基于元胞自動機的潰決洪水快速演進模擬分析方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于地理信息系統(tǒng)的虛擬地理環(huán)境研究領(lǐng)域，特別涉及到潰決洪水演進模擬分析技術(shù)。本發(fā)明提供一種基于元胞自動機的潰決洪水快速演進模擬分析方法，該方法能夠解決目前由元胞尺度劃分的隨意性而導(dǎo)致的最終數(shù)值分析結(jié)果與實際水情之間誤差較大的情況，同時，合理的元胞鄰域范圍的設(shè)置，結(jié)合GIS的空間分析功能和元胞自動機模擬的時空建模能力，能對潰壩洪水演進及影響進行快速準確的綜合模擬與分析，包括構(gòu)建二維元胞自動機模擬模型，對元胞空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，基于虛擬地理環(huán)境的可視化模擬分析。
【專利說明】基于元胞自動機的潰決洪水快速演進模擬分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地理信息系統(tǒng)的虛擬地理環(huán)境研究領(lǐng)域，特別涉及到潰決洪水演進模擬分析技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]我國現(xiàn)有8.5萬座各種類型的水庫，其中有近4萬座病患水庫存在潛在的潰壩危險。此外，近年頻繁發(fā)生的地震，滑坡，暴雨等自然災(zāi)害，導(dǎo)致大量堰塞湖形成。由于堰塞湖壩體穩(wěn)定程度存在很大的不確定性和潰決風(fēng)險，怎樣高效地進行潰決風(fēng)險分析與評估顯得尤其重要。
[0003]由于洪水潰決事件具有突發(fā)性，擴張快速以及響應(yīng)時間緊迫，影響因素復(fù)雜多變等特征，因此對潰決發(fā)展過程和洪水影響區(qū)域分析的直觀性、快速性和準確性提出了較高要求。
[0004]元胞自動機(Cellular Automata, CA)是一種時間、空間和狀態(tài)都離散，空間相互作用和時間因果關(guān)系都為局部的網(wǎng)格動力學(xué)模型，具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)時空演化過程的能力。與常見的采用水力學(xué)模型和水文學(xué)模型進行的潰決時空模擬相比，基于CA構(gòu)建潰決洪水數(shù)值演進模型，其具有并行度高、幾何邊界容易處理，求解簡單等特點。但是現(xiàn)有研究主要集中在元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則獲取方面，缺乏對潰決元胞的尺度效應(yīng)分析，元胞尺度劃分有較大的隨意性，從而導(dǎo)致在實際應(yīng)用中，最終的數(shù)值分析結(jié)果往往與實際的水情誤差較大，應(yīng)用上存在較大的局限性。
[0005]同時，潰決時空過程模擬一般受多因素共同制約，CA在模擬自然因素對地理過程的影響方面具有突出的優(yōu)勢，而模擬分析過程中與人交互模型及交互理論方面研究較少，時空過程模擬與GIS空間分析結(jié)合不夠緊密，難以獲得經(jīng)濟、人口、工程和土地等承災(zāi)體在潰決洪水動態(tài)演進下的不同脆弱性和相互制約關(guān)系。因此需要進行潰壩洪水演進數(shù)值模型的尺度效應(yīng)分析，尋求適合潰決模擬CA模型的最佳元胞尺度及鄰域范圍設(shè)置參數(shù)，并充分利用GIS的空間分析功能和元胞自動機模擬的時空建模能力，支持研究者從時間、空間和尺度等角度進行綜合探索與處理，并對模擬結(jié)果進行空間分析和評價。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于元胞自動機的潰決洪水快速演進模擬分析方法，該方法能夠解決目前由元胞尺度劃分的隨意性而導(dǎo)致的最終數(shù)值分析結(jié)果與實際水情之間誤差較大的情況，同時，合理的元胞鄰域范圍的設(shè)置，結(jié)合GIS的空間分析功能和元胞自動機模擬的時空建模能力，能對潰壩洪水演進及影響進行快速準確的綜合模擬與分析。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0008]S1、構(gòu)建二維元胞自動機模擬模型，包括:
[0009]確定元胞狀態(tài)；建立元胞的鄰域關(guān)系；建立元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)換規(guī)則；
[0010]所述元胞狀態(tài)包括元胞所在處的河床高度，元胞所在處的河床糙率，元胞所在處的水深，元胞所在處的X方向的單寬流量和元胞所在處的y方向的單寬流量，根據(jù)所述元胞狀態(tài)，對一個確定的元胞空間可以設(shè)置10種元胞狀態(tài)屬性，即高程、t時刻的水深、t+Ι時刻的水深、X方向t時刻的單寬流量、y方向t時刻的單寬流量、X方向t+Ι時刻的單寬流量、y方向t+Ι時刻的單寬流量、X方向的流速、y方向的流速、糙率；
[0011]所述元胞鄰域關(guān)系的建立為:建立馮?諾依曼(Von-neumann)型元胞鄰域管理，即中心元胞有上、下、左、右4個鄰元單元； [0012]所述建立元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)換規(guī)則為:在保證模型精度和計算結(jié)果合理為前提下對非線性微分方程進行簡化，滿足符合圣維南方程求解原理的條件，對所述簡化后的非線性微分方程采用離散計算方式來推導(dǎo)元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則；
[0013]其中，元胞尺度的確定根據(jù)不同比例尺的地形圖，遙感影像，實地考察資料，歷史水溫資料對研究區(qū)域進行解譯，提取數(shù)據(jù)整合得到潰決演進元胞自動機數(shù)值模型單一元胞的不同空間尺寸；
[0014]其中，元胞的演化由洪水演進的計算方法和已有的觀測數(shù)據(jù)，用源頭即模擬河段的最上游的流速和水位變化決定；
[0015]S2、對元胞空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,包括:
[0016]S21、元胞尺度效應(yīng)分析；
[0017]S22、基本流域骨干線提取；
[0018]S23、元胞分裂與合并；
[0019]S3、基于虛擬地理環(huán)境的可視化模擬分析，包括:
[0020]S31、基于GIS獲取用于潰壩數(shù)值模型計算的基礎(chǔ)地理信息，實現(xiàn)數(shù)字高程模型和遙感影像在全球尺度下的分層分塊，紋理映射和疊加，進而生成具有真實感的三維地形場景模型，實現(xiàn)對洪水事件對象模型和洪水基地對象模型的一體化顯示；
[0021]S32、根據(jù)S31所述的三維地形場景模型，根據(jù)潰壩洪水演進模型計算結(jié)果，進行動態(tài)水流模型的構(gòu)建，并集成到虛擬地理環(huán)境中，通過設(shè)計基于視點簡化的虛擬場景“實時”繪制算法，可在普通PC機上較流暢實現(xiàn)潰決洪水演進模擬的可視化表達與分析。
[0022]進一步地，SI所述元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，具體步驟如下:
[0023]S11、設(shè)除源頭地區(qū)的其他地區(qū)為陸地地區(qū)，所述陸地地區(qū)元胞狀態(tài)初始值中X，y方向單寬流量和水面深度均設(shè)為0，取源頭地區(qū)洪水量和源頭地區(qū)水面高度量測值作為初始狀態(tài)數(shù)據(jù)；
[0024]S12、根據(jù)流速和元胞空間格網(wǎng)大小確定元胞狀態(tài)變化的時間步長，令欠f表示為第i行j列的元胞在t時刻的狀態(tài)；
[0025]S13、所述元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則在滿足圣維南方程求解原理的條件下進行二維轉(zhuǎn)換，即，中心元胞t+Ι時刻的水深和單寬流量由中心元胞相鄰的4個元胞t時刻的水深和單寬流量決定，所述相鄰的4個元胞分別為中心元胞的上、下、左、右鄰域的元胞，利用t時刻的元胞狀態(tài)，計算t+Ι時刻元胞的水深和單寬流量,具體方法如下:
[0026]由t時刻的相鄰的元胞的水深計算t+Ι時刻的中心元胞的單寬流量，計算方法如下:
[0027]由t時刻的相鄰的元胞的水深計算t+Ι時刻的中心元胞的單寬流量，計算方法如下:
【權(quán)利要求】
1.基于元胞自動機的潰決洪水快速演進模擬分析方法，其特征在于，包括如下步驟: S1、構(gòu)建二維元胞自動機模擬模型,包括: 確定元胞狀態(tài)；建立元胞的鄰域關(guān)系；建立元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)換規(guī)則； 所述元胞狀態(tài)包括元胞所在處的河床高度，元胞所在處的河床糙率，元胞所在處的水深，元胞所在處的X方向的單寬流量和元胞所在處的y方向的單寬流量，根據(jù)所述元胞狀態(tài)，對一個確定的元胞空間可以設(shè)置10種元胞狀態(tài)屬性，即高程、t時刻的水深、t+Ι時刻的水深、X方向t時刻的單寬流量、y方向t時刻的單寬流量、X方向t+Ι時刻的單寬流量、I方向t+Ι時刻的單寬流量、X方 向的流速、y方向的流速、糙率； 所述元胞鄰域關(guān)系的建立為:建立馮?諾依曼(Von-neumann)型元胞鄰域管理，即中心元胞有上、下、左、右4個鄰元單元； 所述建立元胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)換規(guī)則為:在保證模型精度和計算結(jié)果合理為前提下對非線性微分方程進行簡化，滿足符合圣維南方程求解原理的條件，對所述簡化后的非線性微分方程采用離散計算方式來推導(dǎo)元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則； 其中，元胞尺度的確定根據(jù)不同比例尺的地形圖，遙感影像，實地考察資料，歷史水溫資料對研究區(qū)域進行解譯，提取數(shù)據(jù)整合得到潰決演進元胞自動機數(shù)值模型單一元胞的不同空間尺寸； 其中，元胞的演化由洪水演進的計算方法和已有的觀測數(shù)據(jù)，用源頭即模擬河段的最上游的流速和水位變化決定； S2、對元胞空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,包括: S21、元胞尺度效應(yīng)分析； S22、基本流域骨干線提取； S23、元胞分裂與合并； S3、基于虛擬地理環(huán)境的可視化模擬分析，包括: S31、基于GIS獲取用于潰壩數(shù)值模型計算的基礎(chǔ)地理信息，實現(xiàn)數(shù)字高程模型和遙感影像在全球尺度下的分層分塊，紋理映射和疊加，進而生成具有真實感的三維地形場景模型，實現(xiàn)對洪水事件對象模型和洪水基地對象模型的一體化顯示； S32、根據(jù)S31所述的三維地形場景模型，根據(jù)潰壩洪水演進模型計算結(jié)果，進行動態(tài)水流模型的構(gòu)建，并集成到虛擬地理環(huán)境中，通過設(shè)計基于視點簡化的虛擬場景“實時”繪制算法，可在普通PC機上較流暢實現(xiàn)潰決洪水演進模擬的可視化表達與分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于元胞自動機的潰決洪水快速演進模擬分析方法，其特征在于: SI所述元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，具體步驟如下: S11、設(shè)除源頭地區(qū)的其他地區(qū)為陸地地區(qū)，所述陸地地區(qū)元胞狀態(tài)初始值中X，y方向單寬流量和水面深度均設(shè)為0，取源頭地區(qū)洪水量和源頭地區(qū)水面高度量測值作為初始狀態(tài)數(shù)據(jù)； S12、根據(jù)流速和元胞空間格網(wǎng)大小確定元胞狀態(tài)變化的時間步長，令表示為第i行j列的元胞在t時刻的狀態(tài)； S13、所述元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則在滿足圣維南方程求解原理的條件下進行二維轉(zhuǎn)換，SP，中心元胞t+Ι時刻的水深和單寬流量由中心元胞相鄰的4個元胞t時刻的水深和單寬流量決定，所述相鄰的4個元胞分別為中心元胞的上、下、左、右鄰域的元胞，利用t時刻的元胞狀態(tài)，計算t+Ι時刻元胞的水深和單寬流量，具體方法如下: 由t時刻的相鄰的元胞的水深計算t+Ι時刻的中心元胞的單寬流量，計算方法如下: 由t時刻的相鄰的元胞的水深計算t+Ι時刻的中心元胞的單寬流量，計算方法如下:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于元胞自動機的潰決洪水快速演進模擬分析方法，其特征在于: S2所述元胞尺度效應(yīng)分析,包括: S211、收集不同比例尺地形圖數(shù)據(jù)，生成對應(yīng)空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)，依次對應(yīng)為潰決洪水元胞自動機模型中的單一尺度元胞的空間尺寸； S212、根據(jù)遙感影像、實地考察、歷史水文資料等，提取對應(yīng)空間分辨率數(shù)據(jù)的河長、河流各高程面的面積值、各河段的河長值以及初始河段上端面各高程處的河寬值； S213、根據(jù)S212所述的數(shù)據(jù)計算各河段不同高程處的河寬，以及各河段不同高程處的地形糙率，利用計算結(jié)果分別進行模擬實驗，記錄不同元胞尺寸對潰決洪水演進模型運算效果的影響，分析不同元胞尺度下的效應(yīng)，比較分析找到適合的潰決模擬模型的元胞尺度和鄰域范圍并設(shè)置參數(shù)； S2所述基本流域骨干線提取，包括: S221、根據(jù)S21所得尺度效應(yīng)分析結(jié)果，針對地形的起伏變化狀態(tài)分別計算最優(yōu)元胞尺度和鄰域范圍設(shè)置參數(shù)，進而提取基本流域骨干線； S222、設(shè)定流域范圍內(nèi)細節(jié)層次變化要素，進行元胞空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多細節(jié)層次優(yōu)化，為了簡化元胞狀態(tài)傳遞變化計算，設(shè)定相鄰間元胞細節(jié)層次變化不超過I層，從而獲得要設(shè)定元胞尺度變化范圍的閾值，以及對應(yīng)的地形糙率，潰決元胞狀態(tài)主要包括水深、速度分量等狀態(tài)值，元胞自動機模型運行的關(guān)鍵在于不同時刻相鄰元胞狀態(tài)值的傳遞； S2所述元胞分裂與合并,包括: 在元胞分裂的情況下，每個元胞t+Ι時刻的水深由t時刻的水面高減去分裂后元胞高程得到，所述元胞t+Ι時刻的X方向單寬流量u和y方向單寬流量V的當前時刻分量由分裂元胞的坡度和坡向與分裂前的夾角來計算，而在元胞合并的情況下，元胞t+Ι時刻的水深由合并前元胞的水面高均值減去合并后的元胞高程得到，所述元胞t+Ι時刻的X方向單寬流量u和y方向單寬流量V由合并前元胞的坡度坡向值與合并后的夾角關(guān)系進行矢量求積得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于元胞自動機的潰決洪水快速演進模擬分析方法，其特征在于:S3所述基礎(chǔ)地理信息包括高程值、河長、橫斷面、地形粗糙度等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于元胞自動機的潰決洪水快速演進模擬分析方法，其特征在于:S3所述三維地形場景模型可進行空間漫游探索、空間坐標量測、數(shù)據(jù)查詢，增加或者刪除地物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于元胞自動機的潰決洪水快速演進模擬分析方法，其特征在于:S3所述虛擬地理環(huán)境即虛擬地理環(huán)境平臺可支持全潰、1/2潰、1/3潰、1/5潰、1/10潰幾種情形下的潰決參數(shù)的設(shè)置、演進模擬與分析、水深流速等參數(shù)的查詢。
【文檔編號】G06F19/00GK103544390SQ201310493197
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月18日
【發(fā)明者】朱軍, 李毅, 胡良喜, 胡亞, 王金宏, 張阿麗, 尹靈芝, 秦川 申請人:西南交通大學(xué)