CN111274742B - 水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法，包括以下步骤：步骤1，获取独立坐标系下的数字高程网格数据；步骤2，设定条件参数，使用GAST水动力模型计算，得到条件参数下模型解算数值模拟结果；随后遍历时间切片数组，得到对应的GAST水动力模型解算数值模拟结果数组；步骤3，遍历GAST水动力模型解算数值模拟结果数组，依次进行转换数据格式、平移反变换处理、投影反解，得到地理空间坐标系下的数字水深数据。本发明方法计算过程简洁、结果准确可靠，可与其他多源地理信息数据在统一地理空间基准下快速集成整合，支持在地理时空场景下沿时间序列进行二三维动态水模拟演进过程的可视化呈现与预测分析。

Description

水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法

技术领域

本发明属于水动力模型数值模拟领域、地理信息系统领域，具体涉及一种水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法。

背景技术

水模拟方法主要分为两大类：水文学模拟方法和水动力学模拟方法；其中水文学模拟方法采用系统分析方式、概化汇水分区，但是难以模拟地表漫流过程；水动力学方法基于求解二维圣维南方程，采用水动力过程的数值模型进行水模拟计算，精确度和可靠度更高。

针对广域、大范围，高精度、小间距的地形进行数据描述，数字高程网格数会达到百万、千万乃至过亿的海量数据。由于海量地形高程网格数据进行水动力模型解算时，对计算机存储资源和时间消耗非常大，因此，通常需要对海量级的数字高程网格数据进行坐标转换等前处理，使原来具备地理空间坐标基准信息的高程网格数据丢失此类信息，导致模型计算结果难以恢复地理空间坐标基准信息，更难以与其他多源地理空间信息、资源进行集成整合，在统一地理空间基准下进行可视化呈现。

常用水动力数值计算模型有SWAT模型、SWMM模型、MIKE Urban模型、Indor Works模型、暴雨溢流模型(STORM)、基于GPU加速的地表水动力模型(GAST)等，这些模型在数值模拟计算时直接导入独立坐标系下的数字地形高程网格数据，解算结果数值主要反应水深、淹没范围，并不具备地理空间坐标基准信息。

将水动力模型计算的数值模拟结果与真实地理空间紧密结合，在统一地理空间基准下精准直观地反应水模拟的演进过程，可为水资源管理利用、水利防灾减灾等提供更加可靠的辅助决策。因此，发明一种实用、可靠、准确的水动力模型数数值模拟地理空间基准改化方法，从数据源头到解算结果全过程赋予水动力模型数值模拟地理空间特性，实现统一地理空间基准下的水动力模型数值计算结果的获取和空间场景的仿真可视化。

发明内容

本发明的目的是提供水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法，解决了现有水动力模型解算时，数据源损失地理空间坐标基准信息，进而导致模型计算结果难以恢复地理空间坐标基准，难以与其他多源地理空间信息、资源进行集成整合、可视化等问题。

本发明所采用的技术方案是，水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法，包括以下步骤：

步骤1，获取独立坐标系下的数字高程网格数据

选取采用水动力模型进行模拟实验验证的区域，获取所述区域地理空间坐标系下的数字高程地形数据，进行投影正解计算，设定网格间距进行差分计算，得到地图投影坐标系下的数字高程网格数据；随后进行平移正变换，数据格式转换后得到独立坐标系下的数字高程网格数据。

步骤2，基于步骤1得到的独立坐标系下的数字高程网格数据，设定初始条件参数，至少包括流速V₀、流量Q₀和时间T₀，使用GAST水动力模型计算，得到条件参数下的模型计算数值模拟结果D₀；随后遍历时间切片数组剩余条件参数，即设定流速V_i、流量Q_i和时间T_i条件参数(i＝1，2，3，…，n)，最后得到时间切片数组所对应的GAST水动力模型数值模拟结果数组D＝[D₀,D₁,D₂,…,D_n]。

步骤3，遍历步骤2得到的GAST水动力模型数值模拟结果数组，依次进行数据格式反转换、反平移变换处理，得到地图投影坐标系下的数字水深网格数据，随后在进行投影反解，得到地理空间坐标系下的数字水深数据。

本发明的特征还在于，

步骤1中投影正解具体为公式(1)：

f(B，L，h)→F(X，Y，h) (1)

公式(1)中，参数B为特定地球椭球某一点的纬度，参数L为特定地球椭球某一点的经度，参数h为某一点的地表海拔高程，参数X为特定地球椭球某一点、经过地图投影变换后的纵直角坐标的平面坐标，参数Y为特定地球椭球某一点、经过地图投影变换后的横直角坐标的平面坐标。

步骤1中平移正变换具体按照公式(2)进行：

X’＝X-ΔX

Y’＝Y-ΔY (2)

公式(2)中，参数X为特定地球椭球某一点、经过地图投影变换后的纵直角坐标的平面坐标，参数Y为特定地球椭球某一点、经过地图投影变换后的横直角坐标的平面坐标，将统称为地图投影坐标系中网格点O的坐标；参数X’与Y’为将网格点O平移后在独立坐标系中对应的网格点O’的横纵坐标，网格点O相对于网格点O’的横纵坐标的平移量为ΔX和ΔY。

步骤3反平移变换具体为公式(3)：

X＝X’+ΔX’

Y＝Y’+ΔY’ (3)

公式(3)中，参数X’与Y’为独立坐标系中水深网格点O’的坐标，参数X和Y为将水深网格点O’反向平移后在地图投影坐标系中对应的网格点O坐标，O相对于O’的反向平移量为ΔX’和ΔY’。

步骤3投影反解具体为公式(4)：

F(X，Y)→f(B，L)

h’＝Δh+h (4)

公式(4)中，参数Δh为网格点O在淹没区域内的水深值，h’为该点被淹没后的水面海拔高程。

本发明的有益效果是：本发明水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法，通过投影正解和平移正变换，得到独立坐标系下的数字高程网格数据；再通过反平移变换、投影反解得到具有地理空间坐标系数字水深数据，操作简洁、结果准确可靠，可与其他多源地理信息数据在统一地理空间基准下快速集成整合，支持在地理时空场景下沿时间序列进行二三维动态水模拟演进过程的可视化呈现与预测分析。

附图说明

图1是本发明水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法的工作流程图；

图2是本发明水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法中平移正变换的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，获取独立坐标系下的数字高程网格数据

选取采用水动力模型进行模拟实验验证的区域，获取上述区域地理空间坐标系下的数字高程地形数据，进行投影正解计算，设定网格间距进行差分计算，得到地图投影坐标系下的数字高程网格数据；随后进行平移正变换，数据格式转换后得到独立坐标系下的数字高程网格数据。

其中投影为指定投影类型，如高斯或UTM投影；

数字高程网格数据是指在特定的地球椭球基准(例如WGS84)、指定的等距变形地图投影类型下(例如高斯投影/UTM投影)生成的表达地表地形高程的均匀化、非均匀网格数字高程网格数据；

投影正解具体为公式(1)：

f(B，L，h)→F(X，Y，h) (1)

公式(1)中，参数B为特定地球椭球某一点的纬度，参数L为特定地球椭球某一点的经度，参数h为某一点的地表海拔高程，参数X为特定地球椭球某一点、经过地图投影变换后的纵直角坐标的平面坐标，参数Y为特定地球椭球某一点、经过地图投影变换后的横直角坐标的平面坐标；

如图2所示，平移正变换具体按照公式(2)进行：

X’＝X-ΔX

Y’＝Y-ΔY (2)

公式(2)中，参数X为特定地球椭球某一点、经过地图投影变换后的纵直角坐标的平面坐标，参数Y为特定地球椭球某一点、经过地图投影变换后的横直角坐标的平面坐标，将统称为地图投影坐标系中网格点O的坐标；参数X’与Y’为将网格点O平移后在独立坐标系中对应的网格点O’的横纵坐标，网格点O相对于网格点O’的横纵坐标的平移量为ΔX和ΔY。

步骤2，基于步骤1得到的独立坐标系下的数字高程网格数据，设定初始条件参数，至少包括流速V₀、流量Q₀和时间T₀，使用GAST水动力模型计算，得到条件参数下的模型计算数值模拟结果D₀；随后遍历时间切片数组剩余条件参数，即设定流速V_i、流量Q_i和时间T_i条件参数(i＝1，2，3，…，n)，最后得到时间切片数组所对应的GAST水动力模型数值模拟结果数组D＝[D₀,D₁,D₂,…,D_n；

其中时间切片数组具体为T＝[T₀,T₁,T₂,…,T_n]，单位为秒(s)，如：以一小时(3600s)为时间间隔单位，利用GAST水动力模型计算24小时历时内的水位演进过程和淹没范围，则T＝[0,3600,7200,10800,…,82800]。

步骤3，遍历步骤2得到的GAST水动力模型数值模拟结果数组，依次进行数据格式反转换、反平移变换处理，得到地图投影坐标系下的数字水深网格数据，随后在进行投影反解，得到地理空间坐标系下的数字水深数据。

反平移变换具体为公式(3)：

X＝X’+ΔX’

Y＝Y’+ΔY’ (3)

公式(3)中，参数X’与Y’为独立坐标系中水深网格点O’的坐标，参数X和Y为将水深网格点O’反向平移后在地图投影坐标系中对应的网格点O坐标，O相对于O’的反向平移量为ΔX’和ΔY’。

步骤3投影反解具体为公式(4)：

F(X，Y)→f(B，L)

h’＝Δh+h (4)

公式(4)中，参数Δh为网格点O在淹没区域内的水深值，h’为该点被淹没后的水面海拔高程。

本发明方法通过投影正解和平移正变换，得到独立坐标系下的数字高程网格数据；再通过平移反变换、投影反解得到具有地理空间坐标系下的数字水深数据，计算过程简洁、结果准确可靠，可与其他多源地理信息数据在统一地理空间基准下快速集成整合，支持在地理时空场景下沿时间序列进行二三维动态水模拟演进过程的可视化呈现与预测分析。

Claims (5)

1.水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取独立坐标系下的数字高程网格数据

选取采用水动力模型进行模拟实验验证的区域，获取所述区域地理空间坐标系下的数字高程地形数据，进行投影正解计算，设定网格间距进行差分计算，得到地图投影坐标系下的数字高程网格数据；随后进行平移正变换，数据格式转换后得到独立坐标系下的数字高程网格数据；

步骤2，基于步骤1得到的独立坐标系下的数字高程网格数据，设定初始条件参数，包括流速V₀、流量Q₀和时间T₀，使用GAST水动力模型计算，得到条件参数下的模型计算数值模拟结果D₀；随后遍历时间切片数组剩余条件参数，即设定流速V_i、流量Q_i和时间T_i条件参数，i＝1，2，3，…，n，n为整数，最后得到时间切片数组所对应的GAST水动力模型数值模拟结果数组D＝[D₀,D₁,D₂,…,D_n]；

步骤3，遍历步骤2得到的GAST水动力模型数值模拟结果数组，依次进行数据格式反转换、反平移变换处理，得到地图投影坐标系下的数字水深网格数据，随后在进行投影反解，得到地理空间坐标系下的数字水深数据。

2.根据权利要求1所述的水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法，其特征在于，步骤1中所述投影正解具体为公式(1)：

f(B，L，h)→F(X，Y，h) (1)

公式(1)中，参数B为特定地球椭球某一点的纬度，参数L为特定地球椭球某一点的经度，参数h为某一点的地表海拔高程，参数X为特定地球椭球某一点、经过地图投影变换后的纵直角坐标的平面坐标，参数Y为特定地球椭球某一点、经过地图投影变换后的横直角坐标的平面坐标。

3.根据权利要求2所述的水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法，其特征在于，步骤1中所述平移正变换具体按照公式(2)进行：

X’＝X-ΔX

Y’＝Y-ΔY (2)

公式(2)中，参数X’与Y’为将网格点O平移后在独立坐标系中对应的网格点O’的横纵坐标，网格点O相对于网格点O’的横纵坐标的平移量为ΔX和ΔY。

4.根据权利要求3所述的水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法，其特征在于，所述步骤3中反平移变换具体为公式(3)：

X＝X’+ΔX’

Y＝Y’+ΔY’ (3)

公式(3)中，O相对于O’的反向平移量为ΔX’和ΔY’。

5.根据权利要求4所述的水动力模型数值模拟统一地理空间基准改化方法，其特征在于，步骤3所述投影反解具体为公式(4)：

F(X，Y)→f(B，L)

h’ ＝Δh+h (4)

公式(4)中，参数Δh为网格点O在淹没区域内的水深值，h’为该点被淹没后的水面海拔高程。

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