一種基于數字高程模型的洪水演進數值模擬計算修正方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于數字高程模型的洪水演進數值模擬計算修正方法，包括：通過修正系數對負水深網格進行修正，獲得該網格的實際水深，克服了在以往的移動邊界計算中，經常發生水面標高低于地面標高的情況，也就是計算后的水深變為負值，即出現負水深網格，從而導致計算域內的質量不能保證守恒，穩定性變差，甚至計算發散而得不到結果，直接影響到洪水演進數值計算無法順利進行的技術問題，通過引入所述修正系數λ，使當出現水面標高低于地面標高時，洪水演進數值模擬計算得以順利進行。
【專利說明】一種基于數字高程模型的洪水演進數值模擬計算修正方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于數字高程模型的洪水演進數值模擬計算修正方法。
【背景技術】
[0002]洪水災害是指山丘地區在強降雨影響下，短時間內形成具有較大洪峰流量的洪水。我國地處東亞季風區，山區和丘陵地區占國土地面積的三分之二。其中，洪水災害的優先預防面積達97萬，影響人口 1.3億。近年洪水災害造成的死亡人數占全國洪澇災害死亡人數的比例超過70%，成為造成人員傷亡的主要災種。隨著社會經濟的發展，洪水災害的防治工作越來越被重視。
[0003]早先，國際通用的洪水災害的預測技術是對溝道、溝口進行實地采樣，根據有可能的災害種類和等級確定危險指數。最具代表性的是提出的荒溪分類及危險區制圖指數法，通過收集9種指標51個具體因子劃分出不同等級的危險區。隨著地理信息系統、數字高程模型、遙感和衛星遙測等現代科學技術高速發展，基于平面淺水波方程的模擬方法被廣泛應用于對流域內洪水、洪水及尤其是山洪等災害現象的預測和定量分析中。該方法不受模型實驗相似性理論的限制，可快速、精確的揭示災害發生的原因及過程，從而大大提高洪水等突發洪水的預見期。最常用的平面二維模擬數值方法包括有限元法、有限體積法和有限差分法。針對洪水模擬，/?等提出了使用二階迎風格式離散動量方程的非線性對流項和二階76?/?-/--1?格式離散線性對流項模擬流域的泛濫過程。Roger等提出一種格式的邊界擬合數值模型,通過檢測每個時間步長下的水深是否到達干枯臨界值判定動邊界范圍。丹麥^///水資源與環境研究院采用隱式交替方向算法開發了水動力學模擬軟件Mike2\。
[0004]在面向洪水尤其是山洪災害二維數值模擬中，由于流域地形陡峭，水流量急速變化，在較大計算時間步長下的動邊`界處理過程中，對流出量簡單的歸零處理往往導致負水深，造成模擬過程中的質量與動量不守恒，最終導致計算數值不穩定甚至計算發散而得不到結果。近年來，Sa tofuka和Mizuyama (2005 )采用一維數值模型計算了明渠洪水對山區河床、水壩造成的影響。MNakatani等(2008)采用二維數值模擬模型，基于洪水淹沒深度和沉降的變化對其形成的沖積扇進行了模擬計算。
[0005]由于洪水發生地的地形具有陡峭且凹凸不平的特點，因此洪水的邊界范圍、流速和水深都急劇變化。在以往的移動邊界計算中，經常發生水面標高低于地面標高的情況，也就是計算后的水深變為負值。導致計算域內的質量不能保證守恒，穩定性變差，甚至計算發散而得不到結果，從而直接影響到洪水演進數值模擬計算無法順利進行。

【發明內容】

[0006]本發明所要解決的技術問題是提供一種基于數字高程模型的洪水演進數值模擬計算修正方法，該方法解決了當出現水面標高低于地面標高的情況，洪水演進數值計算無法順利進行的技術問題。[0007]為了解決上述問題，本發明提供了一種基于數字高程模型的洪水演進數值模擬計算修正方法，包括:
①利用有理函數模型建立一計算域內的洪水高發地區的數字高程模型，并對所述計算域進行二維規則網格劃分，以建立二維規則網格模型及進行網格參數設定，建立所述二維規則網格模型及網格參數設定的方法包括:A:建立所述二維規則網格模型，即所述計算域按照一定空間步長(ΔΧ、ΔY )進行
分割后得到二維規則網格模型，定義為該二維規則網格模型中一網格，且該網格為正方形網格；B:網格參數設定，即設定該二維規則網格模型中任一網格的水深為仄且與該網格按X軸同方向的單寬流量見與7軸同方向的單寬流量同時設定所述洪水演進數值計算的時間步/?，以及該時間步對應的時間步長μ。
[0008]其中，所述數字高程模型，即，用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，定義(i，j)為該二維規則網格模型中一網格，所述網格為正方形網格，也稱為柵格d;所述i和j.的取值i=l，2，3，……，戶1，2，3，……，利用?和j.來限定網格在所述二維規則網格模型中的具體位置，即網格(1，1)，網格(1，2)類似的表示形式。通過遙感影像建立一計算域內所述洪水高發地區的數字高程模型的技術方案在現有技術中已經公開，這里不再重復。
[0009]所述單寬流量:單位寬度上河流或輸水管的輸水流量，這里的單位寬度即網格。
[0010]所述空間步長也可以簡稱步長，針對空間的分辨力，也就是網格的精度，一般為30#、90#兩種，就是用30*30或90*90的網格來表示地形，當然也可以根據計算需要，另外設置相應步長，其中，ΔΖ、ΔY分別表示該二維規則網格模型中一個網格的長、寬，這里ΔΖ = LY。
[0011]所述時間步/7為整個計算過程中的時刻間隔，即計算步，所述時間步/7的取值?=1,2, 3,……；所述時間步長M:相鄰兩計算步的時間間隔，對應的時間步長，一般可以去0.Ls或0.0Ls，也可以根據計算設置任意時間。
[0012]②通過單寬流量公式獲得所述二維規則網格模型中各網格在/7+1時間步的所述單寬流量#和單寬流量其方法，包括:
預設初始條件，即，在時間步，且設定位于所述計算域的邊界上的流量輸入起始界的
各邊界網格的初值參數，該初值參數包括:初始水深，所述單寬流量#的對應流速矢量
U*，以及所述單寬流量#的對應流速矢量P，在所述單寬流量公式中位于所述計算域外的網格的初值參數與該網格相鄰的一邊界網格的初值參數相同，且位于所述計算域內的網格的初值參數的相應取值為O。
[0013]以及，所述單寬流量I和單寬流量#的初始值的計算公式:
【權利要求】
1.一種基于數字高程模型的洪水演進數值模擬計算修正方法，包括: ①利用有理函數模型建立一計算域內的洪水高發地區的數字高程模型，并對所述計算域進行二維規則網格劃分，以建立二維規則網格模型及進行網格參數設定，建立所述二維規則網格模型及網格參數設定的方法包括: A:建立所述二維規則網格模型，即所述計算域按照一定空間步長(ΔX、ΔY )進行分割后得到二維規則網格模型，定義(i，jO為該二維規則網格模型中一網格，且該網格為正方形網格，即AZ =Δ7 ； B:網格參數設定，即設定所述二維規則網格模型中任一網格的水深為仏且與該網格按X軸同方向的單寬流量見與7軸同方向的早寬流量同時設定所述洪水演進數值計算的時間步/?，以及該時間步對應的時間步長u ②通過單寬流量公式獲得所述二維規則網格模型中各網格在n+ 1時間步的所述單寬流量#和單寬流量#,.其方法，包括: 預設初始條件，即，在時間步，且設定位于所述計算域的邊界上的流量輸入起始界的各邊界網格的初值參數，該初值參數包括:初始水深H，所述單寬流量#的對應流速矢量 U 以及所述單寬流量#的對應流速矢量V ,在所述單寬流量公式中位于所述計算域外的網格的初值參數與該網格相鄰的一邊界網格的初值參數相同，且位于所述計算域內的網格的初值參數的相應取值為O ; 以及，所述單寬流量#和摩I遞童ΛΖ的初始值的計算公式:
2.根據權利要求1所述的基于數字高程模型的洪水演進數值模擬計算修正方法，其特征在于，所述步驟①中，利用有理函數模型建立一計算域內的洪水高發地區的數字高程模型的方法包括: 1)對輸入的原始影像數據進行分析和處理，并計算相應的有理數模型的參數，以使用所計算出來的有理函數模型獲得立體影像對；2)對原始影像數據進行控制點及連接點的測量、單片定向，并且對立體影像像素數據與原始影像數據之間的誤差進行區域網平差處理，以提高立體影像像素數據與原始影像數據之間的擬合精度； 3)生成近似核線影像、定義匹配模板、測量匹配種子點線、自動影像并生成數字高程模型；以及 4)分別生成數字正射影像圖和數字線`化圖，并利用所得數據完成地圖產品的制作。
【文檔編號】G06F19/00GK103559411SQ201310571247
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月13日 優先權日:2013年11月13日
【發明者】陳飛軍, 史煜凱, 賈鑫, 王偉, 付敏 申請人:陳飛軍, 史煜凱, 賈鑫, 王偉, 付敏