CN107133427A - 一种基于2dgis平台的洪水分析模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法，包括：建立2DGIS平台，获取目标区域的GIS基础空间数据；建立洪水分析模型，并得到在目标区域建立洪水分析模型的所需的模拟数据；将目标区域的GIS基础空间数据转换为矢量数据，并导入至2DGIS平台中平面地图的相应位置进行标绘，在平面地图上加载显示该数据；通过洪水分析模型的计算、分析、编辑及可视化展示，基于平面地图，实现影像数据的无级缩放和漫游浏览，支持对通用矢量数据的加载显示，并以图层化的方式管理。本发明基于自主研发的GIS平台，可以方便快捷的将水利、市政等行业的业务数据与GIS基础空间数据相结合，进行导入、展示和处理分析。

Description

一种基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法

技术领域

本发明涉及洪水分析技术领域，特别涉及一种基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法。

背景技术

作为洪水风险图编制的重要工具，洪水分析软件一直是国外商业软件占据主导地位。我国是一个水利大国，在水利领域的很多方面都取得了举世瞩目的成就，但是我们国内并没有形成一个自己的国产洪水分析软件品牌。山洪和城市洪涝目前仍是对人民生命财产威胁巨大的灾害事件，如何利用自身的洪水分析方法实现对洪水的可靠分析是当前需要解决的技术问题。

由于洪水分析需要基于地域地理信息，离不开GIS数据，如何将GIS数据和建立的各类洪水分析模型进行结合，形成可视化分析平台，是当前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法，包括如下步骤：

步骤S1，建立2DGIS平台，获取目标区域的GIS基础空间数据；

步骤S2，建立洪水分析模型，并得到在目标区域建立洪水分析模型所需的模拟数据，其中，所述，洪水分析模型包括：一维河网模型、地表二维模型、城市管网模型、一二维耦合模型、二维管网耦合模型；

步骤S3，将目标区域的GIS基础空间数据转换为矢量数据，并导入至所述2DGIS平台中平面地图的相应位置进行标绘，在平面地图上加载显示该数据；

步骤S4，通过洪水分析模型的计算、分析、编辑及可视化展示，基于平面地图，实现影像数据的无级缩放和漫游浏览，支持对通用矢量数据的加载显示，并以图层化的方式管理。

进一步，采用DirectX渲染引擎进行可视化展示。

进一步，在所述步骤S3中，GIS数据用于导入各类矢量数据，将上述数据作为基础的地理底图数据，用于背景信息展示。

进一步，所述2DGIS平台设置由影像瓦片数据集，用于加载各类在线、离线数据，作为基础的地理底图数据，用于背景信息展示。

进一步，所述影像数据类型包括离线数据、谷歌在线地图、ArcGIS在线地图、必应在线地图，在线地图层级参数中可设置数据最小层级和数据最大层级，通过数据存储路径加载在线地图，在离线地图参数中通过配置文件路径加载离线地图。

进一步，所述2DGIS平台提供基本GIS功能包括：导入导出shape数据、批量编辑、标注属性、图层属性、编辑图层、高亮定位、缩放到屏幕、清空要素。

进一步，所述一维河网模型用于模拟河网的水流和涉水建筑物情况；所述城市管网模型用于模拟城市管网的水流情况；所述地表二维模型用于对待分析的编制范围及控制线内的区域进行网格剖分，根据该区域的地形进行网格插值及网格属性赋值，并模拟河道外的地表水流情况；所述一二维耦合模型用于模拟针对河道内外的地表一二维模型耦合；所述二维管网耦合模型用于模拟针对城市地表地下的一二维模型耦合。

根据本发明实施例的基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法，具有以下有益效果：

1、基于自主研发的GIS平台，不依赖任何第三方商业平台，可以方便快捷的将水利市政等行业的业务数据与GIS基础空间数据相结合，进行导入、展示和处理分析；

2、采用DirectX图形渲染技术，支持GPU加速进行快速渲染；

3、支持大数量级基础影像数据、矢量数据的加载，能够快速响应各种地图操作；

4、采用面向对象的方式一体化管理模型要素和计算方案；

5、提供良好的扩展性，为各种不同模型分析的扩充打下良好的基础；

6、提供通用的模型计算分析接口，整合模型数据管理与分析应用功能；

7、根据不同的应用需求的可以实现快速软件定制。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或可通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法的流程图；

图2根据本发明实施例的基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法的架构图；

图3根据本发明实施例的加载GIS数据影像效果图；

图4根据本发明实施例的导入Shape数据界面的示意图；

图5根据本发明实施例的导入Shape数据的子汇水区效果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明是以2DGIS平台为基础框架，运用DirectX渲染技术将水利行业的业务数据与GIS基础空间数据相结合，通过模型的计算、分析、编辑及可视化展示建立的一套能应用于洪水分析专业模型平台。基于平面地图，实现影像数据的无级缩放和漫游浏览，支持对通用矢量数据的加载显示，并以图层化的方式管理，系统提供基本的矢量数据的标绘功能。

如图1所示，本发明实施例的基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法，包括如下步骤：

步骤S1，建立2DGIS平台，获取目标区域的GIS基础空间数据。

步骤S2，建立洪水分析模型，并得到目标区域的洪水分析模型的模拟数据，其中，所述，洪水分析模型包括：一维河网模型、地表二维模型、城市管网模型、一二维耦合模型、二维管网耦合模型，参考图2。

具体地，所述一维河网模型用于模拟河网的水流和涉水建筑物情况；所述城市管网模型用于模拟城市管网的水流情况；所述地表二维模型用于对待分析的编制范围及控制线内的区域进行网格剖分，根据该区域的地形进行网格插值及网格属性赋值，并模拟河道外的地表水流情况；所述一二维耦合模型用于模拟针对河道内外的地表一二维模型耦合；所述二维管网耦合模型用于模拟针对城市地表地下的一二维模型耦合。

1、构建一维河网模型，包括：

采用圣维南方程作为控制方程，模拟河道水流在河道中主要关心的是水流的断面流量及水位，其中，圣维南方程如下：

q为旁侧入流，Q、A、B、Z分别为河道断面流量、过水面积、河宽和水位，V_X为旁侧入流流速在水流方向上的分量，一般可以近似为零，K为流量模数，反映河道的实际过流能力，α为动量校正系数，是反映河道断面流速分布均匀性的系数。当河道只有一个主槽时，α＝1.0，当河道有若干个主槽和滩地时，在主槽和滩地摩阻比降相等的假定下，可得n为主槽和滩地的分块个数，A_i、K_i为第i分块的过水面积与流量模数，A、K为断面总的过水面积与流量模数；所以α是断面位置及水位的函数，α值也像河道断面资料(河宽、过水面积一样)，可以先整理成α＝α(x，z)作为基本原始资料。对任一由断面i与断面i+1组成的河段，采用四点线性隐式差分格式进行数值离散，得任一河段的差分方程为：

以首节点水位和末节点水位为自由变量，采用三系数追赶法消去中间断面的水位和流量，最后得到首、末断面的流量与首、末节点水位关系的两个方程，即首、末断面流量表示成首、末节点水位的线性关系。

这两个方程形式如下：

其中：Z_(I)为首节点水位，Z_(J)为末节点水位，即首、末断面流量表达为首、末节点水位的线性组合。

依次由后向前把本断面流量表达成本断面水位和末节点水位的线性函数，递推公式如下：

Q_i＝α_i+β_iZ_i+ξ_iZ_(J) (4)

i＝L₂-2,L₂-3,...,L₁

同理从第一河段开始，设法把断面流量表达成本断面水位和首节点水位的线性函数：

Q_i＝θ_i+η_iZ_i+γ_iZ_(I) (5)

i＝L₁+2,L₁+3,...,L₂

因此，由上述递推公式可以得到式。在计算递推式时需要保存六个追赶系数α、β、ζ、θ、η和γ。一旦首、末节点水位求得后，利用式(4)和(5)对同一断面的流量有：

联立求解得：

求得Z_i后，代入到(3)式中即可得Q_i。

过水建筑物的水流模拟河道水流与湖泊内的水流运动，通过堰闸泵等工程筑物设施相连接，在本模型中形象地称其为“联系”；对于联系主要关心其过流流量的大小，根据过水建筑物的类别采用相应的水动力学方法模拟。具体地，设置各类涉水建筑物作为联系要素，模拟涉水建筑物的过流水量。

该特征单元为汇流型单元，主要包括闸、坝、水库、行蓄洪区口门等水工建筑物。该类型单元主要是影响水流的汇流过程，人类通过该类型单元来进行防洪调度、水资源调度。该单元的模拟模型主要是模拟其过水流量过程，下面以典型的宽顶堰为例说明。

宽顶堰上的水流可分为自由出流、淹没出流两种流态，不同流态采用不同的计算公式：

当出流为自由出流时：

当出流为淹没出流时：

式中：B为堰宽，Z_d为堰顶高程，Z_I为堰上节点水位，Z_J为堰下节点水位，H₀＝Z_I-Z_d，h_s＝Z_J-Z_d，m为自由出流系数，一般取0.325—0.385之间。为淹没出流系数，理论最大值为1.0，一般取小于1.0的数。

对自由出流流态，公式离散可得：

Q＝δ_Z1Z_I+β_Z1 (10)

对淹没出流流态，公式离散后得：

Q＝δ_Z2(Z_I-Z_J) (11)

式中：δ_Z1、δ_Z2、β_Z1为与Z_I、Z_J有关的系数，一般常采用时段初水位来计算；有时为了提高计算精度，可采用迭代法计算δ_Z1、δ_Z2、β_Z1。

湖泊水流模拟在湖泊内不考虑其水流输运作用，只关心水位的高低，因而在其内只需满足水量平衡方程，采用零维模拟。采用水量平衡方程，零维模拟湖泊水流的水位，其中，水量平衡方程为：

A(z)为节点调蓄面积，∑Q为包括降雨产汇流、河道出入流在内的所有出入节点的流量，Z为水位。

工况控制条件的模拟在流域内部一般有若干工程设施组成的一套防洪控制体系，它们的运行均遵循一定的控制调度原则。这些控制调度使系统的运行具有很大的复杂性，如多个工程启用时间、先后顺序均随着水流情况的不同而不同。在某些特殊情况下(如实时调度控制)，预先设定的调度原则难以满足实际要求，需要交互式地实时动态调整；这种复杂动态的控制条件，采用传统的方法无法实现模拟，需专门研制新的控制模拟方式—工程控制运行方式的数值模拟。

采用控制条件模拟水力工程建筑对水流运动的影响：

控制条件模型要素需要作用于堰、闸、泵等水利工程对水流运动进行控制影响。控制条件方式分为：增量控制和Gate控制两种方式。

一、增量控制方式：增量控制将水利工程(堰、闸、泵、口门)的模拟分成三个部分：工程的启用条件、工程开启过程、控制工程。

工程启用条件主要有：水位控制、流量控制、水位流量统计值控制等；

工程开启过程主要有：开启度增量、开启度相对值等；

控制工程：将工程启用条件和开启过程组合，添加到具体的工程形成一个完整的增量控制条件。

二、Gate控制方式：主要适用于平原河网地区，在同一位置闸泵共存，需要联合调度的情况。当满足条件泵站启用时，泵站内外会形成很大的水头差，闸门如果同时也是开启就会倒灌，这种情况下闸门必须关闭。采用Gate控制方式系统会自动完成这一过程的模拟。

Gate控制方式采用控制条件表格组成决策树实现，一个控制条件可以同时实现对多个工程的控制。

边界模拟河网区域的边界主要有：区域产水、上游来水以及下游潮位过程，在模型里体现为流量或水位过程，用边界条件来模拟。对于河网水动力模型的边界条件主要有两类：水位边界条件和流量边界条件，由水文站和边界所在的河道断面构成。

一维河网、联系及零维之间的耦合，实际上是各单元交界面上的水量交换问题。反映水流运动的一个重要参数是水位，水位的高低可以直观地反映水流运行的情况，从公式(3)等可见，水位知道后相应的流量等其它水力要素均相应计算出来。从公式中可见河网、联系及零维调蓄的节点的水量平衡方程均相同，因此可将河网节点及零维调蓄单元的节点统称之为水位节点，其相应的水量平衡方程称为节点水位方程，将边界条件代入到相应的节点水位方程中可以得到节点水位线性完备的代数方程组，对节点水位方程采用直接或迭代解法解出所有节点的水位过程，然后回代求解出河道断面水位流量等水力要素。从中可看出建立节点水位方程是耦合模型的关键，节点水位求出后所有面上其它水力要素就很快解出。

此外，为了扩大河网计算引擎的适用范围，在一维河网模型中又引入了基于有限体积法的Godunov格式来处理流态过度的问题，该格式可以很好的处理水面大梯度流动和流态过度的情况。

2、构建一维管网模型，包括：

(1)建立控制方程

控制方程分为连续方程和动量方程：

连续方程：

式中：Q为流量，m³/s；A为过水断面面积，m²；t为时间，s；x为距离，m。

动量方程：

式中：H为水深，m；g为重力加速度，取9.8m/s2；S_f为摩阻坡度，由曼宁公式求得：

式中：K＝gn²，n为管道的曼宁系数；R为过水断面的水力半径，m；V为流速，绝对值表示摩擦阻力方向与水流方向相反，m/s。

假设v表示平均流速，将代入对流加速度项可得以下方程：

将Q＝Av代入连续方程，方程两边再同时乘以v，移项得方程：

将方程代入动量方程得方程：

忽略S₀项，将上述两个方程联立，依次求解各时段内每个管道的流量和每个节点的水头，有限差分格式如下：

式中：下标1和2分别表示管道或渠道的上下节点；L为管道长度，m。

求得Q_t+Δt：

式中：分别为t时刻的管道末端的加权平均值。

此外，为考虑管道的进出口水头损失，可以从H₂和H₁中减去水头损失。主要未知量为Q_t+Δt、H₂、H₁、A₂、A₁，变量都与Q、H有关系。因此，还需要有Q和H有关的方程，可以从节点方程得到。

(2)建立节点控制方程，管网和渠道的节点控制方程为：

H为节点水头；Q_t为进出节点的流量；A_sk为节点的自由表面积；

化为有限差分格式为：

求得Δt时段内每个连接段的流量和每个节点的水头。

3、二维洪水模拟模型系统采用Godunov算法进行数值计算，其中Riemann问题采用Roe格式的近似Riemann解进行计算，底坡源项采用特征分级离散，保证模型的守恒性，阻力源项采用隐式离散提高模型的稳定性，采用MUSCL空间重构和预测矫正法使得模型具有时间和空间二阶精度。

洪水演进的计算区域复杂，可能具有各种涉水构筑物，构筑物及其周边的水流不再符合浅水流动，因而无法采用浅水模型进行模拟计算，通常称其为内部边界条件。二维洪水模型对于内部边界条件的处理是其计算难点之一。涉水构筑物的过水能力多进行过大量的研究，通常具有一些成熟的理论或经验公式，本发明结合经验公式和模型的数值解法，通过通量概化计算方法，给出连接涉水构筑物的计算网格边的通量，该通量计算方法既能够保证模型的和谐稳定性，又能够精确计算通过建筑的流量通量和近似计算动量通量。

在步骤S2中，构建二维水动力模型，包括：

建立二维浅水方程，进行空间离散化处理，采用Godunov算法进行数值计算，方程中的底坡源项采用特征分级离散，阻力源项采用隐式离散，采用MUSCL空间重构和预测矫正法使得模型具有时间和空间二阶精度；

采用通量概化计算方法，给出连接涉水构筑物的计算网格边的通量。

水深平均的二维浅水方程可以简写为

式中，h为水深；u为x方向的流速；v为y方向的流速；s_x，s_y为源项，表达式为，

式中，p_a为水面大气压力；z_b为床面底高程；τ_ax，τ_ay为风载的作用力，表达式为，

式中，ρ_a为空气密度；为水面以上10m处的风速；C_Ds为拖曳系数。

c_x，c_y为地转科氏力，其在北半球表达式为，

式中，f为科氏系数，为地球的转动角速度，为纬度。

τ_bx，τ_by为河底阻力，表达式为，

式中，n为糙率。

写为向量形式为，

U_t+E(U)_x+H(U)_y＝S₀+S (30)

式中，(·)_t，(·)_x，(·)_y分别为对时间，空间平面x，y方向的偏导数，

在对上述的微分方程进行数值离散时，需要确定变量在计算网格中的位置。根据不同的变量位置的定义将计算网格称为Arakawa A-E网格。其中所有变量都定义在单元中心或节点的网格称为Arakawa A。在采用Godunov法离散时，变量定义在单元中心Arakawa A网格，也称作CC(Cell Center)网格，较为常用。

方程可以改写为

式中F＝(E,H)。将上述方程在单元V_i上积分

定义U_i为单元的平均值，存储在单元的中心，即

利用高斯定理把面积分转变为线积分，即

式中，ΔV_i为单元i的面积；为单元的边界；n＝(n_x,n_y)为单元边界的外法线方向，

式中，l_j(i,l)为边j的长度；F_n＝F·n＝En_x+Hn_y为通过第单元i的第j边的数值通量。目前有许多通量F_n的计算方法，也就构成了众多的数值格式。这里将重点介绍采用近似Riemann解计算通量F_n。

二维浅水方程有一个重要的性质，即为旋转不变性。利用这一性质将界面通量计算转换为求解一维Riemann问题，即

式中，

利用了矩阵T以下性质

T^-1＝T^T (40)

定义是一个局部坐标系统，中心在边的中点，为边的外法向方向，为边的方向，即为正交的坐标系。在局部坐标系中的方向速度方向速度分别为，

在此局部坐标系下，二维齐次浅水方程变为一维问题，即为，

式中，为在局部坐标系中的变量。

通量的Jacobian矩阵A为

式中，为波速。

根据矩阵理论，矩阵A可以分解为

A＝RΛR^-1 (44)

其中，矩阵R＝[r¹,r²,r³]为

Λ为特征矩阵

其中，λ¹＝un_x+vn_y+cn_y；λ²＝un_x+vn_y；λ³＝un_x+vn_y-cn_y为特征值。特征值反映了特征变量的传播速度和方向，因而可以根据特征值的方向将特征矩阵分解为Λ＝Λ⁺+Λ^-，其中

相应的矩阵A可以分解为

A＝A⁺+A^- (54) (48)

A⁺＝RΛ⁺R^-1 (55)

A^-＝RΛ^-R^-1 (56)

数值通量为

变量在单元内常数或线性分布的近似下，在单元的边上就构成了一维的Riemann问题，即为，

通过求解该Riemann问题，计算出界面上状态变量值带入方程，就可以得到界面通量

近似Riemann解的计算，首先是将方程(42)线性化

其中，为由和的某种平均值。这里介绍Roe格式近似Riemann解计算数值通量。

Roe格式要求具有所谓的U特性，即：

①相容性，即

②双曲性，和A一样有实数特征值；

③具有

满足U特性的流速和波速为，

将Roe平均的可以得到Roe格式数值通量

式中，

将沿右特征向量方向进行特征分解，

式中，其中

式中Δ()＝()_R-()_L。

得到界面数值通量的计算式

为获得和谐、稳定、守恒的计算结果，底坡源项S₀的离散非常重要，目前有很多的学者对源项的离散方法进行了研究。

底坡和孔隙率源项S₀是水深和底高程的函数，在界面上的间断为，

积分S₀可以得到

将沿着特征方向和进行分解

γ₂＝0 (71)

将根据特征矩阵Λ分解为作用于左侧单元和右侧单元的源项

式中，I单位对角矩阵；sign()为符号函数。

离散模型能否保持静水的静止状态，表明了模型是否具有C(conservation)特性。

在静止的水中

如果保持水流为静止状态，需要满足的条件之一是界面上的流量通量为0，即

式中，下标C表示通量中的连续方程分量。。

摩擦阻力源项等其它的源项对格式的稳定性也起着重要的作用，为增加格式的稳定性对除底坡源项以外的其它源项进行半隐式离散。用系数来衡量n+1时刻源项的影响系数，1-θ来衡量n时刻的影响系数，源项为

式中，Δt为时间步长，θ＝0时为完全显式，θ＝1时为完全隐式，令

离散为

4、地表一二维耦合可以分为两种连接：

侧向连接：水流从河道两岸流向二维区域或者从二维模型计算区域经由两岸流入河道，包括：

设某时刻河道与二维区域通过侧向交换的方式交换的流量为Q_l，采用堰流公式近似计算交换流量的方法如下：

式中：h_max和h_min分别采用下式计算：

h_max＝max(Z_r,Z_c)-Z_e

h_min＝min(Z_r,Z_c)-Z_e (67)

式中：Z_r和Z_c为堰上下游水位，分别取河道和二维网格单元的水位值；Z_e为堰的高程，一般取河堤岸的高程；b_e为堰的宽度，一般取单元格与河道相连边的边长；

在计算交换水量时，通常以二维区域中与河道相连的网格为单位分别进行计算。Z_c为与河道相连单元的水位，Z_r为单元格对应位置河道的水位，通过该单元处河道上下游断面水位进行插值得到，根据不同的水位组合，存在如下四种情况：(1)Z_c和Z_r均小于Z_e，则不计算交换水量，即Q_l＝0；(2)Z_c＞Z_r且max(Z_c,Z_r)＞Z_e，则水流从二维单元流向河道；(3)Z_c＜Z_r且max(Z_c,Z_r)＞Z_e，则水流从河道流向二维单元；(4)Z_c＝Z_r＞Z_e，此时依旧有水流交换，但是需要根据二维单元的流速方向来判定水流是流出还是流入。

正向连接：水流通过河道两端与二维计算区域进行水流交换，包括：

第一步：一维河网模型为二维模型提供流量边界，将河道与二维区域相连的那一端的断面流量作为边界条件提供给二维模型，即：

式中：为河道与二维区域连接断面的流量；M为二维区域与河道连接的单元边数目；l_k为单元边的边长；q_k为单元边的单宽流量；

第二步：根据给定的边界条件，二维模型从当前时间步更新至下一时间步；

第三步：二维模型为一维河网模型提供水位边界条件，根据二维模型更新后的单元值，将与河道相连单元的水位作为边界提供给一维模型作为边界条件：

式中：为河道下一时间步的水位边界条件；为更新后的单元水位值；L为垂向连接边界的总长度。

在步骤S3中，通过计算交换水量进行城市地表地下的一二维模型耦合，交换水量采用下列公式进行计算：

式中：H_surface为地面水头，H_node为排水管道水头，M为流量系数，H_g为地表高程。

5、二维管网耦合模型

目前地表洪水模型与地下管网模型的耦合通常做法是计算交换水量，然后代入各自模型中计算，更新到下一步，交换水量采用下列公式进行计算：

式中：H_surface为地面水头，H_node为排水管道水头，M为流量系数，H_g为地表高程。

交换水量计算后，需要作两方面的校核：(1)由于一个网格单元可能对应很多个管网节点，需要以二维网格单元为单位校核拟交换水量是否超过单元现有总水量，即可能出现二维网格单元中总水量不够，无法满足当前与众多管网节点计算的交换流量，出现这种情况，需要按比例减少交换水量；(2)由于交换水量是根据当前步结果显式计算的，未考虑下一时段网格单元以及管道的来水量，可能会出现交换流量过大的情况。若上一时间步二维网格与管网节点之间水流交换方向为网格单元流入管网节点，而上一步计算完成后，该节点出现溢流，说明上一步交换水量过多，需要当前步中将网格单元的水量增加该溢流值，以满足水量平衡。

根据本发明实施例的基于空间拓扑的一二维水动力学耦合方法，具有以下有益效果：

1D河网模型既能处理上千条河网以及防洪工程调度控制，同时扩展有限体积方法河网计算引擎，能适应山区陡坡河道(网)模拟；

2D模型能够计算大的水面间断，能够捕捉激波；考虑孔隙率，使用高精度网格考虑房屋等影响；

与SWMM城市排水系统管网模型紧密集成，集成强大河网/管网一维显式计算引擎；

强大的网格剖分引擎，采用区域分解法Looping和铺路法Paving，直接生成不规则四边形网格；

完善的耦合模式(侧向、正向、垂向耦合模式)，适应不同洪水耦合计算需求；

灵活的一二维耦合概化模式，能很好地解决小河流、街道行洪的概化处理。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

由此可以用于模拟中小河流、蓄滞洪区、防洪保护区、城市(暴雨内涝—排水系统)，包括一维河网模型、地表二维模型、城市管网模型、一二维耦合模型、二维管网耦合模型5个模块，能够满足各类数据处理、模型计算、结果展示与输出等工作的需要。

步骤S3，将目标区域的GIS基础空间数据转换为矢量数据，并导入至所述2DGIS平台中平面地图的相应位置进行标绘，在平面地图上加载显示该数据。GIS数据用于导入各类矢量数据，将上述数据作为基础的地理底图数据，用于背景信息展示。

在本发明的一个实施例中，采用DirectX渲染引擎进行可视化展示。

步骤S4，通过洪水分析模型的计算、分析、编辑及可视化展示，基于平面地图，实现影像数据的无级缩放和漫游浏览，支持对通用矢量数据的加载显示，并以图层化的方式管理。

所述2DGIS平台设置由影像瓦片数据集，用于加载各类在线、离线数据，作为基础的地理底图数据，用于背景信息展示。

如图3所示，所述影像数据类型包括离线数据、谷歌在线地图、ArcGIS在线地图、必应在线地图，在线地图层级参数中可设置数据最小层级和数据最大层级，通过数据存储路径加载在线地图，在离线地图参数中通过配置文件路径加载离线地图。

本发明内置统一的数据管理，将遥感影像实现无缝链接和交换，将专业的影像数据处理和分析成果集成到系统环境中，在系统中管理GIS空间数据、遥感数据和发布共享等工作，形成一个遥感与GIS一体化集成系统。

进一步，本发明所采用独立研发的GIS平台。为一款轻量级的二维GIS平台，提供桌面GIS软件、C/S结构GIS开发框架，系统在.net框架下开发运行，采用C/S架构，根据多源空间数据的承载需求采用接口化模块设计，采用DirectX渲染引擎进行统一的可视化表达。GIS引擎层，提供数据IO接口模块、图形渲染模块、任务管理模块、人机交互接口，基础空间元数据的接口描述模块等；基于GIS引擎的二维平面地图场景可视化平台，包括栅格数据管理模块，矢量数据管理模块，地图显示交互模块。

2DGIS平台提供基本GIS功能包括：导入导出shape数据、批量编辑、标注属性、图层属性、编辑图层、高亮定位、缩放到屏幕、清空要素。

1导入导出Shape数据

参考图4和图5，通过导入Shape数据来完成河段、零维要素、子汇水区、管段、节点、雨量站等模型要素的创建，以导入子汇水区为例说明导入Shape数据的操作方法，右键【子汇水区】，点击【导入Shape】，弹出导入Shape-子汇水区对话框，选择要导入的Shape格式子汇水区数据，匹配对应字段，点击【确定】，完成子汇水区的设置。点击【导出Shape】设置文件名及存放路径，即可将管网数据导出为Shape数据。

2批量编辑

对河段、零维要素、联系要素、子汇水区、管段、节点、单元、边元等模型要素进行批量编辑。批量编辑即对参数进行批量设置。以城市管网子汇水区批量编辑为例说明批量编辑的操作。可导入.csv、.xls、.xlsx、.shp格式的属性数据设置参数。将当前参数导出为Excel文件。软件字段计算器支持函数和条件语句查询语句设置参数。计算字段有字符串和数值形式两种类型，对象名称、描述信息、雨量站、出水口为字符串，面积、排干时间、宽度、坡度、不渗透性等为数值形式。数据查询可筛选出符合查询条件的子汇水区，例如【面积】＞0.2m²。

3标注属性

标注属性功能可实现模型要素的标注功能，点击标注颜色、标注字体栏可实现颜色和字体的自定义设置，设置标注颜色及标注字体。

4图层属性

图层属性中可查看并编辑相应图层的属性，下图以系统基本属性对话框，点击相应的行即可对属性进行编辑。

5编辑图层

编辑图层可对图层形状进行编辑，此功能可运用于一维河网中零维要素、联系要素、管网中的子汇水区、节点、雨量站、扩展工具GIS数据管理等模型要素。以子汇水区为例说明该功能操作，在地图显示区域选择需要编辑的子汇水区，显示该子汇水区各节点，鼠标拖拽节点即可编辑多边形形状。

6高亮定位

高亮定位可将鼠标定位至该区域。

7缩放到屏幕

缩放到屏幕可将相应的模型要素缩放至屏幕中心。

8清空要素

清空要素可清除相应的模型要素。

本发明采用C/S体系结构，基于WebGIS技术的网络浏览器应用模式和可视化的空间图形操作界面，提供直观、清晰、方便、灵活的系统操作和控制环境。

水风险图实时分析系统基于GIS技术和水动力模型计算方法进行开发，主要具有以下几个特点：

1)将实时雨水情信息查询、洪水预报、工程调度、风险分析等模块有机地整合在一起，满足领导决策层、业务处理层等不同用户群体的业务化响应功能集成。

2)将分区滞洪、河道上游来水预报、水利工程调度等多种因素统筹考虑，实现了防洪管理的可视化、交互式的实时或准实时辅助决策能力。

3)基于GIS技术，优化设计了降雨空间分析，洪水动态展示、不同情景设置等功能，增强了系统的实时性、便捷性和可视效果。

根据本发明实施例的基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法，具有以下有益效果：

1、基于自主研发的GIS平台，不依赖任何第三方商业平台，可以方便快捷的将水利市政等行业的业务数据与GIS基础空间数据相结合，进行导入、展示和处理分析；

2、采用DirectX图形渲染技术，支持GPU加速进行快速渲染。

3、支持大数量级基础影像数据、矢量数据的加载，能够快速响应各种地图操作。

4、采用面向对象的方式一体化管理模型要素和计算方案；

5、提供良好的扩展性，为各种不同模型分析的扩充打下良好的基础；

6、提供通用的模型计算分析接口，整合模型数据管理与分析应用功能；

7、根据不同的应用需求的可以实现快速软件定制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (7)

1.一种基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，建立2DGIS平台，获取目标区域的GIS基础空间数据；

步骤S2，建立洪水分析模型，并得到在目标区域建立洪水分析模型所需的模拟数据，其中，所述，洪水分析模型包括：一维河网模型、地表二维模型、城市管网模型、一二维耦合模型、二维管网耦合模型；

步骤S3，将目标区域的GIS基础空间数据转换为矢量数据，并导入至所述2DGIS平台中平面地图的相应位置进行标绘，在平面地图上加载显示该数据；

步骤S4，通过洪水分析模型的计算、分析、编辑及可视化展示，基于平面地图，实现影像数据的无级缩放和漫游浏览，支持对通用矢量数据的加载显示，并以图层化的方式管理。

2.如权利要求1所述的基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法，其特征在于，采用DirectX渲染引擎进行可视化展示。

3.如权利要求1所述的基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法，其特征在于，在所述步骤S3中，GIS数据用于导入各类矢量数据，将上述数据作为基础的地理底图数据，用于背景信息展示。

4.如权利要求1所述的基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法，其特征在于，所述2DGIS平台实现影像瓦片数据的浏览，加载各类在线、离线数据，作为基础的地理底图数据，用于背景信息展示。

5.如权利要求1所述的基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法，其特征在于，所述影像数据的类型包括离线数据、谷歌在线地图、ArcGIS在线地图、必应在线地图，在线地图层级参数中可设置数据最小层级和数据最大层级，通过数据存储路径加载在线地图，在离线地图参数中通过配置文件路径加载离线地图。

6.如权利要求1所述的基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法，其特征在于，所述2DGIS平台提供基本GIS功能包括：导入导出shape数据、批量编辑、标注属性、图层属性、编辑图层、高亮定位、缩放到屏幕、清空要素。

7.如权利要求1所述的基于2DGIS平台的洪水分析模型的构建方法，其特征在于，所述一维河网模型用于模拟河网的水流和涉水建筑物情况；所述城市管网模型用于模拟城市管网的水流情况；所述地表二维模型用于对待分析的编制范围及控制线内的区域进行网格剖分，根据该区域的地形进行网格插值及网格属性赋值，并模拟河道外的地表水流情况；所述一二维耦合模型用于模拟针对河道内外的地表一二维模型耦合；所述二维管网耦合模型用于模拟针对城市地表地下的一二维模型耦合。