本發(fā)明涉及洪水分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于2dgis平臺的洪水分析模型的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

作為洪水風(fēng)險圖編制的重要工具，洪水分析軟件一直是國外商業(yè)軟件占據(jù)主導(dǎo)地位。我國是一個水利大國，在水利領(lǐng)域的很多方面都取得了舉世矚目的成就，但是我們國內(nèi)并沒有形成一個自己的國產(chǎn)洪水分析軟件品牌。山洪和城市洪澇目前仍是對人民生命財產(chǎn)威脅巨大的災(zāi)害事件，如何利用自身的洪水分析方法實現(xiàn)對洪水的可靠分析是當(dāng)前需要解決的技術(shù)問題。

由于洪水分析需要基于地域地理信息，離不開gis數(shù)據(jù)，如何將gis數(shù)據(jù)和建立的各類洪水分析模型進行結(jié)合，形成可視化分析平臺，是當(dāng)前需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在至少解決所述技術(shù)缺陷之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于2dgis平臺的洪水分析模型的構(gòu)建方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例提供一種基于2dgis平臺的洪水分析模型的構(gòu)建方法，包括如下步驟：

步驟s1，建立2dgis平臺，獲取目標(biāo)區(qū)域的gis基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)；

步驟s2，建立洪水分析模型，并得到在目標(biāo)區(qū)域建立洪水分析模型所需的模擬數(shù)據(jù)，其中，所述，洪水分析模型包括：一維河網(wǎng)模型、地表二維模型、城市管網(wǎng)模型、一二維耦合模型、二維管網(wǎng)耦合模型；

步驟s3，將目標(biāo)區(qū)域的gis基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入至所述2dgis平臺中平面地圖的相應(yīng)位置進行標(biāo)繪，在平面地圖上加載顯示該數(shù)據(jù)；

步驟s4，通過洪水分析模型的計算、分析、編輯及可視化展示，基于平面地圖，實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的無級縮放和漫游瀏覽，支持對通用矢量數(shù)據(jù)的加載顯示，并以圖層化的方式管理。

進一步，采用directx渲染引擎進行可視化展示。

進一步，在所述步驟s3中，gis數(shù)據(jù)用于導(dǎo)入各類矢量數(shù)據(jù)，將上述數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)的地理底圖數(shù)據(jù)，用于背景信息展示。

進一步，所述2dgis平臺設(shè)置由影像瓦片數(shù)據(jù)集，用于加載各類在線、離線數(shù)據(jù)，作為基礎(chǔ)的地理底圖數(shù)據(jù)，用于背景信息展示。

進一步，所述影像數(shù)據(jù)類型包括離線數(shù)據(jù)、谷歌在線地圖、arcgis在線地圖、必應(yīng)在線地圖，在線地圖層級參數(shù)中可設(shè)置數(shù)據(jù)最小層級和數(shù)據(jù)最大層級，通過數(shù)據(jù)存儲路徑加載在線地圖，在離線地圖參數(shù)中通過配置文件路徑加載離線地圖。

進一步，所述2dgis平臺提供基本gis功能包括：導(dǎo)入導(dǎo)出shape數(shù)據(jù)、批量編輯、標(biāo)注屬性、圖層屬性、編輯圖層、高亮定位、縮放到屏幕、清空要素。

進一步，所述一維河網(wǎng)模型用于模擬河網(wǎng)的水流和涉水建筑物情況；所述城市管網(wǎng)模型用于模擬城市管網(wǎng)的水流情況；所述地表二維模型用于對待分析的編制范圍及控制線內(nèi)的區(qū)域進行網(wǎng)格剖分，根據(jù)該區(qū)域的地形進行網(wǎng)格插值及網(wǎng)格屬性賦值，并模擬河道外的地表水流情況；所述一二維耦合模型用于模擬針對河道內(nèi)外的地表一二維模型耦合；所述二維管網(wǎng)耦合模型用于模擬針對城市地表地下的一二維模型耦合。

根據(jù)本發(fā)明實施例的基于2dgis平臺的洪水分析模型的構(gòu)建方法，具有以下有益效果：

1、基于自主研發(fā)的gis平臺，不依賴任何第三方商業(yè)平臺，可以方便快捷的將水利市政等行業(yè)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與gis基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)相結(jié)合，進行導(dǎo)入、展示和處理分析；

2、采用directx圖形渲染技術(shù)，支持gpu加速進行快速渲染；

3、支持大數(shù)量級基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)的加載，能夠快速響應(yīng)各種地圖操作；

4、采用面向?qū)ο蟮姆绞揭惑w化管理模型要素和計算方案；

5、提供良好的擴展性，為各種不同模型分析的擴充打下良好的基礎(chǔ)；

6、提供通用的模型計算分析接口，整合模型數(shù)據(jù)管理與分析應(yīng)用功能；

7、根據(jù)不同的應(yīng)用需求的可以實現(xiàn)快速軟件定制。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或可通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的基于2dgis平臺的洪水分析模型的構(gòu)建方法的流程圖；

圖2根據(jù)本發(fā)明實施例的基于2dgis平臺的洪水分析模型的構(gòu)建方法的架構(gòu)圖；

圖3根據(jù)本發(fā)明實施例的加載gis數(shù)據(jù)影像效果圖；

圖4根據(jù)本發(fā)明實施例的導(dǎo)入shape數(shù)據(jù)界面的示意圖；

圖5根據(jù)本發(fā)明實施例的導(dǎo)入shape數(shù)據(jù)的子匯水區(qū)效果圖。

具體實施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明是以2dgis平臺為基礎(chǔ)框架，運用directx渲染技術(shù)將水利行業(yè)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與gis基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過模型的計算、分析、編輯及可視化展示建立的一套能應(yīng)用于洪水分析專業(yè)模型平臺?；谄矫娴貓D，實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的無級縮放和漫游瀏覽，支持對通用矢量數(shù)據(jù)的加載顯示，并以圖層化的方式管理，系統(tǒng)提供基本的矢量數(shù)據(jù)的標(biāo)繪功能。

如圖1所示，本發(fā)明實施例的基于2dgis平臺的洪水分析模型的構(gòu)建方法，包括如下步驟：

步驟s1，建立2dgis平臺，獲取目標(biāo)區(qū)域的gis基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。

步驟s2，建立洪水分析模型，并得到目標(biāo)區(qū)域的洪水分析模型的模擬數(shù)據(jù)，其中，所述，洪水分析模型包括：一維河網(wǎng)模型、地表二維模型、城市管網(wǎng)模型、一二維耦合模型、二維管網(wǎng)耦合模型，參考圖2。

具體地，所述一維河網(wǎng)模型用于模擬河網(wǎng)的水流和涉水建筑物情況；所述城市管網(wǎng)模型用于模擬城市管網(wǎng)的水流情況；所述地表二維模型用于對待分析的編制范圍及控制線內(nèi)的區(qū)域進行網(wǎng)格剖分，根據(jù)該區(qū)域的地形進行網(wǎng)格插值及網(wǎng)格屬性賦值，并模擬河道外的地表水流情況；所述一二維耦合模型用于模擬針對河道內(nèi)外的地表一二維模型耦合；所述二維管網(wǎng)耦合模型用于模擬針對城市地表地下的一二維模型耦合。

1、構(gòu)建一維河網(wǎng)模型，包括：

采用圣維南方程作為控制方程，模擬河道水流在河道中主要關(guān)心的是水流的斷面流量及水位，其中，圣維南方程如下：

q為旁側(cè)入流，q、a、b、z分別為河道斷面流量、過水面積、河寬和水位，vx為旁側(cè)入流流速在水流方向上的分量，一般可以近似為零，k為流量模數(shù)，反映河道的實際過流能力，α為動量校正系數(shù)，是反映河道斷面流速分布均勻性的系數(shù)。當(dāng)河道只有一個主槽時，α＝1.0，當(dāng)河道有若干個主槽和灘地時，在主槽和灘地摩阻比降相等的假定下，可得n為主槽和灘地的分塊個數(shù)，ai、ki為第i分塊的過水面積與流量模數(shù)，a、k為斷面總的過水面積與流量模數(shù)；所以α是斷面位置及水位的函數(shù)，α值也像河道斷面資料(河寬、過水面積一樣)，可以先整理成α＝α(x，z)作為基本原始資料。對任一由斷面i與斷面i+1組成的河段，采用四點線性隱式差分格式進行數(shù)值離散，得任一河段的差分方程為：

以首節(jié)點水位和末節(jié)點水位為自由變量，采用三系數(shù)追趕法消去中間斷面的水位和流量，最后得到首、末斷面的流量與首、末節(jié)點水位關(guān)系的兩個方程，即首、末斷面流量表示成首、末節(jié)點水位的線性關(guān)系。

這兩個方程形式如下：

其中：z(i)為首節(jié)點水位，z(j)為末節(jié)點水位，即首、末斷面流量表達為首、末節(jié)點水位的線性組合。

依次由后向前把本斷面流量表達成本斷面水位和末節(jié)點水位的線性函數(shù)，遞推公式如下：

qi＝αi+βizi+ξiz(j)(4)

i＝l2-2,l2-3,...,l1

同理從第一河段開始，設(shè)法把斷面流量表達成本斷面水位和首節(jié)點水位的線性函數(shù)：

qi＝θi+ηizi+γiz(i)(5)

i＝l1+2,l1+3,...,l2

因此，由上述遞推公式可以得到式。在計算遞推式時需要保存六個追趕系數(shù)α、β、ζ、θ、η和γ。一旦首、末節(jié)點水位求得后，利用式(4)和(5)對同一斷面的流量有：

聯(lián)立求解得：

求得zi后，代入到(3)式中即可得qi。

過水建筑物的水流模擬河道水流與湖泊內(nèi)的水流運動，通過堰閘泵等工程筑物設(shè)施相連接，在本模型中形象地稱其為“聯(lián)系”；對于聯(lián)系主要關(guān)心其過流流量的大小，根據(jù)過水建筑物的類別采用相應(yīng)的水動力學(xué)方法模擬。具體地，設(shè)置各類涉水建筑物作為聯(lián)系要素，模擬涉水建筑物的過流水量。

該特征單元為匯流型單元，主要包括閘、壩、水庫、行蓄洪區(qū)口門等水工建筑物。該類型單元主要是影響水流的匯流過程，人類通過該類型單元來進行防洪調(diào)度、水資源調(diào)度。該單元的模擬模型主要是模擬其過水流量過程，下面以典型的寬頂堰為例說明。

寬頂堰上的水流可分為自由出流、淹沒出流兩種流態(tài)，不同流態(tài)采用不同的計算公式：

當(dāng)出流為自由出流時：

當(dāng)出流為淹沒出流時：

式中：b為堰寬，zd為堰頂高程，zi為堰上節(jié)點水位，zj為堰下節(jié)點水位，h0＝zi-zd，hs＝zj-zd，m為自由出流系數(shù)，一般取0.325—0.385之間。為淹沒出流系數(shù)，理論最大值為1.0，一般取小于1.0的數(shù)。

對自由出流流態(tài)，公式離散可得：

q＝δz1zi+βz1(10)

對淹沒出流流態(tài)，公式離散后得：

q＝δz2(zi-zj)(11)

式中：δz1、δz2、βz1為與zi、zj有關(guān)的系數(shù)，一般常采用時段初水位來計算；有時為了提高計算精度，可采用迭代法計算δz1、δz2、βz1。

湖泊水流模擬在湖泊內(nèi)不考慮其水流輸運作用，只關(guān)心水位的高低，因而在其內(nèi)只需滿足水量平衡方程，采用零維模擬。采用水量平衡方程，零維模擬湖泊水流的水位，其中，水量平衡方程為：

a(z)為節(jié)點調(diào)蓄面積，∑q為包括降雨產(chǎn)匯流、河道出入流在內(nèi)的所有出入節(jié)點的流量，z為水位。

工況控制條件的模擬在流域內(nèi)部一般有若干工程設(shè)施組成的一套防洪控制體系，它們的運行均遵循一定的控制調(diào)度原則。這些控制調(diào)度使系統(tǒng)的運行具有很大的復(fù)雜性，如多個工程啟用時間、先后順序均隨著水流情況的不同而不同。在某些特殊情況下(如實時調(diào)度控制)，預(yù)先設(shè)定的調(diào)度原則難以滿足實際要求，需要交互式地實時動態(tài)調(diào)整；這種復(fù)雜動態(tài)的控制條件，采用傳統(tǒng)的方法無法實現(xiàn)模擬，需專門研制新的控制模擬方式—工程控制運行方式的數(shù)值模擬。

采用控制條件模擬水力工程建筑對水流運動的影響：

控制條件模型要素需要作用于堰、閘、泵等水利工程對水流運動進行控制影響?？刂茥l件方式分為：增量控制和gate控制兩種方式。

一、增量控制方式：增量控制將水利工程(堰、閘、泵、口門)的模擬分成三個部分：工程的啟用條件、工程開啟過程、控制工程。

工程啟用條件主要有：水位控制、流量控制、水位流量統(tǒng)計值控制等；

工程開啟過程主要有：開啟度增量、開啟度相對值等；

控制工程：將工程啟用條件和開啟過程組合，添加到具體的工程形成一個完整的增量控制條件。

二、gate控制方式：主要適用于平原河網(wǎng)地區(qū)，在同一位置閘泵共存，需要聯(lián)合調(diào)度的情況。當(dāng)滿足條件泵站啟用時，泵站內(nèi)外會形成很大的水頭差，閘門如果同時也是開啟就會倒灌，這種情況下閘門必須關(guān)閉。采用gate控制方式系統(tǒng)會自動完成這一過程的模擬。

gate控制方式采用控制條件表格組成決策樹實現(xiàn)，一個控制條件可以同時實現(xiàn)對多個工程的控制。

邊界模擬河網(wǎng)區(qū)域的邊界主要有：區(qū)域產(chǎn)水、上游來水以及下游潮位過程，在模型里體現(xiàn)為流量或水位過程，用邊界條件來模擬。對于河網(wǎng)水動力模型的邊界條件主要有兩類：水位邊界條件和流量邊界條件，由水文站和邊界所在的河道斷面構(gòu)成。

一維河網(wǎng)、聯(lián)系及零維之間的耦合，實際上是各單元交界面上的水量交換問題。反映水流運動的一個重要參數(shù)是水位，水位的高低可以直觀地反映水流運行的情況，從公式(3)等可見，水位知道后相應(yīng)的流量等其它水力要素均相應(yīng)計算出來。從公式中可見河網(wǎng)、聯(lián)系及零維調(diào)蓄的節(jié)點的水量平衡方程均相同，因此可將河網(wǎng)節(jié)點及零維調(diào)蓄單元的節(jié)點統(tǒng)稱之為水位節(jié)點，其相應(yīng)的水量平衡方程稱為節(jié)點水位方程，將邊界條件代入到相應(yīng)的節(jié)點水位方程中可以得到節(jié)點水位線性完備的代數(shù)方程組，對節(jié)點水位方程采用直接或迭代解法解出所有節(jié)點的水位過程，然后回代求解出河道斷面水位流量等水力要素。從中可看出建立節(jié)點水位方程是耦合模型的關(guān)鍵，節(jié)點水位求出后所有面上其它水力要素就很快解出。

此外，為了擴大河網(wǎng)計算引擎的適用范圍，在一維河網(wǎng)模型中又引入了基于有限體積法的godunov格式來處理流態(tài)過度的問題，該格式可以很好的處理水面大梯度流動和流態(tài)過度的情況。

2、構(gòu)建一維管網(wǎng)模型，包括：

(1)建立控制方程

控制方程分為連續(xù)方程和動量方程：

連續(xù)方程：

式中：q為流量，m³/s；a為過水?dāng)嗝婷娣e，m²；t為時間，s；x為距離，m。

動量方程：

式中：h為水深，m；g為重力加速度，取9.8m/s2；sf為摩阻坡度，由曼寧公式求得：

式中：k＝gn²，n為管道的曼寧系數(shù)；r為過水?dāng)嗝娴乃Π霃剑琺；v為流速，絕對值表示摩擦阻力方向與水流方向相反，m/s。

假設(shè)v表示平均流速，將代入對流加速度項可得以下方程：

將q＝av代入連續(xù)方程，方程兩邊再同時乘以v，移項得方程：

將方程代入動量方程得方程：

忽略s0項，將上述兩個方程聯(lián)立，依次求解各時段內(nèi)每個管道的流量和每個節(jié)點的水頭，有限差分格式如下：

式中：下標(biāo)1和2分別表示管道或渠道的上下節(jié)點；l為管道長度，m。

求得qt+δt：

式中：分別為t時刻的管道末端的加權(quán)平均值。

此外，為考慮管道的進出口水頭損失，可以從h2和h1中減去水頭損失。主要未知量為qt+δt、h2、h1、a2、a1，變量都與q、h有關(guān)系。因此，還需要有q和h有關(guān)的方程，可以從節(jié)點方程得到。

(2)建立節(jié)點控制方程，管網(wǎng)和渠道的節(jié)點控制方程為：

h為節(jié)點水頭；qt為進出節(jié)點的流量；ask為節(jié)點的自由表面積；

化為有限差分格式為：

求得δt時段內(nèi)每個連接段的流量和每個節(jié)點的水頭。

3、二維洪水模擬模型系統(tǒng)采用godunov算法進行數(shù)值計算，其中riemann問題采用roe格式的近似riemann解進行計算，底坡源項采用特征分級離散，保證模型的守恒性，阻力源項采用隱式離散提高模型的穩(wěn)定性，采用muscl空間重構(gòu)和預(yù)測矯正法使得模型具有時間和空間二階精度。

洪水演進的計算區(qū)域復(fù)雜，可能具有各種涉水構(gòu)筑物，構(gòu)筑物及其周邊的水流不再符合淺水流動，因而無法采用淺水模型進行模擬計算，通常稱其為內(nèi)部邊界條件。二維洪水模型對于內(nèi)部邊界條件的處理是其計算難點之一。涉水構(gòu)筑物的過水能力多進行過大量的研究，通常具有一些成熟的理論或經(jīng)驗公式，本發(fā)明結(jié)合經(jīng)驗公式和模型的數(shù)值解法，通過通量概化計算方法，給出連接涉水構(gòu)筑物的計算網(wǎng)格邊的通量，該通量計算方法既能夠保證模型的和諧穩(wěn)定性，又能夠精確計算通過建筑的流量通量和近似計算動量通量。

在步驟s2中，構(gòu)建二維水動力模型，包括：

建立二維淺水方程，進行空間離散化處理，采用godunov算法進行數(shù)值計算，方程中的底坡源項采用特征分級離散，阻力源項采用隱式離散，采用muscl空間重構(gòu)和預(yù)測矯正法使得模型具有時間和空間二階精度；

采用通量概化計算方法，給出連接涉水構(gòu)筑物的計算網(wǎng)格邊的通量。

水深平均的二維淺水方程可以簡寫為

式中，h為水深；u為x方向的流速；v為y方向的流速；sx，sy為源項，表達式為，

式中，pa為水面大氣壓力；zb為床面底高程；τax，τay為風(fēng)載的作用力，表達式為，

式中，ρa為空氣密度；為水面以上10m處的風(fēng)速；cds為拖曳系數(shù)。

cx，cy為地轉(zhuǎn)科氏力，其在北半球表達式為，

式中，f為科氏系數(shù)，為地球的轉(zhuǎn)動角速度，為緯度。

τbx，τby為河底阻力，表達式為，

式中，n為糙率。

寫為向量形式為，

ut+e(u)x+h(u)y＝s0+s(30)

式中，(·)t，(·)x，(·)y分別為對時間，空間平面x，y方向的偏導(dǎo)數(shù)，

在對上述的微分方程進行數(shù)值離散時，需要確定變量在計算網(wǎng)格中的位置。根據(jù)不同的變量位置的定義將計算網(wǎng)格稱為arakawaa-e網(wǎng)格。其中所有變量都定義在單元中心或節(jié)點的網(wǎng)格稱為arakawaa。在采用godunov法離散時，變量定義在單元中心arakawaa網(wǎng)格，也稱作cc(cellcenter)網(wǎng)格，較為常用。

方程可以改寫為

式中f＝(e,h)。將上述方程在單元vi上積分

定義ui為單元的平均值，存儲在單元的中心，即

利用高斯定理把面積分轉(zhuǎn)變?yōu)榫€積分，即

式中，δvi為單元i的面積；為單元的邊界；n＝(nx,ny)為單元邊界的外法線方向，

式中，lj(i,l)為邊j的長度；fn＝f·n＝enx+hny為通過第單元i的第j邊的數(shù)值通量。目前有許多通量fn的計算方法，也就構(gòu)成了眾多的數(shù)值格式。這里將重點介紹采用近似riemann解計算通量fn。

二維淺水方程有一個重要的性質(zhì)，即為旋轉(zhuǎn)不變性。利用這一性質(zhì)將界面通量計算轉(zhuǎn)換為求解一維riemann問題，即

式中，

利用了矩陣t以下性質(zhì)

t^-1＝t^t(40)

定義是一個局部坐標(biāo)系統(tǒng)，中心在邊的中點，為邊的外法向方向，為邊的方向，即為正交的坐標(biāo)系。在局部坐標(biāo)系中的方向速度方向速度分別為，

在此局部坐標(biāo)系下，二維齊次淺水方程變?yōu)橐痪S問題，即為，

式中，為在局部坐標(biāo)系中的變量。

通量的jacobian矩陣a為

式中，為波速。

根據(jù)矩陣?yán)碚摚仃嘺可以分解為

a＝rλr^-1(44)

其中，矩陣r＝[r¹,r²,r³]為

λ為特征矩陣

其中，λ¹＝unx+vny+cny；λ²＝unx+vny；λ³＝unx+vny-cny為特征值。特征值反映了特征變量的傳播速度和方向，因而可以根據(jù)特征值的方向?qū)⑻卣骶仃嚪纸鉃棣耍溅?sup>++λ^-，其中

相應(yīng)的矩陣a可以分解為

a＝a⁺+a^-(54)(48)

a⁺＝rλ⁺r^-1(55)

a^-＝rλ^-r^-1(56)

數(shù)值通量為

變量在單元內(nèi)常數(shù)或線性分布的近似下，在單元的邊上就構(gòu)成了一維的riemann問題，即為，

通過求解該riemann問題，計算出界面上狀態(tài)變量值帶入方程，就可以得到界面通量

近似riemann解的計算，首先是將方程(42)線性化

其中，為由和的某種平均值。這里介紹roe格式近似riemann解計算數(shù)值通量。

roe格式要求具有所謂的u特性，即：

①相容性，即

②雙曲性，和a一樣有實數(shù)特征值；

③具有

滿足u特性的流速和波速為，

將roe平均的可以得到roe格式數(shù)值通量

式中，

將沿右特征向量方向進行特征分解，

式中，其中

式中δ()＝()r-()l。

得到界面數(shù)值通量的計算式

為獲得和諧、穩(wěn)定、守恒的計算結(jié)果，底坡源項s0的離散非常重要，目前有很多的學(xué)者對源項的離散方法進行了研究。

底坡和孔隙率源項s0是水深和底高程的函數(shù)，在界面上的間斷為，

積分s0可以得到

將沿著特征方向和進行分解

γ2＝0(71)

將根據(jù)特征矩陣λ分解為作用于左側(cè)單元和右側(cè)單元的源項

式中，i單位對角矩陣；sign()為符號函數(shù)。

離散模型能否保持靜水的靜止?fàn)顟B(tài)，表明了模型是否具有c(conservation)特性。

在靜止的水中

如果保持水流為靜止?fàn)顟B(tài)，需要滿足的條件之一是界面上的流量通量為0，即

式中，下標(biāo)c表示通量中的連續(xù)方程分量。。

摩擦阻力源項等其它的源項對格式的穩(wěn)定性也起著重要的作用，為增加格式的穩(wěn)定性對除底坡源項以外的其它源項進行半隱式離散。用系數(shù)來衡量n+1時刻源項的影響系數(shù)，1-θ來衡量n時刻的影響系數(shù)，源項為

式中，δt為時間步長，θ＝0時為完全顯式，θ＝1時為完全隱式，令

離散為

4、地表一二維耦合可以分為兩種連接：

側(cè)向連接：水流從河道兩岸流向二維區(qū)域或者從二維模型計算區(qū)域經(jīng)由兩岸流入河道，包括：

設(shè)某時刻河道與二維區(qū)域通過側(cè)向交換的方式交換的流量為ql，采用堰流公式近似計算交換流量的方法如下：

式中：hmax和hmin分別采用下式計算：

hmax＝max(zr,zc)-ze

hmin＝min(zr,zc)-ze(67)

式中：zr和zc為堰上下游水位，分別取河道和二維網(wǎng)格單元的水位值；ze為堰的高程，一般取河堤岸的高程；be為堰的寬度，一般取單元格與河道相連邊的邊長；

在計算交換水量時，通常以二維區(qū)域中與河道相連的網(wǎng)格為單位分別進行計算。zc為與河道相連單元的水位，zr為單元格對應(yīng)位置河道的水位，通過該單元處河道上下游斷面水位進行插值得到，根據(jù)不同的水位組合，存在如下四種情況：(1)zc和zr均小于ze，則不計算交換水量，即ql＝0；(2)zc＞zr且max(zc,zr)＞ze，則水流從二維單元流向河道；(3)zc＜zr且max(zc,zr)＞ze，則水流從河道流向二維單元；(4)zc＝zr＞ze，此時依舊有水流交換，但是需要根據(jù)二維單元的流速方向來判定水流是流出還是流入。

正向連接：水流通過河道兩端與二維計算區(qū)域進行水流交換，包括：

第一步：一維河網(wǎng)模型為二維模型提供流量邊界，將河道與二維區(qū)域相連的那一端的斷面流量作為邊界條件提供給二維模型，即：

式中：為河道與二維區(qū)域連接斷面的流量；m為二維區(qū)域與河道連接的單元邊數(shù)目；lk為單元邊的邊長；qk為單元邊的單寬流量；

第二步：根據(jù)給定的邊界條件，二維模型從當(dāng)前時間步更新至下一時間步；

第三步：二維模型為一維河網(wǎng)模型提供水位邊界條件，根據(jù)二維模型更新后的單元值，將與河道相連單元的水位作為邊界提供給一維模型作為邊界條件：

式中：為河道下一時間步的水位邊界條件；為更新后的單元水位值；l為垂向連接邊界的總長度。

在步驟s3中，通過計算交換水量進行城市地表地下的一二維模型耦合，交換水量采用下列公式進行計算：

式中：hsurface為地面水頭，hnode為排水管道水頭，m為流量系數(shù)，hg為地表高程。

5、二維管網(wǎng)耦合模型

目前地表洪水模型與地下管網(wǎng)模型的耦合通常做法是計算交換水量，然后代入各自模型中計算，更新到下一步，交換水量采用下列公式進行計算：

式中：hsurface為地面水頭，hnode為排水管道水頭，m為流量系數(shù)，hg為地表高程。

交換水量計算后，需要作兩方面的校核：(1)由于一個網(wǎng)格單元可能對應(yīng)很多個管網(wǎng)節(jié)點，需要以二維網(wǎng)格單元為單位校核擬交換水量是否超過單元現(xiàn)有總水量，即可能出現(xiàn)二維網(wǎng)格單元中總水量不夠，無法滿足當(dāng)前與眾多管網(wǎng)節(jié)點計算的交換流量，出現(xiàn)這種情況，需要按比例減少交換水量；(2)由于交換水量是根據(jù)當(dāng)前步結(jié)果顯式計算的，未考慮下一時段網(wǎng)格單元以及管道的來水量，可能會出現(xiàn)交換流量過大的情況。若上一時間步二維網(wǎng)格與管網(wǎng)節(jié)點之間水流交換方向為網(wǎng)格單元流入管網(wǎng)節(jié)點，而上一步計算完成后，該節(jié)點出現(xiàn)溢流，說明上一步交換水量過多，需要當(dāng)前步中將網(wǎng)格單元的水量增加該溢流值，以滿足水量平衡。

根據(jù)本發(fā)明實施例的基于空間拓?fù)涞囊欢S水動力學(xué)耦合方法，具有以下有益效果：

1d河網(wǎng)模型既能處理上千條河網(wǎng)以及防洪工程調(diào)度控制，同時擴展有限體積方法河網(wǎng)計算引擎，能適應(yīng)山區(qū)陡坡河道(網(wǎng))模擬；

2d模型能夠計算大的水面間斷，能夠捕捉激波；考慮孔隙率，使用高精度網(wǎng)格考慮房屋等影響；

與swmm城市排水系統(tǒng)管網(wǎng)模型緊密集成，集成強大河網(wǎng)/管網(wǎng)一維顯式計算引擎；

強大的網(wǎng)格剖分引擎，采用區(qū)域分解法looping和鋪路法paving，直接生成不規(guī)則四邊形網(wǎng)格；

完善的耦合模式(側(cè)向、正向、垂向耦合模式)，適應(yīng)不同洪水耦合計算需求；

靈活的一二維耦合概化模式，能很好地解決小河流、街道行洪的概化處理。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。

由此可以用于模擬中小河流、蓄滯洪區(qū)、防洪保護區(qū)、城市(暴雨內(nèi)澇—排水系統(tǒng))，包括一維河網(wǎng)模型、地表二維模型、城市管網(wǎng)模型、一二維耦合模型、二維管網(wǎng)耦合模型5個模塊，能夠滿足各類數(shù)據(jù)處理、模型計算、結(jié)果展示與輸出等工作的需要。

步驟s3，將目標(biāo)區(qū)域的gis基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入至所述2dgis平臺中平面地圖的相應(yīng)位置進行標(biāo)繪，在平面地圖上加載顯示該數(shù)據(jù)。gis數(shù)據(jù)用于導(dǎo)入各類矢量數(shù)據(jù)，將上述數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)的地理底圖數(shù)據(jù)，用于背景信息展示。

在本發(fā)明的一個實施例中，采用directx渲染引擎進行可視化展示。

步驟s4，通過洪水分析模型的計算、分析、編輯及可視化展示，基于平面地圖，實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的無級縮放和漫游瀏覽，支持對通用矢量數(shù)據(jù)的加載顯示，并以圖層化的方式管理。

所述2dgis平臺設(shè)置由影像瓦片數(shù)據(jù)集，用于加載各類在線、離線數(shù)據(jù)，作為基礎(chǔ)的地理底圖數(shù)據(jù)，用于背景信息展示。

如圖3所示，所述影像數(shù)據(jù)類型包括離線數(shù)據(jù)、谷歌在線地圖、arcgis在線地圖、必應(yīng)在線地圖，在線地圖層級參數(shù)中可設(shè)置數(shù)據(jù)最小層級和數(shù)據(jù)最大層級，通過數(shù)據(jù)存儲路徑加載在線地圖，在離線地圖參數(shù)中通過配置文件路徑加載離線地圖。

本發(fā)明內(nèi)置統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理，將遙感影像實現(xiàn)無縫鏈接和交換，將專業(yè)的影像數(shù)據(jù)處理和分析成果集成到系統(tǒng)環(huán)境中，在系統(tǒng)中管理gis空間數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和發(fā)布共享等工作，形成一個遙感與gis一體化集成系統(tǒng)。

進一步，本發(fā)明所采用獨立研發(fā)的gis平臺。為一款輕量級的二維gis平臺，提供桌面gis軟件、c/s結(jié)構(gòu)gis開發(fā)框架，系統(tǒng)在.net框架下開發(fā)運行，采用c/s架構(gòu)，根據(jù)多源空間數(shù)據(jù)的承載需求采用接口化模塊設(shè)計，采用directx渲染引擎進行統(tǒng)一的可視化表達。gis引擎層，提供數(shù)據(jù)io接口模塊、圖形渲染模塊、任務(wù)管理模塊、人機交互接口，基礎(chǔ)空間元數(shù)據(jù)的接口描述模塊等；基于gis引擎的二維平面地圖場景可視化平臺，包括柵格數(shù)據(jù)管理模塊，矢量數(shù)據(jù)管理模塊，地圖顯示交互模塊。

2dgis平臺提供基本gis功能包括：導(dǎo)入導(dǎo)出shape數(shù)據(jù)、批量編輯、標(biāo)注屬性、圖層屬性、編輯圖層、高亮定位、縮放到屏幕、清空要素。

1導(dǎo)入導(dǎo)出shape數(shù)據(jù)

參考圖4和圖5，通過導(dǎo)入shape數(shù)據(jù)來完成河段、零維要素、子匯水區(qū)、管段、節(jié)點、雨量站等模型要素的創(chuàng)建，以導(dǎo)入子匯水區(qū)為例說明導(dǎo)入shape數(shù)據(jù)的操作方法，右鍵【子匯水區(qū)】，點擊【導(dǎo)入shape】，彈出導(dǎo)入shape-子匯水區(qū)對話框，選擇要導(dǎo)入的shape格式子匯水區(qū)數(shù)據(jù)，匹配對應(yīng)字段，點擊【確定】，完成子匯水區(qū)的設(shè)置。點擊【導(dǎo)出shape】設(shè)置文件名及存放路徑，即可將管網(wǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為shape數(shù)據(jù)。

2批量編輯

對河段、零維要素、聯(lián)系要素、子匯水區(qū)、管段、節(jié)點、單元、邊元等模型要素進行批量編輯。批量編輯即對參數(shù)進行批量設(shè)置。以城市管網(wǎng)子匯水區(qū)批量編輯為例說明批量編輯的操作。可導(dǎo)入.csv、.xls、.xlsx、.shp格式的屬性數(shù)據(jù)設(shè)置參數(shù)。將當(dāng)前參數(shù)導(dǎo)出為excel文件。軟件字段計算器支持函數(shù)和條件語句查詢語句設(shè)置參數(shù)。計算字段有字符串和數(shù)值形式兩種類型，對象名稱、描述信息、雨量站、出水口為字符串，面積、排干時間、寬度、坡度、不滲透性等為數(shù)值形式。數(shù)據(jù)查詢可篩選出符合查詢條件的子匯水區(qū)，例如【面積】＞0.2m²。

3標(biāo)注屬性

標(biāo)注屬性功能可實現(xiàn)模型要素的標(biāo)注功能，點擊標(biāo)注顏色、標(biāo)注字體欄可實現(xiàn)顏色和字體的自定義設(shè)置，設(shè)置標(biāo)注顏色及標(biāo)注字體。

4圖層屬性

圖層屬性中可查看并編輯相應(yīng)圖層的屬性，下圖以系統(tǒng)基本屬性對話框，點擊相應(yīng)的行即可對屬性進行編輯。

5編輯圖層

編輯圖層可對圖層形狀進行編輯，此功能可運用于一維河網(wǎng)中零維要素、聯(lián)系要素、管網(wǎng)中的子匯水區(qū)、節(jié)點、雨量站、擴展工具gis數(shù)據(jù)管理等模型要素。以子匯水區(qū)為例說明該功能操作，在地圖顯示區(qū)域選擇需要編輯的子匯水區(qū)，顯示該子匯水區(qū)各節(jié)點，鼠標(biāo)拖拽節(jié)點即可編輯多邊形形狀。

6高亮定位

高亮定位可將鼠標(biāo)定位至該區(qū)域。

7縮放到屏幕

縮放到屏幕可將相應(yīng)的模型要素縮放至屏幕中心。

8清空要素

清空要素可清除相應(yīng)的模型要素。

本發(fā)明采用c/s體系結(jié)構(gòu)，基于webgis技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器應(yīng)用模式和可視化的空間圖形操作界面，提供直觀、清晰、方便、靈活的系統(tǒng)操作和控制環(huán)境。

水風(fēng)險圖實時分析系統(tǒng)基于gis技術(shù)和水動力模型計算方法進行開發(fā)，主要具有以下幾個特點：

1)將實時雨水情信息查詢、洪水預(yù)報、工程調(diào)度、風(fēng)險分析等模塊有機地整合在一起，滿足領(lǐng)導(dǎo)決策層、業(yè)務(wù)處理層等不同用戶群體的業(yè)務(wù)化響應(yīng)功能集成。

2)將分區(qū)滯洪、河道上游來水預(yù)報、水利工程調(diào)度等多種因素統(tǒng)籌考慮，實現(xiàn)了防洪管理的可視化、交互式的實時或準(zhǔn)實時輔助決策能力。

3)基于gis技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計了降雨空間分析，洪水動態(tài)展示、不同情景設(shè)置等功能，增強了系統(tǒng)的實時性、便捷性和可視效果。

根據(jù)本發(fā)明實施例的基于2dgis平臺的洪水分析模型的構(gòu)建方法，具有以下有益效果：

1、基于自主研發(fā)的gis平臺，不依賴任何第三方商業(yè)平臺，可以方便快捷的將水利市政等行業(yè)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與gis基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)相結(jié)合，進行導(dǎo)入、展示和處理分析；

2、采用directx圖形渲染技術(shù)，支持gpu加速進行快速渲染。

3、支持大數(shù)量級基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)的加載，能夠快速響應(yīng)各種地圖操作。

4、采用面向?qū)ο蟮姆绞揭惑w化管理模型要素和計算方案；

5、提供良好的擴展性，為各種不同模型分析的擴充打下良好的基礎(chǔ)；

6、提供通用的模型計算分析接口，整合模型數(shù)據(jù)管理與分析應(yīng)用功能；

7、根據(jù)不同的應(yīng)用需求的可以實現(xiàn)快速軟件定制。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。