一种基于河湖断面数据实时构建洪水淹没场景的方法

本技术属于流域数字孪生，具体是一种基于河湖断面数据实时构建洪水淹没场景的方法。

背景技术：

1、洪水在流域内沿主干江湖自上而下演进，其行程常有数百至上千公里，耗时多达数日至十多日以上。洪水流经的江河湖泊具有面积大、河势复杂(指河湖内部存在分汊、岛屿、洲滩等情况)等特点。流域洪水演进模拟、洪水淹没场景构建、洪水指标及形势分析、淹没损失计算等是流域防洪的主要工作。其中，洪水淹没场景构建是进行洪水形势分析、淹没损失计算等的基础。

2、一方面，使用高分辨率计算网格二维水动力模型一般能较好地模拟复杂边界及河势条件下洪水演进的平面物理场，为构建精细洪水淹没场景提供分辨率充足的数据。然而，若直接采用高分辨率网格二维水动力模型开展大范围河湖洪水演进计算，由于单元数量及计算耗时巨大，模型很难满足洪水实时模拟的时效性要求；同时使在构建洪水淹没场景时所需渲染的图元的数量巨大，给洪水场景动态展示与分析带来困难。另一方面，采用一维水动力模型开展大范围河湖洪水演进计算的耗时虽很短，但它只能算出河/湖断面的宏观特征(很难提供满足场景构造所需分辨率的各物理量平面分布等细节数据)。于是，一维、二维水动力模型各自存在难以兼顾实时计算与场景构建的问题。

3、解决上述问题的一般思路为：先采用一维模型开展洪水演进计算得到河湖断面的洪水信息数据(水位、流量等及它们随时间的变化过程)，然后通过空间插值将这些断面数据(主要使用水位)映射到二维网格上得到洪水淹没的平面信息数据(淹没范围、水深分布等)，进而构造洪水淹没场景。这一系列工作中，数据的空间插值是常规操作，洪水淹没场景构造是核心，工作要求为：构造出的洪水淹没场景及其随时间的变化须能准确反映真实的洪水演进过程，且算法效率要高(满足实时构造)。此外，二维水动力模型在描述和模拟边界不规则、河势复杂的真实河湖地形地貌时，一般会采用具有较强适应能力的二维无结构网格，这类计算网格的特点是网格元素的编码具有无规则性；同时，在真实洪水演进过程中计算网格中有水单元(湿单元)在平面上的分布又具有无规律性。这些情况给构造洪水淹没场景又增加了困难。因而，研究和找到一种基于河湖断面数据实时构建洪水淹没场景的方法具有重要的科学与实用意义。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的在于提供一种基于河湖断面数据实时构建洪水淹没场景的方法，解决了目前水利信息技术(流域数字孪生)领域中同类方法精度不足、效率不够、通用性不强等问题。

2、为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、本技术实施例提供一种基于河湖断面数据实时构建洪水淹没场景的方法，包括如下步骤：

4、步骤1：使用一组断面剖分所模拟的河湖目标区域，并以此为基础建立目标区域的一维水动力模型，同时将相邻两个断面之间的平面区域划分为一个子区域，从而将目标区域划分为若干个子区域；

5、步骤2：使用高分辨率二维无结构网格将目标区域剖分为在平面上不重合的四边形单元，将实测地形插值到二维无结构网格的节点之上构建平面地形分布，同时建立二维无结构网格各种元素之间的拓扑关系；

6、步骤3：建立二维无结构网格的各种元素与子区域的对应关系，关联二维无结构网格的单元与子区域；

7、步骤4：调用一维水动力模型开展洪水演进计算获得河湖断面的洪水信息数据，并在洪水演进过程的每个时刻开展断面数据向二维无结构网格映射；

8、步骤5：基于无结构网格单元中心的水深数据，在各个子区域中搜索水域边，并得到水域边的集合；

9、步骤6：基于所述水域边的集合构造微面域，微面域是从子区域的水域边集合中选出的一组水域边的集合；

10、步骤7：对步骤6所得的微面域水域边界上的节点进行压缩和优化；

11、步骤8：将压缩优化后的微面域数据转化为可视化引擎所规定的图元格式数据，并在电脑屏幕上显示。

12、所述步骤1中，子区域的要素为：组建子区域的两个断面的编号，及这两个断面的端点的平面坐标，目标区域中所有的子区域构成一个子区域的集合，采用符号dcs0、dcs1、……、dcsn依次标识各个子区域。

13、所述步骤1中，一维水动力模型是指以河道断面及其间距、开边界条件、计算区域初始条件等为基础的，包括一维水流控制方程离散与求解、结果输出等功能的水力学计算程序。所述一维水动力模型采用一维圣维南方程作为描述水流运动的控制方程，混合使用有限差分法和有限体积法离散控制方程，在算子分裂技术框架下离散动量方程，具体而言：采用θ 半隐方法离散动量方程中的水位梯度项；采用欧拉—拉格朗日方法求解动量方程中的对流项；采用有限体积法离散连续性方程；联立动量方程和连续方程并构建三对角代数方程组求解流速—压力耦合，获得各单元中心的水位及界面的流量。

14、所述步骤2中，所述二维无结构网格采用自主编制的计算机程序或商业软件制作。当采用非结构网格时，水平区域被一系列不重叠的凸多边形（例如四边形）覆盖。所述二维无结构网格的拓扑关系是指采用变量所描述的网格内单元、节点、边之间的连接关系，具体包括：①i34(i)为单元i的节点/边的数目；nm(i,l)为i单元第l个节点的全局编号，l = 1,2,…, i34(i)；j(i,l)为单元i第l条边的全局编号，l = 1, 2,…, i34(i)；ic(i,l)为单元i第l个邻单元的全局编号，l = 1, 2,…, i34(i)，当局部索引l对应的单元不存在时使用-1表示；②i(j,l)为共用j边的两个单元的全局编号，l = 1, 2，规定i(j,1)储存全局编号较小的单元，当边的某一侧为计算区域外时使用-1表示；ip(j,l)为j边两个端点的节点全局编号，l = 1, 2；③ine(k,l)，节点k周围单元的全局编号，l = 1, 2,…, nne(k)，nne(k)为节点k周围的单元数量；inp(k,l)，节点k周围节点的全局编号，l = 1, 2,…, nnp(k)，nnp(k)为节点k周围节点的数量。

15、所述步骤3中，建立二维无结构网格单元与子区域的对应关系的具体方法为：对于某一给定的子区域，展开无结构网格的遍历搜索，将中心坐标位于子区域内的单元添加到该子区域的单元集中之中，同时给该单元增加一个属性变量用于标识该单元所属的子区域，依次开展针对子区域dcs0、dcs1、……、dcsn的搜索，即可建立二维无结构网格单元与子区域的对应关系。

16、所述步骤4中，调用一维水动力模型开展洪水演进计算获得河湖断面的洪水信息数据，并在洪水演进过程的每个时刻开展断面数据向二维无结构网格映射包括如下步骤：

17、步骤41：调用目标区域一维水动力模型开展洪水演进过程计算，获得河湖断面的流量、水位这些洪水信息数据；

18、步骤42：基于河湖断面洪水信息数据、子区域、二维无结构网格单元与子区域之间的对应关系，将断面洪水信息数据插值到二维无结构网格单元；

19、步骤43：使用网格单元中心的地形与水位计算水深，判断该网格单元的干湿状态并给予标识，为构建洪水淹没场景提供基础的支撑数据。

20、所述步骤5中，基于无结构网格单元中心的水深数据，在各个子区域中搜索水域边，并得到水域边的集合，包括如下步骤：

21、满足如下两种条件之一的网格边定义为水域边，第一类水域边，网格边两侧的单元均为湿，且这两个单元分别属两个不同的子区域；第二类水域边，网格边一侧单元为湿且另一侧单元为干或不存在，其两侧的单元处于同一子区域或处于不同的子区域，水域边两侧在单个子区域内有且只有一个湿单元，根据水域边定义，遍历目标区域中所有的湿单元的边，得到计算网格的水域边集合；对于某一子区域，遍历其中所有的湿单元的边，便可得到该子区域的水域边集合。

22、所述步骤6中，基于所述水域边的集合构造微面域，微面域是从子区域的水域边集合中选出的一组水域边的集合，包括如下步骤：

23、步骤61：将子区域中所有水域边的属性变量均设为0，创建一个新的微面域，初始时刻它所拥有的水域边的数量为0，即该微面域的水域边子集为空；

24、步骤62：按照编号由小到大的顺序遍历当前子区域中的水域边集合，将找到的第一条未被使用过的水域边添加到当前微面域；

25、步骤63：对于第一条被添加到微面域的水域边，取出它的两个节点，将它们分别标识为0#与1#点，将0#点规定为当前微面域水域边界的首节点；同时，将1#点定义为牵引节点，它是搜索微面域下一水域边的基础；

26、步骤64：基于无结构网格的拓扑关系，先找出牵引节点周围的所有水域边，然后进行挑选，具体而言，根据牵引节点周围的水域边的总数n，n=1时，直接认定仅有的这条水域边为微面域的下一水域边，n>1时，则需进一步筛选，牵引节点周围的某一水域边属于当前微面域所需满足的条件为：该水域边对应的湿单元与上一条添加到微面域的水域边对应的湿单元，为同一或相邻单元；

27、步骤65：对于新添加到微面域的水域边，将其第2个节点作为牵引节点，再次执行步骤64的操作添加下一条水域边，如此反复，不断地搜索新水域边，当新水域边的新加入节点的编号与当前微面域0#点的编号相同时，水域边界就达到闭合，这标志着该微面域的水域边子集构造完成，水域边的基本元素为两个节点，使用由水域边子集或与它对应的节点序列所围成的封闭水域边界来描述微面域；

28、步骤66：执行步骤62~步骤65，创建和搜索当前子区域中的下一微面域，直至该子区域剩余的未用的水域边的数量小于一个规定的下限；

29、步骤67：执行步骤61~步骤66，创建和搜索其它子区域中的微面域。

30、所述步骤7中，对微面域水域边界上节点进行压缩优化包括如下步骤：

31、步骤71：对微面域水域边界上的网格节点进行分类标识，第一类水域边界节点特征为：位于两个相邻子区域中的两个相邻的微面域的公共水域边界上的节点，第一类水域边界节点对所构造的水域分布不会造成影响，全部消除，第二类水域边界节点特征为：在单个子区域内水域边界上的节点，第二类水域边界节点描绘了水域的平面形态，部分优化；

32、步骤72：当水域边界平顺时，采用临界夹角法对第二类水域边界节点进行删减。

33、采用临界夹角法对第二类水域边界节点进行删减具体流程如下：

34、步骤721：在微面域的一段仅含有第二类节点的水域边界上，从它的一端开始依次取出两条相邻的水域边，计算它们的夹角α；

35、步骤722：根据指定的数字地球场景缩放比例，估算所需渲染的微面域的数量，进而确定一个临界夹角α0；

36、步骤723：判断α与α0的相对大小，并据此进行水域边界优化，当夹角α>α0时，保留这两条水域边所涉及的三个节点，当α≤α0时，说明水域边界平顺，将两条水域边的公共节点从微面域的水域边界中删除，对原始水域边界进行节点压缩后便可得到近似的水域边界，被它包围的水域即为近似微面域。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

38、本发明提供的方法，具有如下四个特点，其一，方法所构建出的洪水淹没场景可准确反映洪水演进的场景和过程。其二，具备处理无结构网格单元编码、湿单元在平面上分布不规则等复杂情况的能力，具有通用性。其三，方法的计算效率很高，可满足实时构建洪水淹没场景的需求。测试表明，将本发明的方法应用于构建真实流域大范围洪水淹没场景时耗时可降低至秒级。其四，可避免直接使用无结构网格单元来构建洪水淹没场景，解决了在构造流域大范围洪水淹没场景时所包含的图元的数量过大的问题。

39、因而，本发明提供了一种基于河湖断面数据实时构建洪水淹没场景的方法。与以往同类方法相比较，本发明方法具有可靠性高、通用性强、计算效率高、可视化场景展示速度快等优势。尤为值得注意的是，本发明所述方法充分利用了无结构网格元素的拓扑关系，巧妙设计了洪水淹没微面域的构造方法及流程(避免了反复的遍历搜索)，这使方法效率很高且并不复杂。