一种基于数字高程模型的洪水演进数值模拟计算修正方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于数字高程模型的洪水演进数值模拟计算修正方法，包括：通过修正系数对负水深网格进行修正，获得该网格的实际水深，克服了在以往的移动边界计算中，经常发生水面标高低于地面标高的情况，也就是计算后的水深变为负值，即出现负水深网格，从而导致计算域内的质量不能保证守恒，稳定性变差，甚至计算发散而得不到结果，直接影响到洪水演进数值计算无法顺利进行的技术问题，通过引入所述修正系数λ，使当出现水面标高低于地面标高时，洪水演进数值模拟计算得以顺利进行。
【专利说明】一种基于数字高程模型的洪水演进数值模拟计算修正方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于数字高程模型的洪水演进数值模拟计算修正方法。
【背景技术】
[0002]洪水灾害是指山丘地区在强降雨影响下，短时间内形成具有较大洪峰流量的洪水。我国地处东亚季风区，山区和丘陵地区占国土地面积的三分之二。其中，洪水灾害的优先预防面积达97万，影响人口 1.3亿。近年洪水灾害造成的死亡人数占全国洪涝灾害死亡人数的比例超过70%，成为造成人员伤亡的主要灾种。随着社会经济的发展，洪水灾害的防治工作越来越被重视。
[0003]早先，国际通用的洪水灾害的预测技术是对沟道、沟口进行实地采样，根据有可能的灾害种类和等级确定危险指数。最具代表性的是提出的荒溪分类及危险区制图指数法，通过收集9种指标51个具体因子划分出不同等级的危险区。随着地理信息系统、数字高程模型、遥感和卫星遥测等现代科学技术高速发展，基于平面浅水波方程的模拟方法被广泛应用于对流域内洪水、洪水及尤其是山洪等灾害现象的预测和定量分析中。该方法不受模型实验相似性理论的限制，可快速、精确的揭示灾害发生的原因及过程，从而大大提高洪水等突发洪水的预见期。最常用的平面二维模拟数值方法包括有限元法、有限体积法和有限差分法。针对洪水模拟，/?等提出了使用二阶迎风格式离散动量方程的非线性对流项和二阶76?/?-/--1?格式离散线性对流项模拟流域的泛滥过程。Roger等提出一种格式的边界拟合数值模型,通过检测每个时间步长下的水深是否到达干枯临界值判定动边界范围。丹麦^///水资源与环境研究院采用隐式交替方向算法开发了水动力学模拟软件Mike2\。
[0004]在面向洪水尤其是山洪灾害二维数值模拟中，由于流域地形陡峭，水流量急速变化，在较大计算时间步长下的动边`界处理过程中，对流出量简单的归零处理往往导致负水深，造成模拟过程中的质量与动量不守恒，最终导致计算数值不稳定甚至计算发散而得不到结果。近年来，Sa tofuka和Mizuyama (2005 )采用一维数值模型计算了明渠洪水对山区河床、水坝造成的影响。MNakatani等(2008)采用二维数值模拟模型，基于洪水淹没深度和沉降的变化对其形成的冲积扇进行了模拟计算。
[0005]由于洪水发生地的地形具有陡峭且凹凸不平的特点，因此洪水的边界范围、流速和水深都急剧变化。在以往的移动边界计算中，经常发生水面标高低于地面标高的情况，也就是计算后的水深变为负值。导致计算域内的质量不能保证守恒，稳定性变差，甚至计算发散而得不到结果，从而直接影响到洪水演进数值模拟计算无法顺利进行。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种基于数字高程模型的洪水演进数值模拟计算修正方法，该方法解决了当出现水面标高低于地面标高的情况，洪水演进数值计算无法顺利进行的技术问题。[0007]为了解决上述问题，本发明提供了一种基于数字高程模型的洪水演进数值模拟计算修正方法，包括:
①利用有理函数模型建立一计算域内的洪水高发地区的数字高程模型，并对所述计算域进行二维规则网格划分，以建立二维规则网格模型及进行网格参数设定，建立所述二维规则网格模型及网格参数设定的方法包括:A:建立所述二维规则网格模型，即所述计算域按照一定空间步长(ΔΧ、ΔY )进行
分割后得到二维规则网格模型，定义为该二维规则网格模型中一网格，且该网格为正方形网格；B:网格参数设定，即设定该二维规则网格模型中任一网格的水深为仄且与该网格按X轴同方向的单宽流量见与7轴同方向的单宽流量同时设定所述洪水演进数值计算的时间步/?，以及该时间步对应的时间步长μ。
[0008]其中，所述数字高程模型，即，用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，定义(i，j)为该二维规则网格模型中一网格，所述网格为正方形网格，也称为栅格d;所述i和j.的取值i=l，2，3，……，户1，2，3，……，利用?和j.来限定网格在所述二维规则网格模型中的具体位置，即网格(1，1)，网格(1，2)类似的表示形式。通过遥感影像建立一计算域内所述洪水高发地区的数字高程模型的技术方案在现有技术中已经公开，这里不再重复。
[0009]所述单宽流量:单位宽度上河流或输水管的输水流量，这里的单位宽度即网格。
[0010]所述空间步长也可以简称步长，针对空间的分辨力，也就是网格的精度，一般为30#、90#两种，就是用30*30或90*90的网格来表示地形，当然也可以根据计算需要，另外设置相应步长，其中，ΔΖ、ΔY分别表示该二维规则网格模型中一个网格的长、宽，这里ΔΖ = LY。
[0011]所述时间步/7为整个计算过程中的时刻间隔，即计算步，所述时间步/7的取值?=1,2, 3,……；所述时间步长M:相邻两计算步的时间间隔，对应的时间步长，一般可以去0.Ls或0.0Ls，也可以根据计算设置任意时间。
[0012]②通过单宽流量公式获得所述二维规则网格模型中各网格在/7+1时间步的所述单宽流量#和单宽流量其方法，包括:
预设初始条件，即，在时间步，且设定位于所述计算域的边界上的流量输入起始界的
各边界网格的初值参数，该初值参数包括:初始水深，所述单宽流量#的对应流速矢量
U*，以及所述单宽流量#的对应流速矢量P，在所述单宽流量公式中位于所述计算域外的网格的初值参数与该网格相邻的一边界网格的初值参数相同，且位于所述计算域内的网格的初值参数的相应取值为O。
[0013]以及，所述单宽流量I和单宽流量#的初始值的计算公式:
【权利要求】
1.一种基于数字高程模型的洪水演进数值模拟计算修正方法，包括: ①利用有理函数模型建立一计算域内的洪水高发地区的数字高程模型，并对所述计算域进行二维规则网格划分，以建立二维规则网格模型及进行网格参数设定，建立所述二维规则网格模型及网格参数设定的方法包括: A:建立所述二维规则网格模型，即所述计算域按照一定空间步长(ΔX、ΔY )进行分割后得到二维规则网格模型，定义(i，jO为该二维规则网格模型中一网格，且该网格为正方形网格，即AZ =Δ7 ； B:网格参数设定，即设定所述二维规则网格模型中任一网格的水深为仏且与该网格按X轴同方向的单宽流量见与7轴同方向的早宽流量同时设定所述洪水演进数值计算的时间步/?，以及该时间步对应的时间步长u ②通过单宽流量公式获得所述二维规则网格模型中各网格在n+ 1时间步的所述单宽流量#和单宽流量#,.其方法，包括: 预设初始条件，即，在时间步，且设定位于所述计算域的边界上的流量输入起始界的各边界网格的初值参数，该初值参数包括:初始水深H，所述单宽流量#的对应流速矢量 U 以及所述单宽流量#的对应流速矢量V ,在所述单宽流量公式中位于所述计算域外的网格的初值参数与该网格相邻的一边界网格的初值参数相同，且位于所述计算域内的网格的初值参数的相应取值为O ; 以及，所述单宽流量#和摩I遞童ΛΖ的初始值的计算公式:
2.根据权利要求1所述的基于数字高程模型的洪水演进数值模拟计算修正方法，其特征在于，所述步骤①中，利用有理函数模型建立一计算域内的洪水高发地区的数字高程模型的方法包括: 1)对输入的原始影像数据进行分析和处理，并计算相应的有理数模型的参数，以使用所计算出来的有理函数模型获得立体影像对；2)对原始影像数据进行控制点及连接点的测量、单片定向，并且对立体影像像素数据与原始影像数据之间的误差进行区域网平差处理，以提高立体影像像素数据与原始影像数据之间的拟合精度； 3)生成近似核线影像、定义匹配模板、测量匹配种子点线、自动影像并生成数字高程模型；以及 4)分别生成数字正射影像图和数字线`化图，并利用所得数据完成地图产品的制作。
【文档编号】G06F19/00GK103559411SQ201310571247
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】陈飞军, 史煜凯, 贾鑫, 王伟, 付敏 申请人:陈飞军, 史煜凯, 贾鑫, 王伟, 付敏