CN109101732A - 基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于河流数值模拟技术领域，提供了一种基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法，包括(1)获取基础数据，(2)目标河段二维结构网格初步剖分和(3)对初步剖分结果进行横向加密这三个步骤。该方法通过将河道边界线、深泓线、滩槽分界线及水边线等特征地形界线纳入河道区域的二维结构网格剖分过程，这能够使所剖分的网格能够较好地适应河道边界变化，管控河道纵向走势，反映地形横向变率，同时该方法的操作简单方便，而且可以解决人工分块剖分得到的网格疏密分布受人为因素影响较大、具有明显的个体差异的不足。

Description

基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法

技术领域

本发明属于河流数值模拟技术领域，涉及一种基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法。

背景技术

二维结构网格也就是通常所说的四边形网格，网格区域内各相邻节点的间距一般不相等，但拓扑关系明确，所有内部节点均具有相同数量的毗邻单元。由于结构网格生成速度快，数据结构简单，存储内存占用少，对计算机配置要求不高，因而被广泛应用于二维水沙数值模拟。在二维水沙数值模拟的网格剖分中，为缩短计算时间并保证数模结果可信，通常要求地形边界变化大的地方网格密，地形边界变化小的地方网格疏。大多数情况下采取的措施是对待剖分区域进行人工分块，当河道较长且地形复杂时，人工分块数目一般较多，操作极为不便，费时费力；此外，通过人工分块剖分得到的网格疏密分布受人为因素影响较大，具有明显的个体差异，不具有自适应性，不能较好的管控河道纵向走势、反映地形横向变率，为此有必要对二维结构网格剖分方法进行深入探究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法，以简化剖分操作，同时更好地管控河道纵向走势、反映地形横向变率。

本发明提供的基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法，步骤如下：

(1)获取基础数据

选定需要进行数字地形生成的无汊目标河段，获取目标河段的包括河道边界线在内的特征纵向控制线上若干控制点的平面坐标数据，将位于最左侧与最右侧特征纵向控制线之间的纵向控制线记作中间特征纵向控制线，选定目标河段的初始横断面和终止横断面，给出初始横断面和终止横断面的左、右端点的平面坐标；初始横断面、终止横断面与最左侧及最右侧特征纵向控制线组成的封闭区域即为待进行二维结构网络剖分的区域；

(2)目标河段二维结构网格初步剖分

①计算初始横断面、终止横断面与最左侧、最右侧特征纵向控制线的交点的平面坐标，将初始横断面、终止横断面与最左侧、最右侧特征纵向控制线的交点分别记作初始交点和终止交点，将初始交点、终止交点以及介于初始交点与终止交点之间的部分称为有效部分，提取最左侧、最右侧特征纵向控制线的有效部分的控制点坐标，将位于最左侧、最右侧特征纵向控制线的有效部分的控制点记作有效控制点，假设最左侧与最右侧特征纵向控制线的有效控制点个数分别为N_左+1、N_右+1，将最左侧、最右侧纵向控制线的各有效控制点的坐标分别记作(x_左(i),y_左(i)),i＝1,2,3,…,N_左+1，(x_右(i),y_右(i)),i＝1,2,3,…,N_右+1，i＝1代表初始交点，计算最左侧特征纵向控制线的各有效控制点相对于最左侧初始交点的沿线累加距离L_左(i)i＝1,2,3,…,N_左+1，以及最右侧特征纵向控制线的各有效控制点相对于最右侧初始交点的沿线累加距离L_右(i)i＝1,2,3,…,N_右+1；

②采用定数等分法或定距等分法对最左侧特征纵向控制线的有效部分进行沿线剖分生成剖分节点，具体如下：

定数等分法：剖分份数取n_左，则沿线剖分步长s_左＝L_左(N_左+1)/n_左，剖分后将生成n_左+1个剖分节点，剖分过程如下：依据沿线累加距离将最左侧特征纵向控制线的有效部分分为N_左个累加距离区间[L_左(1),L_左(2)]，[L_左(2),L_左(3)]，…，[L_左(N_左),L_左(N_左+1)]，然后以最左侧特征纵向控制线的初始交点为起点，沿着最左侧特征纵向控制线的有效部分取沿线步进距离j·s_左,j依次取1,2,…n_左-1，根据j·s_左的值判断各沿线步进距离的终点落于哪一个累加距离区间中，当L_左(k)≤j·s_左≤L_左(k+1)时，则沿线步进距离j·s_左的终点落于累加距离区间[L_左(k),L_左(k+1)]中，k＝1,2,3,…,N_左，由式(Ⅰ)～(Ⅱ)计算出最左侧特征纵向控制线的有效部分的剖分节点坐标(x_左,节(j+1),y_左,节(j+1))，并记最左侧初始交点与最左侧终止交点的平面坐标分别为(x_{左,初始交点},y_{左,初始交点})＝(x_左,节(1),y_左,节(1))，(x_{左,终止交点},y_{左,终止交点})＝(x_左,节(n_左+1),y_左,节(n_左+1))；

定距等分法：定距等分距离取L_0,左，则沿线剖分步长s_左＝L_0,左，剖分后生成的剖分节点个数与定距等分距离取值有关，当L_左(N_左+1)/L_0,左的余数等于0时，相当于采用定数等分法进行剖分，剖分份数n_左＝L_左(N_左+1)/L_0,左，剖分后将生成n_左+1个剖分节点，剖分过程及剖分节点坐标的计算方法同定数等分法；当L_左(N_左+1)/L_0,左的余数不等于0时，剖分份数n_左＝[L_左(N_左+1)/L_0,左]+1，[L_左(N_左+1)/L_0,左]表示取L_左(N_左+1)/L_0,左的整数部分，剖分后将生成n_左+1个剖分节点，剖分过程及剖分节点坐标的计算方法同定数等分法；

③采用定数等分法或定距等分法对最右侧特征纵向控制线的有效部分进行沿线剖分生成剖分节点，由于是基于二维结构网格对目标河段进行剖分，所以最右侧与最左侧特征纵向控制线的有效部分的剖分份数应相等，即n_右＝n_左，具体如下：

定数等分法：剖分份数为n_右，则沿线剖分步长s_右＝L_右(N_右+1)/n_右，剖分后将生成n_右+1个剖分节点，剖分过程如下：依据沿线累加距离将最右侧特征纵向控制线的有效部分分为N_右个累加距离区间[L_右(1),L_右(2)]，[L_右(2),L_右(3)]，…，[L_右(N_右),L_右(N_右+1)]，然后以最右侧特征纵向控制线的初始交点为起点，沿着最右侧特征纵向控制线的有效部分取沿线步进距离j·s_右,j依次取1,2,…n_右-1，根据j·s_右的值判断各沿线步进距离的终点落于哪一个累加距离区间中，当L_右(k)≤j·s_右≤L_右(k+1)时，则沿线步进距离j·s_右的终点落于累加距离区间[L_右(k),L_右(k+1)]中，k＝1,2,3,…,N_右，由式(Ⅲ)～(Ⅳ)计算出最右侧特征纵向控制线的有效部分的剖分节点坐标(x_右,节(j+1),y_右,节(j+1))，并记最右侧初始交点与最右侧终止交点的平面坐标分别为(x_{右,初始交点},y_{右,初始交点})＝(x_右,节(1),y_右,节(1))，(x_{右,终止交点},y_{右,终止交点})＝(x_右,节(n_右+1),y_右,节(n_右+1))；

定距等分法：为保证n_右＝n_左，最右侧特征纵向控制线的定距等分距离L_0,右应在区间[L_右(N_右+1)/n_右，L_右(N_右+1)/(n_右-1))内取值，沿线剖分步长s_右＝L_0,右，剖分后将生成n_右+1个剖分节点，剖分过程及剖分节点坐标的计算方法与步骤③中的定数等分法相同；

④依次连接最左侧与最右侧特征纵向控制线上对应的剖分节点，计算所连线段与各中间特征纵向控制线的交点的平面坐标，以实现对各中间特征纵向控制线的剖分，至此即完成对目标河段的二维结构网格初步剖分；

(3)对初步剖分结果进行横向加密

对各纵向网格线之间的横向线段进行剖分以减小各纵向网格线之间的横向间距，具体方法是参照步骤(2)②和③中的定数等分法对各纵向网格线之间的横向线段进行剖分，计算剖分后的节点坐标，然后纵向依次连接该步骤剖分生成的对应的剖分节点，即完成对目标河段二维结构网格初步剖分结果的横向加密。

上述基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法的技术方案中，通过对卫星图片、遥感图像、河势图解译或现场勘测获取目标河段的特征纵向控制线上若干控制点的平面坐标数据。

上述基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法的技术方案中，特征纵向控制线还包括深泓线、滩槽分界线及水边线，在需要考虑控导工程与生产堤等工程边界对河道数字地形的影响的情况下，还需提供相应的工程边界位置坐标。

上述基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法的技术方案中，步骤(2)①中，计算初始横断面、终止横断面与最左侧、最右侧纵向控制线的交点的平面坐标的方法是将与横断面相交处的最左侧或最右侧特征纵向控制线看作一小段线段，先计算该线段的直线方程，以及与该线段相交的横断面的直线方程，然后计算该线段与横断面的交点坐标即可。

上述基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法的技术方案中，步骤(2)②中，剖分份数n_左的取值越大，步骤(2)④中完成对目标河段的二维结构网格初步剖分得到的网格的纵向间距就越小，步骤(3)中采用定数等分法对各纵向网格线之间的横向线段进行剖分的剖分份数越大，步骤(2)⑤中完成对目标河段二维结构网格初步剖分结果的横向加密形成的网格的横向间距就越小，最终剖分得到的二维结构网格(四边形网格)就越密集。

上述基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法的技术方案中，通常能够获取的特征纵向控制线的数量是较为有限的，通过对卫星图片、遥感图像、河势图解译这些技术手段获取的特征纵向控制线通常只包括河道边界线、深泓线、滩槽分界线、水边线，由于特征纵向控制线数目较少，故步骤(2)④完成对目标河段的二维结构网格初步剖分后得到的纵向网格线的横向间距较大。为了解决各纵向网格线横向间距过大的问题，本发明采用步骤(3)对各纵向网格线之间的横向线段再进行剖分，为保证剖分网格横向疏密均匀，须采用定数等分法对各纵向网格线之间的横向线段进行剖分，不同相邻纵向网格线间的横向定数剖分份数可以不同，而同一相邻纵向网格线间的横向定数剖分份数必须相同，定数剖分分数的具体取值应根据各相邻纵向网格线的横向疏密程度确定。当两相邻纵向网格线之间的间距较大时，则横向线段的定数剖分份数取值应较大；当两相邻纵向网格线之间的间距较小时，则横向线段的定数剖分份数取值应较小。剖分后再沿纵向依次连接各相应的新增节点，对各相邻纵向网格线之间的区域进行补线操作，即完成对河道区域二维结构网格初步剖分结果的横向加密。

借助计算机编程(如Fortran、Matlab等)将采用上述方法剖分得到的网格数据按照Mike、SMS、Auto-CAD等软件的可读文本格式或批量绘图命令序列进行整合，可实现其数据交换通道的完美搭建，继而充分发挥所述软件的独特优势对所生成的二维结构网格进行多形式可视化与深层次再利用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法，该方法通过将河道边界线、深泓线、滩槽分界线及水边线等特征地形界线纳入河道区域的二维结构网格剖分过程，这能够使所剖分的网格能够较好地适应河道边界变化，管控河道纵向走势，反映地形横向变率。该方法物理概念清晰，执行简单高效，普遍适用于天然无汊河道的二维结构网格剖分。

2.与现有技术采用的对待剖分区域进行人工分块的方法相比，本发明提出的基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法的操作简单方便，而且可以解决人工分块剖分得到的网格疏密分布受人为因素影响较大，具有明显的个体差异的不足。

附图说明

图1是实施例1中目标河段的特征纵向控制线、初始横断面与终止横断面的分布图。

图2是实施例1中目标河段的二维结构网格初步剖分结果。

图3是实施例1中对目标河段二维结构网格初步剖分结果进行横向加密后的结果。

图4是实施例2中Mike四边形网格文件示意图。

图5是实施例2中Mike四边形网格文件节点与单元的编码规则图。

图6是实施例2中Mike四边形网格单元构成节点的编号计算示意图。

图7是实施例2中Mike可读四边形网格文件导入效果图。

图8是实施例2中Mike数模流场分布图。

图9是实施例2中SMS四边形网格文件示意图。

图10是实施例2中SMS四边形网格文件节点与单元的编码规则图。

图11是实施例2中SMS四边形网格单元构成节点的编号计算示意图。

图12是实施例2中SMS可读四边形网格文件导入效果图。

图13是实施例2中SMS数模流场分布图。

图14是实施例2中Auto-CAD绘图命令序列示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明提供的基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例中，详细说明基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法，步骤如下：

(1)获取基础数据

选定需要进行二维结构网格剖分的无汊目标河段，目标河段的特征纵向控制线、初始横断面和终止横断面分布情况如图1所示。

通过卫星图片获取目标河段特征纵向控制线的地形数据，具体是将一张高清晰度的卫星图片导入CAD软件中，描出河道边界线和槽滩分界线，得到4条特征纵向控制线，以及这4条纵向控制线上若干控制点的平面坐标数据，将位于河道左边界线(最左侧特征纵向控制线)与河道右边界线(最右侧特征纵向控制线)之间的特征纵向控制线(也就是滩槽分界线)称为中间特征纵向控制线，左侧与右侧的判定基于面向水流的方向进行。选定目标河段的初始横断面和终止横断面，给出初始横断面和终止横断面的左、右端点的平面坐标，初始横断面和终止横断面选定后，初始横断面和终止横断面的左、右端点的平面坐标即可在前述CAD软件中读出；初始横断面、终止横断面与最左侧及最右侧特征纵向控制线组成的封闭区域即为待进行二维结构网络剖分的区域。

(2)目标河段二维结构网格初步剖分

①计算初始横断面、终止横断面与最左侧、最右侧特征纵向控制线的交点的平面坐标，将初始横断面、终止横断面与最左侧、最右侧特征纵向控制线的交点分别记作初始交点和终止交点，将初始交点、终止交点以及介于初始交点与终止交点之间的部分组成的部分称为有效部分，提取最左侧、最右侧特征纵向控制线的有效部分的控制点坐标，将位于最左侧、最右侧特征纵向控制线的有效部分的控制点记作有效控制点，假设最左侧与最右侧特征纵向控制线的有效控制点个数分别为N_左+1、N_右+1，将最左侧、最右侧纵向控制线的各有效控制点的坐标分别记作(x_左(i),y_左(i)),i＝1,2,3,…,N_左+1，(x_右(i),y_右(i)),i＝1,2,3,…,N_右+1，i＝1代表初始交点，即最左侧、最右侧特征纵向控制线的有效部分分别由N_左、N_右条顺次相连的线段组成。

计算最左侧特征纵向控制线的各有效控制点相对于最左侧初始交点的沿线累加距离L_左(i)i＝1,2,3,…,N_左+1，以及最右侧特征纵向控制线的各有效控制点相对于最右侧初始交点的沿线累加距离L_右(i)i＝1,2,3,…,N_右+1。

实际上最左/右侧特征纵向控制线的终止交点相对于相应初始交点的沿线累加距离就等于其有效部分总长度，而后一沿线累加距离与前一沿线累加距离的差值则为两对应控制点的沿线距离。例如，L_右(1)＝0，L_右(2)表示最右侧特征纵向控制线上的第二个有效控制点到最右侧初始交点的距离，L_右(3)表示最右侧特征纵向控制线上的第二个有效控制点到最右侧初始交点的距离与最右侧特征纵向控制线上的第三个有效控制点到第二个有效控制点的距离之和，L_右(3)-L_右(2)表示最右侧特征纵向控制线上的第三个有效控制点与第二个有效控制点之间的距离。

②采用定数等分法对最左侧特征纵向控制线的有效部分进行沿线剖分生成剖分节点，具体如下：

剖分份数取n_左，则沿线剖分步长s_左＝L_左(N_左+1)/n_左，剖分后将生成n_左+1个剖分节点，剖分过程如下：依据沿线累加距离将最左侧特征纵向控制线的有效部分分为N_左个累加距离区间[L_左(1),L_左(2)]，[L_左(2),L_左(3)]，…，[L_左(N_左),L_左(N_左+1)]，然后以最左侧特征纵向控制线的初始交点为起点，沿着最左侧特征纵向控制线的有效部分取沿线步进距离j·s_左,j依次取1,2,…n_左-1，根据j·s_左的值判断各沿线步进距离的终点落于哪一个累加距离区间中，当L_左(k)≤j·s_左≤L_左(k+1)时，则沿线步进距离j·s_左的终点落于累加距离区间[L_左(k),L_左(k+1)]中，k＝1,2,3,…,N_左，由式(Ⅰ)～(Ⅱ)计算出最左侧特征纵向控制线的有效部分的剖分节点坐标(x_左,节(j+1),y_左,节(j+1))，并记最左侧初始交点与最左侧终止交点的平面坐标分别为(x_{左,初始交点},y_{左,初始交点})＝(x_左,节(1),y_左,节(1))，(x_{左,终止交点},y_{左,终止交点})＝(x_左,节(n_左+1),y_左,节(n_左+1))；

③采用定数等分法对最右侧特征纵向控制线的有效部分进行沿线剖分生成剖分节点，由于是基于二维结构网格对目标河段进行剖分，所以最右侧与最左侧特征纵向控制线的有效部分的剖分份数应相等，即n_右＝n_左，具体如下：

剖分份数为n_右，则沿线剖分步长s_右＝L_右(N_右+1)/n_右，剖分后将生成n_右+1个剖分节点，剖分过程如下：依据沿线累加距离将最右侧特征纵向控制线的有效部分分为N_右个累加距离区间[L_右(1),L_右(2)]，[L_右(2),L_右(3)]，…，[L_右(N_右),L_右(N_右+1)]，然后以最右侧特征纵向控制线的初始交点为起点，沿着最右侧特征纵向控制线的有效部分取沿线步进距离j·s_右,j依次取1,2,…n_右-1，根据j·s_右的值判断各沿线步进距离的终点落于哪一个累加距离区间中，当L_右(k)≤j·s_右≤L_右(k+1)时，则沿线步进距离j·s_右的终点落于累加距离区间[L_右(k),L_右(k+1)]中，k＝1,2,3,…,N_右，由式(Ⅲ)～(Ⅳ)计算出最右侧特征纵向控制线的有效部分的剖分节点坐标(x_右,节(j+1),y_右,节(j+1))，并记最右侧初始交点与最右侧终止交点的平面坐标分别为(x_{右,初始交点},y_{右,初始交点})＝(x_右,节(1),y_右,节(1))，(x_{右,终止交点},y_{右,终止交点})＝(x_右,节(n_右+1),y_右,节(n_右+1))；

④依次连接最左侧与最右侧特征纵向控制线上对应的剖分节点，计算所连线段与各中间特征纵向控制线的交点的平面坐标，以实现对各中间特征纵向控制线的剖分，至此即完成对目标河段的二维结构网格(四边形网格)初步剖分，结果如图2所示。

从图2可以发现，步骤(2)④完成对目标河段的二维结构网格初步剖分后得到的纵向网格线的横向间距较大，这是由于特征纵向控制线的数量较少的原因造成的。为了解决各纵向网格线横向间距过大的问题，需要采用步骤(3)对各纵向网格线之间的横向线段再进行剖分。

(3)对初步剖分结果进行横向加密

对各纵向网格线之间的横向线段进行剖分以减小各纵向网格线之间的横向间距，具体方法是参照步骤(2)②和③中的定数等分法对各纵向网格线之间的横向线段进行剖分，定数剖分份数的具体取值应根据各相邻纵向网格线的横向疏密程度确定，当两相邻纵向网格线之间的间距较大时，则横向线段的定数剖分份数取值应较大，当两相邻纵向网格线之间的间距较小时，则横向线段的定数剖分份数取值应较小，计算剖分后的节点坐标，然后纵向依次连接该步骤剖分生成的对应的剖分节点，即完成对目标河段二维结构网格初步剖分结果的横向加密，结果如图3所示。

实施例2

本实施例中，举例说明采用本方法剖分得到的二维结构网格的延拓性应用。

借助计算机编程(如Fortran、Matlab等)将实施例1剖分得到的网格数据按照Mike、SMS、Auto-CAD等软件的可读文本格式或批量绘图命令序列进行整合，实现数据交换通道的完美搭建，充分发挥各软件独特优势对剖分得到的无汊河道二维结构网格进行多形式可视化与深层次再利用。

(1)Mike

Mike是由丹麦DHI公司研发的水流模拟组件，集合了目前广泛使用的Mike11和Mike21等。Mike21适用于宏观上的流域控制性工程规模论证分析、流域洪水调度研究以及微观水流模拟等领域，其常用网格类型中就包括四边形网格。Mike21网格文件的扩展名为“mesh”，其内部数据包括节点标题行、节点行、单元格标题行与单元格行，如图4所示。节点标题行又分为整数形式的条目类型、整数形式的条目单位、节点数量和投影类型字符串，条目类型为“高程”，其整数形式为“100079”；条目单位即高程单位，整数形式的“1000”代表保存在Z坐标的高程数值其单位为m；其后的整数“1846”为节点数量；最后的字符串“NON-UTM”代表投影类型。每一节点行代表一个节点，节点行的行数与节点标题行中的节点数量相同，每行节点信息包括节点编号、X、Y、Z(未经地形插值的二维结构网格的各节点的高程值均为0)与边界代码，边界代码“0”代表内部节点，“1”代表水陆边界，“2”代表进口边界，“3”代表出口边界。单元格标题行的三个数字分别表示单元格数量、单个单元格的最大节点数量与单元格类型代码(“25”代表四边形单元格)。每一单元格行代表一个单元，单元格行的总行数与单元格标题行中定义的单元格数量相同，每行单元格信息包括单元格编号和构成单元格的节点编号。

为使实施例1剖分得到的无汊河道二维结构网格可用于Mike21数模计算，须借助计算机编程将其以Mike的可读网格格式保存。在具体的网格转化过程中，节点与单元的编码可遵循图5所示规则(图中填充单元内的值为单元编号，填充单元四角处的值为节点编号)，均从河道进口至出口沿纵向进行，横向输出次序则由河道左岸开始到河道右岸结束。

假设实施例1剖分得到的无汊河道二维结构网格的纵向网格线数目为m，横向网格线数目为n，纵向网格线编号顺序由左到右，横向网格线编号顺序从进口至出口(如图5所示)。当将各纵向网格线分别视为一行，各横向网格线分别视为一列，行号以i标记，列号以j标记，单元以其四顶点的最小行号、最小列号组合(i,j)标记时，则Mike四边形网格文件中的单元编号及构成该单元的节点编号与横纵向网格线编号之间存在一一对应关系。如图6左侧所示，当已知四边形网格单元的行列号组合标记为(i,j)(其中i＝1,2,…,m-1；j＝1,2,…,n-1)时，便可计算出该单元的单元编号为(i-1)·(n-1)+j，如果再将构成该单元的各节点沿逆时针方向分别记为①、②、③、④，则各节点编号就可由图6右侧各式算得；若已知某单元的单元编号为N，亦可计算出该单元的行列号组合标记(i,j)，其中i取不小于N/(n-1)的最小整数，j等于N-(i-1)·(n-1)，当计算出i、j后，代入图6右侧各式即可求出相应的节点编号。

当借助编程语言基于上述规则生成Mike的可读四边形网格文件后，便可将其导入Mike的相关模块进行地形插值与后续计算参数设定，进而用于二维水沙数值模拟，其网格导入效果与数模流场分布见图7、8。

(2)SMS

地表水模拟系统(Surface Water Modeling System)简称SMS，是美国陆军工程兵水利工程实验室(United States Army Corps of Engineers Hydraulics Laboratory)和扬·伯明翰大学(Brigham Young University)等合作开发的商业软件，其四边形网格文件(如图9所示)扩展名为“2dm”，内部数据主要包括单元格行、节点行与开边界节点串(进出口边界)。单元格行以“E8Q”开头，其后依次为单元格编号、构成单元格的节点编号(SMS中的一个四边单元由八个节点构成——四个顶点与四边中点)与材质编号。节点行以“ND”开头，其后依次为节点编号、节点横纵坐标与高程(未经地形插值的二维结构网格的各节点的高程值均为0)。开边界节点串以“NS”开头，其后为组成节点串的各节点编号，编号顺序一般从右岸至左岸并以负编号标记结束。

为使实施例1剖分得到的无汊河道二维结构网格可用于SMS数模计算，就必须借助计算机编程将其以SMS的可读网格格式保存。然由于SMS可读网格文件中的一个四边形单元包含八节点(四边形单元的四个顶点与四边中点)，而应用所述方法剖分得到的仅是四边形网格单元的顶点坐标，因此在进行网格转化前还需基于各四边形网格单元的顶点坐标计算出相应的各边中点坐标。在具体的网格转化过程中，SMS四边形网格文件中的节点与单元编码可遵循图10所示规则(图中填充单元内的值为网格编号，填充单元周围的值为节点编号)：先对各四边形网格单元的顶点进行编码，然后对横向边中点编码，最后对纵向边中点编码；四边形网格单元的顶点与横向边中点编码均从河道进口至出口沿着纵向网格线进行，横向输出次序则由河道左岸开始到河道右岸结束；四边形网格单元的纵向边中点编码从河道左岸至右岸沿着横向网格线进行，纵向输出次序则由河道进口开始到河道出口结束；相邻两纵向网格线间的网格单元编码从河道进口开始到河道出口沿结束，横向输出次序则沿横向网格线方向由左至右。

假设剖分得到的结构网格纵向网格线数目为m，横向网格线数目为n，纵向网格线编号顺序由左到右，横向网格线编号顺序从进口至出口(如图10所示)。当将各纵向网格线分别视为一行，各横向网格线分别视为一列，行号以i标记，列号以j标记，单元以其四顶点的最小行号、最小列号组合(i,j)标记时，则SMS四边形网格文件中的单元编号及构成该单元的节点编号与横纵向网格线编号之间存在一一对应关系。如图11左侧所示，当已知四边形网格单元的行列号组合标记为(i,j)，其中i＝1,2,…,m-1；j＝1,2,…,n-1时，便可计算出该单元的单元编号为(i-1)·(n-1)+j，如果再将构成该单元的各节点沿逆时针方向分别记为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧，则各节点编号就可由图11右侧各式算得；若已知某单元的单元编号为N，亦可计算出该单元的行列号组合标记(i,j)，其中i取不小于N/(n-1)的最小整数，j等于N-(i-1)·(n-1)，当计算出i、j后，代入图11右侧各式即可求出相应的节点编号。

当借助编程语言基于上述规则生成SMS的可读四边形网格文件后，便可将其导入SMS的网格编辑模块进行地形插值，待地形插值完成后，再对模型边界条件、初始条件、涡粘系数及材质糙率等相关参数进行设定，之后便可运行二维水沙输移模块完成相应计算，其网格导入效果与数模流场分布见图12、13。

(3)Auto-CAD

借助计算机编程将实施例1剖分完成得到的无汊河道二维结构网格分别沿纵向与横向输出成如图14所示的直线批量绘图命令序列，则可通过Auto-CAD进行河道区域二维结构网格剖分结果显示。所述批量绘图命令序列由若干命令单元组成，各命令行均不含空格(空格行除外)，节点的横纵坐标用逗号分隔；一个命令单元起始于“line”而终止于空格行，若将一个直线绘图命令序列复制、粘贴至Auto-CAD命令行将绘制出一条纵向网格线或横向网格线；当将全部直线绘图命令序列复制、粘贴至Auto-CAD命令行，待Auto-CAD运行完毕后便可显示二维河网，其形态如图3所示。

Claims (3)

1.基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法，其特征在于步骤如下：

(1)获取基础数据

选定需要进行数字地形生成的无汊目标河段，获取目标河段的包括河道边界线在内的特征纵向控制线上若干控制点的平面坐标数据，将位于最左侧与最右侧特征纵向控制线之间的纵向控制线记作中间特征纵向控制线，选定目标河段的初始横断面和终止横断面，给出初始横断面和终止横断面的左、右端点的平面坐标；初始横断面、终止横断面与最左侧及最右侧特征纵向控制线组成的封闭区域即为待进行二维结构网络剖分的区域；

(2)目标河段二维结构网格初步剖分

①计算初始横断面、终止横断面与最左侧、最右侧特征纵向控制线的交点的平面坐标，将初始横断面、终止横断面与最左侧、最右侧特征纵向控制线的交点分别记作初始交点和终止交点，将初始交点、终止交点以及介于初始交点与终止交点之间的部分称为有效部分，提取最左侧、最右侧特征纵向控制线的有效部分的控制点坐标，将位于最左侧、最右侧特征纵向控制线的有效部分的控制点记作有效控制点，假设最左侧与最右侧特征纵向控制线的有效控制点个数分别为N_左+1、N_右+1，将最左侧、最右侧纵向控制线的各有效控制点的坐标分别记作(x_左(i),y_左(i)),i＝1,2,3,…,N_左+1，(x_右(i),y_右(i)),i＝1,2,3,…,N_右+1，i＝1代表初始交点，计算最左侧特征纵向控制线的各有效控制点相对于最左侧初始交点的沿线累加距离L_左(i)i＝1,2,3,…,N_左+1，以及最右侧特征纵向控制线的各有效控制点相对于最右侧初始交点的沿线累加距离L_右(i)i＝1,2,3,…,N_右+1；

②采用定数等分法或定距等分法对最左侧特征纵向控制线的有效部分进行沿线剖分生成剖分节点，具体如下：

定数等分法：剖分份数取n_左，则沿线剖分步长s_左＝L_左(N_左+1)/n_左，剖分后将生成n_左+1个剖分节点，剖分过程如下：依据沿线累加距离将最左侧特征纵向控制线的有效部分分为N_左个累加距离区间[L_左(1),L_左(2)]，[L_左(2),L_左(3)]，…，[L_左(N_左),L_左(N_左+1)]，然后以最左侧特征纵向控制线的初始交点为起点，沿着最左侧特征纵向控制线的有效部分取沿线步进距离j·s_左,j依次取1,2,…n_左-1，根据j·s_左的值判断各沿线步进距离的终点落于哪一个累加距离区间中，当L_左(k)≤j·s_左≤L_左(k+1)时，则沿线步进距离j·s_左的终点落于累加距离区间[L_左(k),L_左(k+1)]中，k＝1,2,3,…,N_左，由式(Ⅰ)～(Ⅱ)计算出最左侧特征纵向控制线的有效部分的剖分节点坐标(x_左,节(j+1),y_左,节(j+1))，并记最左侧初始交点与最左侧终止交点的平面坐标分别为(x_{左,初始交点},y_{左,初始交点})＝(x_左,节(1),y_左,节(1))，(x_{左,终止交点},y_{左,终止交点})＝(x_左,节(n_左+1),y_左,节(n_左+1))；

定距等分法：定距等分距离取L_0,左，则沿线剖分步长s_左＝L_0,左，剖分后生成的剖分节点个数与定距等分距离取值有关，当L_左(N_左+1)/L_0,左的余数等于0时，相当于采用定数等分法进行剖分，剖分份数n_左＝L_左(N_左+1)/L_0,左，剖分后将生成n_左+1个剖分节点，剖分过程及剖分节点坐标的计算方法同定数等分法；当L_左(N_左+1)/L_0,左的余数不等于0时，剖分份数n_左＝[L_左(N_左+1)/L_0,左]+1，[L_左(N_左+1)/L_0,左]表示取L_左(N_左+1)/L_0,左的整数部分，剖分后将生成n_左+1个剖分节点，剖分过程及剖分节点坐标的计算方法同定数等分法；

③采用定数等分法或定距等分法对最右侧特征纵向控制线的有效部分进行沿线剖分生成剖分节点，由于是基于二维结构网格对目标河段进行剖分，所以最右侧与最左侧特征纵向控制线的有效部分的剖分份数应相等，即n_右＝n_左，具体如下：

定数等分法：剖分份数为n_右，则沿线剖分步长s_右＝L_右(N_右+1)/n_右，剖分后将生成n_右+1个剖分节点，剖分过程如下：依据沿线累加距离将最右侧特征纵向控制线的有效部分分为N_右个累加距离区间[L_右(1),L_右(2)]，[L_右(2),L_右(3)]，…，[L_右(N_右),L_右(N_右+1)]，然后以最右侧特征纵向控制线的初始交点为起点，沿着最右侧特征纵向控制线的有效部分取沿线步进距离j·s_右,j依次取1,2,…n_右-1，根据j·s_右的值判断各沿线步进距离的终点落于哪一个累加距离区间中，当L_右(k)≤j·s_右≤L_右(k+1)时，则沿线步进距离j·s_右的终点落于累加距离区间[L_右(k),L_右(k+1)]中，k＝1,2,3,…,N_右，由式(Ⅲ)～(Ⅳ)计算出最右侧特征纵向控制线的有效部分的剖分节点坐标(x_右,节(j+1),y_右,节(j+1))，并记最右侧初始交点与最右侧终止交点的平面坐标分别为(x_{右,初始交点},y_{右,初始交点})＝(x_右,节(1),y_右,节(1))，(x_{右,终止交点},y_{右,终止交点})＝(x_右,节(n_右+1),y_右,节(n_右+1))；

定距等分法：为保证n_右＝n_左，最右侧特征纵向控制线的定距等分距离L_0,右应在区间[L_右(N_右+1)/n_右，L_右(N_右+1)/(n_右-1))内取值，沿线剖分步长s_右＝L_0,右，剖分后将生成n_右+1个剖分节点，剖分过程及剖分节点坐标的计算方法与步骤③中的定数等分法相同；

④依次连接最左侧与最右侧特征纵向控制线上对应的剖分节点，计算所连线段与各中间特征纵向控制线的交点的平面坐标，以实现对各中间特征纵向控制线的剖分，至此即完成对目标河段的二维结构网格初步剖分；

(3)对初步剖分结果进行横向加密

对各纵向网格线之间的横向线段进行剖分以减小各纵向网格线之间的横向间距，具体方法是参照步骤(2)②和③中的定数等分法对各纵向网格线之间的横向线段进行剖分，计算剖分后的节点坐标，然后纵向依次连接该步骤剖分生成的对应的剖分节点，即完成对目标河段二维结构网格初步剖分结果的横向加密。

2.根据权利要求1所述基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法，其特征在于，特征纵向控制线还包括深泓线、滩槽分界线及水边线。

3.根据权利要求1或2所述基于地形特征界线的无汊河道二维结构网格剖分方法，其特征在于，通过对卫星图片、遥感图像、河势图解译或现场勘测获取目标河段的特征纵向控制线上若干控制点的平面坐标数据。