CN110362876A - 一种基于有限测点的复杂河网水位场插值计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于有限测点的复杂河网水位场插值计算方法，包括勾勒绘制河网中每个河段的中心线或深泓线，得到河网中心线；给定间距，对河网中每个河段中心线进行离散，得到离散节点；对离散后的每个河段首尾节点进行判断，从而得到实测水尺控制点和河网结点控制点；将该水尺水位赋值给该离散点；得到整个河网中心线离散点水位；针对需要插值的一维断面中点或二维网格节点，遍历所有的一维断面或二维网格节点，从而得到整个河网的初始水位场。本发明能有效避免实测数据有限时，采用基于全域空间插值方法引起的水位失真缺陷，能为复杂河网数值计算提供较合理的初始水位场，从而提高数学模型计算的稳定性。

Description

一种基于有限测点的复杂河网水位场插值计算方法

技术领域

本发明涉及河流水动力学数值模拟领域，具体是一种基于有限测点的复杂河网水位场插值计算方法。

背景技术

在河流水动力学数值模拟中，往往需要给出初始时刻的水位场，对于单一河道，可直接根据上下游实测水尺水位内插得到整个计算域的水位场，但对于复杂河网，由于实测水尺个数有限，这样的插值往往会带来水位插值的失真，从而引起模型稳定性差甚至难于收敛。通过分析认为，复杂河网初始水位场的确定存在如下的问题和缺点：

(1)由于实测水尺水位数量有限，传统方法插值误差较大

天然河道水位场的获取工作量大，费时费力，一般通过有限的水尺水位测量后通过插值来获得。从理论上讲，若实测的水位点足够多，采用基于散点的三角网插值、伽辽金插值或移动最小二乘插值法插值，均可得到较为合理的水位场。但是当实测的水位点很少或有限时，这种基于全域空间插值方法容易产生不合理的水位场，如下游水位高于上游等失真情况。初始水位场的失真，容易引起模型的稳定性变差或难于收敛。本发明提出的先离散后插值的方法能很好解决这一问题。

(2)基于几何公式的插值方法，编程较为困难且效率不高

在传统方法中，将实测水位点的数据赋值给相应的河道节点，一般需向河道中心线作垂线，确定垂足后将实测水位赋值给垂足点；当两河段交叉形成结点时，往往需先计算两河段中心线的交点。然而，计算垂足或线段交点，一般需采用几何公式进行计算，程序的编写较为繁琐。

因此，发明一种更合理、高效的复杂河网水位场插值计算方法是非常必要的。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种基于有限测点的复杂河网水位场插值计算方法，通过对各河段中心线进行离散，直接查找离实测水位点或河段首尾点最近的中心线离散点即可得到垂线点或交叉节点，大大简化了程序的编制，提高了计算效率。

本发明的技术方案：

一种基于有限测点的复杂河网水位场插值计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、勾勒绘制河网中每个河段的中心线或深泓线，得到河网中心线；

步骤二、给定间距，对河网中每个河段中心线进行离散，得到离散节点；

步骤三、对离散后的每个河段首尾节点进行判断，若靠近实测水尺点，即距离小于离散点距，则直接将实测水尺水位赋值给该首尾节点，从而得到实测水尺控制点；若与其他河段交叉并形成河网结点，则根据被交叉河段上、下游水位插值计算该结点水位，从而得到河网结点控制点；

步骤四、若实测水尺点不位于各河段首尾节点，则通过查找与之最近的河网中心线离散点，将该水尺水位赋值给该离散点；

步骤五、分别针对各个河段，根据实测水尺控制点和河网结点控制点的水位，进行分段线性内插，计算各离散点的水位，从而得到整个河网中心线离散点水位；

步骤六、针对需要插值的一维断面中点或二维网格节点，查找与之最近的河网中心线离散点，将其水位赋值给该一维断面中点或二维网格节点，遍历所有的一维断面或二维网格节点，从而得到整个河网的初始水位场。

所述步骤二中给定的间距为5-10米。

所述步骤五包括以下具体步骤：

(1)针对河网中各个河段，分别统计水尺水位控制点和结点水位控制点总数；

(2)若总数大于等于2，则根据控制点水位进行内插，得到河段中心线各离散点水位，进而得到整个河网中心线离散点水位；

(3)若总数小于2，则需返回检查控制点是否设置正确。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明能有效避免实测数据有限时，采用基于全域空间插值方法引起的水位失真缺陷，能为复杂河网数值计算提供较合理的初始水位场，从而提高数学模型计算的稳定性。

2.本发明提供了一种通过线段组离散来快速计算点到线段组的最近距离的方法，无需采用繁琐的几何公式，大大减轻了编程难度，提高了计算效率。

3.本发明通过对河段中心线进行离散，并通过内插得到离散点的水位，离散点的水位可直接赋值给周围的一维断面或二维网格点，从而实现了复杂河网初始水位场的合理、高效获取。

4.本发明不仅可直接应用于一、二维河网水动力学模型初始水位的估算，还可拓展应用于河网洪泛区洪水淹没图绘制、河网航道水深图绘制等方面。

附图说明

图1为勾勒的河网中各河段中心线分布图；

图2为各河段中心线按等间距离散图；

图3为实测水尺控制点和河网节点控制点图；

图4根据控制点水位内插得到各河段中心线离散点水位；

图5一维断面中点与离散点关系图；

图6二维网格节点与离散点关系图；

图7插值得到的二维网格水位场；

图8为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：

步骤一、勾勒绘制河网中每个河段的中心线或深泓线，得到河网中心线。参照图1，勾勒得到河段中心线3条，分别为adb、defc和egf。

步骤二、按照一定的间距，取为10米，对河网中每个河段中心线进行内插离散，得到中心线的离散点。参照图2中的圆点。

步骤三、对离散后的每个河段首尾节点进行判断，若靠近实测水尺点，即距离小于离散点距，则直接将实测水尺水位赋值给该首尾节点，从而得到实测水尺控制点；若与其他河段交叉并形成河网结点，则根据被交叉河段上下游水位插值计算结点水位，从而得到河网结点控制点。参照图3，

(1)对离散后的adb、defc和egf河段首尾节点a、b、c进行判断，若靠近实测水尺点，即两者距离小于离散点距，则直接将实测水尺A、B、C水位赋值给该首尾节点，从而得到实测水尺控制点a、b、c，图中用黑圆点加十字叉表示；

(2)若与其他河段交叉，形成河网结点，如河段adb与河段defc交叉于节点d，则根据被交叉河段adb上、下游节点水位a、b插值得到河网结点d的水位，得到河网结点控制点d。与此类似，可得到河网结点控制点e、f，图中用黑圆点加十字叉表示。

步骤四、若实测水尺点不位于各河段首尾节点，则可通过查找与之最近的河网中心线离散点，将该水尺水位赋值给该离散点。参照图3，

(1)将实测水尺点G与所有河网中心线离散点的距离进行比较，查找与实测水尺点G最近的河网中心线离散点g；

(2)将实测水尺G的水位赋值给该离散点g。

步骤五、针对河网中各个河段，分别根据实测水尺控制点和河网结点控制点的水位，进行分段线性内插计算各离散点的水位，进而得到整个河网中心线离散点水位。参照图4，

(1)分别针对adb、defc和egf各河段，统计水尺水位控制点和结点水位控制点总数，分别为3、4、3个；

(2)若总数大于等于2，则可根据控制点水位进行内插，从而得到各河段中心线离散点水位，即整个河网中心线离散点水位，图中小黑点为水位插值后的离散点；

(3)若总数小于2，则需返回检查控制点是否设置正确。

步骤六、针对需要插值的一维断面中心点(参照图5)或二维网格节点(参照图6)，查找与之最近的河网中心线离散点，将其水位赋值给该一维断面中点或二维网格节点，从而得到整个河网的初始水位场。

(1)计算需插值的一维断面中点或二维网格节点，查找与之最近的河网中心线离散点，如图5中与cs1最近的点为p1，与cs2最近的点为p2；

(2)将最近的河网中心线离散点水位赋值给该一维断面中点或二维网格节点；

(3)遍历所有的一维断面或二维网格节点，从而得到整个河网的初始水位场。

效果验证：

图7为河网水位场插值示例。图中，上游水尺A水位为10米，下游水尺B水位为7米，支流出口水尺C水位为8米，中间水尺G水位为8.5米，采用本发明提供的方法，根据4个水尺的水位插值得到的整个河网水位。图中水位分布合理，比降与实际水流流向一致，效果良好。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于有限测点的复杂河网水位场插值计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、勾勒绘制河网中每个河段的中心线或深泓线，得到河网中心线；

步骤二、给定间距，对河网中每个河段中心线进行离散，得到离散节点；

步骤三、对离散后的每个河段首尾节点进行判断，若靠近实测水尺点，即距离小于离散点距，则直接将实测水尺水位赋值给该首尾节点，从而得到实测水尺控制点；若与其他河段交叉并形成河网结点，则根据被交叉河段上、下游水位插值计算该结点水位，从而得到河网结点控制点；

步骤四、若实测水尺点不位于各河段首尾节点，则通过查找与之最近的河网中心线离散点，将该水尺水位赋值给该离散点；

步骤五、分别针对各个河段，根据实测水尺控制点和河网结点控制点的水位，进行分段线性内插，计算各离散点的水位，从而得到整个河网中心线离散点水位；

步骤六、针对需要插值的一维断面中点或二维网格节点，查找与之最近的河网中心线离散点，将其水位赋值给该一维断面中点或二维网格节点，遍历所有的一维断面或二维网格节点，从而得到整个河网的初始水位场。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限测点的复杂河网水位场插值计算方法，其特征在于，所述步骤二中给定的间距为5-10米。

3.根据权利要求1所述的一种基于有限测点的复杂河网水位场插值计算方法，其特征在于，所述步骤五包括以下具体步骤：

(1)针对河网中各个河段，分别统计水尺水位控制点和结点水位控制点总数；

(2)若总数大于等于2，则根据控制点水位进行内插，得到河段中心线各离散点水位，进而得到整个河网中心线离散点水位；

(3)若总数小于2，则需返回检查控制点是否设置正确。