流域大尺度复杂河网海量精细规则网格的绘编方法技术

本发明专利技术公开了一种流域大尺度复杂河网海量精细规则网格的绘编方法，包括步骤：S1识别流域水系体的结构层和边界范围层；S2对流域水系河道进行分段获得河段；S3分别绘制各河段的二维规则网格，并对各河段中网格分别编码；S4对二维规则网格进行二维化整编，获得整体网格；S5整体网格的一维化整编；S6构建一维网格关系。本发明专利技术基于已有的海量规则网格的网格方法和工具，实现了简单高效的大尺度海量网格的增减和粗化，实现网格的一次性绘制终身可用，为基于规则网格的数值计算提供数据支撑。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于流体力学和环境模拟领域，涉及一种流域大尺度复杂河网海量精细规则网格的绘编方法。
技术介绍
网格是将整体单元离散化，进行有限元数值模拟计算的前提。随着以有限元数值计算为基础的流体力学计算与二三维水动力水质数学模型的不断发展，以及环境管理对流域性大尺度高精度模拟计算的需要，构建高精度的海量网格，满足计算范围随时变动、计算精度不断变化等的需求，如何绘制一套高精度的海量的网格体系，并基于这套网格满足不断变化的计算需求，是当前环境管理与模拟分析所面临的重要问题，也是提高网格体系的可重复利用性、减少数值模拟前期工作，提高模拟效率的重要技术问题。数值离散计算中，通过将计算区域划分为较小的、不重叠的计算单元，单元的大小和数量决定了计算的精度和速度，网格越小计算精度越高，但会使得网格数量越大，降低计算效率。流域性水环境计算的需求，从单一河道不断向全流域的河网扩展。流域河网各个河道流向不同，汇流情况复杂。目前已有的网格绘制工具在生成适应于离散数值计算的规则网格时，采用二维平面直角坐标系，以正东方向为X轴(i方向)、以正北方向为Y轴(j方向)，对所绘制的网格按照i、j方向进行连续编号。这种方法通过i、j的大小，能方便的获知各网格的上下左右的空间相邻关系，从而进行离散化空间求解。但在复杂河网中，由于不同的河段沿着不同的方向延伸，而要保证i、j的连续性，i、j的最大值im、jm由具有同一延伸方向的整体河道长度决定，网格的总数为im*jm，一旦i和j方向的河道较长，精度要求较高，im*jm值将非常大。虽然目前生成有限元结构化网格的方法和技术已经非常成熟，出现了一系列的商业级的软件如delft3d、EFDC、Seagrid、CAD等。这些软件不仅能进行正交网格的绘制，还具有网格平滑、正交、删减等方法可以用来对网格的质量进行检验或编辑。但已有的规则网格绘制技术和软件，受限于计算机内存和硬件条件的限制，一次性能绘制的网格个数有限。在进行大流域河网的规则网格绘制中，完全无法满足高精度的交叉河网的网格需求。同时，利用规则网格的二维编码方式，在河网地区，将出现大量的无效网格，这些网格不在河道范围内，属于陆地范围，但由于规则网格i、j方向的编码方式，同样会被网格覆盖，造成网格单元的浪费和离散迭代计算量的增加。而随着计算需求的不断变化，对能动态满足计算需求要求，可增可减、可粗可细的网格绘制与编辑方法，更是成为当前数值模拟领域的一大挑战。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种流域大尺度复杂河网海量精细规则网格的绘编方法，该方法实现了复杂河网区域的高精度海量网格绘制，可满足计算范围随时变动、计算精度不断变化的网格构建需求。为解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：一、一种流域大尺度复杂河网海量精细规则网格的绘编方法，包括：S1识别流域水系体的结构层和边界范围层，本步骤具体为：基于DEM数据，识别流域水系，提取流域水系结构层，识别流域水系边界范围层；S2对流域水系河道进行分段获得河段，本步骤具体为：将流域水系边界范围层中待计算河道分为干流河道、支流河道和汇流河道，其中：以汇流河道为节点对干流河道进行分段，得干流河段；支流河道上游边界到该支流河道与干流河道的入汇处的支流河道即支流河段；一个汇流河道即一个汇流河段；S3分别绘制各河段的二维规则网格，并对各河段中网格分别编码，本步骤具体为：绘制河段的二维规则网格，对河段中网格进行编码得网格的原始二维编码；所绘制的网格信息包括网格编码、网格坐标(x，y)及网格z值，z为网格的河底高程；其中：干流河段和汇流河段的网格编码具体为：以干流河道水流方向为i方向，j方向垂直i方向且指向干流河道左侧；将当前河段上游边界右岸的网格作为起始网格，并编码为(1,1)；分别沿i、j方向，采用(i,j)对其他网格依次连续编码；左侧支流河段的网格编码具体为：以左侧支流河段与干流河道入汇处到该左侧支流河段的上游方向为j'方向；将左侧支流河段与干流河道入汇边界右岸的网格作为起始网格，并编码为(1,1)；分别沿i、j'方向，采用(i,j')对其他网格依次连续编码；右侧支流河段的网格编码具体为：以右侧支流河段与干流河道入汇处到该右侧支流河段的上游方向为j″方向；将右侧支流河段与干流河道入汇边界左岸的网格作为起始网格，并编码为(1,1)；分别沿i、j″方向，采用(i,j″)对其他网格依次连续编码；左侧支流河段和右侧支流河段分别指从左侧和右侧入汇到干流河道的支流河道；S4二维规则网格的二维化整编，获得网格的整体二维编码(I,J)，本步骤进一步包括：4.1找出所有右侧支流河段网格的原始二维编码中的最大j″值，记为j″max，以j＝j″max为起始边，该起始边的j方向整体编码J记为1；沿着j方向搜索，每跨过一个j，j方向整体编码J加1，直至左侧支流河段最上游边界；4.2沿着干流河道水流方向，以最上游干流河段的i＝1边为起始边，该起始边的i方向整体编码I记为1；沿着i方向搜索，每跨过一个i，i方向整体编码I加1，直至干流河道最下游边界；4.3(1,1)至(Imax,Jmax)区域内网格构成整体网格，Imax、Jmax分别为i方向和j方向整体编码中最大值；计算整体网格中各网格的干湿网格判断变量MFS，若x*y*z＞0，网格的MFS＝1；否则，MFS＝0；S5二维规则网格的一维化整编，获得网格的一维编号，具体为：以网格(I,1)为扫描起点，I依次取1、2、…Imax，沿着j方向对网格逐一扫描直至J＝Jmax，若扫描到的当前网格的MFS＝1，当前一维编号加1作为当前网格的一维编号，同时采用当前网格的一维编号更新当前一维编号，然后扫描下一网格；当前一维编号初始值设为0，即令网格(1,1)的一维编号为0；若扫描到的当前网格的MFS＝0，直接扫描下一网格；S6构建一维网格关系，所述的一维网格关系包括各网格的一维编号、原始二维编码、以及各网格上游、下游、左侧、右侧四个相邻网格的一维编号。步骤S2中，还包括对河段进行编码，其中：干流河道的编码规则为：从上游到下游，按数值连续递增方式对干流河段顺次编号，基于编号获得干流河段编码；支流河道的编码规则为：根据支流河段和干流河道的位置关系以及与支流河段相交的干流河段编号对支流河段进行编码；位置关系即支流河段在干流河道的左侧或右侧；汇流河道的编码规则为：根据与汇流河段相邻的干流河段编号对汇流河段进行编码。上述干流河段编码包括前缀M和编号。上述支流河段编码包括前缀JL或JR、以及与支流河段相交的干流河段的编号，其中，JR表示支流河段位于干流河道的右侧，JL表示支流河段位于干流河道的左侧。上述汇流河段编码包括前缀JH以及与汇流河段相邻的干流河段编号。作为一种具体实施方式，完成河段进行编码后，还构建河段位置关系表，所述的河段位置关系表包括各河段的编码、类型、上游河段编码、下游河段编码、左侧入汇河段编码和右侧入汇河段编码。作为优选，步骤3中，二维规则网格边长不小于河道宽度的1/10。二、根据上述海量精细规则网格的增加方法，用于增加干流河段，包括：延长干流河道的上游第一个或下游最后一个河段，涵盖至需要增加位置，当前河段位置关系表保持不变；按照上述步骤S3重新绘制延长后干流河段的二维规则网格，并对二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种流域大尺度复杂河网海量精细规则网格的绘编方法，其特征是，包括：S1识别流域水系体的结构层和边界范围层，本步骤具体为：基于DEM数据，识别流域水系，提取流域水系结构层，识别流域水系边界范围层；S2对流域水系河道进行分段获得河段，本步骤具体为：将流域水系边界范围层中待计算河道分为干流河道、支流河道和汇流河道，其中：以汇流河道为节点对干流河道进行分段，得干流河段；支流河道上游边界到该支流河道与干流河道的入汇处的支流河道即支流河段；一个汇流河道即一个汇流河段；S3分别绘制各河段的二维规则网格，并对各河段中网格分别编码，本步骤具体为：绘制河段的二维规则网格，对河段中网格进行编码得网格的原始二维编码；所绘制的网格信息包括网格编码、网格坐标(x，y)及网格z值，z为网格的河底高程；其中：干流河段和汇流河段的网格编码具体为：以干流河道水流方向为i方向，j方向垂直i方向且指向干流河道左侧；将当前河段上游边界右岸的网格作为起始网格，并编码为(1,1)；分别沿i、j方向，采用(i,j)对其他网格依次连续编码；左侧支流河段的网格编码具体为：以左侧支流河段与干流河道入汇处到该左侧支流河段的上游方向为j'方向；将左侧支流河段与干流河道入汇边界右岸的网格作为起始网格，并编码为(1,1)；分别沿i、j'方向，采用(i,j')对其他网格依次连续编码；右侧支流河段的网格编码具体为：以右侧支流河段与干流河道入汇处到该右侧支流河段的上游方向为j”方向；将右侧支流河段与干流河道入汇边界左岸的网格作为起始网格，并编码为(1,1)；分别沿i、j”方向，采用(i,j”)对其他网格依次连续编码；左侧支流河段和右侧支流河段分别指从左侧和右侧入汇到干流河道的支流河道；S4二维规则网格的二维化整编，获得网格的整体二维编码(I,J)，本步骤进一步包括：4.1找出所有右侧支流河段网格的原始二维编码中的最大j”值，记为以为起始边，该起始边的j方向整体编码J记为1；沿着j方向搜索，每跨过一个j，j方向整体编码J加1，直至左侧支流河段最上游边界；4.2沿着干流河道水流方向，以最上游干流河段的i＝1边为起始边，该起始边的i方向整体编码I记为1；沿着i方向搜索，每跨过一个i，i方向整体编码I加1，直至干流河道最下游边界；4.3(1,1)至(Imax,Jmax)区域内网格构成整体网格，Imax、Jmax分别为i方向和j方向整体编码中最大值；计算整体网格中各网格的干湿网格判断变量MFS，若x*y*z＞0，网格的MFS＝1；否则，MFS＝0；S5二维规则网格的一维化整编，获得网格的一维编号，具体为：以网格(I,1)为扫描起点，I依次取1、2、…Imax，沿着j方向对网格逐一扫描直至J＝Jmax，若扫描到的当前网格的MFS＝1，当前一维编号加1作为当前网格的一维编号，同时采用当前网格的一维编号更新当前一维编号，然后扫描下一网格；当前一维编号初始值设为0，即令网格(1,1)的一维编号为0；若扫描到的当前网格的MFS＝0，直接扫描下一网格；S6构建一维网格关系，所述的一维网格关系包括各网格的一维编号、原始二维编码、以及各网格上游、下游、左侧、右侧四个相邻网格的一维编号。...

【技术特征摘要】
1.一种流域大尺度复杂河网海量精细规则网格的绘编方法，其特征是，包括：S1识别流域水系体的结构层和边界范围层，本步骤具体为：基于DEM数据，识别流域水系，提取流域水系结构层，识别流域水系边界范围层；S2对流域水系河道进行分段获得河段，本步骤具体为：将流域水系边界范围层中待计算河道分为干流河道、支流河道和汇流河道，其中：以汇流河道为节点对干流河道进行分段，得干流河段；支流河道上游边界到该支流河道与干流河道的入汇处的支流河道即支流河段；一个汇流河道即一个汇流河段；S3分别绘制各河段的二维规则网格，并对各河段中网格分别编码，本步骤具体为：绘制河段的二维规则网格，对河段中网格进行编码得网格的原始二维编码；所绘制的网格信息包括网格编码、网格坐标(x，y)及网格z值，z为网格的河底高程；其中：干流河段和汇流河段的网格编码具体为：以干流河道水流方向为i方向，j方向垂直i方向且指向干流河道左侧；将当前河段上游边界右岸的网格作为起始网格，并编码为(1,1)；分别沿i、j方向，采用(i,j)对其他网格依次连续编码；左侧支流河段的网格编码具体为：以左侧支流河段与干流河道入汇处到该左侧支流河段的上游方向为j'方向；将左侧支流河段与干流河道入汇边界右岸的网格作为起始网格，并编码为(1,1)；分别沿i、j'方向，采用(i,j')对其他网格依次连续编码；右侧支流河段的网格编码具体为：以右侧支流河段与干流河道入汇处到该右侧支流河段的上游方向为j”方向；将右侧支流河段与干流河道入汇边界左岸的网格作为起始网格，并编码为(1,1)；分别沿i、j”方向，采用(i,j”)对其他网格依次连续编码；左侧支流河段和右侧支流河段分别指从左侧和右侧入汇到干流河道的支流河道；S4二维规则网格的二维化整编，获得网格的整体二维编码(I,J)，本步骤进一步包括：4.1找出所有右侧支流河段网格的原始二维编码中的最大j”值，记为以为起始边，该起始边的j方向整体编码J记为1；沿着j方向搜索，每跨过一个j，j方向整体编码J加1，直至左侧支流河段最上游边界；4.2沿着干流河道水流方向，以最上游干流河段的i＝1边为起始边，该起始边的i方向整体编码I记为1；沿着i方向搜索，每跨过一个i，i方向整体编码I加1，直至干流河道最下游边界；4.3(1,1)至(Imax,Jmax)区域内网格构成整体网格，Imax、Jmax分别为i方向和j方向整体编码中最大值；计算整体网格中各网格的干湿网格判断变量MFS，若x*y*z＞0，网格的MFS＝1；否则，MFS＝0；S5二维规则网格的一维化整编，获得网格的一维编号，具体为：以网格(I,1)为扫描起点，I依次取1、2、…Imax，沿着j方向对网格逐一扫描直至J＝Jmax，若扫描到的当前网格的MFS＝1，当前一维编号加1作为当前网格的一维编号，同时采用当前网格的一维编号更新当前一维编号，然后扫描下一网格；当前一维编号初始值设为0，即令网格(1,1)的一维编号为0；若扫描到的当前网格的MFS＝0，直接扫描下一网格；S6构建一维网格关系，所述的一维网格关系包括各网格的一维编号、原始二维编码、以及各网格上游、下游、左侧、右侧四个相邻网格的一维编号。2.如权利要求1所述的流域大尺度复杂河网海量精细规则网格的绘编方法，其特征是：步骤S2中，还包括对河段进行编码，其中：干流河道的编码规则为：从上游到下游，按数值连续递增方式对干流河段顺次...

【专利技术属性】
技术研发人员：张万顺，王永桂，彭虹，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42