CN108062453A - 水利信息化系统洪水高效模拟与高逼真可视化动态展示方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开了一种水利信息化系统洪水高效模拟与高逼真可视化动态展示方法，基于地理信息平台ArcGis和洪水建模平台MIKE，利用一维水动力学模型基本资料和计算结果进行二维洪水动态展示：1、二维网格制作；2、网格地形插值；3、各时刻网格水深插值；4、结果时态数据制作；5、洪水动态展示。发明优点在于实现一维水动力学模型能够像二维模型一样，高逼真动态展示洪水在河道内的淹没演进过程，充分发挥一维水动力学模型计算高效和二维水动力学模型展示效果好的优势；以此开发的洪水在线模拟系统，既能够实时高效完成计算，又能够以二维的方式逼真的展示洪水计算成果，达到促进水利信息化技术发展目的。
Description
技术领域
发明涉及专业水动力学模型在水利信息化系统中的应用，尤其是涉及水利信息化系统洪水高效模拟与高逼真可视化动态展示方法。
背景技术
当前，水动力学模型在水利信息化系统中的应用非常广泛，一维水动力学模型由于计算效率高，是目前天然河道、渠道最为常见的水动力学建模方式，模型一般只需几秒至十几秒就能完成计算，其结果为各河道断面的水位、流量过程；但是存在只能通过表格、曲线、纵横剖面图来展示结果的不足，无法匹配地图进行更直观的洪水展示。 二维水动力学模型计算结果可视化效果好，通过对模型结果网格进行分色渲染，设置材质、透明度，再叠加航拍影像图、DEM（数字高程模型）后，可实现非常形象逼真的二维洪水动态展示。然而，由于二维水动力学模型计算复杂、效率低，动则需要耗费几个小时甚至十几个小时进行计算，因此无法满足在线实时计算的要求，从而限制了其在水利信息化系统中的应用。
发明内容
发明目的在于提供一种水利信息化系统洪水高效模拟与高逼真可视化动态展示方法，从而辅助决策部门更直观的掌握洪水动向，促进水利信息化技术的发展。
为实现上述目的，发明采取下述技术方案：
发明所述的水利信息化系统洪水高效模拟与高逼真可视化动态展示方法，基于地理信息平台ArcGis和洪水建模平台MIKE，利用一维水动力学模型基本资料和计算结果进行二维洪水动态展示，步骤如下：
步骤1、二维网格制作：
为进行洪水二维动态展示，需要生产二维洪水动态展示的基本要素，即二维网格，将制作的二维网格转换为shp矢量图层格式；
步骤2、网格地形插值：
以河道中心线和各河道断面上的控制点（包含中心距、高程信息）为基础，通过几何计算得到各河道断面上控制点的平面坐标，结合其高程坐标（Z坐标），使其成为包含X、Y、Z坐标信息的高程散点数据，以EXCEL等格式将这些高程散点数据导入ArcGis中，然后采用空间数据处理方法对步骤1制作的网格shp图层里的矢量面要素进行高程插值；
步骤3、各时刻网格水深插值：
首先，根据洪水动态展示流畅度需要，按一定时间步长提取各时刻下的一维水动力学模型结果数据，即各时刻下各所有河道断面的水位；接着，采用步骤2网格地形插值相同的方法，内插各时刻下网格面要素的水位属性值，使各网格面要素进一步具有水位属性，并根据时刻顺序单独保存为一系列shp图层文件；最后，针对各时刻所述shp图层文件，均采取水位属性减地形高程属性，得到水深属性，并删除水深值为负的网格面要素；
步骤4、结果时态数据制作：
为最终实现洪水的动态展示，需要将各时刻结果shp图层文件合并成一个包含时态数据的shp图层文件，并添加对应的时间字段属性；
步骤5、洪水动态展示：
在ArcGis中对步骤4制作的最终结果shp文件图层进行设置，实现洪水的动态展示，其方法为：在图层属性符号系统里，对不同水深属性值不同的网格面要素设置不同的颜色，并设置一定的透明度，实现分色渲染，最后通过在ArcGis桌面端按一定帧率播放该时态数据，即实现洪水在桌面端的动态展示，也可发布成Gis服务，成为相关水利信息化系统后台服务的一部分，实现在Web前端的洪水动态展示。
在所述地理信息平台ArcGis中，实现步骤1中制作二维网格的方法为：
步骤1.1、计算网格范围边界线：首先，统计一维水动力学模型结果中各河道断面在最大水位时的左、右岸水面距离河道中心线的宽度；其次，河道断面内插，即为使边界线过渡均匀，在河道弯道处，以同网格剖分步长相同的间距内插河道断面，内插河道断面左、右岸最大水面宽度根据上、下游原断面最大水面宽度内插得到；接着，边界线控制点坐标计算，即以河道中心线与左、右岸宽度为基础，通过几何计算得到各河道断面（包括内插断面）左、右岸最大水面宽度位置处的控制点坐标位置，作为边界线控制点；最后，连接这些边界线控制点成为网格剖分的范围边界线；
步骤1.2、网格剖分：在所述洪水建模平台MIKE提供的工具Mesh Generator中，以步骤1.1确定的网格范围边界线为边界，以各河道断面控制点平均间距为步长，进行网格剖分，生成mesh格式文件；
步骤1.3、转换为shp矢量图层格式：采用洪水建模平台MIKE提供的Mike2Shp工具将所述mesh格式文件转换为ArcGis使用的shp矢量图层格式，所述shp矢量图层里包含剖分的三角矢量面要素。
在所述地理信息平台ArcGis中，实现步骤2中对网格shp图层里的矢量面要素进行高程插值方法为：
步骤2.1、地形栅格面生产：采用ArcGis中的“自然领域法”工具，以所述高程散点数据为基础，使用自然邻域法将高程散点数据生产成地形栅格面；
步骤2.2、网格地形高程插值：采用ArcGis中的“插值Shape”工具，基于生成的所述地形栅格面对网格面要素进行插值，使网格面要素（中心）具有高程属性。
在地理信息平台ArcGis中，实现步骤4中制作结果时态数据的方法为：
步骤4.1、添加时间属性字段：采用ArcGis中的“添加字段”工具，在步骤3制作的各时刻shp图层文件里，添加与该时刻对应的时间字段属性；
步骤4.2、要素和图层合并：采用ArcGis中的“追加”工具，按时间从前到后的顺序，对添加完时间字段属性的各时刻结果shp图层文件进行合并，使之最终成为一个整体的结果shp文件；
步骤4.3、设置为时态数据：在最终的所述结果shp文件图层属性里启用时间，使之成为时态数据，并设置时间字段、时间步长间隔等参数。
发明优点在于实现一维水动力学模型能够像二维模型一样，高逼真动态展示洪水在河道内的淹没演进过程，充分发挥一维水动力学模型计算高效和二维水动力学模型展示效果好的优势；以此开发的洪水在线模拟系统，既能够实时高效完成计算，又能够以二维的方式逼真的展示洪水计算成果，达到促进水利信息化技术发展目的。
附图说明
图1是本发明方法的总流程框图和各技术节点子流程框图。
图2.1是本发明所述河道断面示意图。
图2.2是本发明所述河道弯道处断面内插示意图。
图2.3是本发明所述以河道中心线和最大水面宽计算的网格范围边界线示意图。
图2.4是按照本发明步骤1制作的所述二维网格示意图。
图2.5是图2.4的I部放大示意图。
图3.1是本发明所述包含高程信息的河道断面控制点示意图。
图3.2是本发明步骤2中所述通过几何计算得到河道断面上控制点x,y,z(高程)示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
发明所述的水利信息化系统洪水高效模拟与高逼真可视化动态展示方法，现以一个仅包含1条河道的简单一维水动力学模型为例作详细描述：
本发明利用上述仅包含1条河道的一维水动力学模型的基本资料和计算结果，进行二维洪水动态展示。按照下述步骤进行：
步骤1、二维网格制作：
为进行洪水二维动态展示，首先，需要生产如图2.4所示的二维洪水动态展示的基本要素二维网格，步骤如下：步骤1.1、计算网格范围边界线：如图2.1所示，首先，统计一维水动力学模型结果中河道断面在最大水位h时左、右岸水面距离河道中心线1的宽度k1、k2；其次，如图2.2所示，河道断面内插，即为使边界线过渡均匀，在河道弯道处4，以同网格剖分步长相同的间距内插河道断面5，内插河道断面5左、右岸最大水面宽度k1、k2，是根据上、下游原断面最大水面宽度内插得到；内插公式为：，其中B、Bu、Bd分别为内插断面5的水面宽度、上游河道断面1-1水面宽度和下游河道断面2-2水面宽度，K、Ku、Kd分别为内插断面桩号、上游河道断面桩号和下游河道断面桩号；接着，边界线控制点坐标计算，以河道中心线1和左、右岸宽度k1、k2为基础，通过几何计算得到河道断面（包括内插断面）左、右岸最大水面宽度k1、k2位置处的控制点坐标位置作为边界线控制点2.1；最后，连接这些左、右岸最大水面宽度位置处的边界线控制点2.1,即构成网格剖分的范围边界线3，如图2.3所示；
步骤1.2、网格剖分：在洪水建模平台MIKE提供的工具Mesh Generator中，以步骤1.1中确定的网格范围边界线3为边界，以河道断面控制点2平均间距为步长进行网格剖分，生成mesh格式文件；
步骤1.3、转换为shp矢量图层格式：采用洪水建模平台MIKE提供的Mike2Shp工具将mesh格式文件转换为ArcGis使用的shp图层格式，得到如图2.4、2.5所示的二维网格，shp图层文件里包含剖分的三角矢量面要素。
步骤2、网格地形插值：
如图3.1所示，首先以河道中心线1和河道断面控制点2（包含中心距、高程信息）为基础；如图3.2所示，通过几何计算得到河道断面控制点2的平面坐标，结合其高程坐标（Z坐标），使其成为包含X、Y、Z坐标信息的高程散点数据；以EXCEL格式将这些高程散点数据导入ArcGis中，采用一套空间数据处理流程对步骤1中制作的网格shp图层里的矢量面要素进行高程插值；图3.1、图3.2中的L为控制点中心矩。
所述的空间数据处理方法为：
步骤2.1、地形栅格面生产：采用ArcGis中的“自然领域法”工具，以高程散点为基础，使用自然邻域法将高程散点生产成栅格面；
步骤2.2、网格地形高程插值：采用ArcGis中的“插值Shape”工具，基于生成的地形栅格面对网格面要素进行插值，使网格面要素（中心）具有高程属性。
步骤3、各时刻网格水深插值：
步骤3.1、根据洪水动态展示流畅度需要，按一定时间步长提取各时刻下的一维水动力学模型结果数据，即各时刻下河道断面的水位；
步骤3.2、采用同步骤2相同的方法，内插各时刻下网格面要素的水位属性值，使各网格面要素进一步具有水位属性，并根据时刻顺序单独保存为一系列shp图层文件；
步骤3.3、针对各时刻shp图层文件，均采取水位属性减地形高程属性，得到水深属性；
步骤3.4、删除水深值为负的网格面要素。
步骤4、结果时态数据制作：
为最终实现洪水的动态展示，需要将各时刻结果shp图层文件合并成一个包含时态数据的shp图层文件，并添加对应的时间字段属性；本步在ArcGis中通过一套空间数据处理流程实现，具体步骤如下：
步骤4.1、添加时间属性字段：采用ArcGis中的“添加字段”工具，在步骤3制作的各时刻shp图层文件里，添加与该时刻对应的时间字段属性；
步骤4.2、要素和图层合并：采用ArcGis中的“追加”工具，按时间从前到后的顺序，对添加完时间字段属性的各时刻结果shp图层文件进行合并，使之最终成为一个整体的结果shp文件；
步骤4.3、设置为时态数据：在最终的结果shp文件图层属性里启用时间，使之成为时态数据，并设置时间字段、时间步长间隔等参数。
步骤5、洪水动态展示：
在ArcGis中通过对最终的结果shp文件图层进行设置，实现洪水的动态展示，方法为：在图层属性“->”符号系统里，对不同水深属性值不同的网格面要素设置不同的颜色，并设置一定的透明度，实现分色渲染，最后通过在ArcGis桌面端按一定帧率播放该时态数据，即可实现洪水在桌面端的动态展示，也可发布成Gis服务，成为相关水利信息化系统后台服务的一部分，实现在Web前端的洪水动态展示。
Claims (4)
1.一种水利信息化系统洪水高效模拟与高逼真可视化动态展示方法，其特征在于：基于地理信息平台ArcGis和洪水建模平台MIKE，利用一维水动力学模型基本资料和计算结果进行二维洪水动态展示，步骤如下：
步骤1、二维网格制作：
制作二维网格并将所述二维网格转换为shp矢量图层格式；
步骤2、网格地形插值：
以河道中心线和各河道断面上的控制点为基础，通过几何计算得到各河道断面上控制点的平面坐标，结合其高程坐标，使其成为包含X、Y、Z坐标信息的高程散点数据，将这些高程散点数据导入ArcGis中，然后采用空间数据处理方法对步骤1制作的网格shp图层里的矢量面要素进行高程插值；
步骤3、各时刻网格水深插值：
首先，根据洪水动态展示流畅度需要，按一定时间步长提取各时刻下的一维水动力学模型结果数据，即各时刻下各所有河道断面的水位；接着，采用步骤2网格地形插值相同的方法，内插各时刻下网格面要素的水位属性值，使各网格面要素进一步具有水位属性，并根据时刻顺序单独保存为一系列shp图层文件；最后，针对各时刻所述shp图层文件，均采取水位属性减地形高程属性，得到水深属性，并删除水深值为负的网格面要素；
步骤4、结果时态数据制作：
将各时刻结果shp图层文件合并成一个包含时态数据的shp图层文件，并添加对应的时间字段属性；
步骤5、洪水动态展示：
在ArcGis中对步骤4制作的最终结果shp文件图层进行设置，实现洪水的动态展示，其方法为：在图层属性符号系统里，对不同水深属性值不同的网格面要素设置不同的颜色，并设置一定的透明度，实现分色渲染，最后通过在ArcGis桌面端按一定帧率播放该时态数据，即实现洪水在桌面端的动态展示，实现在Web前端的洪水动态展示。
2.根据权利要求1所述的水利信息化系统洪水高效模拟与高逼真可视化动态展示方法，其特征在于：在所述地理信息平台ArcGis中，实现步骤1中制作二维网格的方法为：
步骤1.1、计算网格范围边界线：首先，统计一维水动力学模型结果中各河道断面在最大水位时的左、右岸水面距离河道中心线的宽度；其次，河道断面内插，即为使边界线过渡均匀，在河道弯道处，以同网格剖分步长相同的间距内插河道断面，内插河道断面左、右岸最大水面宽度根据上、下游原断面最大水面宽度内插得到；接着，边界线控制点坐标计算，即以河道中心线与左、右岸宽度为基础，通过几何计算得到各河道断面左、右岸最大水面宽度位置处的控制点坐标位置，作为边界线控制点；最后，连接这些边界线控制点成为网格剖分的范围边界线；
步骤1.2、网格剖分：在所述洪水建模平台MIKE提供的工具Mesh Generator中，以步骤1.1确定的网格范围边界线为边界，以各河道断面控制点平均间距为步长，进行网格剖分，生成mesh格式文件；
步骤1.3、转换为shp矢量图层格式：采用洪水建模平台MIKE提供的Mike2Shp工具将所述mesh格式文件转换为ArcGis使用的shp矢量图层格式，所述shp矢量图层里包含剖分的三角矢量面要素。
3.根据权利要求1所述的水利信息化系统洪水高效模拟与高逼真可视化动态展示方法，其特征在于：在所述地理信息平台ArcGis中，实现步骤2中对网格shp图层里的矢量面要素进行高程插值方法为：
步骤2.1、地形栅格面生产：采用ArcGis中的“自然领域法”工具，以所述高程散点数据为基础，使用自然邻域法将高程散点数据生产成地形栅格面；
步骤2.2、网格地形高程插值：采用ArcGis中的“插值Shape”工具，基于生成的所述地形栅格面对网格面要素进行插值，使网格面要素具有高程属性。
4.根据权利要求1所述的水利信息化系统洪水高效模拟与高逼真可视化动态展示方法，其特征在于：在地理信息平台ArcGis中，实现步骤4中制作结果时态数据的方法为：
步骤4.1、添加时间属性字段：采用ArcGis中的“添加字段”工具，在步骤3制作的各时刻shp图层文件里，添加与该时刻对应的时间字段属性；
步骤4.2、要素和图层合并：采用ArcGis中的“追加”工具，按时间从前到后的顺序，对添加完时间字段属性的各时刻结果shp图层文件进行合并，使之最终成为一个整体的结果shp文件；
步骤4.3、设置为时态数据：在最终的所述结果shp文件图层属性里启用时间，使之成为时态数据，并设置时间字段、时间步长间隔参数。
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