专利名称：一种基于cd-tin的城区地表特征点汇水量计算方法
技术领域：
本发明涉及到城区雨洪内涝分析与模拟仿真领域，特别是城区暴雨致涝的模拟仿真领域，是一种基于CD-TIN并顾及城区精细高程模型和地表多元特征的、能够精确计算城区地表特征点汇水量的方法。
背景技术：
从古至今，暴雨及其衍生灾害一直是中华民族的心腹大患[1]。1931年的长江洪涝导致武汉市全城内涝长达数月之久，数十万人罹难，千万灾民流离失所[2]。研究表明，由于大城市城区气温高、空气中粉尘大，周边上升气流形成向城市汇聚性运动。一旦上升的热气流遭遇高空强对流的冷气团，就会形成以城市为中心的暴雨，即所谓的城市雨岛效应[3]。城市雨岛效应是城市热岛效应与尾气颗粒的综合作用，导致城市上空经过的冷空气加速凝结而降雨[4]。当代社会，因暴雨及城市排水问题引发的城市内涝成为一种新的“城市型水灾害”。2010年5月7日、9日至14日，广州市区一周之内遭遇3场暴雨，降雨量达到440mm，是广州市自1908年有气象记录以来汛期从未出现过的极端天气状况，中心城区118处地段出现内涝水浸，7人罹难,35个地下车库被淹没，地铁口雨水倒灌、地铁隧道渗水,全市经济损失约5.4亿元。2011年6月23日，今年入夏以来的最强暴雨光临了京城大部分地区，局部地区降雨量超过了 100毫米。突如其来的倾盆大雨使得城区积水严重，部分道路中断，多条地铁线路运营受阻，大批航班取消或延误。城市这一传统上人类生存的“安全地带”，在暴雨引发的内涝面前显得非常脆弱。城市内涝灾害使交通系统顷刻瘫痪、生产活动停顿、基础设施损毁、居民生活受困，直接威胁着人类生存与城市发展[5]。雨洪的形成、移动、汇聚等一系列过程，均与地表特征相关，尤其是与地表高程特征的关系更为密切。高程常常用来描述地形表面的起伏形态。传统的高程模型是等高线[6]，其数学意义是定义在二维地理空间上的连续曲面函数，当此高程模型用计算机来表达时，就称为数字高程模型m (Digital Elevation Model，DEM)。DEM的数据模型按照网格形状可分为规则镶嵌数据模型和不规则镶嵌数据模型，其中基于正方形网络的规则镶嵌数据模型为栅格DEM,基于不规则三角网(Triangulated Irregular Network, TIN)的不规则镶嵌数据模型为矢量DEM[8]。在防洪减灾方面，DEM是进行水文分析(如汇水区分析、水系网络分析、降雨径流分析、蓄洪量计算、淹没区分析等)的基础[9]。目前，在现有的水文分析中，绝大部分算法是针对栅格DEM而设计的，如各种水流方向计算[1°_12]、河网提取算法[13_14]、流域地形分割算法[15]等。栅格DEM具有栅格大小均一、数据点排列规则等特征，这些特征虽然使得上述算法的实现较为简单，但是限制了其在地形表达上的灵活性和准确性，也给城区水文分析带来一系列的困难，如水流方向确定的不准确、汇水区水量计算的不精确等。与栅格DEM相比，基于TIN的矢量DEM的矢量特性使得其在描述如河网结构、流域拓扑关系、城区地表汇水计算等方面更具优势，例如水流方向可由三角形唯一确定；影响水流方向的各类精细地表特征，可作为约束条件嵌入到地形TIN之中[16]，形成约束狄洛尼不规则三角网(Constrained Delaunay Triangular IrregularNetwork, CD-TIN)。参考文献:[I]王静爱，史培军，王瑛.中国城市自然灾害区划编制[J].自然灾害学报，2005，14(6):42-46[2]Pietz,David.Engineering the State:The Huai River and Reconstructionin Nationalist Chinel927_1937[M].Routledge，ISBN 0415933889.2002，xvi1:61-70[3]Daniel Rosenfeld.Suppression of rain and snow by urban andindustries air pollution [J].Science，2000，287(10):1793-1796[4] Changnon SA Jr.Precipitation changes in summer caused bySt.Louis [J]，Science，1979，205 (9):402-404[5]国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006 2020年)[6]邱卫宁.根据等高线建立数字高程模型[J].武汉测绘科技大学学报，1994[7]汤国安，李发源，刘学军.数字高程模型教程(第二版)[M].科学出版社，2010[8]汤国安，刘学军，闾国年.数字高程模型及地学分析的原理与方法[M].科学出版社，2005[9]徐宗学等.水文模型[M].科学出版社，2009[10]Lea N LAn aspect driven kine matic routing algorithm.1n:ParsonsA J，Overland Flow, eds.Hydraulic sand Erosion Mechanics[M].New York:AbrahamsChapman and Hall，1992[ll]Quinn P F，Beven K J，Chevallier P.The prediction of hillslope flowpaths for distributedhydrological modeling using digital terrain models[J].Hydrological Processes，1991，5(I):59-79[12]Meisels A,Raizman SiKarnieli A.Skeletonizing a DEM into a drainageNetwork[J].1995,21 (1):187-196[13]Band L E.Topographic partition of watershades with digitalelevation models[J].WaterResources Research，1986，22:15-24[14]Qian JiEhrich R W.DNESYS-an expert system for automatic extractionof drainage Networksfrom Digital Elevation Model[J].1EEE Transaction onGeoscience and Remote Sensing，2002，28(I):29-45[15]0’ Callaghan F，Mark D M.The extraction of drainage networks fromdigital elevation data.Computer Vision [J], Graphics and Image Processing，1984，28:323-344[16]刘学军，王永君，任政.基于不规则三角网的河网提取算法[J].水利学报，2008，39 (I):27-3
发明内容
本发明提出了 一种基于约束狄洛尼不规则三角网(Constrained DelaunayTriangularIrregular Network，(D-TIN)的城区地表特征点汇水量计算方法，技术流程包括:基于CD-TIN的城区地表精细DEM构建、三角形面片水流方向计算、三角形面片产水量计算、节点汇水量初值计算、边水流方向计算、边水流量计算、节点汇水量终值计算。本发明的特征在于，它顾及城区流水特征并基于⑶-TIN构建城区地表精细DEM，并依据“水往低处流”的常识，先将三角形面片产水量分配到各节点形成节点汇水量初值，再依据节点所对应各边的高差，进行CD-TIN中边水流量计算和节点汇水量终值计算，实现基于三角形“面-点-线-点”汇水过程的城区地表特征点汇水量精确计算。本发明可解决现有城区地表汇水量计算方法误差大、精度低，以及对一些可能影响汇水的因素如建筑、道路、隔离带、马路牙、绿地、雨水篦、落水井等未加考虑或考虑不足等问题。利用本发明可以更为精确地计算城区地表特征点的汇水量，为城区内涝分析与模拟仿真等提供核心算法与技术手段。
图1为本发明提出的城区地表特征点汇水量计算方法流程图。图2为本发明提出的基于CD-TIN的城区地表精细DEM局部示意图，其中，白色粗线代表嵌入其中的可能影响城区地表汇水的约束条件，如房屋、道路、绿地。图3为本发明提出的计算方法效果图。其中，箭头代表其所在三角形面片和边的水流方向，实心圆点为汇水节点，空心圆圈为雨水井口 /雨水箅。
具体实施例方式本发明提出的基于CD-TIN的城区地表特征点汇水量计算方法与技术流程，如图1所示。1、基于CD-TIN的城区地表精细DEM构建。I)利用城区地表测量数据，构建基于自由D-TIN的城区精细DEM ；2)把可能影响汇水的城区地表特征如建筑、道路、绿地、雨水井/雨水箅等作为约束条件嵌入D-TIN DEM中，构建基于⑶-TIN的城区地表精细DEM，如图2所示，其中白色粗线代表约束条件。2、三角形面片水流方向计算。根据“水往低处流”，按照以下步骤计算三角形面片水流方向:I)提取三角形面片对应3个节点的高程；2)比较这3个节点的高程大小，得到高程最低的节点；3)三角形面片水流方向指向高程最低的节点。如图3，三角形面片内箭头所示。3、三角形面片产水量计算按照以下步骤计算三角形面片产水量:I)计算三角形面片上的降雨量，它等于降雨强度、历时与三角形投影面积之积；2)计算三角形面片上的入渗量，它等于降雨量与入渗系数二者之积；3)得到三角形面片的产水量，它等于降雨量与入渗量之差。4、节点汇水量初值计算。按照以下步骤计算节点汇水量初值:I)提取以某个节点为顶点的所有三角形面片；
2)依次判断每个三角形面片水流方向是否指向该节点；3)如果是，则把该三角形面片的产水量赋值给该节点。节点汇水量初值等于水流方向指向它的所有三角形面片产水量之和。5、边水流方向计算。根据“水往低处流”，按照以下步骤计算边水流方向:I)提取构成一条边的两个节点的高程值；2)比较这两个节点高程值的大小，得到高程值较低的节点；3)该边水流方向指向高程值较低的节点。如图3，三角形边上箭头所示。6、边水流量计算。按照以下步骤计算边水流量:I)提取以某一节点为端点但水流方向不指向该节点的所有边；2)计算其中某边的长度及两端高差，得到该边高差与长度的比值；依此类推，得到水流方向不指向该节点的其它边的高差与长度的比值，并将所有比值求和；3)以该节点汇水量初值为输入，以该边高差与长度的比值相对于所有边高差与长度比值之和的商为权重，进行节点汇水量初值的分配，计算出该边水流量。7、循环步骤2-6，直到完成模型中所有三角形面片水流方向、产水量、节点汇水量初值、边水流方向，以及边水流量的计算。8、节点汇水量终值计算。节点汇水量终值等于水流方向指向该节点的所有边水流量之和。据此，实现了基于⑶-TIN的城区地表特征点汇水量的计算。
权利要求
1.一种基于CD-TIN的城区地表特征点汇水量计算方法，其特征在于该方法主要包括:顾及城区流水特征并基于⑶-TIN的城区地表精细DEM构建方法、⑶-TIN中边水流量计算方法、CD-TIN中节点汇水量终值计算方法。
2.根据权利要求1所述的顾及城区流水特征并基于CD-TIN的城区地表精细DEM构建方法，其特征在于它的数据模型采用约束狄洛尼不规则三角网(Constrained DelaunayTriangular Irregular Network, Q)_TIN),并将雨水篤、落水井等作为特征点，以影响城区地表水流的特征线和特征面(如建筑、道路、绿地、隔离带、马路牙等)作为约束条件嵌入其中，共同构建基于CD-TIN的城区地表精细数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。
3.根据权利要求1所述的CD-TIN中边水流量计算方法，其特征在于采用基于水力坡降的多流向算法。以节点为端点，但水流方向不指向节点的边为分配对象，以节点汇水量初值为输入，以其中某边高差与长度的比值相对于所有边高差与长度比值之和的商为权重，以输入乘以权重，进行⑶-TIN中边水流量计算。
4.根据权利要求1所述的CD-TIN中节点汇水量终值计算方法，其特征在于计算水流方向指向节点的所有边的水流量之和，从而得到CD-TIN中各节点汇水量终值。
全文摘要
本发明提出一种基于CD-TIN的城区地表特征点汇水量计算方法，属于城区雨洪内涝分析及模拟仿真领域。本发明顾及城区流水特征并基于CD-TIN构建城区地表精细DEM，依据“水往低处流”，先将三角形面片产水量分配到各节点形成节点汇水量初值，再依据节点所对应各边的高差，进行CD-TIN中边水流量和节点汇水量终值计算，实现基于三角形“面-点-线-点”的城区地表特征点汇水量精确计算。技术流程包括三角形面片水流方向计算、三角形面片产水量计算、节点汇水量初值计算、边水流方向计算、边水流量计算、节点汇水量终值计算。本发明可以解决现有城区地表汇水量计算方法误差大、精度低、多种影响因素考虑不足等问题，为城区内涝分析与模拟仿真等提供核心算法与技术手段。
文档编号G06T17/05GK103208135SQ201210006339
公开日2013年7月17日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者吴立新, 刘玉轩, 王植 申请人:吴立新, 刘玉轩, 王植