CN110442988A - 一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法及装置 - Google Patents

一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法及装置，该方法包括：建立研究区的元胞基础地理场景；根据水位值大小确定中间元胞的下游元胞，计算中间元胞水量转移到各个下游元胞所需时间；比较中间元胞与其邻域元胞之间水位值标准差和标准差阈值相对大小，选择水量分配权重值，确定各个下游元胞中的水量分配比例；比较模型时间步长与水量实际转移时间的大小，确定一个时间步长内的水量分配比例；根据中间元胞水量与水量分配比例计算中间元胞向各个下游元胞转移的水量，并设置各个下游方向转移上限，修正转移至各个下游元胞的水量。本发明方法更加贴合实际的流向运动过程，能够弥补其他多流向算法的不足，提高城市汇流过程模拟精度。

Description

一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法及装置
技术领域
本发明涉及城市水文和环境科学领域，尤其涉及一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法及装置。
背景技术
城市水文模型可以实现城市降雨径流过程的精确模拟，为城市内涝预警、雨洪应急疏散方案制定以及城市面源污染防控和治理等提供理论依据。城市地表径流流向能够描述水、沉积物等地表物质在地貌单元之间从高到低的传输与流动路线，决定着汇水面积、地形指数等重要地形和水文参数的计算，在城市水文模型研究中起着重要作用。
流向算法分为单流向算法和多流向算法两大类。单流向算法原理是水流将水力梯度最大的相邻单元作为下游单元，对DEM高程数据比较敏感，不适合模拟缓坡坡面漫散流动。多流向算法则是按照水量分配权重p将水量分配至不同的下游单元中，一般基于两种假设，其一是“越陡下游方向获取的水量越多”，其二则基于“动力系统倾向于往平衡状态发展”的假设，但目前多流向算法中p值为固定值，忽略了地形特征对流场划分的影响，在坡度较陡情况下模拟结果较差。因此，本发明提出了一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法，结合多流向算法的两种基本假设，计算3×3单元水位值标准差作为直接反映局部地形变化程度的指标，并将此作为水量分配权重p的取值依据，以弥补其他多流向算法的不足，提高城市汇流过程模拟精度，这也本发明的主要研究课题。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法及装置，更加贴合实际的流向运动过程，为城市地表径流流向计算提供新方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法，包括如下步骤：
(1)建立研究区的基于元胞自动机模式的基础地理场景，其中元胞的邻域关系为Moore型八邻域；
(2)比较中间元胞与邻域元胞的水位值大小，排除水位值高于中间元胞的邻域元胞，将剩下的邻域元胞作为水量转移的下游元胞，计算中间元胞水量转移到各个下游元胞所需时间；
(3)计算中间元胞与其八个邻域元胞之间水位值的标准差及标准差阈值，对比计算标准差和标准差阈值相对大小，选择水量分配权重值，确定各个下游元胞中的水量分配比例；
(4)比较模型时间步长与水量实际转移时间的大小，确定一个模型计算时间步长内的水量分配比例；
(5)根据中间元胞水量与水量分配比例计算中间元胞向各个下游元胞转移的水量，并设置各个下游方向转移上限，修正转移至各个下游元胞的水量。
进一步地，步骤(2)中，根据如下公式计算中间元胞水量转移到各个下游元胞所需时间：
其中，Ti为中间元胞水量转移到第i个下游元胞所需时间，depth0为中间元胞水深，si为中间元胞与第i个下游元胞之间的水面坡度，ni为曼宁糙率系数，Di为中间元胞与第i个下游元胞之间的距离。
进一步地，步骤(3)中，根据如下公式确定各个下游元胞中的水量分配比例：
其中，di为中间元胞对第i个下游邻域元胞的水量分配比例，tanβi为中间元胞到第i个下游邻域元胞的坡度比降，Li为对第i个下游邻域元胞的等高线长度加权因子，M为下游邻域元胞的数量，p为水量分配权重，SD和SD0为中间元胞与其八个邻域元胞之间水位值的标准差及标准差阈值。
进一步地，中间元胞与其八个邻域元胞之间水位值的标准差SD及标准差阈值SD0为：
其中，hk为第k个元胞的水位值，为中间元胞与其八个邻域元胞的水位值均值，N＝9，表示八个邻域和一个中间元胞，dCA为元胞边长。
进一步地，步骤(4)中，对比模型时间步长t与步骤(3)中得到的水量转移至各个下游元胞中的时间Ti的大小，若Ti大于时间步长t，只有部分水量可以被转移，此时向下游转移水量比例为如果Ti小于时间步长t，认为水量可以全部转移，此时向下游元胞转移的水量比例为di。
进一步地，步骤(5)中，根据如下公式对中间元胞向各个下游元胞转移的水量进行修正：
其中，Pi为中间元胞向第i个下游元胞转移的水量，hi为第i个下游元胞水位值，为中间元胞与第i个下游元胞的平均水位值，A为元胞面积。
基于相同的发明构思，本发明提供的一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法。
有益效果：本发明提供的一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法，基于“越陡下游方向获取的水量越多”假设，通过计算中间元胞与其邻域元胞之间水位值的标准差及标准差阈值，对比计算标准差和标准差阈值相对大小，并以此作为选择水量分配权重值的取值依据，确定各个下游元胞中的水量分配比例，再结合模型时间步长与水量实际转移时间的大小，确定一个模型计算时间步长内的最终水量分配比例；并且基于“动力系统倾向于往平衡状态发展”假设，设置各个下游方向转移上限，修正转移至各个下游元胞的水量。与现有技术相比，本发明的计算方法更加贴合实际的流向动态过程，能够弥补其他多流向算法的不足，提高城市汇流过程模拟精度。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的流程示意图；
图2是本发明的元胞空间领域关系示意图；
图3是典型城市地表径流流向判断算法流程示意图；
图4是流向计算算法流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例公开的一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法，包括以下步骤：
(1)获取研究区的下垫面类型、数字高程数据和水深，设置元胞大小、时间步长，建立基于元胞自动机模式的基础地理场景。
该步骤具体包括：
获取研究区的下垫面类型和数字高程数据(DEM)构建元胞基础地理场景，获得每个元胞的下垫面类型(例如：道路、屋面和草地等)和高程，定义每个元胞的大小、曼宁糙率系数、坐标、邻域关系，模型的时间步长和模拟时长，相关参数如表1所示。如图2所示，本发明中元胞的邻域关系为Moore型八邻域。
表1城市元胞自动机模型参数示例表
参数 意义 说明
d<sub>CA</sub> 元胞边长 模型设置
DEM 元胞高程 资料获取
depth 元胞水深/水量 资料获取
n 曼宁糙率 下垫面材质平均糙率
t 时间步长 设置模拟时间的步长
(2)比较中间元胞与邻域元胞的水位值大小，排除水位值高于中间元胞的邻域元胞，将剩下的邻域元胞作为水量转移的下游元胞；利用曼宁公式计算中间元胞水量全部转移到各个下游元胞所需时间。
该步骤具体包括：
(2-1)水量转移下游元胞判断：计算每个元胞对应的水位值h：
h＝DEM+depth
其中，DEM为元胞的高程，m；depth为元胞水深，m；h为每个元胞的水位值，m。比较中间元胞与邻域元胞的水位大小，排除水位值高于中间元胞的邻域元胞，将剩下的邻域元胞作为水量转移的下游元胞。
(2-2)水量转移时间计算：
其中，Ti为中间元胞水量转移到第i个下游元胞所需时间，s；Vi为流速，m/s；depth0为中间元胞水深，m；si为中间元胞与第i个下游元胞之间的水面坡度；ni为曼宁糙率系数，s/m1/3；Di为中间元胞与第i个下游元胞之间的距离，对于垂直邻域元胞而言，D为元胞边长(D＝dCA)，对于对角邻域元胞，D为倍的元胞边长m。
(3)计算中间元胞与其八个邻域元胞之间水位值的标准差，计算标准差阈值，对比计算标准差和标准差阈值相对大小，选择水量分配权重p值，确定各个下游元胞中的水量分配比例。
该步骤具体包括：
(3-1)标准差和标准差阈值计算：根据中间元胞与其八个邻域元胞之间水位值，计算标准差SD和标准差阈值SD0。
其中，SD为中间元胞和邻域八个元胞的标准差计算结果；hk为第k个元胞的水位值，h为中间元胞与其八个邻域元胞的水位值均值，N＝9，表示八个邻域和一个中间元胞；dCA为元胞尺寸，m。
(3-2)中间元胞水量分配比例计算：计算中间元胞对下游元胞的水量分配比例di。
其中，di为中间元胞对第i个下游邻域元胞的水量分配比例；tanβi为中间元胞到第i个下游邻域元胞的坡度比降；Li为对第i个下游邻域元胞的等高线长度加权因子，本实施例中，垂直方向元胞的等高线长度加权权重为0.500，对角方向元胞的加权权重为0.354(即为的近似值)；M为下游邻域元胞的数量，p为水量分配权重。
(4)比较模型时间步长与水量实际转移时间的大小，确定一个模型计算时间步长内的最终水量分配比例。
该步骤具体包括：
对比模型时间步长t与(3)中得到的水量转移至各个下游元胞中的时间Ti的大小，若Ti大于时间步长t，只有部分水量可以被转移，此时向下游转移水量比例为如果Ti小于时间步长t，认为水量可以全部转移，此时向下游元胞转移的水量比例为di。
(5)计算中间元胞的转移水量，并基于“动力系统倾向于往平衡状态发展”假设，设置各个下游方向转移上限，修正转移至各个下游元胞的水量。
该步骤具体包括：
(5-1)转移水量计算：根据中间元胞水量(面积×水深)与中间元胞水量转移比例，乘积即可获得中间元胞向各个下游元胞转移的水量。
Pi＝depth0×A×di
其中，depth0为中间元胞水深，m3；A表示元胞面积，也即dCA×dCA，m2；Pi为中间元胞向各个下游元胞转移的水量。
(5-2)转移水量修正：结合“动力系统倾向于往平衡状态发展”假设，对从中间元胞转移水量至第i个下游元胞设置上限，进行转移水量的修正。
其中，hi表示第i个下游元胞水位值，m；表示中间元胞与第i个下游元胞的平均水位值，m；A表示元胞面积，也即dCA×dCA，m2。
基于相同的发明构思，本发明实施例提供的一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立研究区的基于元胞自动机模式的基础地理场景，其中元胞的邻域关系为Moore型八邻域；
(2)比较中间元胞与邻域元胞的水位值大小，排除水位值高于中间元胞的邻域元胞，将剩下的邻域元胞作为水量转移的下游元胞，计算中间元胞水量转移到各个下游元胞所需时间；
(3)计算中间元胞与其八个邻域元胞之间水位值的标准差及标准差阈值，对比计算标准差和标准差阈值相对大小，选择水量分配权重值，确定各个下游元胞中的水量分配比例；
(4)比较模型时间步长与水量实际转移时间的大小，确定一个模型计算时间步长内的水量分配比例；
(5)根据中间元胞水量与水量分配比例计算中间元胞向各个下游元胞转移的水量，并设置各个下游方向转移上限，修正转移至各个下游元胞的水量。
2.根据权利要求1所述的基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法，其特征在于，步骤(2)中，根据如下公式计算中间元胞水量转移到各个下游元胞所需时间：
其中，Ti为中间元胞水量转移到第i个下游元胞所需时间，depth0为中间元胞水深，si为中间元胞与第i个下游元胞之间的水面坡度，ni为曼宁糙率系数，Di为中间元胞与第i个下游元胞之间的距离。
3.根据权利要求1所述的基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法，其特征在于，步骤(3)中，根据如下公式确定各个下游元胞中的水量分配比例：
其中，di为中间元胞对第i个下游邻域元胞的水量分配比例，tanβi为中间元胞到第i个下游邻域元胞的坡度比降，Li为对第i个下游邻域元胞的等高线长度加权因子，M为下游邻域元胞的数量，p为水量分配权重，SD和SD0为中间元胞与其八个邻域元胞之间水位值的标准差及标准差阈值。
4.根据权利要求3所述的基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法，其特征在于，中间元胞与其八个邻域元胞之间水位值的标准差SD及标准差阈值SD0为：
其中，hk为第k个元胞的水位值，为中间元胞与其八个邻域元胞的水位值均值，N＝9，表示八个邻域和一个中间元胞，dCA为元胞边长。
5.根据权利要求1所述的基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法，其特征在于，步骤(4)中，对比模型时间步长t与步骤(3)中得到的水量转移至各个下游元胞中的时间Ti的大小，若Ti大于时间步长t，只有部分水量可以被转移，此时向下游转移水量比例为如果Ti小于时间步长t，认为水量可以全部转移，此时向下游元胞转移的水量比例为di。
6.根据权利要求1所述的基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法，其特征在于，步骤(5)中，根据如下公式对中间元胞向各个下游元胞转移的水量进行修正：
其中，Pi为中间元胞向第i个下游元胞转移的水量，hi为第i个下游元胞水位值，为中间元胞与第i个下游元胞的平均水位值，A为元胞面积。
7.一种基于元胞自动机的城市地表径流流向计算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-6任一项所述的基于元胞自动机的城市地表径流流向计算方法。
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