CN113139308A - 空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法及装置 - Google Patents

空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法及装置 Download PDF

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CN113139308A CN202011510476.1A CN202011510476A CN113139308A CN 113139308 A CN113139308 A CN 113139308A CN 202011510476 A CN202011510476 A CN 202011510476A CN 113139308 A CN113139308 A CN 113139308A
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Abstract

本发明提供空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法及装置，能够方便地下水数值模型对区域复杂问题的快速处理和操作。方法包括：步骤1.准备区域空间地理数据文件；步骤2.按照区域范围进行水平向有限差分数值离散；步骤3.进行矢量空间地理数据与代表有限差分网格的shapefile文件的连接计算；步骤4.提取保存在有限差分网格中的空间数据信息，并整理为地下水模型所需的类型；步骤5.提取栅格文件信息并整理为地下水模型所需的类型；步骤6.对时变边界条件进行读取与整理，生成数值模拟模型所需要的边界时变数据类型；步骤7.根据地下水数值模拟模型对输入文件的要求，将以上获得的代表空间信息的数组文件生成模型输入文件。

Description

空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法及装置
技术领域
本发明属于地下水数值模拟领域，具体涉及区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法及装置。
技术背景
随着计算机技术的快速发展，求解地下水问题的数值方法得到快速发展，并成为解决区域地下水问题的主要技术手段。国内外科研单位及高等院校开发了多种可用于区域地下水数值计算的应用程序，在诸如确定污染物的扩散、计算地面沉降发生的位置与幅度、农业灌区灌溉水分的运移过程与盐碱化累积过程的计算等的应用中取得了良好的效果。
在实际问题中区域地下水的数值计算程序需要空间地理数据作为驱动，如区域的空间地形、水位等信息。然而，目前科研单位及高等院校开发的代码及程序着重关注于数值算法的实现，并不关注区域空间地理数据与数值模型的链接问题。在实际情况中，区域空间地理数据复杂多变，使得现有程序在实际问题的应用中存在诸多不便。现有的空间地理数据与地下水数值模型的链接工具，主要基于可视化交互方式实现，需要手动点击设置操作，仅适合小范围简单问题的处理，在处理区域问题时工作量繁重复杂，而难以批量、稳定、高效地处理大量空间地理数据(例如，区域上动则几十万上百万的网格数据)，且主要服务于商业售卖，灵活性较差。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法及装置，能够解决空间地理数据与地下水数值模型的交互问题，方便地下水数值模型对区域问题的快速处理和操作。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<方法>
本发明提供了一种区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.准备区域空间地理数据文件：
空间地理数据包含矢量数据和栅格数据两种，矢量数据采用shapefile文件组织，栅格数据文件格式不固定，栅格数据用于表示研究区域的DEM高程、初始条件、水力传导度的空间分布信息；保证各空间地理数据文件的地理坐标与投影坐标一致；
步骤2.按照研究区域范围进行水平向有限差分数值离散：
根据研究区域位置与形状文件，读取所研究区域的在x方向与y方向的范围，并根据用户所指定的离散信息将研究区域在水平向划分为m行n列的有限差分网格，m和n均为正整数，以有限差分网格左上角点为起始进行编号；将有限差分网格保存为shapefile文件，其中每一个有限差分网格均为shapefile文件的一个面要素，该shapefile文件还存在两个属性分别用以保存每个有限差分网格所在的行列编号；
步骤3.矢量空间地理数据与代表有限差分网格的shapefile文件的连接计算：
将代表区域位置与形状的矢量空间地理文件与代表有限差分网格的shapefile文件进行空间连接操作，根据空间关系将代表研究区位置与形状数据的矢量文件的属性值赋值给相应的有限差分网格，得到包含了研究区位置与形状的有限差分网格；当某有限差分网格在研究区域内部，则将其位置属性赋值为1，否则赋值为0；
按照以上过程逐次处理代表边界位置、子区域划分的矢量空间地理数据文件，最终得到包含了所有矢量空间数据信息的有限差分网格，并将该网格文件保存为shapefile文件；
步骤4.提取保存在有限差分网格中的空间数据信息，并整理为地下水模型所需的类型：
读取保存在各个有限差分网格中的空间数据信息，根据shapefile文件中的各个属性，将读取到的信息整理为与各属性相对应的m行n列数组；
步骤5.提取栅格文件信息并整理为地下水模型所需的类型：
根据有限差分网格，读取每个网格四个角点的空间地理坐标，并将每个网格的长度和宽度在x和y方向a等分，从而获得每个网格内均匀分布的(a-1)2个点的空间地理坐标，a为正整数，读取栅格文件在对应坐标点处的数值，并将均值作为栅格文件所代表的空间地理数据在该有限差分网格的取值；
按照以上过程，依次读取区域DEM高程、含水层顶板与底板高程、初始地下水位分布情况、水力传导度与孔隙度等参数值，所有结果均为m行n列数组；
步骤6.时变边界条件的读取与整理：
根据所整理的空间地理数组获得区域边界节点所在的地理位置，根据文本文件读入边界条件随时间的变化规律，将边界条件随时间变化的信息按照应力期赋值给每一个相应的边界网格，从而生成数值模拟模型所需要的边界时变数据类型；
步骤7.生成模型输入文件：
根据地下水数值模拟模型对输入文件的要求，将以上获得的代表空间信息的数组文件生成模型输入文件，即可得到地下水数值模拟模型所需要的所有空间地理信息。
优选地，本发明提供的区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，空间地理数据包括区域位置与形状、边界位置、子区域划分、地表高程、垂向含水层的顶板及底板高程、初始水头及溶质分布、水力传导度空间分布、给水度或储水率空间分布、纵向弥散度空间分布等。
优选地，本发明提供的区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，代表区域位置与形状的矢量空间地理文件采用面要素表示。
优选地，本发明提供的区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，代表边界位置的矢量空间地理文件采用线要素表示，将该文件与代表有限差分网格的shapefile文件进行空间连接操作，从而得到包含边界条件的有限差分网格，采用不同编号i(i＝1,…,P)代表不同的边界，P为边界总数；代表子区域划分的矢量空间地理文件采用面要素表示，将该文件与代表有限差分网格的shapefile文件进行空间连接操作，得到包含子区域划分的有限差分网格，采用不同的编号j(j＝1,…,Q)代表各个子区域，Q为子区域总数。
优选地，本发明提供的区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，还可以具有以下特征：在步骤5中，是将每个网格的长度和宽度在x和y方向4等分，从而获得每个网格内均匀分布的9个点的空间地理坐标。
优选地，本发明提供的区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，还可以具有以下特征：在步骤7中，根据地下水数值模拟模型MODFLOW对输入文件的要求，结合flopy工具将获得的代表空间信息的数组文件生成MODFLOW输入文件，即得到 MODFLOW模型所需要的所有空间地理信息。
<装置>
进一步，本发明还提供了一种自动实现上述<方法>的基于区域空间地理数据与地下水数值模型嵌套交互的输入文件生成装置，其特征在于，包括：
区域空间地理数据文件准备部，对于空间地理数据中的矢量数据采用shapefile文件组织，空间地理数据中的栅格数据文件格式不固定，采用栅格数据表示研究区域的DEM高程、初始条件、水力传导度的空间分布信息；并保证各空间地理数据文件的地理坐标与投影坐标一致；
数值离散部，按照研究区域范围进行水平向有限差分数值离散：根据研究区域位置与形状文件，读取所研究区域的在x方向与y方向的范围，并根据用户所指定的离散信息将研究区域在水平向划分为m行n列的有限差分网格，以有限差分网格左上角点为起始进行编号；将有限差分网格保存为shapefile文件，其中每一个有限差分网格均为shapefile文件的一个面要素，该shapefile文件还存在两个属性分别用以保存每个有限差分网格的所在的行列编号；
连接计算部，进行矢量空间地理数据与代表有限差分网格的shapefile文件的连接计算：将代表区域位置与形状的矢量空间地理文件与代表有限差分网格的shapefile文件进行空间连接操作，根据空间关系将代表研究区位置与形状数据的矢量文件的属性值赋值给相应的有限差分网格，得到包含了研究区位置与形状的有限差分网格；当某有限差分网格在研究区域内部，则将其位置属性赋值为1，否则赋值为0；按照该过程逐次处理代表边界位置、子区域划分的矢量空间地理数据文件，最终得到包含了所有矢量空间数据信息的有限差分网格，并将该网格文件保存为shapefile文件；
空间数据信息提取整理部，提取保存在有限差分网格中的空间数据信息，并整理为地下水模型所需的类型：读取保存在各个有限差分网格中的空间数据信息，根据shapefile文件中的各个属性，将读取到的信息整理为与各属性相对应的m行n列数组；
栅格文件信息提取整理部，提取栅格文件信息并整理为地下水模型所需的类型：根据有限差分网格，读取每个网格四个角点的空间地理坐标，并将每个网格的长度和宽度在x 和y方向a等分，从而获得每个网格内均匀分布的(a-1)2个点的空间地理坐标，a为正整数，读取栅格文件在对应坐标点处的数值，并将均值作为栅格文件所代表的空间地理数据在该有限差分网格的取值；按照该过程，依次读取区域DEM高程、含水层顶板与底板高程、初始地下水位分布情况、水力传导度与孔隙度等参数值，所有结果均为m行n列数组；
时变边界条件读取整理部，根据所整理的空间地理数组获得区域边界节点所在的地理位置，根据文本文件读入边界条件随时间的变化规律，将边界条件随时间变化的信息按照应力期赋值给每一个相应的边界网格，从而生成数值模拟模型所需要的边界时变数据类型；
文件生成部，根据地下水数值模拟模型对输入文件的要求，将以上获得的代表空间信息的数组文件生成模型输入文件。
优选地，本发明提供的基于区域空间地理数据与地下水数值模型嵌套交互的输入文件生成装置，还可以具有这样的特征：空间地理数据包括区域位置与形状、边界位置、子区域划分、地表高程、垂向含水层的顶板及底板高程、初始水头及溶质分布、水力传导度空间分布、给水度或储水率空间分布、纵向弥散度空间分布。
优选地，本发明提供的基于区域空间地理数据与地下水数值模型嵌套交互的输入文件生成装置，还可以具有这样的特征：在连接计算部中，代表区域位置与形状的矢量空间地理文件采用面要素表示；代表边界位置的矢量空间地理文件采用线要素表示，将该文件与代表有限差分网格的shapefile文件进行空间连接操作，从而得到包含边界条件的有限差分网格，采用不同编号i(i＝1,…,P)代表不同的边界，P为边界总数；代表子区域划分的矢量空间地理文件采用面要素表示，将该文件与代表有限差分网格的shapefile文件进行空间连接操作，得到包含子区域划分的有限差分网格，采用不同的编号j(j＝1,…,Q)代表各个子区域，Q为子区域总数。
发明的作用与效果
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明提出了一种区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，该方法可以简单方便地将表示空间地理数据信息的shapefile文件与栅格文件转化为地下水数值模型所需要的数据格式，显著降低了地下水数值模型在处理复杂实际问题中的应用难度，并可有效提升处理效率。
2.与传统基于可视化交互界面的地下水数值模拟模型空间地理数据处理方法不同，本发明所提出的方法基于命令交互方式实现，并实现了从空间地理数据文件到有限差分网格数据的自动化处理流程，且不同命令的组合调用使得该方法具有较好的灵活性，显著降低了地下水数值模型在处理区域复杂问题时的操作难度，可进一步提升处理效率。
3.本发明所提供的输入文件生成装置能够自动对空间地理数据进行处理并快速生成直接能用于地下水模型的输入文件，切实解决了区域空间地理数据与数值模型的链接问题，非常适合区域大范围、复杂问题的批量、稳定、高效处理。
附图说明
图1为本发明实施例一中涉及的区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法的流程图；
图2为本发明实施例一中涉及的永联灌区地理位置示意图；
图3为本发明实施例一中涉及的有限差分网格与研究区域范围对比示意图；
图4为本发明实施例一中涉及的栅格文件数据提取至有限差分数组示意图；
图5为本发明实施例一中涉及的研究区域南北边界的时变边界条件随应力期的变化示意图；
图6为本发明实施例二中涉及的现有技术方法(a)与本发明方法(b)空间有限差分网格划分方式对比示意图；
图7为本发明实施例二中涉及的现有技术方法(a)与本发明方法(b)设置研究区域范围对比示意图；
图8为本发明实施例二中涉及的现有技术方法(a)与本发明方法(b)设置栅格文件数据对比示意图；
图9为本发明实施例二中涉及的现有技术方法(a)与本发明方法(b)设置时变边界条件对比示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法及装置进行详细地说明。
<实施例一>
本实施例一中，以中国内蒙古河套灌区永联试验区地下水盐运移规律的计算为例进行说明。如图1所示，本实施例所提供的空间地理数据与地下水数值模型耦合嵌套方法包括以下步骤：
步骤1.准备区域空间地理数据文件：
本实施例以内蒙古河套灌区永联试验区为典型研究区，永联试验区地理位置示意图如图2所示。本实施例的区域空间地理数据文件包括以下7个，其中最后一个为文本文件，用以指定时变边界条件。7个空间地理数据文件的地理坐标系均为GCS_WGS_1984，投影坐标系均为WGS_1984_UTM_Zone_48N。
Figure RE-GDA0002943864970000061
研究区位置与范围文件region.shp，shapefile文件，面要素类型；
Figure RE-GDA0002943864970000062
研究区边界位置文件boundary.shp，shapefile文件，线要素类型；
Figure RE-GDA0002943864970000063
研究区土地利用类型文件subregion.shp，shapefile文件，面要素类型；
Figure RE-GDA0002943864970000064
研究区DEM高程文件dem，栅格文件；
Figure RE-GDA0002943864970000065
研究区初始地下水位文件hini，栅格文件；
Figure RE-GDA0002943864970000066
研究区初始地下水盐分浓度文件cini，栅格文件；
Figure RE-GDA0002943864970000067
研究区时变边界条件文件，文本文件。
步骤2.按照研究区域范围进行水平向有限差分网格离散：
读取研究区域位置与范围文件，可得研究区在x方向的距离为3929.07m，在y方向的距离为13599.50m。设置研究区域有限差分网格划分数目，将研究区划分为300行100列个网格。需要注意的是，为了保证研究区在有限差分网格内部，因而将研究区范围扩大了 1.1倍再进行网格划分。有限差分网格与研究区域的范围对比见图3所示。
将有限差分网格存储为shapefile文件，每个有限差分网格均为一个面要素。该shapefile 文件具有两个属性row和col，用以保存每个有限差分网格所在的行列编号。
步骤3.矢量空间地理数据与代表有限差分网格的shapefile文件的连接计算：
本实施例中与代表有限差分网格的shapefile文件相连接的矢量空间地理数据文件有研究区位置与范围文件reigon.shp、研究区边界位置文件boundary.shp、研究区土地利用类型文件subregion.shp三个。依次将三个矢量空间地理数据文件与代表有限差分网格的shapefile 文件进行连接计算，即根据空间关系将三个矢量文件的属性值赋值给相应的有限差分网格，并存储连接计算后得到的包含矢量空间地理数据信息的网格文件。
步骤4.提取保存在有限差分网格中的空间数据信息，并整理为地下水模型所需的类型：
读取保存在各个有限差分网格中的空间数据信息，根据shapefile文件中的各个属性，将读取到的信息整理为3个300行100列的数组，分别代表研究区位置与范围、研究区边界位置和研究区土地利用类型。
将代表边界位置的有限差分网格与代表研究区域的有限差分网格合并，如图3所示。代表研究区位置的网格定义其数值为1，代表北边界位置的有限差分网格定义其数值为-1，代表南边界位置的有限差分网格定义其数值为-2，研究区以外部分的有限差分网格定义其数值为0，即可得到MODFLOW模型所需的ibound数组。此外还有代表土地利用类型的数组。
步骤5.提取栅格文件信息并整理为地下水模型所需的类型：
如图4所示，表示地表DEM高程的栅格文件的像元大小为28.38m×28.38m，有限差分网格文件大小为39.29m×45.33m。为了将栅格文件中所存储的高程数据转换到有限差分网格上，首先根读取每个有限差分网格四个角点的空间地理坐标值，然后将每个网格的长度和宽度在x方向和y方向4等分，因此可以得到每个有限差分网格内均匀分布的9个点的空间地理坐标。按照每个点的空间地理坐标读取相应的栅格文件在该点的DEM高程值，之后求每个有限差分网格所包含所有点的DEM高程值的均值，将此均值作为该有限差分网格的DEM高程值。
重复以上步骤，分别读取有限差分网格所代表的该区域的DEM高程数值、区域初始地下水位值、区域初始地下水浓度分布值。最终，可以获得3个300行100列的数组，分别代表研究区DEM高程、研究区初始地下水位和研究区初始地下水浓度。
步骤6.时变边界条件的读取与整理。
根据空间地理数据获得区域边界节点所在的地理位置，即图3中所示的研究区南边界与北边界位置。两个边界条件均有较大的沟渠存在，因此设置为定水头边界。设置144个应力期，每月包含6个应力期，所有应力期南北边界的沟渠水位如图5所示。根据文本文件读入边界条件随应力期的变化规律，将边界条件随应力期变化的信息按照应力期赋值给每一个相应的边界网格，从而生成地下水数值模拟模型所需要的边界时变数据类型。
步骤7，传递数据至地下水数值模拟模型
根据地下水数值模拟模型MODFLOW对输入文件的要求，结合flopy工具将以上获得的代表空间信息的数组文件生成MODFLOW输入文件，即可得到MODFLOW模型所需要的所有空间地理信息。
进一步，本实施例还提供能够自动实现上述方法的基于区域空间地理数据与地下水数值模型嵌套交互的输入文件生成装置，该装置包括区域空间地理数据文件准备部、数值离散部、连接计算部、空间数据信息提取整理部、栅格文件信息提取整理部、时变边界条件读取整理部、文件生成部、输入显示部以及控制部。
区域空间地理数据文件准备部用于准备区域空间地理数据文件：对于空间地理数据中的矢量数据采用shapefile文件组织，空间地理数据中的栅格数据文件格式不固定，采用栅格数据表示研究区域的DEM高程、初始条件、水力传导度的空间分布信息；并保证各空间地理数据文件的地理坐标与投影坐标一致。
数值离散部按照研究区域范围进行水平向有限差分数值离散：根据研究区域位置与形状文件，读取所研究区域的在x方向与y方向的范围，并根据用户所指定的离散信息将研究区域在水平向划分为m行n列的有限差分网格，以有限差分网格左上角点为起始进行编号；将有限差分网格保存为shapefile文件，其中每一个有限差分网格均为shapefile文件的一个面要素，该shapefile文件还存在两个属性分别用以保存每个有限差分网格的所在的行列编号。
连接计算部进行矢量空间地理数据与代表有限差分网格的shapefile文件的连接计算：将代表区域位置与形状的矢量空间地理文件与代表有限差分网格的shapefile文件进行空间连接操作，根据空间关系将代表研究区位置与形状数据的矢量文件的属性值赋值给相应的有限差分网格，得到包含了研究区位置与形状的有限差分网格；当某有限差分网格在研究区域内部，则将其位置属性赋值为1，否则赋值为0；按照该过程逐次处理代表边界位置、子区域划分的矢量空间地理数据文件，最终得到包含了所有矢量空间数据信息的有限差分网格，并将该网格文件保存为shapefile文件。
空间数据信息提取整理部提取保存在有限差分网格中的空间数据信息，并整理为地下水模型所需的类型：读取保存在各个有限差分网格中的空间数据信息，根据shapefile文件中的各个属性，将读取到的信息整理为与各属性相对应的m行n列数组。
栅格文件信息提取整理部提取栅格文件信息并整理为地下水模型所需的类型：根据有限差分网格，读取每个网格四个角点的空间地理坐标，并将每个网格的长度和宽度在x和y 方向4等分，从而获得每个网格内均匀分布的9个点的空间地理坐标，读取栅格文件在对应坐标点处的数值，并将均值作为栅格文件所代表的空间地理数据在该有限差分网格的取值；按照该过程，依次读取区域DEM高程、含水层顶板与底板高程、初始地下水位分布情况、水力传导度与孔隙度等参数值，所有结果均为m行n列数组。
时变边界条件读取整理部，根据所整理的空间地理数组获得区域边界节点所在的地理位置，根据文本文件读入边界条件随时间的变化规律，将边界条件随时间变化的信息按照应力期赋值给每一个相应的边界网格，从而生成数值模拟模型所需要的边界时变数据类型。
文件生成部根据地下水数值模拟模型对输入文件的要求，将以上获得的代表空间信息的数组文件生成模型输入文件。
输入显示部用于让用户输入操作指令，并根据操作指令对相应部的数据和文件进行显示。
控制部用于区域空间地理数据文件准备部、数值离散部、连接计算部、空间数据信息提取整理部、栅格文件信息提取整理部、时变边界条件读取整理部、文件生成部、输入显示部的运行。
综上，本实施例所提供的空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法及装置，该可以简单方便地将表示空间地理数据信息地shapefile文件与栅格文件转化为地下水数值计算模型所需地数据格式，显著降低了地下水数值模型在复杂实际问题中地应用难度。此外，与传统基于可视化交互界面地商业化地下水数值模拟软件不同，本发明所提出并实施地方法基于交互命令实现，并实现了从空间地理数据文件到有限差分网格数据的自动化处理流程。本方法既便于操作，又能够极大提高处理效率，显著降低了地下水数值模型在复杂实际问题中的应用难度。
<实施例二>
本实施例二中，对比现有技术中采用的可视化交互方式实现空间地理数据与数值模型的链接问题与本方法基于交互命令的方式实现的空间地理数据与数值模型的链接问题。同样以中国内蒙古河套灌区永联试验区地下水盐运移规律的计算为例。可视化交互方式以 Visual Modflow为例，本方法采用Python语言实现。
步骤1.准备区域空间地理数据文件：
本实施例主要为两种方法的对比，研究区域与实施例1相同，所准备的区域空间地理数据亦一致，主要包括以下7个文件。7个空间地理数据文件的地理坐标系均为 GCS_WGS_1984，投影坐标系均为WGS_1984_UTM_Zone_48N。
Figure RE-GDA0002943864970000101
研究区位置与范围文件region.shp，shapefile文件，面要素类型；
Figure RE-GDA0002943864970000102
研究区边界位置文件boundary.shp，shapefile文件，线要素类型；
Figure RE-GDA0002943864970000103
研究区土地利用类型文件subregion.shp，shapefile文件，面要素类型；
Figure RE-GDA0002943864970000104
研究区DEM高程文件dem，栅格文件；
Figure RE-GDA0002943864970000105
研究区初始地下水位文件hini，栅格文件；
Figure RE-GDA0002943864970000106
研究区初始地下水盐分浓度文件cini，栅格文件；
Figure RE-GDA0002943864970000107
研究区时变边界条件文件，文本文件。
步骤2.按照研究区域进行有限差分网格的离散：
现有技术需要输入研究区的范围与有限差分网格行列数目，如图6(a)所示，设置研究区域在x方向上为4007.65m，在y方向上为13871.49m，有限差分网格共有100列，300行。在垂向上有54m，共分为7层。
本发明方法基于Python程序实现，首先自动计算所研究区域的范围，输出结果为x方向为3929.07m，y方向13599.50m。之后设置nlay、nrow、ncol分别代表研究区有限差分网格层数、行数和列数。为了使得有限差分网格完全包围研究区，设置有限差分网格范围是研究区范围的1.02倍，即可实现研究区域有限差分网格的划分。
步骤3.研究区域范围、边界条件位置、土地利用类型分区的确定，并整理为地下水模型所需要的数据。
现有技术需要人工识别并设置各种分区与条件的位置。以研究区域范围为例，如图7 (a)所示，右侧研究区域部分为研究范围底图，其上的方格即为步骤2生成的有限差分网格。传统可视化交互工具需要手动指定哪些网格属于计算区域，哪些网格属于非计算区域。在区域大尺度问题的处理中，该方法需要大量手工操作，较为复杂耗时。同样，边界条件位置、土地利用类型的处理方式类似，也需要依据底图指定。
本发明方法中，根据区域范围、边界条件、土地利用类型分区的shapefile文件，与有限差分网格进行空间链接计算，即可方便得到包含区域空间地理信息的有限差分网格数据。通过简单的交叉合并计算，即可得到地下水模型所需的数据。如图7(b)所示，右侧数组中，1代表属于研究范围内部，0代表不属于研究范围内部。同样，边界条件位置、土地利用类型等的处理方式类似，本发明方法可以批量化进行空间地理信息数据文件与有限差分网格文件的链接计算，从而得到所需的数据。
步骤4.栅格文件信息的整理并提取至有限差分网格。
现有技术需要导入或逐个设置有限差分网格所对应的高程、地下水位、地下水浓度等信息，如图8(a)所示。当研究区范围较大时，工作量巨大。
本发明方法中，首先需要得到各有限差分网格的角点坐标值，之后求得有限差分网格内均匀分布的9个点，提取各个点对应的栅格文件中的取值，并将9个点的均值作为该有限差分网格所对应的栅格文件数据。该过程已编写好对应的处理程序，可以通过程序命令方便快捷地完成计算。如图8(b)所示，右侧即为本文方法提取地研究区域地地表高程值。
步骤5.时变边界条件的读取与整理。
传统方法中，根据步骤3设置的边界条件位置，设置边界条件数值。如果有多个应力期，需要逐行增加数据，输入各个应力期的边界水位，如图9(a)所示。
本文提出方法中，可以根据记录边界条件随时间变化信息的文本文档，自动将边界条件整理为数值计算模型所需的类型，如图9(b)所示。
步骤6，传递数据至地下水数值模拟模型
两种方法在完成空间地理数据整理之后，均可生成MODFLOW模型所需的相应的包含空间地理信息的输入文件。
综上，本实施例对比了在实际问题的处理中，现有技术的可视化交互界面的方法与本发明方法的基于交互命令的方式实现空间地理数据与数值模型的链接问题。从以上流程中可以看出，现有技术的基于可视化交互界面的方法需要大量的人工操作，在处理复杂实际问题时工作量巨大。本发明所提出的方法基于交互命令方式实现，显著降低了地下水数值模型在复杂实际问题中的应用难度。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法及装置，包括：基于有限差分网格的区域离散、矢量空间地理数据文件与代表有限差分网格的shapefile文件的连接方法、有限差分网格对栅格地理数据的提取与处理方法、时变边界条件的读取与整理方法的描述，并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.准备区域空间地理数据文件：
空间地理数据包含矢量数据和栅格数据两种，矢量数据采用shapefile文件组织，栅格数据文件格式不固定，栅格数据用于表示研究区域的DEM高程、初始条件、水力传导度的空间分布信息；保证各空间地理数据文件的地理坐标与投影坐标一致；
步骤2.按照研究区域范围进行水平向有限差分数值离散：
根据研究区域位置与形状文件，读取所研究区域的在x方向与y方向的范围，并根据用户所指定的离散信息将研究区域在水平向划分为m行n列的有限差分网格，m和n均为正整数，以有限差分网格左上角点为起始进行编号；将有限差分网格保存为shapefile文件，其中每一个有限差分网格均为shapefile文件的一个面要素，该shapefile文件还存在两个属性分别用以保存每个有限差分网格所在的行列编号；
步骤3.矢量空间地理数据与代表有限差分网格的shapefile文件的连接计算：
将代表区域位置与形状的矢量空间地理文件与代表有限差分网格的shapefile文件进行空间连接操作，根据空间关系将代表研究区位置与形状数据的矢量文件的属性值赋值给相应的有限差分网格，得到包含了研究区位置与形状的有限差分网格；当某有限差分网格在研究区域内部，则将其位置属性赋值为1，否则赋值为0；
按照以上过程逐次处理代表边界位置、子区域划分的矢量空间地理数据文件，最终得到包含了所有矢量空间数据信息的有限差分网格，并将该网格文件保存为shapefile文件；
步骤4.提取保存在有限差分网格中的空间数据信息，并整理为地下水模型所需的类型：
读取保存在各个有限差分网格中的空间数据信息，根据shapefile文件中的各个属性，将读取到的信息整理为与各属性相对应的m行n列数组；
步骤5.提取栅格文件信息并整理为地下水模型所需的类型：
根据有限差分网格，读取每个网格四个角点的空间地理坐标，并将每个网格的长度和宽度在x和y方向a等分，从而获得每个网格内均匀分布的(a-1)2个点的空间地理坐标，a为正整数，读取栅格文件在对应坐标点处的数值，并将均值作为栅格文件所代表的空间地理数据在该有限差分网格的取值；
按照以上过程，依次读取区域DEM高程、含水层顶板与底板高程、初始地下水位分布情况、水力传导度与孔隙度等参数值，所有结果均为m行n列数组；
步骤6.时变边界条件的读取与整理：
根据所整理的空间地理数组获得区域边界节点所在的地理位置，根据文本文件读入边界条件随时间的变化规律，将边界条件随时间变化的信息按照应力期赋值给每一个相应的边界网格，从而生成数值模拟模型所需要的边界时变数据类型；
步骤7.生成模型输入文件：
根据地下水数值模拟模型对输入文件的要求，将以上获得的代表空间信息的数组文件生成模型输入文件。
2.根据权利要求1所述的区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，空间地理数据包括区域位置与形状、边界位置、子区域划分、地表高程、垂向含水层的顶板及底板高程、初始水头及溶质分布、水力传导度空间分布、给水度或储水率空间分布、纵向弥散度空间分布。
3.根据权利要求1所述的区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，其特征在于：
其中，在步骤3中，代表区域位置与形状的矢量空间地理文件采用面要素表示。
4.根据权利要求1所述的区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，其特征在于：
其中，在步骤3中，代表边界位置的矢量空间地理文件采用线要素表示，将该文件与代表有限差分网格的shapefile文件进行空间连接操作，从而得到包含边界条件的有限差分网格，采用不同编号i(i＝1,…,P)代表不同的边界，P为边界总数；
代表子区域划分的矢量空间地理文件采用面要素表示，将该文件与代表有限差分网格的shapefile文件进行空间连接操作，得到包含子区域划分的有限差分网格，采用不同的编号j(j＝1,…,Q)代表各个子区域，Q为子区域总数。
5.根据权利要求1所述的区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，其特征在于：
其中，在步骤5中，是将每个网格的长度和宽度在x和y方向4等分，从而获得每个网格内均匀分布的9个点的空间地理坐标。
6.根据权利要求1所述的区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，其特征在于：
其中，在步骤7中，根据地下水数值模拟模型MODFLOW对输入文件的要求，结合flopy工具将获得的代表空间信息的数组文件生成MODFLOW输入文件，即得到MODFLOW模型所需要的所有空间地理信息。
7.根据权利要求1所述的区域空间地理数据与地下水数值模型的嵌套交互方法，其特征在于，还包括：
步骤8.根据步骤7传递的输入文件运行地下水数值模拟模型，得到地下水运移信息。
8.基于区域空间地理数据与地下水数值模型嵌套交互的输入文件生成装置，其特征在于，包括：
区域空间地理数据文件准备部，对于空间地理数据中的矢量数据采用shapefile文件组织，空间地理数据中的栅格数据文件格式不固定，采用栅格数据表示研究区域的DEM高程、初始条件、水力传导度的空间分布信息；并保证各空间地理数据文件的地理坐标与投影坐标一致；
数值离散部，按照研究区域范围进行水平向有限差分数值离散：根据研究区域位置与形状文件，读取所研究区域的在x方向与y方向的范围，并根据用户所指定的离散信息将研究区域在水平向划分为m行n列的有限差分网格，以有限差分网格左上角点为起始进行编号；将有限差分网格保存为shapefile文件，其中每一个有限差分网格均为shapefile文件的一个面要素，该shapefile文件还存在两个属性分别用以保存每个有限差分网格的所在的行列编号；
连接计算部，进行矢量空间地理数据与代表有限差分网格的shapefile文件的连接计算：将代表区域位置与形状的矢量空间地理文件与代表有限差分网格的shapefile文件进行空间连接操作，根据空间关系将代表研究区位置与形状数据的矢量文件的属性值赋值给相应的有限差分网格，得到包含了研究区位置与形状的有限差分网格；当某有限差分网格在研究区域内部，则将其位置属性赋值为1，否则赋值为0；按照该过程逐次处理代表边界位置、子区域划分的矢量空间地理数据文件，最终得到包含了所有矢量空间数据信息的有限差分网格，并将该网格文件保存为shapefile文件；
空间数据信息提取整理部，提取保存在有限差分网格中的空间数据信息，并整理为地下水模型所需的类型：读取保存在各个有限差分网格中的空间数据信息，根据shapefile文件中的各个属性，将读取到的信息整理为与各属性相对应的m行n列数组，m和n均为正整数；
栅格文件信息提取整理部，提取栅格文件信息并整理为地下水模型所需的类型：根据有限差分网格，读取每个网格四个角点的空间地理坐标，并将每个网格的长度和宽度在x和y方向a等分，从而获得每个网格内均匀分布的(a-1)2个点的空间地理坐标，a为正整数，读取栅格文件在对应坐标点处的数值，并将均值作为栅格文件所代表的空间地理数据在该有限差分网格的取值；按照该过程，依次读取区域DEM高程、含水层顶板与底板高程、初始地下水位分布情况、水力传导度与孔隙度等参数值，所有结果均为m行n列数组；
时变边界条件读取整理部，根据所整理的空间地理数组获得区域边界节点所在的地理位置，根据文本文件读入边界条件随时间的变化规律，将边界条件随时间变化的信息按照应力期赋值给每一个相应的边界网格，从而生成数值模拟模型所需要的边界时变数据类型；
文件生成部，根据地下水数值模拟模型对输入文件的要求，将以上获得的代表空间信息的数组文件生成模型输入文件。
9.根据权利要求1所述的基于区域空间地理数据与地下水数值模型嵌套交互的输入文件生成装置，其特征在于：
其中，空间地理数据包括区域位置与形状、边界位置、子区域划分、地表高程、垂向含水层的顶板及底板高程、初始水头及溶质分布、水力传导度空间分布、给水度或储水率空间分布、纵向弥散度空间分布。
10.根据权利要求1所述的基于区域空间地理数据与地下水数值模型嵌套交互的输入文件生成装置，其特征在于：
其中，在连接计算部中，代表区域位置与形状的矢量空间地理文件采用面要素表示；代表边界位置的矢量空间地理文件采用线要素表示，将该文件与代表有限差分网格的shapefile文件进行空间连接操作，从而得到包含边界条件的有限差分网格，采用不同编号i(i＝1,…,P)代表不同的边界，P为边界总数；代表子区域划分的矢量空间地理文件采用面要素表示，将该文件与代表有限差分网格的shapefile文件进行空间连接操作，得到包含子区域划分的有限差分网格，采用不同的编号j(j＝1,…,Q)代表各个子区域，Q为子区域总数。
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