复杂河道地形流域洪水演进虚拟仿真的淹没线追踪方法

复杂河道地形流域洪水演进虚拟仿真的淹没线追踪方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
复杂河道地形流域洪水演进虚拟仿真的淹没线追踪方法
技术领域
[0001] 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，是一种 计算技术用于水文计算的方法，具体涉及一种河道洪水演进可视化方法，是一种可直观表 现河道洪水淹没状态，提高流域防灾减灾能力的方法。
【背景技术】
[0002] 流域洪水演进仿真是防洪非工程措施决策支持系统构建的重要组成部分，它是以 计算机图形学和虚拟现实技术为基础，以流域数值模拟为核心，对洪水在真实河道里的演 进情况以及洪水对流域内区域的淹没情况在计算机生成的虚拟环境中进行动态、实时的仿 真模拟。它以用户体验为中心，便于对流域洪水演进的现象和规律进行全方位的观察、操作 和分析，更好地了解复杂淹没区域洪水演进过程，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。
[0003] 在流域洪水演进仿真中，关键在于淹没区域的识别，目前淹没区的识别主要分为 基于水流数学模型的淹没区识别和基于等水位或等容量的淹没区识别。后者没有基于水流 运动机制，识别方法包括区域生长法、种子蔓延法、投石问路法以及相应的改进算法等，不 能很好地反映水流实际运动规律，无法直接移植到流域洪水演进仿真中。前者的水流模型 指一、二、三维水动力学模型或流域水文模型；由于二、三维水动力学模型在给定边界条件 情况下，能够动态模拟水流在二维空间中的淹没状况，直接根据计算网格节点的干湿变化 确定淹没区域，进而进行三维空间动态仿真，这方面具有一些成果;但是一维水动力学模型 或水文模型通常将河段进行离散，控制断面的选择经常避开州滩，或者将洲滩概化，或者将 断面概化，导致计算出的结果不能很好地与真实河道进行匹配。同时随着河道上布设的水 文测站越来越密集，数据采集频率越来越高，获取的数据量快速增长，如何对其在线可视化 仿真，是直观了解洪水演进规律的重要途径;水文测站所测的水位和流量是断面的平均水 位和流量，与一维水动力学模型或水文模型可视化仿真相同的是均将断面的信息与真实河 道进行映射。
[0004] 因此基于一维水动力学模型或水文模型的洪水淹没过程分析不仅要考虑水流连 通性问题，还要考虑河道沿程水力坡度导致不同地面水位高程的变化。由于洪水与地形相 互作用、相互影响，使河道与淹没区域具备很大的不确定性，同时，在洪水演进模拟过程中， 流域地形和河道呈现出一种动态自适应的关系，这种动态边界、动态河床的空间行为给洪 水淹没及推进演进过程的实时、动态仿真造成了很大困难。如果不加以正确处理，就会与实 际洪水运动的空间行为严重不符，降低洪水演进仿真系统的实用价值。因此，在洪水演进仿 真中，面临的一个重大问题就是如何确定河道、洪水淹没区域。

【发明内容】

[0005] 针对现有技术的问题，本发明提出了一种复杂河道地形流域洪水演进虚拟仿真的 三维淹没线追踪方法。所述的方法从时空自适应模型的建立、边界搜索算法的选择入手，通 过比较分析，忽略次要因素，简化边界条件，突出影响控制洪水空间行为的主要因素，避免 传统有源淹没边界搜索算法的不足。
[0006]本发明的目的是这样实现的：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:- subd i V i s i on、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。
[0007] 进一步的，所述的相邻横断面之间淹没线点坐标计算的步骤中概化的连接面为两 个三角形倾斜平面构成的折面。
[0008] 进一步的，所述的相邻横断面之间淹没线点坐标计算的步骤中概化的连接面为一 个斜平面和一个水平面构成的折面。
[0009] 进一步的，所述的相邻横断面之间淹没线点坐标计算的步骤中概化的连接面为弯 曲的空间曲面。
[0010] 进一步的，所述的河道带有闸坝河段，对带有闸坝河段的模拟:断面和大坝之间的 水面假定为水平面，淹没区域就是在给定水位下的淹没区域的识别，即利用水位等值线寻 找淹没线，进而统计出淹没区的三角形。
[0011] 进一步的，所述的河段为树状河段，树状水系作为环状水系的特例处理。
[0012] 本发明产生的有益效果是: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。
【附图说明】
[0013] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0014] 图1是本发明实施例所述方法的流程图； 图2是本发明实施例二、三中单一河道洪水演进淹没线的追踪算法示意图； 图3是本发明实施例二、三中局部放大的相邻断面洪水淹没线追踪示意图； 图4是本发明实施例六中河道交汇区域的洪水淹没线的追踪示意图； 图5是本发明实施例六中树状河网交汇处的洪水淹没线追踪示意图。
【具体实施方式】
[0015] 实施例一： 本实施例是一种复杂河道地形水流演进虚拟仿真的淹没线追踪方法，本实施例所述方 法的内容包括：1、数字河道多分辨率网格细分模型的生成过程;2、流域洪水演进状态的模 拟预报模型的建模与计算;3、复杂河道地形淹没边界精准搜索方法;4、流域洪水演进淹没 区的动态识别。总体技术流程如图1所示。
[0016] 1、数字河道多分辨率网格细分模型的生成过程： (1)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，可以选择6?-1、6?-2、1^11(18&〖了1/^了1+、耵-1八、 HJ-IB等中的一种或多种卫星遥感数据源，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。
[0017] (2)获取河道边界的步骤： 利用遥感影像数据、现场调查数据(如堤岸、滩地等）、历史水文资料等，通过人工和自 动相结合的方式，识别出河道边界线。
[0018] (3)对河道进行分区的步骤： 考虑到河道为狭长型，在可视化过程中，视点空间位置变化，只能观察到局部河道区 域，其他区域在计算机窗口之外;若对河道统一建模，在视点漫游过程中，细致观察河道时， 视野外的河道所占的比例较大，如果对这部分河道同步渲染，势必影响交互的实时性，因此 首先对河道进行分区，若在视点变化过程中，对没有处于窗口内的河道，进行卸载，不进行 渲染。可以按照窗口的纵横比进行分区。
[0019] -般的屏幕尺寸比例为16 : 9或4: 3。而河道的纵向和横向比例比较大，视点变换 时，进入视野的速度就不一样，当纵向河道进入视野很快，但是其横向尺度却无法正确变 换。当视点离观察河道较近时，大部分河道位于视野外，若再被绘制不利于仿真的实时性； 当视点远离河道时，沿河宽方向在屏幕上占据的部分就很小，无法观察细节。也就没有必要 进行绘制。因此，根据显示需求，对河道进行分区建模。河道分区可根据人为经验确定，按一 定的距离间隔进行河道的划分，这种划分方法主要凭经验来确定，需要把握原则包括河段 长度不要超过该河段横断面距离长度太多，尤其对狭窄性河道，由于横断面较窄，那么河段 长度就不要太长。为了降低认为经验性确定方法，本发明提出了一种河道分区的方法，即利 用三维可视化视锥体，假定研究区域河段长度为L，河道最小宽度为Dmin，河道最大宽度为 Dmax，平均河宽为D ave=(Dmin+Dmax)，L/Dave〈=16/9,从而确定河段的分区数目。
[0020] (4)生成地形平面网格的步骤： 分别对分区河段建立多分辨率网格，建立多分辨率网格的方法，有ji-subd i V i S i on、 渐进网格法等递归分析方法生成各分区河段的多分辨率网格，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。
[0021] (5)插值生成平面网格高程值的步骤： 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，插值方法可以选 择克里金插值、反距离权重插值等。
[0022] (6)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。
[0023] 2、流域洪水演进状态的模拟预报模型的建模与计算： (1)模拟预报模型建模的步骤： 选用河网一维水动力学模型对河道洪水演进模型进行模拟。河网一维水动力学模型由 水流连续方程（水量守恒方程）和动量方程组成。采用圣维南方程（Saint-Venant Equation)描述一维流动的数学模型， 水流连续方程：
(2) 式中，Z为水位;Q为过水流量;B为过水宽度;A为过水断面面积;t为时间；X为距离;K为 流量模数;g为重力加速度;qi为旁侧入流流量。
[0024] (2)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。
[0025]采用三级联解法求解河网一维非恒定流水量模型，该算法将河网分成微段、河段、 节点三级，逐级处理，再联合运算。采用四点加权Preissmann隐式差分格式离散圣维南方程 组式（1)和式(2)，利用消元法，经递推计算，忽略时间上标(n+1)，得到如下差分方程：
(3) 式;中：aj、bj、dj、qj+i、hj+i、gj+i 为坦赴糸数。
[0026]对河网中的任一单独河道，其微段方程都是前后相连有序的，对其自相消元后得 到只含有河段首、末断面变量的河段方程组，即只含有节点变量： (4) 式中：Z1S首节点水位;ZmS末节点水位。
[0027]有水闸控制的河段需根据其水力特性引入内边界条件特殊处理。
[0028] 关闸情况:Qi=Qi+1=Q=0，闸门前后河段作为两条单一河道处理，按流量已知边界单 独求解。开闸情况:根据闸门过流方式，考虑流量连续性，可得求解闸门前后水流的差分方 程：
(5) 式中：e为闸门开度，m; b为闸孔宽度，m; m为出流流量系数;Z i、Z i+1分别为闸门前后水 位，m;Ss为淹没系数，对自由出流，Ss=I。
[0029] 对于有栗站抽/引水河段，其内边界类型为集中旁侧出/入流，以Qf表示，出流则Qf 为负值，入流则Qf为正值。设一虚拟河段Dxj=O，其基本连接方程为：
(6) 用上述内边界处理方法代替圣维南方程组，保持了水流的连续性，有闸控或栗站抽引 水河段同正常河段一样递推求解。
[0030] 对单一河道，可以选用双向追赶法、牛顿迭代法等进行求解。
[0031] (3)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(简称为计算横断面)位置，获 取计算横断面的空间坐标。
[0032] (4)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，获取河道沿程计算横断面的水位和流量。
[0033] 3、流域复杂河道地形淹没边界搜索过程： (1)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，就需要在 相邻计算横断面之间间加密横断面，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。
[0034] 以图2为例说明，考虑到两个计算横断面之间距离较长，需要在两个计算横断面 之间增加断面个数，这些加密横断面与相邻计算横断面组成追踪河道淹没线的横断面集 合，加密横断面个数越多，越能反映真实的情况。相邻计算横断面之间是否进一步加密，可 以考虑计算横断面之间河道水面比降、断面之间的夹角、断面之间的间距，构成一个定量的 判断关系。本发明提出了一种方法，假定两个计算断面间距为L，两个计算断面水位间的落 差为八2，则断面厶(叉4,5^，21)、13(叉8,5^，21)，以叉(；，5^，22)，0(叉。，5〇)，22)，计算八厶13〇和八130)的 法线向量，求解法向量的夹角，如果夹角大于一定角度，则进行细分，若小于一定角度，则不 必细分，从而保证在近似平面上。据此方法，可以确定加密横断面的位置，计算横断面和加 密横断面形成横断面集合。
[0035] 将两个相邻横断面之间的河段作为分区，识别位于该分区内的河道三角形单元。 利用三角形单元节点的平面坐标，确定那些三角形单元位于两个相邻横断面之间的坐标。 根据数字河道模型建立的三角形单元的拓扑关系，如果三角形三个节点位于两个相邻断面 之间，说明该三角形完全位于该分区内；如果一个或两个节点位于两个相邻断面之间，说明 该三角形单元与横断面相交;若三个节点位于三角形单元外，表示不在本分区内。将以上信 息存储，在水位实时变化过程中，这些信息作为基础数据直接使用，同时对与横断面相交的 三角形的节点是否在分区内进行标记。
[0036] (2)加密横断面走向确定的步骤： 一种方法是曲线拟合法，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。另一 种方法是角平分线法，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。 [00 37] (3)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，就可以得出所有加密横断面的水位值。
[0038] (4 )横断面水位线与地形交点坐标计算的步骤： 确定计算横断面的水位和加密横断面的水位形成了追踪淹没线的横断面实时水位，在 获取横断面实时水位的基础上，计算横断面水位线与地形交点坐标，并记录交点的地形三 角形网格单元的索引。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。
[0039] (5)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。由于相邻横断面之间水面淹没点坐标 的计算任务相互独立，可进行任务分解，形成并行处理方式，提高淹没点计算效率。
[0040] 概化的连接面可以是两个倾斜的三角形构成的折面，或者是一个倾斜三角形和一 个水平面构成的折面，或者是空间曲面，或者是其他类型的概化面。
[0041] (6)河道淹没线的形成的步骤： 坝或者人为选取河段断面造成，因此可以根据非闭合淹没线与断面的关系，形成闭合 淹没线。
[0042 ] 4、流域洪水演进淹没区的动态精准识别过程： 通过对淹没线集合进行判断，建立淹没线的拓扑关系，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;根据建 立的淹没线拓扑关系，识别河道水流淹没区域。淹没区识别中关键的是对非连通洼地的识 别及处理。
[0043] (I)建立淹没线的之间的拓扑关系的步骤： 建立封闭淹没线的拓扑关系，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。这些淹没线中存在主淹没线，也 就是某个流量级情形下的河道淹没的最大范围的淹没线。在这个淹没线区域内可能存在孤 岛，也可能存在洼地。实际执行中，可以将淹没线按照一定的顺序进行排列，如果其内部高 程大于外部高程，那么其为高地；否则为洼地，那么这个洼地其实为伪洼地，意思是水流无 法淹没到的地方。在洼地淹没线的外围，可能存在一个淹没线，这个淹没线可能是主河道的 淹没线，也可能是洼地内套洼地的情况。
[0044] (2)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。如果封闭淹没线没有父节点，那 么这些淹没线中有一个主淹没区域的封闭曲线，其余的为主淹没区外的洼地，没有被淹没。 主淹没区作为根节点，可能存在多个一级子节点，若一级子节点内没有子节点，表示该封闭 淹没线内为高地，为非淹没区。对于一级子节点淹没线存在洼地，可能有多个判断方法。首 先假定一级节点淹没线内有一个子节点，节点淹没线内没有子节点，表示不存在局部洼地 或高低，如果有一个子节点（不为兄弟节点），表示洼地内存在局部高地，如果有两个子节 点，表示内部存在局部洼地。不管存在多少个洼地，在某个流量级情景下，由于这些洼地被 外围节点阻挡，不能被淹没。在绘制淹没区时，这些洼地不被绘制。
[0045] 实施例二： 本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于所述的相邻横断面之间淹没线点坐标计 算的步骤的细化。本实施例所述的相邻横断面之间淹没线点坐标计算的步骤中概化的连接 面为两个三角形倾斜平面构成的折面。
[0046] 以图2和图3相结合，将相邻断面间的水面可以概化为两个三角形组成的曲面，说 明相邻断面SjPS2之间的淹没线的搜索。
[0047]根据S1断面的位置，确定其可能通过的三角形单元;再根据断面S2确定其通过的三 角形单元。以下游断面S1的两个水面点和上游断面S2的一个水面点，构建通过此三点的水面 方程。确定断面水面与地形相交的地形三角形单元T 1，并确定断面水面与地形的交点P1，若 交点P1F在三角形单元的边上，则需要判定三角形单元的三条边是否与水面τ相交若交点 在三角形单元面上，那么此三角形单元的两条边与τ有两个交点，其中一个交点不在断面S 1 和S2之间，需要首先判定该三角形单元的那条边位于&和&之间，可确定线段V1 1V22位于SdP S2之间，按照线段与平面的求交方式，可以求解得到交点坐标p 2,记录下V11点位于水面之 上，V22点位于水面之下，同时确定与三角形单元共边νι、2 2的Δ v/V22Vi2,计算Vi2定点位于水 面之上，那么V 12V22必定与T相交，计算出交点P3，并确定与￥ 1、2共点V22的边V12V 22。依次类推 可以求出淹没点？4、？5、？6、？7、？8、？9点的空间坐标，并记录其所在的三角形单元及其边的索 弓丨，为淹没线的拼接做准备。同理以下游断面S 1与上游断面中的任一水面点组成的三角形 面，与河道另一边的地形求交，求解出淹没点。
[0048] 实施例四： 本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于所述的相邻横断面之间淹没线点坐标计 算的步骤的细化。本实施例所述的相邻横断面之间淹没线点坐标计算的步骤中概化的连接 面为一个斜平面和一个水平面构成的折面。
[0049] 本实施例是对实施例一的补充，在基于模拟预报水位的河道边界搜索方法中，除 了将SjPS2断面之间概化为两个三角形斜平面外，还可以概化为一个斜平面和一个水平面， 以图2来说明。从离上游断面5 1最近的下游断面52起点P9引出与上游断面平行的辅助断面 S 2'，断面Si和S2'在同一空间水平面上，断面S2和S2'在同一空间水平面上。断面Si和S 2淹没 线的搜索就转化为两个平面求交的问题，计算方法与实施例二类似。
[0050] 实施例四： 本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于所述的相邻横断面之间淹没线点坐标计 算的步骤的细化。本实施例所述的相邻横断面之间淹没线点坐标计算的步骤中概化的连接 面为弯曲的空间曲面。
[0051] 本实施例是对实施例一的补充，在基于模拟预报水位的河道边界搜索方法中，可 以将断面SdPS22间的水面概化为曲面(见图2、3所示），以上游断面四个点作为控制点，通 过对两个断面控制点进行重采样，生成非均匀有理B样条(NURBS)曲面。通过NURBS曲面与地 形三角形单元求交，可以得到在两个断面间的淹没点，依据三角形的拓扑关系和淹没点的 隶属关系，依次连接淹没点形成淹没线。
[0052] 实施例五： 本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于河段模拟的细化。本实施例所述的 河段中带有闸坝，，对带有闸坝河段的模拟:断面和大坝之间的水面假定为水平面，淹没区 域就是在给定水位下的淹没区域的识别，即利用水位等值线寻找淹没线，进而统计出淹没 区的三角形。
[0053]本实施例是针对闸坝河段间淹没线的搜索。如果计算断面之间存在闸坝，按照水 流运动原理，闸坝上下游水位由闸坝的阻隔存在水位落差，根据水力学模型计算原理，闸坝 上下游断面至闸坝的水位是水平的。就可以按假定等水位的方法，搜索出连通区域。由于大 坝或闸门的隔断，断面和大坝之间的水面假定为水平面，淹没区域就是在给定水位下的淹 没区域的识别，即利用水位等值线寻找淹没线，进而统计出淹没区的三角形。
[0054]以演示断面与所通过的三角形单元左右搜索的边界单元，搜索水平面与起始三角 形单元相交边的交点坐标，以共享边的三角形单元，判断除共享边外的其他两条边是否与 水平面相交，找出相交边并求出交点坐标，并做下记录;再以记录边作为共享边的三角形单 元，寻求与水平面相交的边，并求出交点坐标，以此类推，直至搜索到大坝所在的断面相交 的三角形单元为止。同理，以其他演示断面与所通过的三角形单元作为搜索的起始单元，搜 索系列淹没线，组成淹没线集合。这样搜索出来的淹没线中包括了河道淹没线的最外边缘 线。再循环判断三角形的哪条边与水平面存在切割关系，如果存在切割关系，那么就是以该 边作为起始边，沿着顺时针或逆时针方向搜索出淹没线，搜索的终止条件为直至搜索的边 与起始边重合或者搜索边为闸坝断面所经过的三角形单元。至此，就可以将所有淹没线识 别出来，组成淹没线集合。以淹没线所经过的三角形单元作为搜索的起始单元，搜索出哪些 三角形单元在淹没范围内。
[0055]实施例六： 本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于河段的细化。本实施例所述的河段 为树状河段，树状水系作为环状水系的特例处理。
[0056]本实施例是针对多个河道形成的树状水系或环状水系情况进行的处理。河流水系 可以分为树状水系和环状水系，可以将树状水系作为环状水系的特例，这种计算方式处理 就不区分干流、支流关系，以河流交汇点作为划分河段计算单元的节点，把不存在汇入河流 的河段作为计算河段单元，计算时就认为交汇处的断面水位相等，这也意味着节点所对应 的相交河段的首或尾断面的水位是相等的，对于交汇处的边界搜索，可以概化为水平的水 面与交汇处的河道地形的求交。如图4所示，河段I、河段II、河段III是相互交汇的河道，断 面SI、SII，、SIII分别是对应河段交汇处的断面，这些断面对应的河道水位相等，这就意味 着三个断面之间的河道淹没线的搜索就转化为等水位面与河道地形的求交计算，从而可以 搜索三个断面包围的交汇处的淹没线。
[0057] 如果树状水系不按照环状水系的水力学求解计算，而是按照从上游逐级汇流的方 式进行计算，那么就要进行水流的分级，识别出干支流的汇流关系。利用一维河道计算的河 道断面水位，支流汇入干流的断面的水位是水平的，而支流入流处的上下游断面之间存在 水力比降，在实际地形中搜索干流上下游断面之间的淹没线就涉及到与支流尾断面之间的 衔接问题。本发明提出了如下处理方法，首先将河道地形网格划分为属于干流河道区域的 河道地形网格和属于支流河道区域的河道地形网格。如图5所示，干流河道用I表示，支流河 道用II表示。然后按照单一河道的搜索方式，利用上游断面与下游虚拟断面构成的斜平面， 搜索出与支流河道地形连接的三角形网格的交点C4PD n，将CnDn作为虚拟断面，搜索出断面 S3和SS之间的淹没线。搜索方法如下：将四边形⑶D nCn分为两个三角形⑶Dr^PDDnCn，构成斜 水平面，分别求解与支流左右岸地形的交点，追踪出断面。
[0058] 最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布 置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术 方案（比如步骤的先后顺序、河道水流演进模拟与求解方法、搜索算法、三维地形生成软件 等的选择)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
【主权项】
1. 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捜索过程;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，利用单波段阔值法、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，不进行擅染，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:^/3-subdivision、渐进网格法，并记录不同分辨率下Ξ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； 擅染生成Ξ维河道地形的步骤:根据Ξ角形网格单元的拓扑关系和节点高程值，生成 Ξ角形面，并进行阴影变换、材质、纹理W及光照效果，生成Ξ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Ξ级联解、汉点水位预测-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:捜集实测资料，将其处理为模型计算所需的入流处 的水位和流量过程W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捜索过程： 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 算横断面间存多个婉艇河段，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，说明运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 算加密断面和运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Ξ角形单元，记录断面通过的地形Ξ角形网格单元的索引；其次，通过直线与Ξ角形网 格求交算法，获取横断面水位线与地形Ξ角形单元的交点坐标，确定每个横断面水位线与 地形Ξ角形单元的起止点坐标，相邻横断面的水位线与地形Ξ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Ξ角形单元进行求交计算， 依据Ξ角形单元的拓扑关系，依次捜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W 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。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的相邻横断面之间淹没线点坐标计算 的步骤中概化的连接面为两个Ξ角形倾斜平面构成的折面。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的相邻横断面之间淹没线点坐标计算 的步骤中概化的连接面为一个斜平面和一个水平面构成的折面。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的相邻横断面之间淹没线点坐标计算 的步骤中概化的连接面为弯曲的空间曲面。5. 根据权利要求1-4所述的方法，其特征在于，所述的河道带有闽巧河段，对带有闽巧 河段的模拟:断面和大巧之间的水面假定为水平面，淹没区域就是在给定水位下的淹没区 域的识别，即利用水位等值线寻找淹没线，进而统计出淹没区的Ξ角形。6. 根据权利要求1-4所述的方法，其特征在于，所述的河段为树状河段，树状水系作为 环状水系的特例处理。
【文档编号】G06T17/05GK105844709SQ201610175067
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】冶运涛, 梁犁丽, 尚毅梓, 蒋云钟, 龚家国, 张双虎, 张海涛, 张象明
【申请人】中国水利水电科学研究院