CN107944102A - 流域大尺度复杂河网的网格拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流域大尺度复杂河网的网格拼接方法，该方法能够实现大尺度流域复杂河网区域的网格自动拼接，减小地形复杂区域网格的生成难度，满足大尺度流域复杂河网区域的网格构建需求，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.识别流域河网水系，提取流域水系边界；步骤2.将干流和支流分开绘制，同一河段在河道比较顺滑的位置进行分段，干支流交汇处单独分区，相邻两段之间要有重叠区域；步骤3.根据流域内水系特征，设定各河段网格的数目和尺寸，分别绘制干流和支流各河段网格；步骤4.对网格进行二维编码；步骤5.将干支流交汇区T形网格划分为4段，使交汇节点的网格数尽可能少；步骤6：将划分之后的网格代替原来的T形网格进行整体的网格拼接。

Description

流域大尺度复杂河网的网格拼接方法

技术领域

本发明属于流体力学和环境模拟领域，具体涉及一种流域大尺度复杂河网的网格拼接方法。

技术背景

网格划分是计算流体力学中的关键技术之一，将结构进行离散化，从而得到有限单元及节点，是进行有限元数值模拟计算的前提。随着以有限元数值计算为基础的流体力学计算与水动力水质数学模型的不断发展和完善，环境问题的研究和业务化管理对大尺度流域高精度模拟计算的需求也不断增加。复杂的流场对网格的过渡、布点、质量都有着严格的要求，整个流场分析的成败和效率都与网格的质量密切相关。已有的规则网格绘制技术和软件，受限于计算机内存和硬件条件的限制，无法一次性完成大尺度流域全部网格的绘制。大尺度流域复杂的地形使得网格生成难度加大，对其数值模拟带来了很大的困难。因此，在绘制大尺度流域的网格时，常常选择网格分区绘制，在分区的基础上逐块生成网格，可以提高网格质量，减小地形复杂区域网格的生成难度。如何将分区绘制的网格拼接成整体，是大尺度流域数值模拟亟需解决的关键问题。

有限元网格生成方法是基于“调配函数”和“形状函数”两个概念，根据网格密度要求在参数空间的网格模板上生成一些规则单元，然后映射成实际空间的有限元网格。有限元网格所生成的网格质量较高，易于产生四边形网格，计算效率高。目前生成有限元结构化网格的方法和技术已经非常成熟，出现了一系列的商业软件，这些软件不仅能进行正交网格的绘制，还具有网格平滑、正交、删减等方法等可以用来对网格的质量进行检验或编辑。对计算区域进行分区，各区域网格生成时遵照网格生成的基本准则，保证疏密、过渡以及网格质量，保证网格分区与流场分区的一致性，然后再对各个区域独立生成网格。在复杂河网中，由于不同的河段沿着不同的方向延伸，也可以将不同河段进行分区绘制。位置相邻两个区域网格的网格必须保留严格重叠单元，以保证拼接网格空间位置连续。采用二维数组(i，j)对所绘制的网格进行连续编号，i沿主河道主流方向，j沿垂直主河道主流方向，各区域生成的网格均从i＝1，j＝1开始编号。这种方法通过i，j的大小，能方便的获知每个网格的上下左右的空间相邻关系，从而进行离散化空间求解。

如何将分区独立生成的网格拼接成整体，是实现大尺度流域复杂河网区域高精度模拟的一大挑战。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种流域大尺度复杂河网的网格拼接方法，该方法能够实现大尺度流域复杂河网区域的网格自动拼接，减小地形复杂区域网格的生成难度，满足大尺度流域复杂河网区域的网格构建需求。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种流域大尺度复杂河网的网格拼接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.流域水系识别

基于数字高程模型数据和实测地形数据，识别流域河网水系，提取流域水系边界；

步骤2.对流域水系进行分区

根据流域水系特征，将干流和支流分开绘制，同一河段在河道比较顺滑的位置进行分段，干支流交汇处单独分区，相邻两段之间要有重叠区域；

步骤3.确定流域网格生成方案

根据流域内水系特征，设定各河段网格的数目和尺寸，分别绘制干流和支流各河段网格；干支流交汇处先绘制干流河段网格，根据设置好的网格方案，将支流边界沿干流方向延长至超过干流，然后再绘制支流河段网格，删掉重复区域，使干支流交汇区网格呈T形；

步骤4.对网格进行二维编码

以二维数组(i,j)分别对分块网格进行二维编码，所绘制的网格信息包括网格编号、网格坐标(x,y)和网格河底高程(z)；

步骤5.划分干支流交汇区T形网格

将干支流交汇区T形网格划分为4段，分别为干流上游、干流下游、支流河段和交汇节点，使交汇节点的网格数尽可能少；

步骤6：将划分之后的网格代替原来的T形网格进行整体的网格拼接。

本发明提供的流域大尺度复杂河网的网格拼接方法，还可以具有以下特征：在步骤4中，干流河段网格编码方式为：以干流河道水流方向为i方向，以垂直干流河道水流方向并指向干流河道左岸为j方向，将干流河段上游边界右岸的网格为起始网格，并编码为(1,1)，分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码，沿i方向增加一个网格则i＝i+1，沿j方向增加一个网格则j＝j+1；

左岸支流河段网格编码方式为：以垂直支流河道水流方向为i方向，以逆着支流河道水流方向为j方向，以河道下游边界右岸网格为起始网格，并编码为(1,1)，分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码；

右岸支流河段网格编码方式为：以垂直支流河道水流方向为i方向，以顺着支流河道水流方向为j方向，以河道上游边界左岸网格为起始网格，并编码为(1,1)，分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码；

左岸支流入汇河段网格编码方式为：以干流河道水流方向为i方向，j方向垂直干流河道水流方向指向支流，以干流上游边界右岸的网格为起始网格，并编码为(1,1)，分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码；

右岸支流入汇河段网格编码方式为：以干流河道水流方向为i方向，j方向垂直干流河道水流方向指向干流河道左岸，以干流上游边界右岸的网格为i方向起始网格，编码为(1，j₁)；以支流上游边界左岸网格为j方向起始网格，编码为(i₁,1)，然后分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码。

本发明提供的流域大尺度复杂河网的网格拼接方法，还可以具有以下特征：在步骤6包含以下子步骤：

步骤6-1.去掉分区网格之间重叠的部分，使新得到的网格空间位置连续但不互相重叠；

步骤6-2.整体网格的二维化整编，获得整体网格的二维编码(I,J)，具体为：

沿着干流河道水流方向，以最上游干流河段的i＝1为起始边，整体编码I记为1，沿着i方向继续搜索，每跨过一条边，I增加1，直至干流河道最下游边界；

找到右岸支流河段网格原始二维编码中的j最大的河段，以该河段j＝1为起始边，整体编码J记为1，每跨过一条边，J增加1，直至左岸支流河段最上游边界；

步骤6-3.设置流域分区网格的方向类型，具体为：

大尺度流域河网复杂，在整体网格拼接时根据实际网格走向设置分区网格的方向，以I＝1为起点，将沿I正方向排列的分区网格方向设置为1，将沿J正方向排列的分区网格方向设置为2，将逆着I正方向排列的分区网格方向设置为3，将逆着J正方向排列的分区网格方向设置为4，节点的方向设置为5；

步骤6-4设置分区网格的相对位置类型，具体为：

干流网格的上游网格的相对位置为1，下游网格的相对位置为2；

左岸网格的上游网格的相对位置为4，下游网格的相对位置为3；

右岸网格的上游网格的相对位置为3，下游网格的相对位置为4。

发明的作用与效果

本发明基于二维规则网格绘制和编码方法，在现有网格绘制软件能完成的网格量绘制的基础之上，分段绘制二维网格；在网格绘制过程各段网格边界保证部分重合，使生成的网格各段之间保留重叠区；复杂河网地区支流河口部分保留部分干流河段，形成T形网格；通过划分T形网格，对二维网格进行二次整体编码，实现流域大尺度复杂对河网网格自动拼接技术；通过划分干支流交汇处T形网格，进一步提高网格拼接和模型计算的效率和精确性。

附图说明

图1为本发明实施例中流域大尺度复杂河网的网格拼接方法的流程图；

图2为本发明实施例中复杂河网分区绘制方案示意图；

图3为本发明实施例中分区绘制的二维规则网格图；

图4为本发明实施例中分区绘制的二维规则网格编码图；

图5为本发明实施例中T形网格划分图；

图6为本发明实施例中去掉分区网格之间重叠部分的操作示意图；

图7为本发明实施例中河段整体编码的操作示意图；

图8为本发明实施例中流域分区网格的方向类型示意图；

图9为本发明实施例中相邻分区网格的相对位置类型示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的流域大尺度复杂河网的网格拼接方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

如图1所示，本实施例所提供的流域大尺度复杂河网的网格拼接方法包括以下步骤：

步骤1：流域水系识别，基于DEM遥感影像数据和实测地形数据，根据高程范围提取流域水体范围和陆地边界。如图2所示，为三峡库区长江干流和5条主要支流嘉陵江、乌江、澎溪河、大宁河和香溪河。

步骤2：根据流域内水系特征，将整个河网水系划分为6段，如图2所示，干流从上游到下游依次编码为CJ_001～006，由于现有网格绘制技术和生成软件受限于计算机内存和硬件条件的限制，若无法一次性生成该段网格，则按CJ_001_001的方式进一步编码。支流分别从编码为JL_001,WJ_001,PX_001,DN_001,XX_001依次编码。

干流和支流分开绘制，同一河段在河道比较顺滑的位置进行分段，干支流交汇处单独分区，相邻两段之间要有重叠区域。

步骤3：考虑到流体力学计算与水动力水质数学模型计算的效率和精度，确定流域网格生成方案，设置各分块网格数目和尺寸，分别绘制分区网格，如下表1所示。

表1各分块垂直水流方向网格数目和尺寸

河段	长江	嘉陵江	乌江	澎溪河	大宁河	香溪河
							网格数	30	25	15	25	30	20
尺寸(m)	25-40	20-30	20-25	10-20	10-20	15-30

根据设定好的网格数目和尺寸，分别绘制干流和支流各河段网格；干支流交汇处先绘制干流河段网格，根据设置好的网格方案，将支流边界沿干流方向延长至超过干流，例如中乌江属于长江右岸的支流，则将乌江边界沿河口方向继续延伸超过干流(图3中虚线所示)，然后再绘制支流河段网格。删掉超过干流区域，使干支流交汇区网格呈T形。最后根据实际水系关系和地形，局部删补网格。以第二段水系为例，分区绘制好的网格如图3所示。

步骤4：以二维数组(i,j)分别对分块网格进行二维编码，见图4，所绘制的网格信息包括网格编号、网格坐标(x,y)和网格河底高程(z)。

干流河段网格编码方式为：以干流河道水流方向为i方向，以垂直干流河道水流方向并指向干流河道左岸为j方向，将干流河段上游边界右岸的网格为起始网格，并编码为(1,1)，分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码，沿i方向增加一个网格则i＝i+1，沿j方向增加一个网格则j＝j+1；

左岸支流河段网格编码方式为：以垂直支流河道水流方向为i方向，以逆着支流河道水流方向为j方向，以河道下游边界右岸网格为起始网格，并编码为(1,1)，分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码；

右岸支流河段网格编码方式为：以垂直支流河道水流方向为i方向，以顺着支流河道水流方向为j方向，以河道上游边界左岸网格为起始网格，并编码为(1,1)，分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码；

左岸支流入汇河段网格编码方式为：以干流河道水流方向为i方向，j方向垂直干流河道水流方向指向支流，以干流上游边界右岸的网格为起始网格，并编码为(1,1)，分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码；

右岸支流入汇河段网格编码方式为：以干流河道水流方向为i方向，j方向垂直干流河道水流方向指向干流河道左岸，以干流上游边界右岸的网格为i方向起始网格，编码为(1，j₁)；以支流上游边界左岸网格为j方向起始网格，编码为(i₁,1)，然后分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码；

河道左岸和右岸分别指沿着某一河道水流方向河道的左侧和右侧河岸。

步骤5：划分干支流交汇区T形网格，为了保证流域大尺度模拟计算的效率和精度，将干支流交汇区T形网格划分为4段，分别为干流上游、干流下游、支流河段和交汇节点，使交汇节点的网格数尽可能少，以保证模型计算效率。如图5所示，为长江与嘉陵江交汇区T形网格划分方案。

步骤6：将划分之后的网格代替原来的T形网格进行整体的网格拼接，本步骤进一步包括：

6-1.去掉分区网格之间重叠的部分，使新得到的网格空间位置连续但不互相重叠，见图6；

6-2.整体网格的二维化整编，获得整体网格的二维编码(I,J)，见图7：

沿着干流河道水流方向，以最上游干流河段的i＝1为起始边，整体编码I记为1，沿着i方向继续搜索，每跨过一条边，I增加1，直至干流河道最下游边界；

找到右岸支流河段网格原始二维编码中的j最大的河段，以该河段j＝1为起始边，整体编码J记为1，每跨过一条边，J增加1，直至左岸支流河段最上游边界；

6-3.设置流域分区网格的方向类型，见图8：

大尺度流域河网复杂，在整体网格拼接时根据实际网格走向设置分区网格的方向，以I＝1为起点，将沿I正方向排列的分区网格方向设置为1，将沿J正方向排列的分区网格方向设置为2，将逆着I正方向排列的分区网格方向设置为3，将逆着J正方向排列的分区网格方向设置为4，节点的方向设置为5；

6-4.设置分区网格的相对位置类型，见图9：

为保证网格拼接的精确性，与每块网格相邻的网格的相对位置方向也进行了规定，其中：

干流网格的上游网格的相对位置为1，下游网格的相对位置为2；

左岸网格的上游网格的相对位置为4，下游网格的相对位置为3；

右岸网格的上游网格的相对位置为3，下游网格的相对位置为4。

基于上述步骤，得到各河段位置关系表Table_Rnet。三峡库区河网规则网格分区绘制，并划分T形网格后，共得到120段网格。各河段网格分区编码、二维化整编得到的整体网格的二维编码(I,J)和位置关系表Table_Rnet,如下表2所示。表中分区编码为分段绘制网格独立编码，即每段网格都以二维数组(1,1)开始编码。整体编码是按照网格空间位置将整个河网网格进行二维化整编之后得到的新的编码。规定分区网格的方向类型，按照河网水系的自然流向将分区网格进行空间控制。此外，设置相邻分段网格的位置关系属性，并在相邻网格之间设置重叠网格线，保证网格拼接的精度。

表2-1各河段网格位置关系表一

表2-2各河段网格位置关系表二

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的流域大尺度复杂河网的网格拼接方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (3)

1.一种流域大尺度复杂河网的网格拼接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.流域水系识别

基于数字高程模型数据和实测地形数据，识别流域河网水系，提取流域水系边界；

步骤2.对流域水系进行分区

根据流域水系特征，将干流和支流分开绘制，同一河段在河道比较顺滑的位置进行分段，干支流交汇处单独分区，相邻两段之间要有重叠区域；

步骤3.确定流域网格生成方案

根据流域内水系特征，设定各河段网格的数目和尺寸，分别绘制干流和支流各河段网格；干支流交汇处先绘制干流河段网格，根据设置好的网格方案，将支流边界沿干流方向延长至超过干流，然后再绘制支流河段网格，删掉重复区域，使干支流交汇区网格呈T形；

步骤4.对网格进行二维编码

以二维数组(i,j)分别对分块网格进行二维编码，所绘制的网格信息包括网格编号、网格坐标(x,y)和网格河底高程(z)；

步骤5.划分干支流交汇区T形网格

将干支流交汇区T形网格划分为4段，分别为干流上游、干流下游、支流河段和交汇节点，使交汇节点的网格数尽可能少；

步骤6：将划分之后的网格代替原来的T形网格进行整体的网格拼接。

2.根据权利要求1所述的流域大尺度复杂河网的网格拼接方法，其特征在于：

其中，在步骤4中，干流河段网格编码方式为：以干流河道水流方向为i方向，以垂直干流河道水流方向并指向干流河道左岸为j方向，将干流河段上游边界右岸的网格为起始网格，并编码为(1,1)，分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码，沿i方向增加一个网格则i＝i+1，沿j方向增加一个网格则j＝j+1；

左岸支流河段网格编码方式为：以垂直支流河道水流方向为i方向，以逆着支流河道水流方向为j方向，以河道下游边界右岸网格为起始网格，并编码为(1,1)，分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码；

右岸支流河段网格编码方式为：以垂直支流河道水流方向为i方向，以顺着支流河道水流方向为j方向，以河道上游边界左岸网格为起始网格，并编码为(1,1)，分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码；

左岸支流入汇河段网格编码方式为：以干流河道水流方向为i方向，j方向垂直干流河道水流方向指向支流，以干流上游边界右岸的网格为起始网格，并编码为(1,1)，分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码；

右岸支流入汇河段网格编码方式为：以干流河道水流方向为i方向，j方向垂直干流河道水流方向指向干流河道左岸，以干流上游边界右岸的网格为i方向起始网格，编码为(1，j₁)；以支流上游边界左岸网格为j方向起始网格，编码为(i₁,1)，然后分别沿i,j方向对其余网格一次进行连续编码。

3.根据权利要求1所述的流域大尺度复杂河网的网格拼接方法，其特征在于：

其中，在步骤6包含以下子步骤：

步骤6-1.去掉分区网格之间重叠的部分，使新得到的网格空间位置连续但不互相重叠；

步骤6-2.整体网格的二维化整编，获得整体网格的二维编码(I,J)，具体为：

沿着干流河道水流方向，以最上游干流河段的i＝1为起始边，整体编码I记为1，沿着i方向继续搜索，每跨过一条边，I增加1，直至干流河道最下游边界；

找到右岸支流河段网格原始二维编码中的j最大的河段，以该河段j＝1为起始边，整体编码J记为1，每跨过一条边，J增加1，直至左岸支流河段最上游边界；

步骤6-3.设置流域分区网格的方向类型，具体为：

大尺度流域河网复杂，在整体网格拼接时根据实际网格走向设置分区网格的方向，以I＝1为起点，将沿I正方向排列的分区网格方向设置为1，将沿J正方向排列的分区网格方向设置为2，将逆着I正方向排列的分区网格方向设置为3，将逆着J正方向排列的分区网格方向设置为4，节点的方向设置为5；

步骤6-4设置分区网格的相对位置类型，具体为：

干流网格的上游网格的相对位置为1，下游网格的相对位置为2；

左岸网格的上游网格的相对位置为4，下游网格的相对位置为3；

右岸网格的上游网格的相对位置为3，下游网格的相对位置为4。