓?fù)渌饕P(guān)系； 插值生成平面網(wǎng)格高程值步驟:在實(shí)測(cè)的河道點(diǎn)高程基礎(chǔ)上，插值生成分區(qū)河段網(wǎng)格 節(jié)點(diǎn)的高程值，所述的插值方法包括:克里金插值、反距離權(quán)重插值； 渲染生成三維河道地形的步驟:根據(jù)三角形網(wǎng)格單元的拓?fù)潢P(guān)系和節(jié)點(diǎn)高程值，生成 三角形面，并進(jìn)行陰影變換、材質(zhì)、紋理以及光照效果，生成三維多分辨率的數(shù)字河道模型； 流域洪水演進(jìn)狀態(tài)的模擬預(yù)報(bào)模型的建模與計(jì)算過程： 模擬預(yù)報(bào)模型建模的步驟:使用河網(wǎng)一維水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)河道洪水演進(jìn)模型進(jìn)行模 擬，所述的一維水動(dòng)力學(xué)模型由水流連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成； 模擬預(yù)報(bào)模型的離散與求解的步驟:選擇有限差分或有限體積法對(duì)水流連續(xù)方程和動(dòng) 量方程進(jìn)行離散;對(duì)于河網(wǎng)一維水動(dòng)力學(xué)模型求解，使用三級(jí)聯(lián)解、汊點(diǎn)水位預(yù)測(cè)-校正方 法求解，對(duì)所述河網(wǎng)一維水動(dòng)力學(xué)模型求解的方法包括:雙向追趕法、牛頓迭代法； 計(jì)算橫斷面的提取的步驟:在獲取地形資料的基礎(chǔ)上，確定模型計(jì)算的河道橫斷面位 置，獲取計(jì)算河道橫斷面位置的空間坐標(biāo)； 邊界條件確定與模型計(jì)算的步驟:搜集實(shí)測(cè)資料，將其處理為模型計(jì)算所需的入流處 的水位和流量過程以及出流處的水位和流量過程；啟動(dòng)水動(dòng)力模型計(jì)算，獲取河道沿程水 位和流量； 復(fù)雜河道地形淹沒邊界精準(zhǔn)搜索過程： 在計(jì)算橫斷面之間加密橫斷面的步驟:若相鄰計(jì)算橫斷面之間距離較遠(yuǎn)，尤其相鄰計(jì) 算橫斷面間存多個(gè)蜿蜒河段，則要在相鄰計(jì)算橫斷面之間加密橫斷面，依據(jù)河勢(shì)線的變化 程度確定加密橫斷面位置分布，河勢(shì)線變化劇烈的河段，增加橫斷面較多，反之，在河勢(shì)變 化較緩的河段，增加橫斷面較少； 加密橫斷面走向確定的步驟:或者使用曲線擬合法，通過選擇如B-樣條曲線擬合河勢(shì) 線的曲線方程，根據(jù)加密橫斷面的位置計(jì)算出該位置的切線方向，將垂直于切線的方向作 為加密橫斷面的走向；或者使用角平分線法，若加密橫斷面的位置與河勢(shì)線控制點(diǎn)重合，利 用該控制點(diǎn)與前、后控制點(diǎn)形成線段的夾角平分線的方向作為加密橫斷面的走向；若加密 橫斷面位置處于河勢(shì)線兩控制點(diǎn)之間，那么首先求出此兩個(gè)控制點(diǎn)的夾角平分線，然后判 定兩個(gè)夾角平分線的相交情況，如果相交，將兩個(gè)夾角平分線相交的角平分線作為加密橫 斷面的走向，否則，說明這兩個(gè)夾角平分線平行，則選擇其中任何一個(gè)夾角平分線的走向作 為加密橫斷面的走向； 加密橫斷面水位計(jì)算的步驟:首先確定加密橫斷面的上、下游的計(jì)算橫斷面;其次，計(jì) 算加密斷面和這兩個(gè)計(jì)算橫斷面的在河勢(shì)線上的距離;然后，根據(jù)相距距離和水位值利用 線性插值計(jì)算加密橫斷面的水位值;依次類推，得出所有加密橫斷面的水位值； 橫斷面水位線與地形交點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的步驟:首先，識(shí)別位于相鄰水位斷面之間的河道 地形三角形單元，記錄斷面通過的地形三角形網(wǎng)格單元的索引；其次，通過直線與三角形網(wǎng) 格求交算法，獲取橫斷面水位線與地形三角形單元的交點(diǎn)坐標(biāo)，確定每個(gè)橫斷面水位線與 地形三角形單元的起止點(diǎn)坐標(biāo)，相鄰橫斷面的水位線與地形三角形網(wǎng)格相交共有四個(gè)空間 點(diǎn)坐標(biāo)； 相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的步驟：以上述四個(gè)空間點(diǎn)為基礎(chǔ)，將相鄰橫斷面 間水面概化，概化為連接面，建立空間折面或曲面方程，與地形三角形單元進(jìn)行求交計(jì)算， 依據(jù)三角形單元的拓?fù)潢P(guān)系，依次搜索出相鄰橫斷面之間的水面淹沒點(diǎn)坐標(biāo)集，形成淹沒 線集合； 河道淹沒線形成的步驟:根據(jù)計(jì)算的淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)，依次連接形成一條閉合的淹沒線 或非閉合的淹沒線； 流域洪水演進(jìn)淹沒區(qū)的動(dòng)態(tài)識(shí)別過程： 建立封閉淹沒線的拓?fù)潢P(guān)系的步驟:通過定位描述封閉淹沒線的包含關(guān)系，最終可以 找到?jīng)]有包含自己的淹沒線，利用樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系的組織； 識(shí)別河道水流淹沒區(qū)域的步驟:根據(jù)建立的淹沒線拓?fù)潢P(guān)系，識(shí)別河道水流淹沒區(qū)域。
[0007] 進(jìn)一步的，所述的相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的步驟中概化的連接面為兩 個(gè)三角形傾斜平面構(gòu)成的折面。
[0008] 進(jìn)一步的，所述的相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的步驟中概化的連接面為一 個(gè)斜平面和一個(gè)水平面構(gòu)成的折面。
[0009] 進(jìn)一步的，所述的相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的步驟中概化的連接面為彎 曲的空間曲面。
[0010] 進(jìn)一步的，所述的河道帶有閘壩河段，對(duì)帶有閘壩河段的模擬:斷面和大壩之間的 水面假定為水平面，淹沒區(qū)域就是在給定水位下的淹沒區(qū)域的識(shí)別，即利用水位等值線尋 找淹沒線，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出淹沒區(qū)的三角形。
[0011] 進(jìn)一步的，所述的河段為樹狀河段，樹狀水系作為環(huán)狀水系的特例處理。
[0012] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明通過建立數(shù)字河道多分辨率網(wǎng)格細(xì)分模型和模 擬預(yù)報(bào)模型，對(duì)復(fù)雜河道地形淹沒邊界精準(zhǔn)搜索，實(shí)現(xiàn)了流域洪水演進(jìn)淹沒區(qū)的動(dòng)態(tài)識(shí)別， 準(zhǔn)確的模擬各種地形的復(fù)雜河道，快速的模擬洪水的淹沒區(qū)域。對(duì)洪水演進(jìn)到不同河段的 時(shí)間、水深和流量甚至流速提供快速、準(zhǔn)確和直觀的預(yù)報(bào)，為洪水到來之前的防災(zāi)減災(zāi)工作 提供科學(xué)依據(jù)。
【附圖說明】
[0013] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0014] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述方法的流程圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例二、三中單一河道洪水演進(jìn)淹沒線的追蹤算法示意圖； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例二、三中局部放大的相鄰斷面洪水淹沒線追蹤示意圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例六中河道交匯區(qū)域的洪水淹沒線的追蹤示意圖； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例六中樹狀河網(wǎng)交匯處的洪水淹沒線追蹤示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 實(shí)施例一： 本實(shí)施例是一種復(fù)雜河道地形水流演進(jìn)虛擬仿真的淹沒線追蹤方法，本實(shí)施例所述方 法的內(nèi)容包括：1、數(shù)字河道多分辨率網(wǎng)格細(xì)分模型的生成過程;2、流域洪水演進(jìn)狀態(tài)的模 擬預(yù)報(bào)模型的建模與計(jì)算;3、復(fù)雜河道地形淹沒邊界精準(zhǔn)搜索方法;4、流域洪水演進(jìn)淹沒 區(qū)的動(dòng)態(tài)識(shí)別?？傮w技術(shù)流程如圖1所示。
[0016] 1、數(shù)字河道多分辨率網(wǎng)格細(xì)分模型的生成過程： (1)獲取河道的河勢(shì)線的步驟： 根據(jù)研究區(qū)域河流水體的分布和特性，可以選擇6?-1、6?-2、1^11(18&〖了1/^了1+、耵-1八、 HJ-IB等中的一種或多種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源，利用單波段閾值法、水體指數(shù)法、基于統(tǒng)計(jì)和機(jī) 器學(xué)習(xí)的分類方法、基于先驗(yàn)知識(shí)的決策樹分類方法或面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄌ崛∷w，將 提取的水體矢量化，通過人機(jī)交互的方式提取出河道的河勢(shì)線。
[0017] (2)獲取河道邊界的步驟： 利用遙感影像數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)(如堤岸、灘地等）、歷史水文資料等，通過人工和自 動(dòng)相結(jié)合的方式，識(shí)別出河道邊界線。
[0018] (3)對(duì)河道進(jìn)行分區(qū)的步驟： 考慮到河道為狹長(zhǎng)型，在可視化過程中，視點(diǎn)空間位置變化，只能觀察到局部河道區(qū) 域，其他區(qū)域在計(jì)算機(jī)窗口之外;若對(duì)河道統(tǒng)一建模，在視點(diǎn)漫游過程中，細(xì)致觀察河道時(shí)， 視野外的河道所占的比例較大，如果對(duì)這部分河道同步渲染，勢(shì)必影響交互的實(shí)時(shí)性，因此 首先對(duì)河道進(jìn)行分區(qū)，若在視點(diǎn)變化過程中，對(duì)沒有處于窗口內(nèi)的河道，進(jìn)行卸載，不進(jìn)行 渲染。可以按照窗口的縱橫比進(jìn)行分區(qū)。
[0019] -般的屏幕尺寸比例為16 : 9或4: 3。而河道的縱向和橫向比例比較大，視點(diǎn)變換 時(shí)，進(jìn)入視野的速度就不一樣，當(dāng)縱向河道進(jìn)入視野很快，但是其橫向尺度卻無法正確變 換。當(dāng)視點(diǎn)離觀察河道較近時(shí)，大部分河道位于視野外，若再被繪制不利于仿真的實(shí)時(shí)性； 當(dāng)視點(diǎn)遠(yuǎn)離河道時(shí)，沿河寬方向在屏幕上占據(jù)的部分就很小，無法觀察細(xì)節(jié)。也就沒有必要 進(jìn)行繪制。因此，根據(jù)顯示需求，對(duì)河道進(jìn)行分區(qū)建模。河道分區(qū)可根據(jù)人為經(jīng)驗(yàn)確定，按一 定的距離間隔進(jìn)行河道的劃分，這種劃分方法主要憑經(jīng)驗(yàn)來確定，需要把握原則包括河段 長(zhǎng)度不要超過該河段橫斷面距離長(zhǎng)度太多，尤其對(duì)狹窄性河道，由于橫斷面較窄，那么河段 長(zhǎng)度就不要太長(zhǎng)。為了降低認(rèn)為經(jīng)驗(yàn)性確定方法，本發(fā)明提出了一種河道分區(qū)的方法，即利 用三維可視化視錐體，假定研究區(qū)域河段長(zhǎng)度為L(zhǎng)，河道最小寬度為Dmin，河道最大寬度為 Dmax，平均河寬為D ave=(Dmin+Dmax)，L/Dave〈=16/9,從而確定河段的分區(qū)數(shù)目。
[0020] (4)生成地形平面網(wǎng)格的步驟： 分別對(duì)分區(qū)河段建立多分辨率網(wǎng)格，建立多分辨率網(wǎng)格的方法，有ji-subd i V i S i on、 漸進(jìn)網(wǎng)格法等遞歸分析方法生成各分區(qū)河段的多分辨率網(wǎng)格，并記錄不同分辨率下三角形 單元格的點(diǎn)、線、面之間的拓?fù)渌饕P(guān)系。
[0021] (5)插值生成平面網(wǎng)格高程值的步驟： 在實(shí)測(cè)的河道點(diǎn)高程基礎(chǔ)上，插值生成分區(qū)河段網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的高程值，插值方法可以選 擇克里金插值、反距離權(quán)重插值等。
[0022] (6)渲染生成三維河道地形的步驟： 根據(jù)三角形網(wǎng)格單元的拓?fù)潢P(guān)系和節(jié)點(diǎn)高程值，生成三角形面，并進(jìn)行陰影變換、材 質(zhì)、紋理以及光照效果，生成三維多分辨率的數(shù)字河道模型。
[0023] 2、流域洪水演進(jìn)狀態(tài)的模擬預(yù)報(bào)模型的建模與計(jì)算： (1)模擬預(yù)報(bào)模型建模的步驟： 選用河網(wǎng)一維水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)河道洪水演進(jìn)模型進(jìn)行模擬。河網(wǎng)一維水動(dòng)力學(xué)模型由 水流連續(xù)方程（水量守恒方程）和動(dòng)量方程組成。采用圣維南方程（Saint-Venant Equation)描述一維流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型， 水流連續(xù)方程：
(2) 式中，Z為水位;Q為過水流量;B為過水寬度;A為過水?dāng)嗝婷娣e;t為時(shí)間；X為距離;K為 流量模數(shù);g為重力加速度;qi為旁側(cè)入流流量。
[0024] (2)模擬預(yù)報(bào)模型的離散與求解的步驟： 選擇有限差分或有限體積法對(duì)水流連續(xù)方程和動(dòng)量方程進(jìn)行離散;對(duì)于河網(wǎng)一維水動(dòng) 力學(xué)模型求解，使用三級(jí)聯(lián)解、汊點(diǎn)水位預(yù)測(cè)-校正方法求解，對(duì)所述河網(wǎng)一維水動(dòng)力學(xué)模 型求解的方法包括:雙向追趕法、牛頓迭代法。
[0025]采用三級(jí)聯(lián)解法求解河網(wǎng)一維非恒定流水量模型，該算法將河網(wǎng)分成微段、河段、 節(jié)點(diǎn)三級(jí)，逐級(jí)處理，再聯(lián)合運(yùn)算。采用四點(diǎn)加權(quán)Preissmann隱式差分格式離散圣維南方程 組式（1)和式(2)，利用消元法，經(jīng)遞推計(jì)算，忽略時(shí)間上標(biāo)(n+1)，得到如下差分方程：
(3) 式;中：aj、bj、dj、qj+i、hj+i、gj+i 為坦赴糸數(shù)。
[0026]對(duì)河網(wǎng)中的任一單獨(dú)河道，其微段方程都是前后相連有序的，對(duì)其自相消元后得 到只含有河段首、末斷面變量的河段方程組，即只含有節(jié)點(diǎn)變量： (4) 式中：Z1S首節(jié)點(diǎn)水位;ZmS末節(jié)點(diǎn)水位。
[0027]有水閘控制的河段需根據(jù)其水力特性引入內(nèi)邊界條件特殊處理。
[0028] 關(guān)閘情況:Qi=Qi+1=Q=0，閘門前后河段作為兩條單一河道處理，按流量已知邊界單 獨(dú)求解。開閘情況:根據(jù)閘門過流方式，考慮流量連續(xù)性，可得求解閘門前后水流的差分方 程：
(5) 式中：e為閘門開度，m; b為閘孔寬度，m; m為出流流量系數(shù);Z i、Z i+1分別為閘門前后水 位，m;Ss為淹沒系數(shù)，對(duì)自由出流，Ss=I。
[0029] 對(duì)于有栗站抽/引水河段，其內(nèi)邊界類型為集中旁側(cè)出/入流，以Qf表示，出流則Qf 為負(fù)值，入流則Qf為正值。設(shè)一虛擬河段Dxj=O，其基本連接方程為：
(6) 用上述內(nèi)邊界處理方法代替圣維南方程組，保持了水流的連續(xù)性，有閘控或栗站抽引 水河段同正常河段一樣遞推求解。
[0030] 對(duì)單一河道，可以選用雙向追趕法、牛頓迭代法等進(jìn)行求解。
[0031] (3)計(jì)算橫斷面的提取的步驟： 在獲取地形資料的基礎(chǔ)上，確定模型計(jì)算的河道橫斷面(簡(jiǎn)稱為計(jì)算橫斷面)位置，獲 取計(jì)算橫斷面的空間坐標(biāo)。
[0032] (4)邊界條件確定與模型計(jì)算的步驟： 搜集實(shí)測(cè)資料，將其處理為模型計(jì)算所需的入流處的水位和流量過程以及出流處的水 位和流量過程;啟動(dòng)水動(dòng)力模型計(jì)算，獲取河道沿程計(jì)算橫斷面的水位和流量。
[0033] 3、流域復(fù)雜河道地形淹沒邊界搜索過程： (1)在計(jì)算橫斷面之間加密橫斷面的步驟： 若相鄰計(jì)算橫斷面之間距離較遠(yuǎn)，尤其相鄰計(jì)算橫斷面間存多個(gè)蜿蜒河段，就需要在 相鄰計(jì)算橫斷面之間間加密橫斷面，依據(jù)河勢(shì)線的變化程度確定加密橫斷面位置分布，河 勢(shì)線變化劇烈的河段，增加橫斷面較多，反之，在河勢(shì)變化較緩的河段，增加橫斷面較少。
[0034] 以圖2為例說明，考慮到兩個(gè)計(jì)算橫斷面之間距離較長(zhǎng)，需要在兩個(gè)計(jì)算橫斷面 之間增加斷面?zhèn)€數(shù)，這些加密橫斷面與相鄰計(jì)算橫斷面組成追蹤河道淹沒線的橫斷面集 合，加密橫斷面?zhèn)€數(shù)越多，越能反映真實(shí)的情況。相鄰計(jì)算橫斷面之間是否進(jìn)一步加密，可 以考慮計(jì)算橫斷面之間河道水面比降、斷面之間的夾角、斷面之間的間距，構(gòu)成一個(gè)定量的 判斷關(guān)系。本發(fā)明提出了一種方法，假定兩個(gè)計(jì)算斷面間距為L(zhǎng)，兩個(gè)計(jì)算斷面水位間的落 差為八2，則斷面厶(叉4,5^，21)、13(叉8,5^，21)，以叉(；，5^，22)，0(叉。，5〇)，22)，計(jì)算八厶13〇和八130)的 法線向量，求解法向量的夾角，如果夾角大于一定角度，則進(jìn)行細(xì)分，若小于一定角度，則不 必細(xì)分，從而保證在近似平面上。據(jù)此方法，可以確定加密橫斷面的位置，計(jì)算橫斷面和加 密橫斷面形成橫斷面集合。
[0035] 將兩個(gè)相鄰橫斷面之間的河段作為分區(qū)，識(shí)別位于該分區(qū)內(nèi)的河道三角形單元。 利用三角形單元節(jié)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，確定那些三角形單元位于兩個(gè)相鄰橫斷面之間的坐標(biāo)。 根據(jù)數(shù)字河道模型建立的三角形單元的拓?fù)潢P(guān)系，如果三角形三個(gè)節(jié)點(diǎn)位于兩個(gè)相鄰斷面 之間，說明該三角形完全位于該分區(qū)內(nèi)；如果一個(gè)或兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位于兩個(gè)相鄰斷面之間，說明 該三角形單元與橫斷面相交;若三個(gè)節(jié)點(diǎn)位于三角形單元外，表示不在本分區(qū)內(nèi)。將以上信 息存儲(chǔ)，在水位實(shí)時(shí)變化過程中，這些信息作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)直接使用，同時(shí)對(duì)與橫斷面相交的 三角形的節(jié)點(diǎn)是否在分區(qū)內(nèi)進(jìn)行標(biāo)記。
[0036] (2)加密橫斷面走向確定的步驟： 一種方法是曲線擬合法，通過選擇如B-樣條曲線擬合河勢(shì)線的曲線方程，根據(jù)加密橫 斷面的位置計(jì)算出該位置的切線方向，將垂直于切線的方向作為加密橫斷面的走向。另一 種方法是角平分線法，若加密橫斷面的位置與河勢(shì)線控制點(diǎn)重合，利用該控制點(diǎn)與前、后控 制點(diǎn)形成線段的夾角平分線的方向作為加密橫斷面的走向；若加密橫斷面位置處于河勢(shì)線 兩控制點(diǎn)之間，那么首先求出此兩個(gè)控制點(diǎn)的夾角平分線，然后判定兩個(gè)夾角平分線的相 交情況，如果相交，將兩個(gè)夾角平分線相交的角平分線作為加密橫斷面的走向，否則，說明 這兩個(gè)夾角平分線平行，則選擇其中任何一個(gè)夾角平分線的走向作為加密橫斷面的走向。 [00 37] (3)加密橫斷面水位計(jì)算的步驟： 首先確定加密橫斷面的上、下游的計(jì)算橫斷面;其次，計(jì)算加密斷面和這兩個(gè)計(jì)算橫斷 面的在河勢(shì)線上的距離;然后，根據(jù)相距距離和水位值利用線性插值計(jì)算加密橫斷面的水 位值。依次類推，就可以得出所有加密橫斷面的水位值。
[0038] (4 )橫斷面水位線與地形交點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的步驟： 確定計(jì)算橫斷面的水位和加密橫斷面的水位形成了追蹤淹沒線的橫斷面實(shí)時(shí)水位，在 獲取橫斷面實(shí)時(shí)水位的基礎(chǔ)上，計(jì)算橫斷面水位線與地形交點(diǎn)坐標(biāo)，并記錄交點(diǎn)的地形三 角形網(wǎng)格單元的索引。首先，識(shí)別位于相鄰水位斷面之間的河道地形三角形單元，記錄斷面 通過的地形三角形網(wǎng)格單元的索引；其次，通過直線與三角形網(wǎng)格求交算法，獲取橫斷面水 位線與地形三角形單元的交點(diǎn)坐標(biāo)，確定每個(gè)橫斷面水位線與地形三角形單元的起止點(diǎn)坐 標(biāo)。相鄰橫斷面的水位線與地形三角形網(wǎng)格相交共有四個(gè)空間點(diǎn)坐標(biāo)。
[0039] (5)相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的步驟： 以上述四個(gè)空間點(diǎn)為基礎(chǔ)，將相鄰橫斷面間水面概化，概化為連接面，建立空間折面或 曲面方程，與地形三角形單元進(jìn)行求交計(jì)算，依據(jù)三角形單元的拓?fù)潢P(guān)系，依次搜索出相鄰 橫斷面之間的水面淹沒點(diǎn)坐標(biāo)集，形成淹沒線集合。由于相鄰橫斷面之間水面淹沒點(diǎn)坐標(biāo) 的計(jì)算任務(wù)相互獨(dú)立，可進(jìn)行任務(wù)分解，形成并行處理方式，提高淹沒點(diǎn)計(jì)算效率。
[0040] 概化的連接面可以是兩個(gè)傾斜的三角形構(gòu)成的折面，或者是一個(gè)傾斜三角形和一 個(gè)水平面構(gòu)成的折面，或者是空間曲面，或者是其他類型的概化面。
[0041] (6)河道淹沒線的形成的步驟： 壩或者人為選取河段斷面造成，因此可以根據(jù)非閉合淹沒線與斷面的關(guān)系，形成閉合 淹沒線。
[0042 ] 4、流域洪水演進(jìn)淹沒區(qū)的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)識(shí)別過程： 通過對(duì)淹沒線集合進(jìn)行判斷，建立淹沒線的拓?fù)潢P(guān)系，通過定位描述封閉淹沒線的包 含關(guān)系，最終可以找到?jīng)]有包含自己的淹沒線，利用樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系的組織;根據(jù)建 立的淹沒線拓?fù)潢P(guān)系，識(shí)別河道水流淹沒區(qū)域。淹沒區(qū)識(shí)別中關(guān)鍵的是對(duì)非連通洼地的識(shí) 別及處理。
[0043] (I)建立淹沒線的之間的拓?fù)潢P(guān)系的步驟： 建立封閉淹沒線的拓?fù)潢P(guān)系，通過定位描述封閉淹沒線的包含關(guān)系，最終可以找到?jīng)] 有包含自己的淹沒線，利用樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系的組織。這些淹沒線中存在主淹沒線，也 就是某個(gè)流量級(jí)情形下的河道淹沒的最大范圍的淹沒線。在這個(gè)淹沒線區(qū)域內(nèi)可能存在孤 島，也可能存在洼地。實(shí)際執(zhí)行中，可以將淹沒線按照一定的順序進(jìn)行排列，如果其內(nèi)部高 程大于外部高程，那么其為高地；否則為洼地，那么這個(gè)洼地其實(shí)為偽洼地，意思是水流無 法淹沒到的地方。在洼地淹沒線的外圍，可能存在一個(gè)淹沒線，這個(gè)淹沒線可能是主河道的 淹沒線，也可能是洼地內(nèi)套洼地的情況。
[0044] (2)識(shí)別河道水流淹沒區(qū)域的步驟： 根據(jù)建立的淹沒線拓?fù)潢P(guān)系，識(shí)別河道水流淹沒區(qū)域。如果封閉淹沒線沒有父節(jié)點(diǎn)，那 么這些淹沒線中有一個(gè)主淹沒區(qū)域的封閉曲線，其余的為主淹沒區(qū)外的洼地，沒有被淹沒。 主淹沒區(qū)作為根節(jié)點(diǎn)，可能存在多個(gè)一級(jí)子節(jié)點(diǎn)，若一級(jí)子節(jié)點(diǎn)內(nèi)沒有子節(jié)點(diǎn)，表示該封閉 淹沒線內(nèi)為高地，為非淹沒區(qū)。對(duì)于一級(jí)子節(jié)點(diǎn)淹沒線存在洼地，可能有多個(gè)判斷方法。首 先假定一級(jí)節(jié)點(diǎn)淹沒線內(nèi)有一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)淹沒線內(nèi)沒有子節(jié)點(diǎn)，表示不存在局部洼地 或高低，如果有一個(gè)子節(jié)點(diǎn)（不為兄弟節(jié)點(diǎn)），表示洼地內(nèi)存在局部高地，如果有兩個(gè)子節(jié) 點(diǎn)，表示內(nèi)部存在局部洼地。不管存在多少個(gè)洼地，在某個(gè)流量級(jí)情景下，由于這些洼地被 外圍節(jié)點(diǎn)阻擋，不能被淹沒。在繪制淹沒區(qū)時(shí)，這些洼地不被繪制。
[0045] 實(shí)施例二： 本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于所述的相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì) 算的步驟的細(xì)化。本實(shí)施例所述的相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的步驟中概化的連接 面為兩個(gè)三角形傾斜平面構(gòu)成的折面。
[0046] 以圖2和圖3相結(jié)合，將相鄰斷面間的水面可以概化為兩個(gè)三角形組成的曲面，說 明相鄰斷面SjPS2之間的淹沒線的搜索。
[0047]根據(jù)S1斷面的位置，確定其可能通過的三角形單元;再根據(jù)斷面S2確定其通過的三 角形單元。以下游斷面S1的兩個(gè)水面點(diǎn)和上游斷面S2的一個(gè)水面點(diǎn)，構(gòu)建通過此三點(diǎn)的水面 方程。確定斷面水面與地形相交的地形三角形單元T 1，并確定斷面水面與地形的交點(diǎn)P1，若 交點(diǎn)P1F在三角形單元的邊上，則需要判定三角形單元的三條邊是否與水面τ相交若交點(diǎn) 在三角形單元面上，那么此三角形單元的兩條邊與τ有兩個(gè)交點(diǎn)，其中一個(gè)交點(diǎn)不在斷面S 1 和S2之間，需要首先判定該三角形單元的那條邊位于&和&之間，可確定線段V1 1V22位于SdP S2之間，按照線段與平面的求交方式，可以求解得到交點(diǎn)坐標(biāo)p 2,記錄下V11點(diǎn)位于水面之 上，V22點(diǎn)位于水面之下，同時(shí)確定與三角形單元共邊νι、2 2的Δ v/V22Vi2,計(jì)算Vi2定點(diǎn)位于水 面之上，那么V 12V22必定與T相交，計(jì)算出交點(diǎn)P3，并確定與￥ 1、2共點(diǎn)V22的邊V12V 22。依次類推 可以求出淹沒點(diǎn)？4、？5、？6、？7、？8、？9點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并記錄其所在的三角形單元及其邊的索 弓丨，為淹沒線的拼接做準(zhǔn)備。同理以下游斷面S 1與上游斷面中的任一水面點(diǎn)組成的三角形 面，與河道另一邊的地形求交，求解出淹沒點(diǎn)。
[0048] 實(shí)施例四： 本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于所述的相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì) 算的步驟的細(xì)化。本實(shí)施例所述的相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的步驟中概化的連接 面為一個(gè)斜平面和一個(gè)水平面構(gòu)成的折面。
[0049] 本實(shí)施例是對(duì)實(shí)施例一的補(bǔ)充，在基于模擬預(yù)報(bào)水位的河道邊界搜索方法中，除 了將SjPS2斷面之間概化為兩個(gè)三角形斜平面外，還可以概化為一個(gè)斜平面和一個(gè)水平面， 以圖2來說明。從離上游斷面5 1最近的下游斷面52起點(diǎn)P9引出與上游斷面平行的輔助斷面 S 2'，斷面Si和S2'在同一空間水平面上，斷面S2和S2'在同一空間水平面上。斷面Si和S 2淹沒 線的搜索就轉(zhuǎn)化為兩個(gè)平面求交的問題，計(jì)算方法與實(shí)施例二類似。
[0050] 實(shí)施例四： 本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于所述的相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì) 算的步驟的細(xì)化。本實(shí)施例所述的相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的步驟中概化的連接 面為彎曲的空間曲面。
[0051] 本實(shí)施例是對(duì)實(shí)施例一的補(bǔ)充，在基于模擬預(yù)報(bào)水位的河道邊界搜索方法中，可 以將斷面SdPS22間的水面概化為曲面(見圖2、3所示），以上游斷面四個(gè)點(diǎn)作為控制點(diǎn)，通 過對(duì)兩個(gè)斷面控制點(diǎn)進(jìn)行重采樣，生成非均勻有理B樣條(NURBS)曲面。通過NURBS曲面與地 形三角形單元求交，可以得到在兩個(gè)斷面間的淹沒點(diǎn)，依據(jù)三角形的拓?fù)潢P(guān)系和淹沒點(diǎn)的 隸屬關(guān)系，依次連接淹沒點(diǎn)形成淹沒線。
[0052] 實(shí)施例五： 本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于河段模擬的細(xì)化。本實(shí)施例所述的 河段中帶有閘壩，，對(duì)帶有閘壩河段的模擬:斷面和大壩之間的水面假定為水平面，淹沒區(qū) 域就是在給定水位下的淹沒區(qū)域的識(shí)別，即利用水位等值線尋找淹沒線，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出淹沒 區(qū)的三角形。
[0053]本實(shí)施例是針對(duì)閘壩河段間淹沒線的搜索。如果計(jì)算斷面之間存在閘壩，按照水 流運(yùn)動(dòng)原理，閘壩上下游水位由閘壩的阻隔存在水位落差，根據(jù)水力學(xué)模型計(jì)算原理，閘壩 上下游斷面至閘壩的水位是水平的。就可以按假定等水位的方法，搜索出連通區(qū)域。由于大 壩或閘門的隔斷，斷面和大壩之間的水面假定為水平面，淹沒區(qū)域就是在給定水位下的淹 沒區(qū)域的識(shí)別，即利用水位等值線尋找淹沒線，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出淹沒區(qū)的三角形。
[0054]以演示斷面與所通過的三角形單元左右搜索的邊界單元，搜索水平面與起始三角 形單元相交邊的交點(diǎn)坐標(biāo)，以共享邊的三角形單元，判斷除共享邊外的其他兩條邊是否與 水平面相交，找出相交邊并求出交點(diǎn)坐標(biāo)，并做下記錄;再以記錄邊作為共享邊的三角形單 元，尋求與水平面相交的邊，并求出交點(diǎn)坐標(biāo)，以此類推，直至搜索到大壩所在的斷面相交 的三角形單元為止。同理，以其他演示斷面與所通過的三角形單元作為搜索的起始單元，搜 索系列淹沒線，組成淹沒線集合。這樣搜索出來的淹沒線中包括了河道淹沒線的最外邊緣 線。再循環(huán)判斷三角形的哪條邊與水平面存在切割關(guān)系，如果存在切割關(guān)系，那么就是以該 邊作為起始邊，沿著順時(shí)針或逆時(shí)針方向搜索出淹沒線，搜索的終止條件為直至搜索的邊 與起始邊重合或者搜索邊為閘壩斷面所經(jīng)過的三角形單元。至此，就可以將所有淹沒線識(shí) 別出來，組成淹沒線集合。以淹沒線所經(jīng)過的三角形單元作為搜索的起始單元，搜索出哪些 三角形單元在淹沒范圍內(nèi)。
[0055]實(shí)施例六： 本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例關(guān)于河段的細(xì)化。本實(shí)施例所述的河段 為樹狀河段，樹狀水系作為環(huán)狀水系的特例處理。
[0056]本實(shí)施例是針對(duì)多個(gè)河道形成的樹狀水系或環(huán)狀水系情況進(jìn)行的處理。河流水系 可以分為樹狀水系和環(huán)狀水系，可以將樹狀水系作為環(huán)狀水系的特例，這種計(jì)算方式處理 就不區(qū)分干流、支流關(guān)系，以河流交匯點(diǎn)作為劃分河段計(jì)算單元的節(jié)點(diǎn)，把不存在匯入河流 的河段作為計(jì)算河段單元，計(jì)算時(shí)就認(rèn)為交匯處的斷面水位相等，這也意味著節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng) 的相交河段的首或尾斷面的水位是相等的，對(duì)于交匯處的邊界搜索，可以概化為水平的水 面與交匯處的河道地形的求交。如圖4所示，河段I、河段II、河段III是相互交匯的河道，斷 面SI、SII，、SIII分別是對(duì)應(yīng)河段交匯處的斷面，這些斷面對(duì)應(yīng)的河道水位相等，這就意味 著三個(gè)斷面之間的河道淹沒線的搜索就轉(zhuǎn)化為等水位面與河道地形的求交計(jì)算，從而可以 搜索三個(gè)斷面包圍的交匯處的淹沒線。
[0057] 如果樹狀水系不按照環(huán)狀水系的水力學(xué)求解計(jì)算，而是按照從上游逐級(jí)匯流的方 式進(jìn)行計(jì)算，那么就要進(jìn)行水流的分級(jí)，識(shí)別出干支流的匯流關(guān)系。利用一維河道計(jì)算的河 道斷面水位，支流匯入干流的斷面的水位是水平的，而支流入流處的上下游斷面之間存在 水力比降，在實(shí)際地形中搜索干流上下游斷面之間的淹沒線就涉及到與支流尾斷面之間的 銜接問題。本發(fā)明提出了如下處理方法，首先將河道地形網(wǎng)格劃分為屬于干流河道區(qū)域的 河道地形網(wǎng)格和屬于支流河道區(qū)域的河道地形網(wǎng)格。如圖5所示，干流河道用I表示，支流河 道用II表示。然后按照單一河道的搜索方式，利用上游斷面與下游虛擬斷面構(gòu)成的斜平面， 搜索出與支流河道地形連接的三角形網(wǎng)格的交點(diǎn)C4PD n，將CnDn作為虛擬斷面，搜索出斷面 S3和SS之間的淹沒線。搜索方法如下：將四邊形⑶D nCn分為兩個(gè)三角形⑶Dr^PDDnCn，構(gòu)成斜 水平面，分別求解與支流左右岸地形的交點(diǎn)，追蹤出斷面。
[0058] 最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布 置方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù) 方案（比如步驟的先后順序、河道水流演進(jìn)模擬與求解方法、搜索算法、三維地形生成軟件 等的選擇)進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)雜河道地形流域洪水演進(jìn)虛擬仿真的淹沒線追蹤方法，其特征在于，所述方 法包括四個(gè)過程:數(shù)字河道多分辨率網(wǎng)格細(xì)分模型的生成過程;與數(shù)字河道多分辨率網(wǎng)格 細(xì)分模型的生成過程平行運(yùn)行的是流域洪水演進(jìn)狀態(tài)的模擬預(yù)報(bào)模型的建模與計(jì)算過程； 復(fù)雜河道地形淹沒邊界精準(zhǔn)捜索過程;流域洪水演進(jìn)淹沒區(qū)的動(dòng)態(tài)識(shí)別過程，所述方法的 步驟如下： 數(shù)字河道多分辨率網(wǎng)格細(xì)分模型的生成過程： 獲取河道的河勢(shì)線的步驟:根據(jù)研究區(qū)域河流水體的分布和特性，選擇可用的空間分 辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源，利用單波段闊值法、水體指數(shù)法、基于統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)的分類方 法、基于先驗(yàn)知識(shí)的決策樹分類方法或面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄌ崛∷w，將提取的水體矢量 化，通過人機(jī)交互的方式提取出河道的河勢(shì)線； 獲取河道邊界的步驟:利用遙感影像數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)、歷史水文資料，通過人工和 自動(dòng)相結(jié)合的方式，識(shí)別出河道邊界線； 對(duì)河道進(jìn)行分區(qū)的步驟:對(duì)河道統(tǒng)一建模，并對(duì)河道進(jìn)行分區(qū)，在視點(diǎn)變化過程中，對(duì) 沒有處于窗口內(nèi)的河道，進(jìn)行卸載，不進(jìn)行擅染，或者按照窗口的縱橫比進(jìn)行分區(qū)； 生成地形平面網(wǎng)格步驟:利用遞歸分析法分別對(duì)分區(qū)河段建立多分辨率網(wǎng)格，所述的 遞歸分析法包括:^/3-subdivision、漸進(jìn)網(wǎng)格法，并記錄不同分辨率下Ξ角形單元格的點(diǎn)、 線、面之間的拓?fù)渌饕P(guān)系； 插值生成平面網(wǎng)格高程值步驟:在實(shí)測(cè)的河道點(diǎn)高程基礎(chǔ)上，插值生成分區(qū)河段網(wǎng)格 節(jié)點(diǎn)的高程值，所述的插值方法包括:克里金插值、反距離權(quán)重插值； 擅染生成Ξ維河道地形的步驟:根據(jù)Ξ角形網(wǎng)格單元的拓?fù)潢P(guān)系和節(jié)點(diǎn)高程值，生成 Ξ角形面，并進(jìn)行陰影變換、材質(zhì)、紋理W及光照效果，生成Ξ維多分辨率的數(shù)字河道模型； 流域洪水演進(jìn)狀態(tài)的模擬預(yù)報(bào)模型的建模與計(jì)算過程： 模擬預(yù)報(bào)模型建模的步驟:使用河網(wǎng)一維水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)河道洪水演進(jìn)模型進(jìn)行模 擬，所述的一維水動(dòng)力學(xué)模型由水流連續(xù)方程和動(dòng)量方程組成； 模擬預(yù)報(bào)模型的離散與求解的步驟:選擇有限差分或有限體積法對(duì)水流連續(xù)方程和動(dòng) 量方程進(jìn)行離散;對(duì)于河網(wǎng)一維水動(dòng)力學(xué)模型求解，使用Ξ級(jí)聯(lián)解、漢點(diǎn)水位預(yù)測(cè)-校正方 法求解，對(duì)所述河網(wǎng)一維水動(dòng)力學(xué)模型求解的方法包括:雙向追趕法、牛頓迭代法； 計(jì)算橫斷面的提取的步驟:在獲取地形資料的基礎(chǔ)上，確定模型計(jì)算的河道橫斷面位 置，獲取計(jì)算河道橫斷面位置的空間坐標(biāo)； 邊界條件確定與模型計(jì)算的步驟:捜集實(shí)測(cè)資料，將其處理為模型計(jì)算所需的入流處 的水位和流量過程W及出流處的水位和流量過程；啟動(dòng)水動(dòng)力模型計(jì)算，獲取河道沿程水 位和流量； 復(fù)雜河道地形淹沒邊界精準(zhǔn)捜索過程： 在計(jì)算橫斷面之間加密橫斷面的步驟:若相鄰計(jì)算橫斷面之間距離較遠(yuǎn)，尤其相鄰計(jì) 算橫斷面間存多個(gè)婉艇河段，則要在相鄰計(jì)算橫斷面之間加密橫斷面，依據(jù)河勢(shì)線的變化 程度確定加密橫斷面位置分布，河勢(shì)線變化劇烈的河段，增加橫斷面較多，反之，在河勢(shì)變 化較緩的河段，增加橫斷面較少； 加密橫斷面走向確定的步驟:或者使用曲線擬合法，通過選擇如B-樣條曲線擬合河勢(shì) 線的曲線方程，根據(jù)加密橫斷面的位置計(jì)算出該位置的切線方向，將垂直于切線的方向作 為加密橫斷面的走向；或者使用角平分線法，若加密橫斷面的位置與河勢(shì)線控制點(diǎn)重合，利 用該控制點(diǎn)與前、后控制點(diǎn)形成線段的夾角平分線的方向作為加密橫斷面的走向；若加密 橫斷面位置處于河勢(shì)線兩控制點(diǎn)之間，那么首先求出此兩個(gè)控制點(diǎn)的夾角平分線，然后判 定兩個(gè)夾角平分線的相交情況，如果相交，將兩個(gè)夾角平分線相交的角平分線作為加密橫 斷面的走向，否則，說明運(yùn)兩個(gè)夾角平分線平行，則選擇其中任何一個(gè)夾角平分線的走向作 為加密橫斷面的走向； 加密橫斷面水位計(jì)算的步驟:首先確定加密橫斷面的上、下游的計(jì)算橫斷面;其次，計(jì) 算加密斷面和運(yùn)兩個(gè)計(jì)算橫斷面的在河勢(shì)線上的距離;然后，根據(jù)相距距離和水位值利用 線性插值計(jì)算加密橫斷面的水位值;依次類推，得出所有加密橫斷面的水位值； 橫斷面水位線與地形交點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的步驟:首先，識(shí)別位于相鄰水位斷面之間的河道 地形Ξ角形單元，記錄斷面通過的地形Ξ角形網(wǎng)格單元的索引；其次，通過直線與Ξ角形網(wǎng) 格求交算法，獲取橫斷面水位線與地形Ξ角形單元的交點(diǎn)坐標(biāo)，確定每個(gè)橫斷面水位線與 地形Ξ角形單元的起止點(diǎn)坐標(biāo)，相鄰橫斷面的水位線與地形Ξ角形網(wǎng)格相交共有四個(gè)空間 點(diǎn)坐標(biāo)； 相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算的步驟上述四個(gè)空間點(diǎn)為基礎(chǔ)，將相鄰橫斷面 間水面概化，概化為連接面，建立空間折面或曲面方程，與地形Ξ角形單元進(jìn)行求交計(jì)算， 依據(jù)Ξ角形單元的拓?fù)潢P(guān)系，依次捜索出相鄰橫斷面之間的水面淹沒點(diǎn)坐標(biāo)集，形成淹沒 線集合； 河道淹沒線形成的步驟:根據(jù)計(jì)算的淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)，依次連接形成一條閉合的淹沒線 或非閉合的淹沒線； 流域洪水演進(jìn)淹沒區(qū)的動(dòng)態(tài)識(shí)別過程： 建立封閉淹沒線的拓?fù)潢P(guān)系的步驟:通過定位描述封閉淹沒線的包含關(guān)系，最終可W 找到?jīng)]有包含自己的淹沒線，利用樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系的組織； 識(shí)別河道水流淹沒區(qū)域的步驟:根據(jù)建立的淹沒線拓?fù)潢P(guān)系，識(shí)別河道水流淹沒區(qū)域。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算 的步驟中概化的連接面為兩個(gè)Ξ角形傾斜平面構(gòu)成的折面。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算 的步驟中概化的連接面為一個(gè)斜平面和一個(gè)水平面構(gòu)成的折面。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的相鄰橫斷面之間淹沒線點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算 的步驟中概化的連接面為彎曲的空間曲面。5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的方法，其特征在于，所述的河道帶有閩巧河段，對(duì)帶有閩巧 河段的模擬:斷面和大巧之間的水面假定為水平面，淹沒區(qū)域就是在給定水位下的淹沒區(qū) 域的識(shí)別，即利用水位等值線尋找淹沒線，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出淹沒區(qū)的Ξ角形。6. 根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的方法，其特征在于，所述的河段為樹狀河段，樹狀水系作為 環(huán)狀水系的特例處理。
【文檔編號(hào)】G06T17/05GK105844709SQ201610175067
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月25日
【發(fā)明人】冶運(yùn)濤, 梁犁麗, 尚毅梓, 蔣云鐘, 龔家國(guó), 張雙虎, 張海濤, 張象明
【申請(qǐng)人】中國(guó)水利水電科學(xué)研究院