CN107194156A - 一种水量动态分配的有源积水扩散算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水量动态分配的有源积水扩散算法，在计算出每个扩散源的积水量后，以扩散栅格为中心，根据水量平衡原理，在中心栅格及其周围八个栅格中扩散，每扩散完一圈进行扩散结果的合理性判断，判断已形成的积涝水位是否大于其外圈某个栅格的高程值，如果存在，则将扩散范围增加一圈再次进行扩散，直到积涝水位小于其外圈的任何一个栅格的高程值。在所有节点扩散完成之后，判断是否存在栅格参与了多次节点扩散过程，若有，则对这些节点进行合并扩散处理。在扩散过程中，从地域连通性及地形阻碍作用出发，不断判断积水路径的合理性，动态地进行水量分配，避免了人为选择多流向影响因子的主观性，提高了暴雨积水模拟的准确性。

Description

一种水量动态分配的有源积水扩散算法
技术领域
本发明涉及一种水量动态分配的有源积水扩散算法，属于城市内涝监测预警技术领域。
背景技术
城市暴雨积涝模拟过程主要分为降雨过程模拟、产汇流计算、暴雨淹没分析。城市暴雨积水即指降雨下落城市区域形成径流后由于地势低洼、排水不及时等原因造成的一定径流深度的地面积水。城市暴雨淹没分析是指在求得城市暴雨积水总量后，根据城市地形将积水合理分布到区域空间中，得到城市可能的积水深度以及积水的淹没情况。对于这一问题的研究基本从两个角度进行：(1)给定水位下的积水淹没分析，这些算法都是基于递归算法改进的角度进行的，需要给定积涝水位，但是在实际降雨中积涝水位获取存在一定难度；(2)已知洪水体积的积涝扩散：有些算法未突破汇水区边界限制，实际积水扩散时并不存在任何边界，会导致汇水区边界处的扩散结果不合理。有些算法虽然不存在边界限制问题，但其扩散过程可能会使得一个节点形成的扩散区域的积涝水位不一致，这与实际水塘形成的情景不一致。
数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)，是以数字的形式按一定结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的模型，也是地形形状大小起伏的数字描述。最基本的DEM由一系列地面点(x,y)(x为广义的该点的经度坐标值，y为广义该点的纬度坐标值)位置及其相联系的高程Z所组成，用数学函数式表达是：Z＝(x,y)。DEM通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵表示，广义的DEM还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。在本发明中，DEM是指覆盖研究区域的每个规则网格的高程值的集合。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种计算速度快准确度高的水量动态分配的有源积水扩散算法。
本发明采用的技术方案为：一种水量动态分配的有源积水扩散算法，包括以下步骤：
(1)读取DEM数据，获得区域每个栅格的高程值；
(2)生成与DEM栅格一一对应的网格编号数据，该数据唯一地确定了每个栅格的编号，读取编号数据，并根据经纬度坐标与DEM数据构成一一匹配的关系，并将其作为DEM栅格的一个属性；
(3)根据地理位置，确定扩散节点(即扩散源)的栅格编号及其积涝水量，同样将节点的编号与积水量作为DEM栅格属性。
(4)从第一个节点开始，依次进行积水扩散，当前节点的溢流量为Vi，假设积涝高程为H，每个DEM栅格的面积为area，节点所在栅格及其他周围的栅格与积涝高程的高程依次为X1,X2…X9，则根据水量平衡原理有((X-X1)+(X-X2)+…+(X-X9))*area＝Vi，得到X。
(5)依次判断X与相邻8个栅格相邻的16个栅格的高程值差，当所有的差值都小于设定的阈值s时则扩散结束。
(6)当出现一个差值大于阈值s时，将扩散范围扩大到为以节点为中心的5*5栅格，然后重复步骤(4)得到所有节点扩散完成。(当一个栅格参与了两个及以上的节点扩散时，其每次的高程以原始高程参与计算。)
(7)一轮所有节点扩散完成，判断是否有栅格参与了两个及以上的节点扩散过程，如果不存在，则扩散结束，得到最后积涝结果。
(8)如果存在栅格参与了两个及以上的节点扩散过程，则将这些节点的水量相加，在其已形成的积涝范围的外接多边形内进行水量扩散过程，得到新的扩散结果，并更新这些栅格的扩散结果，直到所有栅格判断完毕，得到积涝结果。
本发明的有益效果：本发明方法在扩散过程中，从地域连通性及地形阻碍作用出发，不断判断积水路径的合理性，动态地进行水量分配，避免了人为选择多流向影响因子的主观性，提高了暴雨积水模拟的准确性。
附图说明
图1-图6为本发明具体实施方式中积涝情况示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
现假设研究区域如图1所示,每个栅格大小为10m*10m,图上所示的数字为每个栅格单元的高程值(单位为m)，五角星代表的是节点所在位置。
情景1：现假设在一场降雨过后，该节点的积水量为430m3,则得到图2所示的积涝情况，最终的积涝水位为8.7m,小于周围所有相邻栅格的高程值，该节点的扩散到此结束，最终各栅格的积涝情况如图2所示。
情景2：现假设在一场降雨过后，该节点的积水量为730m3,则得到图3所示的积涝情况，围绕节点进行第一圈扩散的结果如图3所示，此时存在积涝水位大于其相邻栅格的情况，则该节点需要重新扩散，扩散范围增大，最终得到如图4所示的情况，最终积涝水位为9.00714，取近似值9.01。
情景3：现假设该区域存在两个位置相近的节点，在一场降雨过后，这两个节点的积水量分别为730m3和110m3，对这两个节点分别进行积涝扩散，得到如图5所示的积涝情况，这两个节点形成的积涝区域存在交叉的现象，所以需要对这两个节点做积涝合并处理，既把这两个节点的水量相加，形成新的节点，新节点的扩散范围为这两个节点积涝区域的外接多边形，最终得到如图6所示的积涝结果，最终积涝水位为9.0533，取近似值9.05。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种水量动态分配的有源积水扩散算法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)读取DEM数据，获得区域每个栅格的高程值；
(2)生成与DEM栅格一一对应的网格编号数据，该数据唯一地确定了每个栅格的编号，读取编号数据，并根据经纬度坐标与DEM数据构成一一匹配的关系，并将其作为DEM栅格的一个属性；
(3)根据地理位置，确定扩散节点的栅格编号及其积涝水量，同样将节点的编号与积水量作为DEM栅格属性；
(4)从第一个节点开始，依次进行积水扩散，当前节点的溢流量为Vi，假设积涝高程为H，每个DEM栅格的面积为area，节点所在栅格及其他周围的栅格与积涝高程的高程依次为X1,X2…X9，则根据水量平衡原理有((X-X1)+(X-X2)+…+(X-X9))*area＝Vi，得到X；
(5)依次判断X与相邻8个栅格相邻的16个栅格的高程值差，当所有的差值都小于设定的阈值s时则扩散结束；
(6)当出现一个差值大于阈值s时，将扩散范围扩大到为以节点为中心的5*5栅格，然后重复步骤(4)得到所有节点扩散完成；
(7)一轮所有节点扩散完成，判断是否有栅格参与了两个及以上的节点扩散过程，如果不存在，则扩散结束，得到最后积涝结果；
(8)如果存在栅格参与了两个及以上的节点扩散过程，则将这些节点的水量相加，在其已形成的积涝范围的外接多边形内进行水量扩散过程，得到新的扩散结果，并更新这些栅格的扩散结果，直到所有栅格判断完毕，得到积涝结果。
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