网络环境下泥石流灾害过程快速模拟与可视化分析方法技术

本发明专利技术属于地理信息系统的虚拟地理环境研究领域，特别涉及到泥石流灾害模拟与可视化分析技术。本发明专利技术提出一种网络环境下的泥石流灾害时空过程快速模拟与可视化分析方法，该方法将模型、可视化与分析进行紧密集成，并提供参数可视化设置界面，便于参数获取与设置；同时，采用了并行优化方法以及尺度最优选择方法，极大地提高泥石流灾害模拟计算、可视化与分析的准确性和效率；并构建了网络服务，提供灾情信息的共享与发布，有效地支撑泥石流灾害的应急处置。

Rapid simulation and visualization analysis method of debris flow process under Network Environment

The invention belongs to the field of Virtual Geographic Environment Research of geographic information system, in particular to the simulation and visualization analysis technology of debris flow. The invention provides analysis and visualization of the fast simulation of debris flow disaster spatio-temporal process in a network environment, the method of visualization and analysis model, tightly integrated, and provide visual parameter setting interface, easy to get and set the parameters; at the same time, the parallel optimization method and optimal scale selection method, greatly improve the debris flow disaster simulation, visualization and analysis of accuracy and efficiency; and the construction of the network services, to provide disaster information sharing, emergency disposal to effectively support the debris flow disaster.

【技术实现步骤摘要】
网络环境下泥石流灾害过程快速模拟与可视化分析方法
本专利技术属于地理信息系统的虚拟地理环境研究领域，特别涉及到泥石流灾害模拟与可视化分析技术。
技术介绍
泥石流是一种在山区频发的地质灾害，往往由短时间内强降水引发山体滑坡所致，具有高级配、高浓度、速度快、持续时间短、冲击力大、破坏性强等特点。它的发生和发展严重威胁着人们的生命和财产安全，同时对受灾地区的生态环境造成严重地破坏。开展泥石流灾害时空过程模拟与分析，可以预测泥石流的传播与演进过程，得到泥深、流速等灾情信息，确定泥石流灾害的淤埋区域和受灾程度，为制定应急救援与应急处置方案提供技术支持，对泥石流灾害的防灾减灾与应急处置具有重要意义。由于泥石流灾害事件具有发生的突然性、扩张的快速性以及响应的紧迫性，影响因素复杂多变，因此，对泥石流灾害发展过程和受灾区域分析的直观性、快速性和准确性提出了更高的要求。然而现有的时空过程模拟、可视化与空间分析是分离的，对多源数据、模型以及多专业知识的共享集成研究不够，缺乏可高效地用于泥石流灾害模拟与分析工具。此外，泥石流灾害时空过程仅使用单一的规则格网进行可视化模拟与分析，对格网尺度的选择也具有较大的随意性，不同格网尺度对模型计算、可视化及分析的效率与准确性会产生很大的影响，如何在准确性和效率之间进行均衡来选取适合的格网尺度，缺乏系统性的研究。目前，大多数泥石流灾害模拟都是以单一的桌面应用程序为主，导致分布式存储的数据资源、模型软件等得不到充分的利用与共享，并且大多数局限在二维的可视化表达中，缺乏丰富真实的场景信息。网络技术的发展使得网络正在成为空间信息决策的平台，在网络环境下可以集成多源空间数据和时空过程分析模型，实现对泥石流灾害的可视化模拟与分析，并且可以面向预警信息展示、发布应急救援方案。同时为了减少客户端的等待时间，实现泥石流灾害时空过程的实时模拟与可视化分析，需要对数值模拟计算效率进行进一步地提高。基于上述问题，首先需要深入地研究泥石流灾害时空过程集成优化方法，并探索泥石流灾害数值模拟计算优化方法；然后探讨网络环境下动态可视化建模与风险评估分析理论；最后开展尺度效应分析研究，剖析不同空间尺度对模型、可视化与分析的准确性和效率的影响，选取不同情景下的最优空间尺度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种网络环境下的泥石流灾害时空过程快速模拟与可视化分析方法，该方法将模型、可视化与分析进行紧密集成，并提供参数可视化设置界面，便于参数获取与设置；同时，采用了并行优化方法以及尺度最优选择方法，极大地提高泥石流灾害模拟计算、可视化与分析的准确性和效率；并构建了网络服务，提供灾情信息的共享与发布，有效地支撑泥石流灾害的应急处置。一种网络环境下泥石流灾害过程快速模拟与可视化分析方法，具体如下：S1、进行泥石流灾害计算模型的集成与并行优化，具体包括：泥石流数值模型的集成优化和泥石流时空过程计算并行优化，其中，在所述的泥石流数值模型的集成优化中，针对选取的泥石流流团模型，设计相应的参数可视化调控界面，用户可以在模拟与反馈过程中交互动态调整不同情景下的模拟参数；在所述的泥石流时空过程计算并行优化中，设计了基于GPU/CPU协同并行优化的泥石流灾害时空过程模拟模型，在计算不同时刻下泥石流灾害的实时泥深、速度、位移等时，提高了模型计算效率，在泥石流灾害模拟过程中确定溃口起始参数，其中的溃口起始参数包括了泥石流密度、极限浓度、初始泥深、固体体积浓度、固体密度、液体体积浓度、一次冲出总量、初始速度、粗糙度系数，水体密度，单个泥流团体积和计算时间间隔，其中，所述的泥石流流团模型是基于泥石流运动方程，计算方法如下：Ssx与Ssy分别是x和y方向泥石流堆积区底面坡降(‰)，u、v分别是x和y方向泥石流速度(m/s)，g为当地的重力加速度(m/s2)，Sfx和Sfy分别采用摩阻坡降，具体如下：τB为屈服应力(N/m2)，γm为泥石流密度(t/m3),h为泥石流淤埋深度(m)，μB为泥石流粘滞系数(N.s/m2)，Kc为糙率系数，溃口处格网行列号通过泥石流溃口处的坐标以及DEM格网坐标计算得到，并以文件的形式保存到指定的文件夹中，提高了模型参数的处理效率、简化了数据处理流程；S2、进行尺度效应分析及最佳尺度选择，具体包括：模型尺度效应分析，可视化尺度效应分析，风险评估尺度效应分析，最佳尺度选择，其中，所述的模型尺度效应分析主要针对不同空间尺度下泥石流流团体积大小、计算步长、流团总数的差异，计算泥石流淤埋面积的大小、淤埋区域的空间分布以及模拟模型计算准确性和效率的统计分析；所述的可视化尺度效应分析在泥石流灾害可视化模拟场景构建中，泥石流灾害动态可视化尺度效应分析主要考虑模型的模拟结果文件输出时间以及可视化平台中数据渲染时间的统计与分析；所述的风险评估尺度效应分析包括在泥石流灾害可视化分析场景构建中，比较不同空间尺度下不同风险等级区域的空间分布、受灾面积、受灾人口等；所述的最佳尺度选择指综合考虑模型尺度、可视化尺度以及风险评估尺度准确性和效率，采用层析分析法对泥石流灾害模拟与分析中涉及到的影响因子比如模型计算准确性、模型计算效率、可视化效率以及风险评估分析准确性等因进行层次划分，并根据影响因子的侧重点来确定其权重，从而选择出不同情景下的最优格网尺度；S3、进行网络环境下泥石流灾害可视化模拟与分析，具体步骤如下：S31、虚拟地形场景构建，其中，虚拟地形场景构建指的是通过网络方式将在线数据和本地数据集成，并实时地加载和渲染显示，实现不同分辨率下虚拟地球系统三维可视化展示与浏览；S32、对泥石流灾害动态进行可视化，具体为：泥石流灾害模拟结果数据为格网单元组成的二维数组，每一时刻的模型计算结果中各格网包含泥深数据、高程数据以及平面坐标数据，并以JSON文件的形式进行存储，可支持泥石流可视化绘制，为了更加直观、逼真地展示泥石流泥深信息，不同深度的泥深采用不同颜色进行可视化显示其中，泥石流灾害动态可视化指通过浏览器端读取泥石流计算模型所输出的JSON组织形式数据，实现泥石流可视化效果的绘制；S33、分析场景交互展示，其中，分析场景交互展示指对灾害区域的专题数据和灾情数据的显示，用户并可以通过交互的方式实现灾情信息的分析和查询。进一步地，S1所述泥石流时空过程计算并行优化，具体步骤如下：S11、并行优化部分：由GPU各线程处理泥石流颗粒的碰撞交互计算，由GPU来执行泥石流时空过程模拟的可视化渲染，CPU负责整个系统的串行化处理；S12、程序优化方法：分为内存对齐、分支性能两种部分，内存对齐能判断出全局内存的访问是否满足合并条件，分支性能是指分支以线程束为单位进行。进一步地，S2所述计算泥石流淤埋面积的大小，具体步骤为：S21、根据流团体积约束准则：单个流团的体积在数值上小于等于网格单元面积的1/10；S22、流团连续性准则：在整个计算时间域上，每个格网必须包含一定数量的泥流团；S23、流团位移准则：所有流团在单个时间步长内的位移不能大于网格单位长的1/4。进一步地，S31所述在线数据为高精度全球卫星影像、地图数据和粗略的高程数据，系统支持WMS、WCS、TMS等多种地图数据服务，获取和解析这些在线地理数据并实时地加载和渲染显示，实现不同分辨率下虚拟地球系统三维本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种网络环境下泥石流灾害过程快速模拟与可视化分析方法，其特征在于，具体步骤如下：S1、进行泥石流灾害计算模型的集成与并行优化，具体包括：泥石流数值模型的集成优化和泥石流时空过程计算并行优化，其中，在所述的泥石流数值模型的集成优化中，针对选取的泥石流流团模型，设计相应的参数可视化调控界面，用户可以在模拟与反馈过程中交互动态调整不同情景下的模拟参数；在所述的泥石流时空过程计算并行优化中，设计了基于GPU/CPU协同并行优化的泥石流灾害时空过程模拟模型，在计算不同时刻下泥石流灾害的实时泥深、速度、位移等时，提高了模型计算效率，在泥石流灾害模拟过程中确定溃口起始参数，其中的溃口起始参数包括了泥石流密度、极限浓度、初始泥深、固体体积浓度、固体密度、液体体积浓度、一次冲出总量、初始速度、粗糙度系数，水体密度，单个泥流团体积和计算时间间隔，其中，所述的泥石流流团模型是基于泥石流运动方程，计算方法如下：

【技术特征摘要】
1.一种网络环境下泥石流灾害过程快速模拟与可视化分析方法，其特征在于，具体步骤如下：S1、进行泥石流灾害计算模型的集成与并行优化，具体包括：泥石流数值模型的集成优化和泥石流时空过程计算并行优化，其中，在所述的泥石流数值模型的集成优化中，针对选取的泥石流流团模型，设计相应的参数可视化调控界面，用户可以在模拟与反馈过程中交互动态调整不同情景下的模拟参数；在所述的泥石流时空过程计算并行优化中，设计了基于GPU/CPU协同并行优化的泥石流灾害时空过程模拟模型，在计算不同时刻下泥石流灾害的实时泥深、速度、位移等时，提高了模型计算效率，在泥石流灾害模拟过程中确定溃口起始参数，其中的溃口起始参数包括了泥石流密度、极限浓度、初始泥深、固体体积浓度、固体密度、液体体积浓度、一次冲出总量、初始速度、粗糙度系数，水体密度，单个泥流团体积和计算时间间隔，其中，所述的泥石流流团模型是基于泥石流运动方程，计算方法如下：Ssx与Ssy分别是x和y方向泥石流堆积区底面坡降(‰)，u、v分别是x和y方向泥石流速度(m/s)，g为当地的重力加速度(m/s2)，Sfx和Sfy分别采用摩阻坡降，具体如下：τB为屈服应力(N/m2)，γm为泥石流密度(t/m3),h为泥石流淤埋深度(m)，μB为泥石流粘滞系数(N.s/m2)，Kc为糙率系数，溃口处格网行列号通过泥石流溃口处的坐标以及DEM格网坐标计算得到，并以文件的形式保存到指定的文件夹中，提高了模型参数的处理效率、简化了数据处理流程；S2、进行尺度效应分析及最佳尺度选择，具体包括：模型尺度效应分析，可视化尺度效应分析，风险评估尺度效应分析，最佳尺度选择，其中，所述的模型尺度效应分析主要针对不同空间尺度下泥石流流团体积大小、计算步长、流团总数的差异，计算泥石流淤埋面积的大小、淤埋区域的空间分布以及模拟模型计算准确性和效率的统计分析；所述的可视化尺度效应分析在泥石流灾害可视化模拟场景构建中，泥石流灾害动态可视化尺度效应分析主要考虑模型的模拟结果文件输出时间以及可视化平台中数据渲染时间的统计与分析；所述的风险评估尺度效应分析包括在泥石流灾害可视化分析场景构建中，比较不同空间尺度下不同风险等级区域的空间分布、受灾面积、受灾人口等；所述的最佳尺度选择指综合考虑模型尺度、可视化尺度以及风险评估尺度准确性和效率，采用层析分析法对泥石流灾害模拟与分析中涉及到的影响因子比如模型计算准确性、模型计算效率、可视化效率以及风险评估分析准确性等因进行层次划分，并根据影响因子的侧重点来确定其权重，从而选择出不同情景下的最优格网尺度；S3、进行网络环境下泥石流灾害可视化模拟与分析，具体步骤如下：S31、虚拟地形场景构建，其中，虚拟地形场景构建指的是通过网络方式将在线数据和本地数据集成，并实时地加载和渲染显示，实现不同分辨率下虚拟地球系统三维可视化展示与浏览；S32、对泥...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱军，朱庆，
申请(专利权)人：朱军，
类型：发明
国别省市：四川,51