复杂河道地形流域洪水演进虚拟仿真的淹没线追踪方法

摘要

本发明涉及一种复杂河道地形流域洪水演进虚拟仿真的淹没线追踪方法，包括四个过程：数字河道多分辨率网格细分模型的生成过程；与数字河道多分辨率网格细分模型的生成过程平行运行的是流域洪水演进状态的模拟预报模型的建模与计算过程；复杂河道地形淹没边界精准搜索过程；流域洪水演进淹没区的动态识别过程。本发明通过建立数字河道多分辨率网格细分模型和模拟预报模型，对复杂河道地形淹没边界精准搜索，实现了流域洪水演进淹没区的动态识别，准确的模拟各种地形的复杂河道，快速的模拟洪水的淹没区域。对洪水演进到不同河段的时间、水深和流量甚至流速提供快速、准确和直观的预报，为洪水到来之前的防灾减灾工作提供科学依据。

主权项

一种复杂河道地形流域洪水演进虚拟仿真的淹没线追踪方法，其特征在于，所述方法包括四个过程：数字河道多分辨率网格细分模型的生成过程；与数字河道多分辨率网格细分模型的生成过程平行运行的是流域洪水演进状态的模拟预报模型的建模与计算过程；复杂河道地形淹没边界精准搜索过程；流域洪水演进淹没区的动态识别过程，所述方法的步骤如下：数字河道多分辨率网格细分模型的生成过程：获取河道的河势线的步骤：根据研究区域河流水体的分布和特性，选择可用的空间分辨率的卫星遥感数据源，利用单波段阈值法、水体指数法、基于统计和机器学习的分类方法、基于先验知识的决策树分类方法或面向对象的分类方法提取水体，将提取的水体矢量化，通过人机交互的方式提取出河道的河势线；获取河道边界的步骤：利用遥感影像数据、现场调查数据、历史水文资料，通过人工和自动相结合的方式，识别出河道边界线；对河道进行分区的步骤：对河道统一建模，并对河道进行分区，在视点变化过程中，对没有处于窗口内的河道，进行卸载，不进行渲染，或者按照窗口的纵横比进行分区；生成地形平面网格步骤：利用递归分析法分别对分区河段建立多分辨率网格，所述的递归分析法包括：‑subdivision、渐进网格法，并记录不同分辨率下三角形单元格的点、线、面之间的拓扑索引关系；插值生成平面网格高程值步骤：在实测的河道点高程基础上，插值生成分区河段网格节点的高程值，所述的插值方法包括：克里金插值、反距离权重插值；渲染生成三维河道地形的步骤：根据三角形网格单元的拓扑关系和节点高程值，生成三角形面，并进行阴影变换、材质、纹理以及光照效果，生成三维多分辨率的数字河道模型；流域洪水演进状态的模拟预报模型的建模与计算过程：模拟预报模型建模的步骤：使用河网一维水动力学模型对河道洪水演进模型进行模拟，所述的一维水动力学模型由水流连续方程和动量方程组成；模拟预报模型的离散与求解的步骤：选择有限差分或有限体积法对水流连续方程和动量方程进行离散；对于河网一维水动力学模型求解，使用三级联解、汊点水位预测‑校正方法求解，对所述河网一维水动力学模型求解的方法包括：双向追赶法、牛顿迭代法；计算横断面的提取的步骤：在获取地形资料的基础上，确定模型计算的河道横断面位置，获取计算河道横断面位置的空间坐标；边界条件确定与模型计算的步骤：搜集实测资料，将其处理为模型计算所需的入流处的水位和流量过程以及出流处的水位和流量过程；启动水动力模型计算，获取河道沿程水位和流量；复杂河道地形淹没边界精准搜索过程：在计算横断面之间加密横断面的步骤：若相邻计算横断面之间距离较远，尤其相邻计算横断面间存多个蜿蜒河段，则要在相邻计算横断面之间加密横断面，依据河势线的变化程度确定加密横断面位置分布，河势线变化剧烈的河段，增加横断面较多，反之，在河势变化较缓的河段，增加横断面较少；加密横断面走向确定的步骤：或者使用曲线拟合法，通过选择如B‑样条曲线拟合河势线的曲线方程，根据加密横断面的位置计算出该位置的切线方向，将垂直于切线的方向作为加密横断面的走向；或者使用角平分线法，若加密横断面的位置与河势线控制点重合，利用该控制点与前、后控制点形成线段的夹角平分线的方向作为加密横断面的走向；若加密横断面位置处于河势线两控制点之间，那么首先求出此两个控制点的夹角平分线，然后判定两个夹角平分线的相交情况，如果相交，将两个夹角平分线相交的角平分线作为加密横断面的走向，否则，说明这两个夹角平分线平行，则选择其中任何一个夹角平分线的走向作为加密横断面的走向；加密横断面水位计算的步骤：首先确定加密横断面的上、下游的计算横断面；其次，计算加密断面和这两个计算横断面的在河势线上的距离；然后，根据相距距离和水位值利用线性插值计算加密横断面的水位值；依次类推，得出所有加密横断面的水位值；横断面水位线与地形交点坐标计算的步骤：首先，识别位于相邻水位断面之间的河道地形三角形单元，记录断面通过的地形三角形网格单元的索引；其次，通过直线与三角形网格求交算法，获取横断面水位线与地形三角形单元的交点坐标，确定每个横断面水位线与地形三角形单元的起止点坐标，相邻横断面的水位线与地形三角形网格相交共有四个空间点坐标；相邻横断面之间淹没线点坐标计算的步骤：以上述四个空间点为基础，将相邻横断面间水面概化，概化为连接面，建立空间折面或曲面方程，与地形三角形单元进行求交计算，依据三角形单元的拓扑关系，依次搜索出相邻横断面之间的水面淹没点坐标集，形成淹没线集合；河道淹没线形成的步骤：根据计算的淹没线点坐标，依次连接形成一条闭合的淹没线或非闭合的淹没线；流域洪水演进淹没区的动态识别过程：建立封闭淹没线的拓扑关系的步骤：通过定位描述封闭淹没线的包含关系，最终可以找到没有包含自己的淹没线，利用树状结构进行拓扑关系的组织；识别河道水流淹没区域的步骤：根据建立的淹没线拓扑关系，识别河道水流淹没区域。