專利名稱：一種基于cd-tin的城區地表特征點匯水量計算方法
技術領域：
本發明涉及到城區雨洪內澇分析與模擬仿真領域，特別是城區暴雨致澇的模擬仿真領域，是一種基于CD-TIN并顧及城區精細高程模型和地表多元特征的、能夠精確計算城區地表特征點匯水量的方法。
背景技術：
從古至今，暴雨及其衍生災害一直是中華民族的心腹大患[1]。1931年的長江洪澇導致武漢市全城內澇長達數月之久，數十萬人罹難，千萬災民流離失所[2]。研究表明，由于大城市城區氣溫高、空氣中粉塵大，周邊上升氣流形成向城市匯聚性運動。一旦上升的熱氣流遭遇高空強對流的冷氣團，就會形成以城市為中心的暴雨，即所謂的城市雨島效應[3]。城市雨島效應是城市熱島效應與尾氣顆粒的綜合作用，導致城市上空經過的冷空氣加速凝結而降雨[4]。當代社會，因暴雨及城市排水問題引發的城市內澇成為一種新的“城市型水災害”。2010年5月7日、9日至14日，廣州市區一周之內遭遇3場暴雨，降雨量達到440mm，是廣州市自1908年有氣象記錄以來汛期從未出現過的極端天氣狀況，中心城區118處地段出現內澇水浸，7人罹難,35個地下車庫被淹沒，地鐵口雨水倒灌、地鐵隧道滲水,全市經濟損失約5.4億元。2011年6月23日，今年入夏以來的最強暴雨光臨了京城大部分地區，局部地區降雨量超過了 100毫米。突如其來的傾盆大雨使得城區積水嚴重，部分道路中斷，多條地鐵線路運營受阻，大批航班取消或延誤。城市這一傳統上人類生存的“安全地帶”，在暴雨引發的內澇面前顯得非常脆弱。城市內澇災害使交通系統頃刻癱瘓、生產活動停頓、基礎設施損毀、居民生活受困，直接威脅著人類生存與城市發展[5]。雨洪的形成、移動、匯聚等一系列過程，均與地表特征相關，尤其是與地表高程特征的關系更為密切。高程常常用來描述地形表面的起伏形態。傳統的高程模型是等高線[6]，其數學意義是定義在二維地理空間上的連續曲面函數，當此高程模型用計算機來表達時，就稱為數字高程模型m (Digital Elevation Model，DEM)。DEM的數據模型按照網格形狀可分為規則鑲嵌數據模型和不規則鑲嵌數據模型，其中基于正方形網絡的規則鑲嵌數據模型為柵格DEM,基于不規則三角網(Triangulated Irregular Network, TIN)的不規則鑲嵌數據模型為矢量DEM[8]。在防洪減災方面，DEM是進行水文分析(如匯水區分析、水系網絡分析、降雨徑流分析、蓄洪量計算、淹沒區分析等)的基礎[9]。目前，在現有的水文分析中，絕大部分算法是針對柵格DEM而設計的，如各種水流方向計算[1°_12]、河網提取算法[13_14]、流域地形分割算法[15]等。柵格DEM具有柵格大小均一、數據點排列規則等特征，這些特征雖然使得上述算法的實現較為簡單，但是限制了其在地形表達上的靈活性和準確性，也給城區水文分析帶來一系列的困難，如水流方向確定的不準確、匯水區水量計算的不精確等。與柵格DEM相比，基于TIN的矢量DEM的矢量特性使得其在描述如河網結構、流域拓撲關系、城區地表匯水計算等方面更具優勢，例如水流方向可由三角形唯一確定；影響水流方向的各類精細地表特征，可作為約束條件嵌入到地形TIN之中[16]，形成約束狄洛尼不規則三角網(Constrained Delaunay Triangular IrregularNetwork, CD-TIN)。參考文獻:[I]王靜愛，史培軍，王瑛.中國城市自然災害區劃編制[J].自然災害學報，2005，14(6):42-46[2]Pietz,David.Engineering the State:The Huai River and Reconstructionin Nationalist Chinel927_1937[M].Routledge，ISBN 0415933889.2002，xvi1:61-70[3]Daniel Rosenfeld.Suppression of rain and snow by urban andindustries air pollution [J].Science，2000，287(10):1793-1796[4] Changnon SA Jr.Precipitation changes in summer caused bySt.Louis [J]，Science，1979，205 (9):402-404[5]國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006 2020年)[6]邱衛寧.根據等高線建立數字高程模型[J].武漢測繪科技大學學報，1994[7]湯國安，李發源，劉學軍.數字高程模型教程(第二版)[M].科學出版社，2010[8]湯國安，劉學軍，閭國年.數字高程模型及地學分析的原理與方法[M].科學出版社，2005[9]徐宗學等.水文模型[M].科學出版社，2009[10]Lea N LAn aspect driven kine matic routing algorithm.1n:ParsonsA J，Overland Flow, eds.Hydraulic sand Erosion Mechanics[M].New York:AbrahamsChapman and Hall，1992[ll]Quinn P F，Beven K J，Chevallier P.The prediction of hillslope flowpaths for distributedhydrological modeling using digital terrain models[J].Hydrological Processes，1991，5(I):59-79[12]Meisels A,Raizman SiKarnieli A.Skeletonizing a DEM into a drainageNetwork[J].1995,21 (1):187-196[13]Band L E.Topographic partition of watershades with digitalelevation models[J].WaterResources Research，1986，22:15-24[14]Qian JiEhrich R W.DNESYS-an expert system for automatic extractionof drainage Networksfrom Digital Elevation Model[J].1EEE Transaction onGeoscience and Remote Sensing，2002，28(I):29-45[15]0’ Callaghan F，Mark D M.The extraction of drainage networks fromdigital elevation data.Computer Vision [J], Graphics and Image Processing，1984，28:323-344[16]劉學軍，王永君，任政.基于不規則三角網的河網提取算法[J].水利學報，2008，39 (I):27-3
發明內容
本發明提出了 一種基于約束狄洛尼不規則三角網(Constrained DelaunayTriangularIrregular Network，(D-TIN)的城區地表特征點匯水量計算方法，技術流程包括:基于CD-TIN的城區地表精細DEM構建、三角形面片水流方向計算、三角形面片產水量計算、節點匯水量初值計算、邊水流方向計算、邊水流量計算、節點匯水量終值計算。本發明的特征在于，它顧及城區流水特征并基于⑶-TIN構建城區地表精細DEM，并依據“水往低處流”的常識，先將三角形面片產水量分配到各節點形成節點匯水量初值，再依據節點所對應各邊的高差，進行CD-TIN中邊水流量計算和節點匯水量終值計算，實現基于三角形“面-點-線-點”匯水過程的城區地表特征點匯水量精確計算。本發明可解決現有城區地表匯水量計算方法誤差大、精度低，以及對一些可能影響匯水的因素如建筑、道路、隔離帶、馬路牙、綠地、雨水篦、落水井等未加考慮或考慮不足等問題。利用本發明可以更為精確地計算城區地表特征點的匯水量，為城區內澇分析與模擬仿真等提供核心算法與技術手段。
圖1為本發明提出的城區地表特征點匯水量計算方法流程圖。圖2為本發明提出的基于CD-TIN的城區地表精細DEM局部示意圖，其中，白色粗線代表嵌入其中的可能影響城區地表匯水的約束條件，如房屋、道路、綠地。圖3為本發明提出的計算方法效果圖。其中，箭頭代表其所在三角形面片和邊的水流方向，實心圓點為匯水節點，空心圓圈為雨水井口 /雨水箅。
具體實施例方式本發明提出的基于CD-TIN的城區地表特征點匯水量計算方法與技術流程，如圖1所示。1、基于CD-TIN的城區地表精細DEM構建。I)利用城區地表測量數據，構建基于自由D-TIN的城區精細DEM ；2)把可能影響匯水的城區地表特征如建筑、道路、綠地、雨水井/雨水箅等作為約束條件嵌入D-TIN DEM中，構建基于⑶-TIN的城區地表精細DEM，如圖2所示，其中白色粗線代表約束條件。2、三角形面片水流方向計算。根據“水往低處流”，按照以下步驟計算三角形面片水流方向:I)提取三角形面片對應3個節點的高程；2)比較這3個節點的高程大小，得到高程最低的節點；3)三角形面片水流方向指向高程最低的節點。如圖3，三角形面片內箭頭所示。3、三角形面片產水量計算按照以下步驟計算三角形面片產水量:I)計算三角形面片上的降雨量，它等于降雨強度、歷時與三角形投影面積之積；2)計算三角形面片上的入滲量，它等于降雨量與入滲系數二者之積；3)得到三角形面片的產水量，它等于降雨量與入滲量之差。4、節點匯水量初值計算。按照以下步驟計算節點匯水量初值:I)提取以某個節點為頂點的所有三角形面片；
2)依次判斷每個三角形面片水流方向是否指向該節點；3)如果是，則把該三角形面片的產水量賦值給該節點。節點匯水量初值等于水流方向指向它的所有三角形面片產水量之和。5、邊水流方向計算。根據“水往低處流”，按照以下步驟計算邊水流方向:I)提取構成一條邊的兩個節點的高程值；2)比較這兩個節點高程值的大小，得到高程值較低的節點；3)該邊水流方向指向高程值較低的節點。如圖3，三角形邊上箭頭所示。6、邊水流量計算。按照以下步驟計算邊水流量:I)提取以某一節點為端點但水流方向不指向該節點的所有邊；2)計算其中某邊的長度及兩端高差，得到該邊高差與長度的比值；依此類推，得到水流方向不指向該節點的其它邊的高差與長度的比值，并將所有比值求和；3)以該節點匯水量初值為輸入，以該邊高差與長度的比值相對于所有邊高差與長度比值之和的商為權重，進行節點匯水量初值的分配，計算出該邊水流量。7、循環步驟2-6，直到完成模型中所有三角形面片水流方向、產水量、節點匯水量初值、邊水流方向，以及邊水流量的計算。8、節點匯水量終值計算。節點匯水量終值等于水流方向指向該節點的所有邊水流量之和。據此，實現了基于⑶-TIN的城區地表特征點匯水量的計算。
權利要求
1.一種基于CD-TIN的城區地表特征點匯水量計算方法，其特征在于該方法主要包括:顧及城區流水特征并基于⑶-TIN的城區地表精細DEM構建方法、⑶-TIN中邊水流量計算方法、CD-TIN中節點匯水量終值計算方法。
2.根據權利要求1所述的顧及城區流水特征并基于CD-TIN的城區地表精細DEM構建方法，其特征在于它的數據模型采用約束狄洛尼不規則三角網(Constrained DelaunayTriangular Irregular Network, Q)_TIN),并將雨水篤、落水井等作為特征點，以影響城區地表水流的特征線和特征面(如建筑、道路、綠地、隔離帶、馬路牙等)作為約束條件嵌入其中，共同構建基于CD-TIN的城區地表精細數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。
3.根據權利要求1所述的CD-TIN中邊水流量計算方法，其特征在于采用基于水力坡降的多流向算法。以節點為端點，但水流方向不指向節點的邊為分配對象，以節點匯水量初值為輸入，以其中某邊高差與長度的比值相對于所有邊高差與長度比值之和的商為權重，以輸入乘以權重，進行⑶-TIN中邊水流量計算。
4.根據權利要求1所述的CD-TIN中節點匯水量終值計算方法，其特征在于計算水流方向指向節點的所有邊的水流量之和，從而得到CD-TIN中各節點匯水量終值。
全文摘要
本發明提出一種基于CD-TIN的城區地表特征點匯水量計算方法，屬于城區雨洪內澇分析及模擬仿真領域。本發明顧及城區流水特征并基于CD-TIN構建城區地表精細DEM，依據“水往低處流”，先將三角形面片產水量分配到各節點形成節點匯水量初值，再依據節點所對應各邊的高差，進行CD-TIN中邊水流量和節點匯水量終值計算，實現基于三角形“面-點-線-點”的城區地表特征點匯水量精確計算。技術流程包括三角形面片水流方向計算、三角形面片產水量計算、節點匯水量初值計算、邊水流方向計算、邊水流量計算、節點匯水量終值計算。本發明可以解決現有城區地表匯水量計算方法誤差大、精度低、多種影響因素考慮不足等問題，為城區內澇分析與模擬仿真等提供核心算法與技術手段。
文檔編號G06T17/05GK103208135SQ201210006339
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者吳立新, 劉玉軒, 王植 申請人:吳立新, 劉玉軒, 王植