CN108073776A - 复杂河网干支流交汇口网格绘制及江心洲网格处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂河网干支流交汇口网格绘制及江心洲网格处理方法。通过将复杂河网干支流交汇方式进行分类，根据支流与干流相交的角度，在充分满足河道走势的基础上，决定交汇处的网格处理方法类型，从而生成符合计算条件的规整网格；通过网格线的绘制，处理江心洲复杂地形，使江心洲网格不生成，解决实际计算过程中由于大型复杂地形江心洲可能导致的计算发散问题，同时提高计算效率和减少硬件消耗。本发明基于已有的规整网格绘制工具，实现了复杂河网干支流交汇口的网格及江心洲网格的处理，为基于规整网格的数值计算提供有力支撑。

Description

复杂河网干支流交汇口网格绘制及江心洲网格处理方法

技术领域

本发明属于流体力学和环境模拟领域，涉及一种复杂河网干支流交汇口网格绘制及江心洲网格处理方法，具体涉及一种基于已有规整网格生成工具的复杂河网干支流交汇口网格绘制技术和江心洲处网格的处理方法，此方法能够有效解决河网水系交汇处网格生成不规整，变形等问题，江心洲处数值模拟计算过程的计算发散等问题。

背景技术

随着计算机技术的快速发展与普及，有限元方法已迅速从工程结构强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种应用广泛且实用高效的数值分析方法。早期有限元分析的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善和计算机运算的飞速提高，整个计算系统用于求解运算的时间越来越短，而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。网格划分作为建立有限元模型的一个重要环节，要求考虑的问题多，需要的工作量大，不同的网格划分方式会对计算规模、计算结果和计算精度产生很大的影响。随着以有限元数值计算为基础的流体力学计算与二、三维水动力水质数学模型的不断发展，以及环境管理对复杂河网模拟计算的需要，构建复杂河网水系的网格使其满足计算范围随时变动、计算精度不断变化等的需求，如何针对复杂河网水系特点绘制一套高精度的海量的网格体系，是当前环境管理与模拟分析所面临的重要问题，也是提高网格体系的可重复利用性、减少数值模拟前期工作，提高模拟效率的重要技术问题。

有限元网格的生成就是将工作环境下的物体离散成单元的过程，其划分应该遵循以下原则：①合法性。一个单元的节点不能落入其他单元内部，在单元边界上的节点均应作为单元的节点，不可丢弃。②相容性。单元必须落在待分区域内部，不能落入外部，且单元并集等于待分区域。③协调性。单元上的力和力矩能够通过节点传递给相邻单元。为保证单元协调，必须满足：一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不应是内点或边界点；相邻单元的共有节点具有相同的自由度性质，即自由度必须匹配。④逼近精确性。待分区域的顶点（包括特殊点）必须是单元的节点，待分区域的边界（包括特殊边及面）被单元边界所逼近。⑤良好的单元形状。单元最佳形状是正多边形或正多面体。⑥良好的划分过渡性。单元之间过渡应相对平稳，否则将影响计算结果的准确性甚至使有限元计算无法进行下去。⑦网格划分的自适应性。在几何尖角处、应力、温度等变化大的地方网格应密，其他部位应较稀疏，这样可以保证计算结果精确可靠。⑧一致性。对于相连的两个二次单元，单元角点只能与单元角点连接，而不能与相邻单元的中间节点连接；相邻单元的公共边应具有相同的节点数，当采用混合单元（线性单元与高阶单元）类型时有必要从一个单元中除去中间节点。另外，在动力分析中，冲击波传播问题不推荐使用二次单元。

在复杂河网水系网格处理过程中，网格质量对于数值分析的精度有尤为重要的影响。如果单元都是理想的形状，那么计算单元刚度矩阵的时候误差和错误就会很少出现。因此网格的规整与否，及其是否符合真实河网水系的走势，在一定程度上会影响后期数值模拟过程的精度，特别是在水系交汇处以及大型江心洲沚部分，网格处理的效果直接影响后期数值模拟计算的效果。

发明内容

针对复杂河网干支流交汇处及江心洲处存在的网格绘制问题，本发明提出了一种复杂河网干支流交汇口网格绘制及江心洲网格处理方法，基于现有成熟的二维网格绘制工具，通过对干支流交汇类型以及江心洲地形的判断，优选出效果最佳的网格绘制及处理方案。基于该网格绘制及处理方法，可实现网格的最优化生成，为后期数值模拟奠定一定基础。

本发明所采用的技术方案是：

一种复杂河网干支流交汇口网格绘制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，识别流域水系结构和流域边界；

步骤2，基于流域边界，绘制河道干流的边界样条线和横断样条线；所述干流的横断样条线的绘制具体为：垂直于干流的两条边界样条线绘制多条横断样条线，确保形成的样条线最小区域单元都尽量接近正方形；

步骤3，根据支流入汇干流的角度，将支流入汇干流划分为垂直入汇、倾斜入汇和平行入汇；

步骤4，绘制河道干支流交汇处支流的边界样条线和横断样条线；

所述支流边界样条线的绘制具体为：①若支流入汇干流为垂直入汇：在干支流交汇处将干流的两条横断样条线延伸作为支流的边界样条线，并确保两条延伸的样条线宽度符合支流河宽；②若支流入汇干流为倾斜入汇：在干支流交汇处将干流的横断样条线延伸作为支流的边界样条线，并确保两条延伸的样条线宽度符合支流河宽；同时，通过增加干支流交汇处支流的边界样条线的绘制节点，确保在干支流交汇处支流的边界样条线垂直于干流边界样条线；③若支流入汇干流为平行入汇：按照支流本身河道走势绘制边界样条线，确保在交汇处干支流的边界样条线相互平行；

所述支流横断样条线的绘制具体为：垂直于支流的两条边界样条线绘制多条横断样条线，确保所形成的样条线最小区域单元都尽量接近正方形；

步骤5，网格生成和增删：

所述网格生成具体为：分段在样条线所形成的最小区域单元内生成一定密度的矩形网格，最终生成干支流交汇口网格；

所述网格增删具体为：通过参照河道地形高程散点及对照真实河流的遥感影像，进行局部增删网格，使生成的网格符合真实河流形态。

作为优选，上述步骤1具体实现如下：应用流域的数字高程模型数据，提取出流域中的水系，获得流域水系结构图层，根据实测的水系中各河道的宽度或基于高分辨率遥感影像数据，识别流域水系结构图层中的流域边界范围层，进而识别流域边界。

作为优选，上述步骤2中，干流边界样条线的绘制具体为：运用已有的规整网格绘制工具，按照干流的边界，基于样条线应当尽量平滑且符合真实河道的原则，绘制干流的左右两条边界样条线。

作为优选，上述步骤3中，垂直入汇定义为与干流流向呈夹角α，75°＜α＜115°，倾斜入汇定义为与干流流向呈夹角β，30°≤β≤75°或115°≤β≤150°，平行入汇定义为与干流流向呈夹角γ，0°＜γ＜30°或150°＜γ＜180°。

作为优选，上述步骤4中，通过调整干流的横断样条线之间的距离，确保两条延伸的样条线宽度符合支流河宽。

一种江心洲网格处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，识别流域水系结构和流域边界；

步骤2，基于流域边界，绘制江心洲处河道边界样条线；

步骤3，参照河道地形高程，通过对比河道最高水位或真实遥感影像信息，判断江心洲裸露范围；

步骤4，绘制江心洲边界样条线和江心洲处河道横断样条线：

所述江心洲边界样条线的绘制具体为：通过绘制两条带有一定弧度且满足江心洲真实地形的边界样条线，将江心洲包围；

所述江心洲处河道横断样条线的绘制具体为：垂直于支流的两条边界样条线绘制多条横断样条线，确保形成的样条线最小区域单元都尽量接近正方形；

步骤5，网格生成和增删：

所述网格生成具体为：分段在江心洲附近的样条线最小区域单元内生成一定密度的矩形网格，最终生成江心洲附近网格，使江心洲处不生成网格；

所述网格增删具体为：通过参照河道地形高程散点及对照真实河流的遥感影像，进行局部增删网格，使生成的网格符合真实河流形态。

作为优选，上述步骤1具体实现如下：应用流域的数字高程模型数据，提取出流域中的水系，获得流域水系结构图层，根据实测的水系中各河道的宽度或基于高分辨率遥感影像数据，识别流域水系结构图层中的流域边界范围层，进而识别流域边界。

作为优选，上述步骤2中，干流边界样条线的绘制具体为：运用已有的规整网格绘制工具，按照干流的边界，基于样条线应当尽量平滑且符合真实河道的原则，绘制干流的左右两条边界样条线。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明通过将复杂河网干支流交汇方式进行分类，根据支流与干流相交的角度，在充分满足河道走势的基础上，决定交汇处的网格处理方法类型，从而生成符合计算条件的规整网格，解决了复杂干支流交汇口网格规整度与交汇口地形难以同时满足的问题。

本发明通过网格线的绘制，处理江心洲复杂地形，使江心洲网格不生成，解决实际计算过程中由于大型复杂地形江心洲可能导致的模型运算量大、计算发散问题，同时提高计算效率和减少硬件消耗。

本发明基于已有的规整网格绘制工具，实现了复杂河网干支流交汇口的网格及江心洲网格的处理，为基于规整网格的数值计算提供有力支撑。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为三峡库区主要大型干支流的水系边界；

图3为三峡库区澎溪河入汇口附近长江干流样条线绘制；

图4为三种干支流交汇方式示意图；

图5为垂直入汇方式真实地形（嘉陵江入汇口）；

图6为垂直入汇方式网格绘制模式；

图7为垂直入汇方式网格生成；

图8为垂直入汇方式网格赋高程后结果；

图9为倾斜入汇方式真实地形（香溪河入汇口）；

图10为倾斜入汇方式网格绘制模式；

图11为倾斜入汇方式网格生成；

图12 为倾斜入汇方式网格赋高程后结果；

图13为平行入汇方式真实地形（澎溪河入汇口）；

图14为平行入汇方式网格绘制模式；

图15为平行入汇方式网格生成；

图16为平行入汇方式网格赋高程后结果；

图17为江心洲真实地形（长江干流）；

图18为江心洲网格绘制模式；

图19为江心洲网格生成；

图20为江心洲网格赋高程后结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

（一）复杂河网干支流交汇口网格绘制，绘制流程如图1所示

①流域水系结构和边界识别：基于流域已有的DEM（数字高程模型）数据，提取出流域中的水系，获得流域水系结构层，图2所示为三峡库区主要大型干支流的水系边界高程点提取效果。

②河道干流样条线绘制：运用已有的规整网格绘制工具，按照干流的边界，基于样条线应当尽量平滑且符合真实河道的原则进行干流边界样条线绘制，并垂直于两条边界样条线绘制多条横断样条线，保证形成的没四条线之间形成的区域尽量为正方形，这样在网格生成时可保证：(1)干支流交汇处生成的网格相互衔接，(2)生成的网格大小近似且均为规整矩形。以三峡库区长江干流为例，效果图如图3所示。

③支流入汇干流的角度判断及入汇方式划分：根据支流入汇干流的方式，可大致确定为三种类型：垂直入汇（见图4中支流入汇1）、倾斜入汇（见图4中支流入汇2）、平行入汇（见图4中支流入汇3）。垂直入汇定义为与干流流向呈夹角α，75°＜α＜115°，倾斜入汇定义为与干流流向呈夹角β，30°≤β≤75°或115°≤β≤150°，平行入汇定义为与干流流向呈夹角γ，0°＜γ＜30°或150°＜γ＜180°。三种入汇方式的网格处理实例效果如图5-16所示。

④干支流交汇处的样条线绘制：

若是垂直入汇，以如图5所示的嘉陵江入汇口为例，样条线绘制见图6：首先绘制边界样条线，可直接在入汇处干流的横断样条线延伸作为支流的边界样条线，且保证两条样条线宽度符合支流河宽；然后绘制横断样条线，垂直于支流的两条边界样条线绘制多条横断样条线，确保所形成的样条线最小区域单元都尽量接近正方形；

若是倾斜入汇，以如图9所示香溪河入汇口为例，样条线绘制见图10：首先绘制边界样条线，可直接在入汇处干流的横断样条线延伸作为支流的边界样条线，通过增加垂直相交处样条线的绘制节点，保证在横断样条线能够满足垂直干流处河道；然后绘制横断样条线，垂直于支流的两条边界样条线绘制多条横断样条线，确保所形成的样条线最小区域单元都尽量接近正方形；

若是平行入汇，以图13所示的澎溪河入汇口为例，样条线绘制见图14：则按照支流本身河道走势绘制两条边界样条线，保证在交汇处干支流的边界样条线相互平行；然后绘制横断样条线，使其垂直于干支流的四条边界样条线，确保所形成的样条线最小区域单元都尽量接近正方形。

上述步骤中确保所形成的样条线最小区域单元都尽量接近正方形，其作用在于能够保证在网格生成时：(1)干支流交汇处生成的网格相互衔接，(2)生成的网格大小近似且均为规整矩形。

⑤网格生成及增删：

网格生成：分段在样条线所形成的最小区域单元内生成一定密度的矩形网格，最终生成干支流交汇口网格。

网格增删：通过加载河道地形高程散点及对照真实河流的遥感影像，在网格缺少或多余的局部地区增加或删减网格，使生成的网格符合真实河流形态，使生成的网格符合真实河流形态。嘉陵江入汇口、香溪河入汇口、澎溪河入汇口，最终网格生成效果分别如图7、11、15所示，将上述网格赋高程后结果分别如图8、12、16所示。网格赋高程后结果表明，通过该方法生成的网格与河道真实地形较为吻合，为后期数值模拟奠定良好基础。

（二）复杂河网江心洲网格处理，处理流程如图1所示

①流域水系结构和边界识别：应用流域的DEM（数字高程模型）数据，提取出流域中的水系，获得流域水系结构，根据实测的水系中各河道的宽度或基于高分辨率遥感影像数据，识别水系结构中的流域边界范围。图17为江心洲实际地形效果。

②河道边界样条线绘制：运用已有的规整网格绘制工具，按照干流的边界，基于样条线应当尽量平滑且符合真实河道的原则进行干流边界样条线绘制。

③江心洲地形判断：加载河道地形高程值，通过对比河道最高水位或真实遥感影像等信息，判断江心洲裸露范围。

④江心洲样条线绘制，如图18所示：

江心洲边界样条线的绘制具体为：通过绘制两条带有一定弧度且满足江心洲真实地形的样条线，将江心洲包围；

江心洲处河道横断样条线的绘制具体为：垂直于支流的两条边界样条线绘制多条横断样条线，确保形成的样条线最小区域单元都尽量接近正方形，这样保证在网格生成时：(1)干支流交汇处生成的网格相互衔接，(2)生成的网格大小近似且均为规整矩形。

⑤网格生成及增删：

网格生成：分段在江心洲附近的样条线最小区域单元内生成一定密度的矩形网格，最终生成江心洲附近网格，使江心洲处不生成网格。

网格增删：通过加载真实河道地形高程散点，对照江心洲地形局部增删网格，使网格形式更加符合真实河道形态。最终网格生成效果如图19所示。江心洲网格赋高程后结果如图20所示。网格赋高程后结果表明，通过该方法生成的网格能够按照江心洲真实地形，剔除江心洲高地网格，节省网格数量，提高后期数值模拟稳定性。

Claims (8)

1.一种复杂河网干支流交汇口网格绘制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，识别流域水系结构和流域边界；

步骤2，基于流域边界，绘制河道干流的边界样条线和横断样条线；所述干流的横断样条线的绘制具体为：垂直于干流的两条边界样条线绘制多条横断样条线，确保形成的样条线最小区域单元都尽量接近正方形；

步骤3，根据支流入汇干流的角度，将支流入汇干流划分为垂直入汇、倾斜入汇和平行入汇；

步骤4，绘制河道干支流交汇处支流的边界样条线和横断样条线；

所述支流边界样条线的绘制具体为：①若支流入汇干流为垂直入汇：在干支流交汇处将干流的两条横断样条线延伸作为支流的边界样条线，并确保两条延伸的样条线宽度符合支流河宽；②若支流入汇干流为倾斜入汇：在干支流交汇处将干流的横断样条线延伸作为支流的边界样条线，并确保两条延伸的样条线宽度符合支流河宽；同时，通过增加干支流交汇处支流的边界样条线的绘制节点，确保在干支流交汇处支流的边界样条线垂直于干流边界样条线；③若支流入汇干流为平行入汇：按照支流本身河道走势绘制边界样条线，确保在交汇处干支流的边界样条线相互平行；

所述支流横断样条线的绘制具体为：垂直于支流的两条边界样条线绘制多条横断样条线，确保所形成的样条线最小区域单元都尽量接近正方形；

步骤5，网格生成和增删：

所述网格生成具体为：分段在样条线所形成的最小区域单元内生成一定密度的矩形网格，最终生成干支流交汇口网格；

所述网格增删具体为：通过参照河道地形高程散点及对照真实河流的遥感影像，进行局部增删网格，使生成的网格符合真实河流形态。

2.根据权利要求1所述的一种复杂河网干支流交汇口网格绘制方法，其特征在于：

上述步骤1具体实现如下：应用流域的数字高程模型数据，提取出流域中的水系，获得流域水系结构图层，根据实测的水系中各河道的宽度或基于高分辨率遥感影像数据，识别流域水系结构图层中的流域边界范围层，进而识别流域边界。

3.根据权利要求1所述的一种复杂河网干支流交汇口网格绘制方法，其特征在于：

上述步骤2中，干流边界样条线的绘制具体为：运用已有的规整网格绘制工具，按照干流的边界，基于样条线应当尽量平滑且符合真实河道的原则，绘制干流的左右两条边界样条线。

4.根据权利要求1所述的一种复杂河网干支流交汇口网格绘制方法，其特征在于：

上述步骤3中，垂直入汇定义为与干流流向呈夹角α，75°＜α＜115°，倾斜入汇定义为与干流流向呈夹角β，30°≤β≤75°或115°≤β≤150°，平行入汇定义为与干流流向呈夹角γ，0°＜γ＜30°或150°＜γ＜180°。

5.根据权利要求1所述的一种复杂河网干支流交汇口网格绘制方法，其特征在于：

上述步骤4中，通过调整干流的横断样条线之间的距离，确保两条延伸的样条线宽度符合支流河宽。

6.一种江心洲网格处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，识别流域水系结构和流域边界；

步骤2，基于流域边界，绘制江心洲处河道边界样条线；

步骤3，参照河道地形高程，通过对比河道最高水位或真实遥感影像信息，判断江心洲裸露范围；

步骤4，绘制江心洲边界样条线和江心洲处河道横断样条线：

所述江心洲边界样条线的绘制具体为：通过绘制两条带有一定弧度且满足江心洲真实地形的边界样条线，将江心洲包围；

所述江心洲处河道横断样条线的绘制具体为：垂直于支流的两条边界样条线绘制多条横断样条线，确保形成的样条线最小区域单元都尽量接近正方形；

步骤5，网格生成和增删：

所述网格生成具体为：分段在江心洲附近的样条线最小区域单元内生成一定密度的矩形网格，最终生成江心洲附近网格，使江心洲处不生成网格；

所述网格增删具体为：通过参照河道地形高程散点及对照真实河流的遥感影像，进行局部增删网格，使生成的网格符合真实河流形态。

7.根据权利要求6所述的一种江心洲网格处理方法，其特征在于：

上述步骤1具体实现如下：应用流域的数字高程模型数据，提取出流域中的水系，获得流域水系结构图层，根据实测的水系中各河道的宽度或基于高分辨率遥感影像数据，识别流域水系结构图层中的流域边界范围层，进而识别流域边界。

8.根据权利要求6所述的一种江心洲网格处理方法，其特征在于：

上述步骤2中，干流边界样条线的绘制具体为：运用已有的规整网格绘制工具，按照干流的边界，基于样条线应当尽量平滑且符合真实河道的原则，绘制干流的左右两条边界样条线。