CN104460343B - 一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法。该方法基于沿河道采集的离散水位监测数据，首先对河道中心线进行分段线性插值，得到沿河道中心线的每一处水位值；然后，在河道DEM上，按照最近邻插值计算每个DEM网格的洪水水位；最后，从河道中按照种子区域生长法计算河道洪水实际淹没范围和淹没水深分布。本发明充分考虑了河道蜿蜒起伏的自然形态变化，将水位监测站点之间的河道水位值按照距离参数进行内插，可以有效避免插值水位失真的问题。同时，本发明可以有效解决由于布设于河道的洪水水位监测站点过于稀少，水位监测数据样本点不足导致常规的基于全局区域的洪水水位空间插值方法难以适用的问题。

Description

一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法

技术领域

本发明涉及地球科学领域，具体是一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法。

背景技术

洪水灾害是地球上最主要的自然灾害之一，近几十年来全球洪水灾害的发生一直呈现持续增加的趋势。洪水的发生是一个极其复杂的过程，它受到降雨、地质、水源条件、地形地貌等多方面的影响，其中河道型洪水是最为典型的一种洪水类型。产生河道洪水的原因有多种，它可能是因为局部暴雨导致降水过快地汇集到河道等低洼处而形成的洪涝灾害，也可能是因为堤坝溃决导致水流从溃口倾泻而下从而对下游形成的洪水。就其发生机理而言，主要是因为洪水水源在受淹区存在联通区域以及存在水位差，导致水流从高处流向低处，从而产生洪水淹没现象。

河道洪水的演进是一个动态的过程，任一受淹地点的水位是随着时间的改变而发生变化的，在某一特定的时间下可以认为受淹区域存在一个起伏变化的淹没水位面，位于该水位面下的区域都属于淹没区。如何准确的模拟洪水水位面是计算洪水淹没范围和淹没水深的关键。常见的河道洪水淹没模拟主要基于一维和二维水力学模型构建，这类模型通常需要较多的水文水力学计算参数，模型的构建较为复杂,特别是对于一些水文资料较为匮乏的地区，很难有效的构建出洪水淹没模拟模型。

考虑到洪水水位面是一个起伏变化的不规则曲面，对于洪水受淹地区而言，要想实测任一受淹地点处洪水水位面上的洪水水位显然是不太现实的。洪水水位监测数据是一种最常见的水文数据，在空间分布上，这些水位监测数据可以看作是洪水水位曲面上的一系列特征点。因此，可以基于GIS空间插值技术，基于这些水位监测数据插值出洪水水位面。

本发明人在实现本发明的过程中发现：在应用常规的基于全局区域的空间插值技术内插洪水水位面时，会存在如下困难：

(1)插值样本点过少，且空间分布不均匀。水位监测站点是沿着河道布设的，通常在一个大型河道内也就几个或十几个水位监测站点，这对于需要大量采样点的空间插值来说，其样本点过少。在样本太少的情况下，常规的反距离加权、克里金插值等空间插值方法会受到极大的影响，插值出的水位面会非常平坦，导致洪水水位面严重失真，难以满足实际应用需求。

(2)受上述(1)问题的约束，常规空间插值方法插值出的洪水水位面没有充分考虑河道的形态变化。如江岭等人在研究区域采用空间均匀分布的模拟水位监测数据，应用克里金内插法计算洪水淹没区(江岭等，基于F-DEM的洪水淹没区精确快速提取[J],地球信息科学学报,2013，15(1):68-74)。这类方法难以应用于河道洪水，因为在空间上，河道是蜿蜒起伏的，洪水水位面也应该充分考虑这种“线”分布形态，即从河道上游向河道下游，洪水水位会逐步下降，而不能仅考虑水位监测站点在空间上的“点”形态分布。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，可以有效解决常规空间插值方法在进行洪水水位插值时样本点过少的问题，同时又充分考虑了河道的形态变化，进而可以合理的计算洪水淹没范围和淹没水深。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，包括如下步骤：

第一步、根据河道中心线数据和河道DEM数据，设定河道中心线的分段规则，按照等距离间隔对河道中心线进行分段，将河道中心线上的所有线段端点的初始水位赋值为0；

第二步、依据给定的沿河道布设的水位监测站点空间位置，从每个水位监测站点处向河道中心线作垂线，取距离河道中心线最近的垂线及其在河道中心线上的交点，使交点处的当前水位值等于该水位监测站点监测水位值；

第三步、在沿河道的水位监测站点两两之间，基于河道中心线上监测站点的交点处的水位值进行分段线性插值，计算河道中心线上每个分段线段端点处的水位值；

第四步、遍历河道DEM网格，查找距离该网格最近的河道中心线上的线段端点，按照最近邻插值的方法将线段端点的水位值赋值给DEM网格；

第五步、剔除DEM网格中实际未被淹没的伪淹没区：在河道中心任取一淹没网格作为起始种子点，使用种子区域生长方法，查找插值水位低于网格高程且与种子点连通的DEM网格，在DEM中将这些网格标记为实际洪水淹没网格；

第六步、将DEM中实际被洪水淹没的网格生成洪水淹没范围和淹没水深分布图。

如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，所述第一步中将线段长度设定为DEM空间分辨率的10倍左右。

如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，所述第一步中的河道中心线是一不规则的沿着河道中心走向的首尾相连的线段序列，且该中心线完全位于河道DEM范围内。

如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，所述第二步具体步骤为：

(1)针对任一水位监测站点，遍历河道中心线上的线段，取水位监测站点到线段两端点距离和最近的线段；(2)从当前水位监测站点向该条线段做垂线，若垂足位于线段的延长线上，则将线段位于延长线端的端点作为垂线交点；若垂足位于线段中间位置，则将垂足作为垂线交点；(3)根据步骤(2)得到的交点，将河道中心线进一步打断，同时将水位监测站点的水位监测值作为交点处的当前水位值。

如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，所述第三步基于河道中心线上监测站点的交点处的水位值进行分段线性插值的步骤具体为：

(1)在河道中心线上两两遍历水位监测站点生成的垂线交点，计算两个垂线交点之间的线段距离，以及垂线交点之间的水位差；(2)遍历上述河道中心线上两垂线交点之间的所有线段端点，计算线段端点沿河道中心线距离两垂线交点的距离，基于线性插值法计算端点处的水位值；(3)基于步骤(1)和步骤(2)计算得到河道中心线上所有线段端点处的水位值。

如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，第四步的步骤具体为：

(1)循环遍历所有DEM网格；(2)针对某一DEM网格，循环遍历河道中心线上所有线段端点，计算当前DEM网格到每个端点的距离，找到距离当前DEM网格最近的线段端点，将该线段端点处的水位值赋值给当前DEM网格；(3)基于步骤(1)和步骤(2)，将整个DEM网格内插出洪水水位。

如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，所述第五步的步骤具体为：

(1)将位于河道内某一插值水位低于网格高程值的DEM网格作为初始种子点；(2)按照4邻域或8邻域的方式进行种子点扩散，对于插值水位低于网格高程值的DEM网格，将其标记为实际淹没网格，同时作为新的种子点；(3)按照步骤(2)进行递归计算，查找出所有实际被洪水淹没的DEM网格。

如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，所述第六步的步骤具体为：基于标记的洪水淹没网格，计算网格集合的最大最小坐标范围，网格横向和纵向行列数，生成洪水淹没范围和淹没水深分布栅格图，其中，栅格图中没有被洪水淹没的网格以空值表达。

本发明的有益效果：

(1)解决了水位监测数据样本点过少导致常规基于全局区域的空间插值方法难以适用的问题。常见的如反距离加权插值和克里金插值都需要空间上大量均匀分布的样本点，来推求其他位置上的插值点的值。对于河道水位监测数据，因为受到样本点过少的影响，在进行空间数据插值时，整个空间域插值出来的水位面较为平坦，插值效果较差。本发明首先在河道中心线上采用线性插值出一系列新的水位点数据，可以增加整体样本点的数量。最后，基于沿着河道中心线的插值样本点数据，采用最近邻插值计算区域洪水水位面。

(2)充分考虑河道的形态变化，避免了水位插值失真的问题。由于河道内水位从上游到下游是一个逐步下降的过程，同时考虑到河道是一个不规则蜿蜒起伏的曲线。若直接采用常规空间插值方法，完全不考虑河道形态变化，很容易出现河道内下游水位高于上游水位，导致插值结果失真。因此，必须首先在河道内执行分段线性插值，得到沿着河道的逐步下降的水位特征点，最后基于这些水位特征点执行最近邻插值，以解决水位插值失真的问题。

本发明特别适合于那些因为水文资料不全，难以应用水力学计算模型进行计算的场合，基于本方法可以快速计算河道洪水淹没形态的变化，实现河道洪水的模拟与分析。

附图说明

图1是本发明基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法的一个实施例的流程示意图；

图2是某河道DEM数据及河道内水位监测站分布示例；

图3沿着河道中心线做分段线性插值局部截图；

图4是采用最近邻插值和种子区域生长后生成的洪水淹没范围图；

图5是洪水淹没水深分布图；

图6是河道中心线分段示意图；

图7是计算水位监测站点在河道中心线上的交点示意图；

图8是DEM网格最近邻插值示意图；

图9(a)是4邻域种子区域生长示意图，图9(b)是8邻域种子区域生长示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示为本发明一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法其中一个实施例的流程示意图。图2给出了某河道的DEM数据及水位监测站点示例，该DEM数据空间分辨率为25米，该段河道上共布设了12个水位监测站点。图3为沿着河道中心线做分段线性插值局部截图，图4为采用最近邻插值和种子区域生长后生成的洪水淹没范围图，图5为洪水淹没水深分布图。

本发明实施例提供一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，如图1所示，其包括如下步骤：

第一步、根据河道中心线数据和河道DEM数据，设定河道中心线的分段规则，按照等距离间隔对河道中心线进行分段，将河道中心线上的所有线段端点的初始水位赋值为0；河道中心线分段的目的在于将河道中心线进一步打断、细化，便于后续插值计算河道中心线上每一打断的线段端点处的水位值。

DEM数据一般都以符合国际标准的文件格式进行存储，如GeoTiff格式等，这些DEM格式数据文件存储了该DEM基本规格信息，如DEM最大、最小坐标、网格行数、网格列数、网格宽度、无效值等。

下面以图6为例来说明河道中心线的具体分段规则。图6中曲线ABCDEF有6个线段端点，即A、B、C、D、E、F。从起始端点A开始，根据事先设定的线段长度，等距离划分河道中心线，并对河道中心线进行线段打断，得到新的线段端点：点1至点30。

在线段划分过程中，若一条线段末端长度不足设定的划分线段长度，则向该条线段的下一连接选段选取固定的距离。如河道中心线上端点B两侧的端点6和端点7，它们之间的线段距离之和为设定的线段长度。

事先设定的线段长度需要综合考虑DEM数据的空间分辨率。如果线段长度设定过小则导致河道中心线上有大量的线段端点，但是过密的线段端点难以改进洪水淹没效果；而线段长度设定过长则导致河道中心线上线段端点过于稀疏，会影响到后续的水位插值效果。一般而言，将线段长度设定为DEM空间分辨率的10倍左右较为合适。

第二步、依据给定的沿河道布设的水位监测站点空间位置，从每个水位监测站点处向河道中心线作垂线，取距离河道中心线最近的垂线及其在河道中心线上的交点，使交点处的当前水位值等于该水位监测站点监测水位值；

如图7所示，S1、S2、S3是沿着河道布设的三个水位监测站点。从河道中心线起始端点A开始，两两遍历线段端点，共计36个端点，依次计算各个水位监测站点到每个线段两个端点的距离和。查找距离每个水位监测站点最近的河道中心线线段，如S1对应的线段端点为点2和点3；S2对应的线段端点为点7和点8；S3对应的线段端点为点26和点27。

分别对S1、S2、S3在线段2-3、线段7-8、线段26-27做垂线，得到垂足点a、b、c。并分别将S1、S2和S3水位监测站点的水位值赋值给垂足点a、b、c。若垂足位于线段的延长线上，则将线段位于延长线端的端点作为垂线交点。

第三步、在沿河道的水位监测站点两两之间，基于河道中心线上监测站点的交点处的水位值进行分段线性插值，计算河道中心线上每个分段线段端点处的水位值；

如图7所示，已知点a和点b处的高程值，可以得到点a和点b的水位差Z_b-a，以及点a和点b的线段距离D_ab。那么对于点a和点b之间任意线段端点X都可以使用如下公式计算其水位值：

Z_X＝(D_ax/D_ab)Z_b-a+Z_a

比如端点5的水位值为Z₅＝(D_a5/D_ab)Z_b-a+Z_a

对于河道中心线两端不处于两个水位监测站点之间的线段端点，以其相邻的水位监测站点之间的水位比降进行类推，如点A的水位值为Z_A＝(D_aA/D_ab)Z_b-a+Z_a。

第四步、遍历河道DEM网格，查找距离该网格最近的河道中心线上的线段端点，按照最近邻插值的方法将线段端点的水位值赋值给DEM网格；

如图8所示，对于任一DEM网格，计算该网格中心点到所有河道中心线上的端点之间的距离，取距离最短的线段端点，将该端点的水位值赋值给DEM网格。经过此步骤后，DEM上任一网格都有一个水位值。

第四步中对河道DEM网格进行水位插值后，所有网格都具有一个特定的水位值。对于那些水位值低于网格高程值的DEM网格而言，其未被洪水淹没。考虑到一些如堤防、水工建筑物或环形山，一些插值水位低于网格高程值的DEM网格实际上并没有被洪水淹没，这些地点称为伪淹没区。

第五步、为剔除DEM网格中那些实际未被淹没的伪淹没区，在河道中心任取一淹没网格作为起始种子点，使用种子区域生长方法，查找那些插值水位低于网格高程且与种子点连通的DEM网格，在DEM中将这些网格标记为实际洪水淹没网格；

如图9所示，左侧图为4邻域种子区域生长示意图，右侧图为8邻域种子区域生长示意图。编号为5的网格为种子点网格，若使用4邻域种子区域生长算法，则每次都只查找当前种子点的上、下、左、右网格，并对比该网格的水位值和网格高程，当水位值大于网格高程，则将该网格标记为新的种子点，同理，8邻域种子区域生长算法需要对比上、下、左、右、左上、右上、左下、右下八个相邻的网格。最后我们需要统计所有被洪水淹没的网格，并将网格水位值减去网格高程值，计算得到每个网格的淹没深度。

第六步、将DEM中实际被洪水淹没的网格生成洪水淹没范围和淹没水深分布图。具体为：基于标记的洪水淹没网格，计算网格集合的最大最小坐标范围，网格横向和纵向行列数，生成洪水淹没范围和淹没水深分布栅格图，其中，栅格图中没有被洪水淹没的网格以空值表达。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步、根据河道中心线数据和河道DEM数据，设定河道中心线的分段规则，按照等距离间隔对河道中心线进行分段，将河道中心线上的所有线段端点的初始水位赋值为0；

第二步、依据给定的沿河道布设的水位监测站点空间位置，从每个水位监测站点处向河道中心线作垂线，取距离河道中心线最近的垂线及其在河道中心线上的交点，使交点处的当前水位值等于该水位监测站点监测水位值；

第三步、在沿河道的水位监测站点两两之间，基于河道中心线上监测站点的交点处的水位值进行分段线性插值，计算河道中心线上每个分段线段端点处的水位值；

第四步、遍历河道DEM网格，查找距离该网格最近的河道中心线上的线段端点，按照最近邻插值的方法将线段端点的水位值赋值给DEM网格；

第五步、剔除DEM网格中实际未被淹没的伪淹没区：在河道中心任取一淹没网格作为起始种子点，使用种子区域生长方法，查找插值水位低于网格高程且与种子点连通的DEM网格，在DEM中将这些网格标记为实际洪水淹没网格；

第六步、将DEM中实际被洪水淹没的网格生成洪水淹没范围和淹没水深分布图；

所述第二步具体步骤为：

(1)针对任一水位监测站点，遍历河道中心线上的线段，取水位监测站点到线段两端点距离和最近的线段；

(2)从当前水位监测站点向该条线段做垂线，若垂足位于线段的延长线上，则将线段位于延长线端的端点作为垂线交点；若垂足位于线段中间位置，则将垂足作为垂线交点；

(3)根据步骤(2)得到的交点，将河道中心线进一步打断，

同时将水位监测站点的水位监测值作为交点处的当前水位值；

所述第三步基于河道中心线上监测站点的交点处的水位值进行分段线性插值的步骤具体为：

(1)在河道中心线上两两遍历水位监测站点生成的垂线交点，计算两个垂线交点之间的线段距离，以及垂线交点之间的水位差；

(2)遍历上述河道中心线上两垂线交点之间的所有线段端点，计算线段端点沿河道中心线距离两垂线交点的距离，基于线性插值法计算端点处的水位值；

(3)基于步骤(1)和步骤(2)计算得到河道中心线上所有线段端点处的水位值；

第四步的步骤具体为：

(1)循环遍历所有DEM网格；

(2)针对某一DEM网格，循环遍历河道中心线上所有线段端点，计算当前DEM网格到每个端点的距离，找到距离当前DEM网格最近的线段端点，将该线段端点处的水位值赋值给当前DEM网格；

(3)基于步骤(1)和步骤(2)，将整个DEM网格内插出洪水水位。

2.如权利要求1所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，其特征在于：所述第一步中将线段长度设定为DEM空间分辨率的10倍左右。

3.如权利要求1所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，其特征在于：所述第一步中的河道中心线是一不规则的沿着河道中心走向的首尾相连的线段序列，且该中心线完全位于河道DEM范围内。

4.如权利要求1所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，其特征在于：所述第五步的步骤具体为：

(1)将位于河道内某一插值水位低于网格高程值的DEM网格作为初始种子点；

(2)按照4邻域或8邻域的方式进行种子点扩散，对于插值水位低于网格高程值的DEM网格，将其标记为实际淹没网格，同时作为新的种子点；

(3)按照步骤(2)进行递归计算，查找出所有实际被洪水淹没的DEM网格。

5.如权利要求1所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，其特征在于：所述第六步的步骤具体为：基于标记的洪水淹没网格，计算网格集合的最大最小坐标范围，网格横向和纵向行列数，生成洪水淹没范围和淹没水深分布栅格图，其中，栅格图中没有被洪水淹没的网格以空值表达。