CN105631168A - 一种实时高效的流域洪水演进可视化仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实时高效的流域洪水演进可视化仿真方法，包括：获取网格控制断面和节点；确定河势拟合曲线；生成加密断面；对网格控制断面和加密断面处理；插值生成节点网格；生成数字河道模型；断面水位数据获取；插值生成与数字河道地形网格相匹配的断面水位；确定单一河道、树状河网或环状河网淹没线；建立河道淹没线的拓扑关系；识别淹没区；河道水流演进可视化显示。所述的方法能够实时高效地显示流域洪水演进状况，可以创建连续变化的洪水淹没层，根据水面的高程立体地观察局部或全区域淹没范围，对于局部洪水淹没地区可实时计算出某一高程洪水水面淹没的表面积和蓄水量，直接服务于流域防洪减灾，对于提高减灾能力具有重要的理论、实践意义。

Description

一种实时高效的流域洪水演进可视化仿真方法

技术领域

本发明属于洪水演进可视化仿真领域，涉及一种实时高效的流域洪水演进可视化仿真方法，是一种基于数值模拟和实测数据的流域洪水演进可视化仿真方法，是一种基于并行处理架构的流域洪水演进可视化仿真方法。

背景技术

流域洪水演进仿真是以观测数据和水文水动力学模型计算为驱动，在计算机生成的虚拟流域环境中，立体直观地动态仿真模拟洪水在真实河道内的时空演进过程及淹没状况。由于来水来沙条件的动态变化，水流与流域地形相互作用影响，导致河道淹没区域存在不确定性。尤其河道边界及河床的动态空间行为给实时动态地仿真洪水淹没及演进过程带来了困难。因此，如何确定流域洪水淹没区域成为洪水演进可视化仿真中亟需解决的关键问题。

洪水淹没区域确定方法主要分为有源和无源淹没两类，前者是研究的重点和难点。多数GIS软件利用人工干预方法处理有源淹没，但扩展性和适应性不强；近年来比较有代表性的有源淹没问题的自动化处理方法是种子蔓延法和投石问路法。这些算法虽然能够识别洪水淹没区，但仍存在以下不足：①需要连续重复检测淹没及连通区，当遇到较大或较细格网的研究区域时，会带来很大的计算量，导致渲染效率低下。②用于计算和显示的最小单元是规则或任意的多边形格网，较粗格网单元不仅使淹没区表达精度很低，而且还会出现明显错误的淹没区连通性表达。③洪水淹没区是基于“水平面”方法实现，缺乏相应物理机制，在移植到河道或河网洪水仿真中，与实际情况相悖，尤其在遇到水面坡降较大的情形时，会导致虚假的淹没区域。④在淹没区域处理上，由于没有考虑相邻时间的淹没形势，导致不能正确处理不连通洼地的淹没情况。因此，研究一种基于更加准确快速的河道洪水淹没区构建算法的流域洪水演进仿真方法具有重要意义。

发明内容

为了克服现有技术问题，本发明提出了一种基于河势贴体网格的实时高效流域洪水演进可视化仿真方法。本发明所述的方法充分利用原型观测数据、河道水文模型及一维水动力学模型计算的特点，引入河势贴体的概念构建能与计算断面空间关系映射的数字河道模型，利用数字河道模型结构化的特点，提出河道水流淹没线追踪、淹没区识别及可视化仿真的方法。

本发明的目的是这样实现的：一种实时高效的流域洪水演进可视化仿真方法，所述方法包括三个过程：河势贴体数字河道建模过程，河道淹没边界搜索算法，河道水流淹没仿真过程，所述方法的步骤如下：

河势贴体数字河道建模过程：

获取网格控制断面和节点的步骤：用于通过选用已知的水位站、水文站、测流断面、断面形状测量位置断面、水质监测断面、重点关注河段断面和河势变化剧烈处的断面来确定控制断面并设置断面节点；

确定河势拟合曲线的步骤：用于利用Hermite三次插值函数根据网格控制断面的走向和节点的位置，生成系列通过网格控制节点和垂直网格控制断面的纵向网格控制曲线，从而确定河道纵向网格控制曲线为河势拟合曲线。

生成加密断面的步骤：用于依据网格控制断面间距，根据需要在相邻断面间增加断面个数，断面走向垂直于河势拟合曲线，断面长度与河岸线的交点为河岸点；

对网格控制断面和加密断面处理的步骤：用于对控制断面节点的加密，首先保证控制断面上的控制节点位置不变化，以便控制断面的形状，在此基础上增加节点；

插值生成网格节点高程的步骤：用于利用实测的河道数字高程数据，插值生成网格节点的高程值；

生成数字河道模型的步骤：用于将生成的具有明确拓扑关系的结构型网格，通过合理连接形成三角形面集合，并设置光照效果、材质属性和纹理映射，生成数字河道模型；

河道淹没边界搜索算法：

基于实时监测的断面水位数据获取的步骤：利用河道沿线布设的水位测量设备，按照一定的监测频率将水位数据传送给河道淹没边界搜索模块；

基于水文水动力模型的断面水位数据获取的步骤：用于使用河道一维水动力学模型或河道水文模型描述水流演进，生成计算断面水位数据；

插值生成断面水位的步骤：用于对相邻实际测量断面或相邻计算断面之间断面所在位置的水位进行插值；

确定河道淹没线的步骤：用于首先将河道淹没线的追踪“拆分”为相邻断面之间淹没线段的追踪，然后，将追踪的所有断面间的淹没线段“组合”为河道的淹没线，即为最终河道淹没线。

建立河道淹没线的拓扑关系的步骤：用于根据追踪出的系列实际或虚拟封闭淹没线，确定这些淹没线之间的包含关系，利用树状数据结构组织生成淹没线的拓扑关系；

河道水流淹没区域识别过程：

识别淹没区的步骤：用于依据建立的淹没线的拓扑关系，识别河道最大范围淹没线，确定不同来水条件下因高地和洼地的存在而形成的内部淹没线，若洼地在水位上升过程中被淹没过，那么水位下降时，洼地仍保持原先水位时的淹没状态，从而得到准确的河道淹没区域；

河道水流演进可视化显示的步骤：用于处理水体表现方式，在显示屏上形成水位数据驱动的水体连续动态显示，实现流域洪水演进实时仿真，所述对水体表现方式处理的方法是纹理贴图移动法或多个纹理图片替换法。

本发明产生的有益效果是：所述的方法能够实时高效准确地显示流域洪水演进状况，创建连续变化的洪水淹没层，根据水面的高程立体地观察局部或全区域淹没范围，对于局部洪水淹没地区可实时计算出某一高程洪水水面淹没的表面积和蓄水量，直接服务于流域防洪减灾，对于提高减灾能力具有重要的实践意义和推广应用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述方法的流程图；

图2是本发明的实施例一中河势贴体数字河道地形网格示意图；

图3是本发明的实施例一中搜索算法相邻断面间淹没线示意图；

图4是本发明的实施例一中河道淹没线边界点坐标求解示意图；

图5是本发明的实施例一中单一河道淹没区识别示意图；

图6是本发明的实施例一中淹没线多叉树结构示意图；

图7是本发明的实施例二中树状水系河道淹没区识别示意图；

图8是本发明的实施例三中环状水系河道淹没区识别示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种实时高效的流域洪水演进可视化仿真方法，流程如图1所示。本实施例所述方法包括三个过程：河势贴体数字河道建模过程，河道淹没边界搜索算法，河道水流淹没仿真过程。本实施例能使用任何面向对象的计算机语言编写计算机程序，该程序能跨计算机平台运行。如果该计算机支持并行处理架构，则后续几个步骤可以并行处理，提高处理速度，使显示更加流畅。

本实施例的基本思路是：首先将河势概念与贴体网格生成思想相结合，建立了河势贴体数字河道模型；然后利用水动力或水文模型，在计算出断面水位的情况下，搜索相邻断面淹没线段，按照它们之间的连接关系，拼接追踪出河道洪水淹没线；最后，通过建立淹没线的拓扑关系，识别出洪水淹没区域，实现洪水水体的实时可视化仿真。

本实施例所述方法的具体步骤如下：

一、河势贴体数字河道建模过程：

1.获取网格控制断面和节点的步骤：用于通过选用已知的水位站、水文站、测流断面或水质监测断面确定控制点。

确定数字河道网格控制断面和节点。选取研究河段的进出口断面、河段内水位/水文站点、断面形状测量位置断面、测流断面、重点关注河段断面和河势变化剧烈处的断面来确定控制断面并设置断面节点。河势控制断面以及需要重点研究河段的控制断面等作为网格控制断面，控制断面应尽可能与河流的流向垂直。在所选取的网格控制断面上确定网格控制节点，控制节点的选择遵循以下原则：①河道左右岸线上的控制点数量应当相等；②在河流的凹岸或凸岸处确定控制点；③在河道形状变化较大处多取控制点个数，河流顺直处少取控制点个数，这些节点可以任意选取在控制断面的深泓点、主流点或中心点等处，所选择的网格控制节点即为数学上Hermite三次插值函数的计算节点。通过选用已知的水位、水文站点、测流断面或水质监测断面确定控制点。

2.确定河势拟合曲线的步骤：用于利用Hermite三次插值函数根据网格控制断面的走向和节点的位置，生成系列通过网格控制节点和垂直网格控制断面的纵向网格控制曲线，从而确定河道纵向网格控制曲线为河势拟合曲线。

在上一步骤生成的网格控制断面和节点的基础上，利用Hermite三次插值函数根据网格控制断面的走向和节点的位置，生成系列通过网格控制节点和垂直网格控制断面的纵向网格控制曲线。可以通过人工交互的方式修改调整控制断面和节点，便于网格控制曲线与河道的河势线或主流线符合，从而确定河道纵向网格控制曲线为河势拟合曲线。

3.生成加密断面的步骤：用于依据网格控制断面间距，根据需要在相邻断面间增加断面个数，断面走向垂直于河势拟合曲线，断面长度与河岸线的交点为河岸点。

在网格控制断面和河势线基础上，生成加密断面。依据网格控制断面间距，根据需要在相邻断面间增加断面个数，断面走向垂直于河势拟合曲线，断面长度与河岸线的交点为河岸点。在河流拟合线曲率变化较大的地方，可能存在加密断面交叉的现象。为解决该问题，利用一种基于角度的河道断面移动循环平滑方法，平滑过程中，同时进行交叉性判断，直到整条河道没有交叉断面存在或者循环次数大于给定值为止。经过基于角度的平滑处理后，剖分断面达到了平滑过渡的目标，对河道方向变化的各种情况都能很好地适应，网格剖分效果较为理想。

4.对网格控制断面和加密断面处理的步骤：用于对控制断面节点的加密，首先保证控制断面上的控制节点位置不变化，以便控制断面的形状，在此基础上增加节点。

针对网格控制断面和加密断面分别处理。对控制断面节点的加密，首先保证控制断面上的控制节点位置不变化，以便控制断面的形状；然后在此基础上增加节点。对于加密断面，可选择利用等间距生成节点的形式生成断面节点。由于每个断面节点数相同，因此很快地构建出平面网格体系。

5.插值生成网格节点高程的步骤：用于利用实测的河道数字高程数据，插值生成网格节点高程值。

利用实测的河道数字高程数据，插值生成网格节点高程。河道数字高程模型数据精度高、数据量大，采用全局搜索插值效率低，而且不可能一次性将其调入内存进行管理。提出采用分块插值和两级存储的模式对河道栅格数据进行处理。分块插值可以满足数据量大、分块多、读取快的需求；两级存储的关键是建立一个索引文件存储地形块相关信息，如DEM数据块的ASCII格式的栅格数据文件名、数据范围及存储路径等，并定义相应数据结构存储索引文件中每个数据块的具体索引信息。对两级存储栅格地形块的具体操作是：首先打开索引文件，根据一定的要求读取满足条件的地形块的索引信息；然后根据索引信息中的地形块的文件名和存储路径读取相应的地形栅格数据文件。在进行数据合理组织的基础上，根据断面与河岸交点求交确定的两端坐标，先确定断面线与地形栅格数据文件的交点的三维坐标，然后对断面控制点重新进行采样插值，以保证每个断面的节点数相同。

6.生成数字河道模型的步骤：用于将生成的具有明确拓扑关系的结构型网格，通过合理连接形成三角形面集合，并设置光照效果、材质属性和纹理映射，生成数字河道模型。

上述步骤生成的网格节点的纵向和横向网格节点数目相同，将生成的具有明确拓扑关系的结构网格转化为三角形面集合，并设置光照效果、材质属性和纹理映射，生成数字河道模型；生成的数字河道模型用公共条带的方式，通过循环搜索自动完成与周围虚拟流域环境的嵌套形成整体的模型结构。

二、河道淹没边界搜索算法：

1.基于实时监测的断面水位数据获取的步骤：利用河道沿线布设的水位测量设备，按照一定的监测频率将水位数据传送给河道淹没边界搜索模块。

为实现基于河道沿程水位的洪水水体的可视化仿真，必须将获取的水位数据连续不断地的输入给洪水淹没边界搜索模块，特别是在发生特大洪水的情况下，必须快速的显示洪水演进状态，才能为防洪减灾提供科学决策支持。实时监测的数据可以根据水位监测设备进行数据采集，包括人工采集和在线的自动采集，实时的反映洪水水位和流量变化。

2.基于水文水动力模型的断面水位数据获取的步骤：用于使用河道一维水动力学模型或河道水文模型描述水流演进，生成计算断面水位数据。

基于一维水动力学模型的河道水流演进的模拟与求解：

采用圣维南方程描述河道水流演进，其组成包括水流连续方程和动量方程如下所示：

水流连续方程：

（1）

水流动量方程：

（2）

式中：A是河道过水断面面积；Q是流量；q=q_sr-q_sk，是单位长度区间汇流和出流量（m³s^{- 1}m^-1），q_sr是入流量，q_sk是出流量；Z是水位；B是断面宽度；x是距离；t是时间；g是重力加速度；R是断面水力半径；n是糙率系数。

采用四点线性隐式差分格式对方程进行离散，离散后的方程用追赶法求解。此为单一河道水库，需要采用数学模型计算的结果给出上游和沿岸的流量过程、下游边界给定已知水位过程以及断面形状资料计算非恒定水流。

基于水文模型的河道水流模拟与求解：

在水文模型中，常用马斯京根方法模拟洪水演进。马斯京根方法是圣维南方程在忽略惯性项的前提下简化为槽蓄方程，然后将其和水量平衡方程相结合，在第一、第二时段差分并进行分解，可得流量演算方程式：

（3）

式中，

因此，对于一个河段，只要确定参数K、x的值及选定演算时段Δt后，便可求出C₀、C₁和C₂，根据上断面流量过程及下断面起始流量，计算出下断面的流量过程。由于同一条河道的马斯京根参数不是唯一，而是随着不同场次洪水的洪峰流量、流速、洪水总量等诸多因素而动态变化，马斯京根模型参数不应只采用一场洪水或多场洪水估计的平均值，而是应该进行参数的实时动态估计，如人工神经网络、遗传算法等。

插值生成断面水位的步骤：用于相邻实际测量断面或相邻计算断面之间断面所在位置的水位的插值。待插值断面水位计算方法分为基于实时监测的断面水位插值计算和基于数值模拟（水文或水动力模型模拟）的断面水位插值计算，但是两种方法的计算原理一致。就是利用已有监测或计算的水位值的相邻断面，将相邻断面的水位值分别记为Z₁和Z₂，两断面距离为ΔL，待插值断面距离上述两个断面的距离记为ΔL₁和ΔL₂，将待插值断面的水位记作Z，计算Z可以选择插值模型，以线性插值模型为例说明：

，或（4）

确定河道淹没线的步骤：用于首先将河道淹没线的追踪“拆分”为相邻断面之间淹没线段的追踪，然后，将追踪的所有断面间的淹没线段“组合”为河道的淹没线，即为最终河道淹没线。追踪树状河网和环状河网汊点处的淹没线时，需要根据两种河网结构的特点进行确定淹没线，对树状河网，在明确干、支流关系的基础上，将支流汇入断面淹没点和位于干流的上、下游断面淹没点形成的水面，与地形网格进行求交计算可以得到汊点处的淹没线；对环状河网，不需要明确干、支流关系，由于在进行模型计算时，与同一汊点相连的河道断面的水位相等，因此采用“水平面”与地形网格求交得到汊点处的淹没线。

通过模型计算插值，可以计算出所有组成数字河道地形断面处的水位，只要追踪出相邻数字河道地形断面的淹没线段，就可以根据其连接关系及约定规则，将追踪出的所有淹没线段进行连接，形成完整的淹没线，简称为基于“分解-综合”思路的河道淹没线搜索算法。

河道淹没边界搜索算法：

河道淹没边界搜索以相邻数字河道地形断面的淹没线追踪为基础，最后按照一定原则将追踪出的系列相邻断面的淹没线进行拼接形成研究河段淹没线集合，最终生成的淹没线或为实际封闭的淹没线或虚拟的淹没线。图2为生成河势贴体网格示意图，以图2中相邻断面I和II为例说明相邻断面间淹没线的追踪方法，如图3所示。图3中虚线表示三维数字河道地形网格，相邻断面分别命名为断面I和断面II，这两个断面的平均水位通过水动力学模型计算或依据模型计算结果插值或实测数据得到。根据断面的水位值以及断面形状，可以计算得到水面与断面I和断面II左右岸的交点，即为河道断面的淹没点；假定河道断面I和II的水位分别为Z_I和Z_II，河道断面I在水位Z_I时的左右岸的淹没点分别为S₁′和S₁，河段断面II在Z_II水位时的左右岸淹没点分别为S₃′和S₅。按照水流运动的连续原理，若S₁′和S₃′共处的四边形单元四个顶点不在同一平面上，且淹没点没有和单元顶点重合，在剖分四边形单元的对角线上必定存在连接S₁′和S₃′的淹没点；因此，不在同一四边形单元上的S₁和S₅，不仅在其所在的四边形单元的对角线和边上存在连接它们的淹没点，而且在两个节点所在单元之间单元的对角线和边上也存在连接它们的淹没点。河道左岸断面间淹没点的追逐可以作为河道右岸断面间淹没点追踪的特例，因此仅对河道右岸断面间淹没点追踪方法进行解析。

由图3可知，连接S₁和S₅的断面间的淹没点有S₂、S₃、S₄，淹没线的追踪的关键是确定这些淹没点的空间坐标。根据断面I和II的水位和地形网格节点A、B、C的高程，判断水面与地形网格线的交点位于AB和AC三维线段上。

将图3中的三角形单元ABC抽取出来判定分析起始点S₁及下一个节点S₂的位置并计算其坐标，如图4所示，三维空间点A和B在断面I上，三维空间点C在断面II上，分别从A、B、C三点引三条垂线，分别计算与线段S₁′S₁和S₃′S₅所在直线的交点，分别记做A′、B′、C′，其中地形节点A处于实际淹没状态，那么A′为实际水面点；地形节点B和C高程高于所在断面的水位，在此提出虚拟水面点的概念辅助于淹没点的计算，它们分别对应的虚拟水面点为B′和C′。据此上述信息，可以求解水面A′B′C′与地形面ABC的交点。此处基于三维平面求交的淹没点的计算和基于三维线段求交的淹没线点的计算，其中前一种算法转化为三维线段与三维平面的求交（三维平面与三维平面的求交也属于本发明范围），后一种算法转化为三维线段与三维线段求交。

（1）基于三维平面求交的淹没点计算

以AB和水面A′B′C′为例说明计算淹没点S₁的方法，其计算步骤如下：

a.确定经过实际水面点A′和虚拟水面点B′、C′的水面方程

按照空间几何性质，通过空间三点坐标可以确定唯一的空间平面，按此原理计算通过节点A′、B′、C′的空间平面方程，三个节点的空间坐标分别记为（x₁，y₁，z₁）、（x₂，y₂，z₂）、（x₃，y₃，z₃）。

由计算图形学知识可知，任一空间平面的通用方程式为：

（5）

如果确定三维空间平面方程，需要计算出河道水面方程系数a、b、c、d的值。

记水面的法向量为，根据上述坐标可以计算出向量和向量，即：

（6）

可以得到：

（7）

由此得到空间水面方程：

（8）

即：

（9）

式（5）和式（8）是恒等式，可以得到式（5）中的水面方程系数为：

（10）

式中，n₁=Y₂₁×Z₃₁-Z₂₁×Y₃₁，n₂=Z₂₁×X₃₁-X₂₁×Z₃₁,n₃=X₂₁×Y₃₁-Y₂₁×X₃₁。

b.确定河道地形网格线AB线段的方程

假设空间线段的首尾坐标分别为A(x_a，y_a，z_a)和B(x_b，y_b，z_b)，则空间线段的参数方程为：

（11）

式中，p=x_c-x_a，q=y_c-y_a，r=z_c-z_a，t为参数,t∈[0,1]。

c.计算水面A′B′C′与线段AB的交点

将式（9）、式（10）代入式（11）求解参数t值为：

（12）

判定求出t值，将其代入式（11）中计算线段与水面的交点坐标S₁。同例，计算出线段AC与水面A′B′C′的交点坐标S₂。以此原理，以S₂点所在线段AC识别出与地形网格单元ABC共线的网格单元ACD，可以计算出淹没点S₃的坐标。循环判断计算出淹没点S₄和S₅的坐标。

（2）基于三维线段求交的淹没点计算

以AB和水面A′B′C′为例说明计算淹没点S₁的方法，以数学原理，BB′平行AA′，且这两条线段共面，AB和A′B′存在相交关系，有且存在一个交点，即为S₁。线段与线段的交点计算方法有多种，均属于本专利的权利范畴，具体实施中给出其中一种，计算步骤如下：

a.分别给出线段AB和A′B′的方程

假设AB首尾坐标分别为A(x_a，y_a，z_a)和B(x_b，y_b，z_b)，则空间线段的参数方程为：

（13）

式中，p=x_c-x_a，q=y_c-y_a，r=z_c-z_a，t为参数,t∈[0，1]。

假设A′B′首尾坐标分别为A′(x_a′，y_a′，z_a′)和B′(x_b′，y_b′，z_b′)，则空间线段的参数方程为：

（14）

式中，p′=x_c′-x_a′，q′=y_c′-y_a′，r′=z_c′-z_a′，t为参数，t∈[0，1]。

b.根据步骤a的线段方程，计算交点坐标

根据a的线段方程即可计算出t值，将t值分别代入式（13）或式（14），计算出交点S₁的坐标，以此原理，计算出S₂点的坐标。以S₂点所在线段AC识别出与地形网格单元ABC共线的网格单元ACD，可以计算出淹没点S₃的坐标。循环判断计算出淹没点S₄和S₅的坐标。

遵循上述原理，亦可以计算出S₁′、S₂′和S₃′，从可以得到断面I和断面II之间的淹没线S₁S₂S₃S₄S₅和S₁′S₂′S₃′。

将所有相邻断面之间的淹没线追踪后，形成淹没点和淹没线集合，依据淹没点和地形网格单元的拓扑关系，将存在连接关系的淹没线拼接为整体淹没线。在淹没线节点存储中，统一按照逆时针或顺时针排序存储，本实例选择逆时针方向进行存储。

因为淹没线的追踪是按照断面开始进行的，因此为加快淹没线搜索速度，可以将河道进行分区，每个分区包含多个断面，将每个分区作为一个单独计算任务，这样多个任务就可以同时进行。可以选用并行处理架构来实现上述任务。

建立河道淹没线拓扑关系的步骤：用于根据追踪出的系列实际或虚拟封闭淹没线，确定这些淹没线之间的包含关系，利用树状数据结构组织生成淹没线的拓扑关系。根据建立的系列封闭淹没线，利用多叉树数据结构组织生成淹没线的拓扑关系，简称为淹没线多叉树。

淹没线追踪出来以后，以图5为例说明基于多叉树数据结构的淹没线数据的组织方法。

按水流的连续性原理，追踪的淹没线原则上可以连接形成连续的闭合曲线。但是在实际追踪中，由于人为阻隔，河段首尾断面一些淹没线不封闭，如图5中由于断面TS₁和TS₂的阻隔，追踪出的淹没线TL₁、TL₂和TL₆不封闭，而淹没线TL₃、TL₄和TL₅则自动封闭。

如果淹没线两端分别与上下游断面相交，如TL₁和TL₂，这样的淹没线必然是成对出现，而且与其相邻的淹没线之间构成淹没区，并且与上下游断面形成“闭合”的淹没线TL₁₂，对此淹没线按逆时针顺序存储。若淹没线两端均在同一断面上，如淹没线TL₆，与该断面形成闭合曲线TL₆′，同样以逆时针存储。

在对淹没线存储中，引用多叉树数据结构进行组织，如图5可以用三层次的多叉树数据结构存储淹没线的拓扑关系。淹没线TL₁₂作为多叉树结构的根节点，为第一层次，没有父节点，这意味着TL₁₂淹没线包围的区域是最大的淹没范围，每个多叉树数据结构仅有一个根节点；TL₃和TL₆′是根节点TL₁₂的子节点，为第二层次，TL₃和TL₆′位于树结构的同一层次，两者是兄弟节点，它们的父节点为TL₁₂；TL₄是TL₃的子节点，为第三层次，TL₃为TL₄的父节点，TL₄没有子节点，称为叶节点。图5追踪出的淹没线多叉树结构如图6所示。这种思路具有普适性，可以应用于任何淹没线拓扑关系的组织。

河道水流淹没区域识别过程：

识别淹没区的步骤：用于依据建立的淹没线的拓扑关系，识别河道最大范围淹没线，确定不同来水条件下的高地和洼地存在而形成的内部淹没线，从而得到河道淹没区域。

在淹没线拓扑关系组织基础上，可以识别淹没区域。前述组成淹没线的三维空间点坐标以逆时针存储，确定淹没范围的识别方法，其实就是寻找淹没区连通区域。在理想情况下，搜索出的淹没线只有一条，那么可以确定的是淹没线内的区域皆为淹没范围；在特殊情况下，若淹没线包围区域内含有高地或者洼地，那么除了最大范围淹没线外，其内部会存在淹没线。在某时刻的沿程水位下，若根节点淹没线内部存在兄弟节点淹没线，且兄弟节点淹没线为叶节点，那么兄弟淹没线范围为高地，表示洪水不能淹没，若兄弟节点淹没线不为叶节点，那么兄弟节点淹没线仍有子节点淹没线，说明该子节点淹没线包围范围内是洼地。

因此可以总结出如下规律：根节点淹没线为第一层淹没线，其子节点为第二层淹没线，其子子节点为第三层淹没线，……。第一层淹没线是淹没的最大范围淹没线，第二层淹没线是水流遇到高地形成，第三层淹没线是第二层淹没线范围内存在洼地，第四层淹没线表示第三层淹没范围内仍存在局部高地……。以此类推，奇数层淹没线左侧是洼地，右侧是高地；偶数层淹没线左侧是高地，右侧是洼地。从而可以正确识别淹没区域。

如图6所示，如淹没线TL₁₂的子节点是TL₆′、TL₃和TL₅，TL₃的子节点是TL₄，TL₆′、TL₃和TL₅为兄弟节点，其中TL₁₂为第一层次淹没线，TL₆′、TL₃、TL₅为第二层次淹没线，TL₄为第三层次淹没线。其中淹没线TL₁₂包围的区域是河段淹没的最大范围，其它淹没线就是辅助于剔除未被淹没的区域，精确识别河道水流淹没区。TL₆′、TL₃和TL₅淹没线属于第二层次淹没线，表示河道内局部区域被高地阻隔，存在未被淹没区域；TL₄淹没线属于第三层次淹没线，表示TL₃淹没线内存在局部洼地，在涨水过程中，该洼地不会存在积水，但是若水位超过一定高度，TL₃淹没线内区域被水流淹没，然后再落水过程中，TL₃和TL₄淹没线形成，TL₄淹没线洼地内会存在积水，随着TL₃淹没线随水位下降继续下移，TL₄淹没线内水位基本维持不变，当时间较长时，洼地内水位随着水面蒸发和渗漏而导致水位下降，洼地内淹没水面也随之变化。

从上面描述可以看出，河道淹没区的识别关键是对洼地的处理。涨水过程中，取决于淹没范围是第一层次和第二层次的淹没线，第一层次淹没线范围减去第二层次淹没线范围即为正确的淹没区域，此时洼地未被淹没；落水过程中，要判定洼地是否被淹没过，若淹没过，将其归入淹没区域，若未被淹没过，则不必作为淹没区域。

搜索到淹没线之后，需要搜索位于淹没线范围内的河道地形网格单元进行标识，并计算每个地形网格单元节点对应的水位高程，这个过程就是确定离散化的三维水面。

河道水流演进可视化显示的步骤：用于处理水体表现方式，在显示屏上形成水位数据驱动的水体连续动态显示，实现流域洪水演进实时仿真，所述对水体表现方式处理方法是纹理贴图移动法或多个纹理图片替换法。

在水面绘制时，分两种方式进行绘制，一种是三角形单元的三个顶点均在淹没区内，直接绘制三角形单元，另外一种是三角形单元与淹没线相交，这需要在追踪淹没线时进行判别记录，该三角形单元若有一点被淹没，则该地形点与淹没线段形成三角形单元进行绘制，若有两点被淹没，该两点与淹没线段两点形成四边形，分成两个三角形绘制。以此类推，就可以实现对三维水面的绘制。另一张绘制的方式是直接利用搜索的边界条件直接对水面进行建模仿真。在水体仿真中，可以采用多线程、多进程的方式加快仿真速度，或者采用GPU图像加速卡加快水体仿真速度。

三维模型场景采用纹理变换的方法进行动态水流的三维可视化，实现水流沿地势高低向前演进的模拟过程，以反映水位的起伏变化，进而逼真演示淹没过程的视觉效果以及水流流速形态等纹理特性。纹理变换是动态改变水流的纹理信息而模拟水流的运动，其分为纹理贴图移动方法和多个纹理图片替换方法。

在来水量发生变化时，水流淹没线随时间发生动态改变，与其相适应的淹没面积也随着变化。淹没线的动态变化由水文水动力学模型计算结果驱动，模型按照一定的计算时间步长（时间间隔Δt）进行计算，往往计算结果为整数倍的计算步长（N×Δt，N=1，2，…），若用动态可视化的显示步长是模型计算步长，如果模型计算时间步长过大，且来流量变化幅度大，直接利用模型计算步长输出结果就会导致淹没线和水位出现“跳跃性”变化，那么就需要更短的动态可视化时间步长识别流量变化过程，在此采用线性或双曲线性插值的方式对断面的水位或流量大小进行插值，然后利用插值获取的水位进行淹没线的追踪及淹没区绘制，在动态可视化过程中逐步绘制其水位涨落过程形成的水面状态，实现其平滑仿真。

在绘制水面时，设定一个计时器，每经过一段时间触发系统按新水位数据识别的淹没区域重新绘制地形和淹没水面，在来流量发生变化时，水面的高度可以逐渐上涨或下降。由于系统面对的是流域地形、影像、水文等海量数据，必须解决在处理海量数据时所导致的淹没行为演示的速度问题。为此，将地形的显示与洪水上涨的显示分离，洪水上涨的过程中，每一次重绘时不必重绘地形地貌。因此，可以创建连续变化的洪水淹没水面层，可以根据水面的高程立体地观察局部或全区域淹没范围，对于局部洪水淹没地区可实时计算出某一高程洪水水面淹没的表面积和蓄水量，这对洪水灾前预测非常实用。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是关于树状河网洪水淹没的仿真。将单河道或河段拓展到树状河网逐级汇流后进行洪水演进可视化仿真，树状河网通常存在于高山丘陵区。对于树状河网洪水演进计算通常采用逐级汇流方式进行计算，求解采用三级求解方法，据此可以计算出树状河网所有计算断面处的水位，然后依据计算断面水位，插值生成相邻计算断面之间加密断面的水位，依照实施例一的河道边界搜索方法，可以搜索出组成树状河网的单一河段的淹没线及识别出洪水淹没区域。

在树状河网逐级汇流计算时，需要明确不同级别河道之间的汇流关系，以图7为例说明，干流是河道R₁，支流是河道R₂，通常是支流水流汇入干流，即河道2的水流汇入R₁，那么在干流某相邻断面TS₃和TS₄间存在支流的汇入断面TS₅，该断面是干流与支流相衔接的位置。R₁最大范围的淹没线与出入口断面以及支流汇入断面形成封闭的淹没线，为与实际闭合的淹没线区分，定义为虚拟封闭淹没线。若河道内存在洼地或高地，会自动形成封闭淹没线。

树状河网逐级汇流洪水可视化仿真步骤如下：

（1）依据多叉树结构建立树状河网的拓扑结构，明确其干支流关系，对干支流河道进行统一分级组织。

（2）将实测的水位、流量和断面形状作为输入数据，根据河网水动力学模型或水文学模型计算各断面的沿程水位和流量。

（3）以树状河网相交处为节点，将干流河道分为多个子河道并分出支流与干流入口处的支流两侧在干流上的断面之间的河道，分别根据计算断面的水位，利用单一河道洪水淹没线方式追踪出子河道和支流的洪水淹没线。

以图7为例说明，在干流某相邻断面TS₃和TS₄间存在支流的汇入断面TS₅，该断面是干流与支流相衔接的位置。以树状河网相交处为节点，将R₁分为子河道R₁₁、子河道R₁₂和断面TS₃和TS₄之间河道R₁₃，分别根据计算断面的水位，利用具体实施例一的单一河道洪水淹没线方式追踪出R₁₁和R₁₂的洪水淹没线。

（4）依据各个断面水位计算出水面与各断面的交点，得到连接点之间的淹没点集，从而得到各断面之间的淹没线。

依据断面TS₃水位计算出水面与该断面的交点C，同理依据断面TS₄处水位计算出水面与该断面的交点D；计算支流R₂汇入断面TS₅与河道两岸的交点分别为A和B，依据构成的三角形面ΔABC和ΔBCD，通过与A、D之间以及B、C之间的地形网格求交，可以得到连接A、D之间淹没点集，以及连接B、C之间的淹没点集，从而得到TS₃和TS₄之间的淹没线，与TS₅一起形成R₁₃虚拟的封闭淹没线。

（5）将各淹没线衔接组合，形成河道的整体淹没线。

将河道R₁₁、R₁₂和R₁₃的淹没线进行衔接组合，形成河道R₁的整体淹没线，再利用实施例一所述的方式识别淹没区，并绘制淹没区域水体，显示在三维虚拟环境中。

实施例三：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于环状河网洪水淹没过程的可视化仿真。在环状河网中，各河道之间不存在明确的汇流关系，在不同的计算边界下，水流可能存在往复运动，不存在明显的干支关系，因此在计算时，将汇入节点处的河道分别作为单独计算河段，计算时假定单独计算河段的汇入断面处的水位相等。那么其特别之处在于河道交汇处河道边界的搜索。以图8为例说明环状河网洪水淹没可视化仿真。

环状河网洪水淹没可视化仿真步骤如下：

（1）图数据结构能够描述环状河网的连接关系，利用图数据结构建立环状河网的拓扑关系，实现对环状河网的统一标识和组织。

（2）将实测的水位、流量和断面形状作为输入数据，根据河网水动力学模型或水文学模型计算各断面的沿程水位和流量。

（3）在环状河网水流可视化仿真中，以环状河网相交处为节点，可以分为河道R₁、河道R₂和河道R₃，汇入断面分别为TS₃、TS₄和TS₅，计算得到断面的水位相等，那么TS₃、TS₄和TS₅所包含区域的水面与地形网格相交的淹没点均在一个平面上，追踪交汇处的淹没线，就转化为“水平面”与地形网格求交的淹没边界搜索。三个断面中任取一断面处的水面与地形断面相交点为起点，根据地形三角形网格的拓扑关系，搜索与“水平面”相交的地形网格线，求解淹没点空间坐标并存储，从而可以获取交汇处的淹没线，与三个断面形成虚拟的封闭淹没线。

（4）以交汇处的淹没线为衔接，将河道各的淹没线进行组合，从而可以得到各个子河道整体淹没线。

以交汇处的淹没线为衔接，将河道R₁、R₂和R₃的淹没线进行组合，从而可以得到三个河道整体淹没线，再利用实施例一所述的方式识别淹没区，并绘制淹没区域水体，显示在三维虚拟环境中。

实施例四：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于纹理贴图移动法的细化。纹理贴图移动法是指对于三维场景研究区域内的水流模型，其由多个相同的面叠加组成，将每一个面进行同一图片的纹理贴图，而对于纹理贴图的位置应设一定的距离的间隔，以保证水面的动态效果，并依据纹理贴图位置的不同对各个面进行依次排序，通过循环实现水流动态的模拟，即可完成复杂三维场景研究区域内水流流动的效果。本实施例所示的纹理贴图移动法包括如下子步骤：

（1）基于精细化数值模拟结果得到的水情信息将每一场景下的水流模型分成若干区域；

（2）将每一区域水流模型都依据三维场景可视化模拟的时长复制n份，并叠加显示；

（3）将n个水流模型赋予同一纹理图片但纹理贴图的位置不同，若此区域水流模型的长度为1，则每两个面之间的纹理贴图位置差距为1/n；

（4）依据纹理贴图位置的顺序实现n个水面模型的循环显示；

（5）耦合各个区域水流模型的动态模拟结果。

实施例五：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于多个纹理图片替换法细化。多纹理替换法是指对于三维场景研究区域内的水流模型，设定多张纹理图片用于赋予水流模型，在三维场景下的显示时长内依次将各张纹理图片赋予水流模型，并按顺序显示以实现水流的动态模拟，即可完成复杂三维场景研究区域内水流模型流动的效果。在实现水流模型的动态渲染输出时，应指定各向同性，以保证每两张纹理图片在更迭替换过程中既满足水流流动的效果，又能确保水流模型在经多次纹理贴图后水流的运动形态无跳跃。本实施例所示的多个纹理图片替换法包括如下子步骤：

（1）每一场景下的水流模型分别赋予n张纹理图片；

（2）若此区域水流模型的显示时长为t，则每两张纹理贴图赋予水流模型的时间间隔为t/n；

（3）依据纹理贴图的时间顺序实现水流模型的渲染输出显示。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如步骤的先后顺序、河道水流演进模拟与求解方法、河道淹没边界搜索算法、河道淹没区域的识别、三维地形生成软件等的选择）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种实时高效的流域洪水演进可视化仿真方法，其特征在于，所述方法包括三个过程：河势贴体数字河道建模过程，河道淹没边界搜索算法，河道水流淹没仿真过程，所述方法的步骤如下：

河势贴体数字河道建模过程：

获取网格控制断面和节点的步骤：用于通过选用已知的水位站、水文站、测流断面、断面形状测量位置断面、水质监测断面、重点关注河段断面和河势变化剧烈处的断面来确定控制断面并设置断面节点；

确定河势拟合曲线的步骤：用于利用Hermite三次插值函数根据网格控制断面的走向和节点的位置，生成系列通过网格控制节点和垂直网格控制断面的纵向网格控制曲线，从而确定河道纵向网格控制曲线为河势拟合曲线；

生成加密断面的步骤：用于依据网格控制断面间距，根据需要在相邻断面间增加断面个数，断面走向垂直于河势拟合曲线，断面长度与河岸线的交点为河岸点；

对网格控制断面和加密断面处理的步骤：用于对控制断面节点的加密，首先保证控制断面上的控制节点位置不变化，以便控制断面的形状，在此基础上增加节点；

插值生成节点网格的步骤：用于利用实测的河道数字高程数据，插值生成网格节点的高程值；

生成数字河道模型的步骤：用于将生成的具有明确拓扑关系的结构型河道地形网格转化为三角形面集合，并设置光照效果、材质属性和纹理映射，生成数字河道模型；

河道淹没边界搜索算法：

基于实时监测的断面水位数据获取的步骤：用于利用河道沿线布设的水位测量设备，按照一定的监测频率将水位数据传送给河道淹没边界搜索模块；

基于水文水动力模型的断面水位数据获取的步骤：用于使用河道一维水动力学模型或河道水文模型描述水流演进，生成计算断面水位数据；

插值生成断面水位的步骤：用于相邻实际测量断面或相邻计算断面之间断面所在位置的水位的插值；

确定河道淹没线的步骤：用于首先将河道淹没线的追踪“拆分”为相邻断面之间淹没线段的追踪，然后，将追踪的所有断面间的淹没线段“组合”为河道的淹没线，即为最终河道淹没线，所述的淹没河道包括单一河道、树状河网和环状河网；

建立河道淹没线的拓扑关系的步骤：用于根据追踪出的系列实际或虚拟封闭淹没线，确定这些淹没线之间的包含关系，利用树状数据结构组织生成淹没线的拓扑关系；

河道水流淹没区域识别过程：

识别淹没区的步骤：用于依据建立的淹没线的拓扑关系，识别河道最大范围淹没线，确定不同来水条件下因高地和洼地存在而形成的内部淹没线，若洼地在水位上升过程中被淹没过，那么水位下降时，洼地仍保持原先水位时的淹没状态，从而得到河道淹没区域，

河道水流演进可视化显示的步骤：用于处理水体表现方式，在显示屏上形成水位数据驱动的水体连续动态显示，实现流域洪水演进实时仿真，所述对水体表现方式处理方法是纹理贴图移动法或多个纹理图片替换法。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的树状河网的水流淹没的仿真，包括如下子步骤：

依据多叉树结构建立树状河网的拓扑结构，明确干支流关系，对干支流河道进行统一分级组织；

将实测的水位、流量和断面形状作为输入数据，根据河网水力学模型或水文学模型计算各断面的沿程水位和流量；

以树状河网相交处为节点，将干流河道分为多个子河道，分别根据计算断面的水位，按单一河道洪水淹没线方式追踪出子河道和支流的洪水淹没线；

将支流汇流处的干流上、下游断面之间的河段的淹没边界搜索进行特殊处理，依据干流上、下游断面和支流汇流处断面的水位计算出水面与各断面的交点，再根据交点形成的三角形水面网格与地形网格的求交，得到支流汇流处的河道淹没线；

以支流汇流处的淹没线为衔接，将干流子河道及支流淹没线衔接组合，形成干、支流河道组合的整体淹没线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的环状河网的水流淹没仿真包括如下子步骤：

图数据结构能够描述环状河网的连接关系，利用图数据结构建立环状河网的拓扑关系，实现对环状河网的统一标识和组织；

将实测的水位、流量和断面形状作为输入数据，根据河网水动力学模型或水文学模型计算各断面的沿程水位和流量；

以环状河网相交处为节点，将河道分为多条子河道，并取得各河道的汇入断面，计算得到各断面的相等水位，使各断面所包含区域的水面与地形网格相交的淹没点均在一个平面上，追踪交汇处的淹没线，就转化为“水平面”与地形网格求交的淹没边界搜索；各断面中任取一断面处的水面与地形断面相交点为起点，根据地形三角形网格的拓扑关系，搜索与“水平面”相交的地形网格线，求解淹没点空间坐标并存储，从而可以获取交汇处的淹没线，与各断面形成虚拟的封闭淹没线；

以交汇处的淹没线为衔接，将子河道淹没线进行组合，从而可以得到各个子河道整体淹没线。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的纹理贴图移动法包括如下子步骤：

基于精细化数值模拟结果得到的水情信息将每一场景下的水流模型分成若干区域；

将每一区域水流模型都依据三维场景可视化模拟的时长复制n份，并叠加显示；

将n个水流模型赋予同一纹理图片但纹理贴图的位置不同，若此区域水流模型的长度为1，则每两个面之间的纹理贴图位置差距为1/n；

依据纹理贴图位置的顺序实现n个水面模型的循环显示；

耦合各个区域水流模型的动态模拟结果。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多个纹理图片替换法包括如下子步骤：

每一场景下的水流模型分别赋予n张纹理图片；

若此区域水流模型的显示时长为t，则每两张纹理贴图赋予水流模型的时间间隔为t/n；

依据纹理贴图的时间顺序实现水流模型的渲染输出显示。