一种基于二维水动力学的大规模洪水场景模拟预警交互方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于二维水动力学方法的大规模洪水场景模拟预警交互方法和系统。1)对大规模洪水这一灾害现象进行了建模与绘制。2)将半拉格朗日隐式积分法求解浅水方程方法应用于洪水模拟，达到了大时间步长并进行了体积、动量守恒修正。3)应用GPGPU编程基于Computer Shader框架，实现洪水模拟的大规模实时并行。4)引入自适应网格曲面细分技术和纹理平铺技术，实现了真实感水面，且有效传达了洪水的高度、流速相关信息。5)应用三次B样条插值方式解决水体边界锯齿问题。6)提出了综合洪水淹没水深和建筑物类别的灾害评估模型，根据评估结果实时变换建筑物颜色实现分级预警。7)支持洪水演进过程中的实时交互，展示设置挡板阻挡洪水的效果。

An interactive method and system of large-scale flood scene simulation and early warning based on two-dimensional hydrodynamics

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维水动力学的大规模洪水场景模拟预警交互方法和系统
本专利技术涉及洪水场景模拟方法，尤其涉及一种基于二维水动力学的大规模洪水场景模拟预警交互方法和系统。
技术介绍
洪水是指河流、湖泊、海洋等水文环境上涨超过常规水位的一种自然现象。我国洪水灾害在空间上既有普遍性，又具有区域性；在时间上既表现出无序的非稳定性，又存在有序的韵律性、周期性。大量研究表明：洪水灾害具有不均匀性与差异性、多样性、随机性与可预测性、突变性与规律性等复杂性的特点。对于洪水的研究和仿真有着十分重要的意义，一个成熟完善的模拟系统给普通人洪水预警，提高对于洪水的防范意识，也能够给决策者做出决策提供可靠的参考，可以大大减少洪水带来的人员伤亡和财产损失。洪水模拟的特殊性在于其不仅仅是流体模拟应用于视觉效果或演示，它对于水文专家或是可能会受到洪水影响的普通民众都具有很强的现实意义，一个可以交互的洪水自然灾害模拟系统可以提高普通民众的防洪意识和预警作用，也可以辅助水文专家或是防洪决策者预见到洪水的灾害做出正确的决策。欧洲方面，奥地利的维也纳VRVis研究中心本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二维水动力学的大规模洪水场景模拟预警交互方法，其特征在于包括以下步骤：/n1)将模拟场景在水平面上细分为均匀的网格，将水体高度和基础地形高度存储在网格中心，将速度存储在网格边界；采用基于浅水方程的二维欧拉网格法模拟洪水演进，将浅水方程转化为拉格朗日表达形式，得到初步建立的物理场；所述物理场包括速度场和高度场；/n2)在交错网格上对物理场进行对流更新，并在更新对流项时采用大时间步长并引入体积守恒与动量守恒，得到基于体积守恒和动量守恒变形后的浅水方程；根据变形后的浅水方程，采用隐式积分法和雅克比迭代法求解更新后的高度场，根据更新后的高度场梯度进一步求解得到更新后的速度场；/n3)根据步...

【技术特征摘要】
1.一种基于二维水动力学的大规模洪水场景模拟预警交互方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将模拟场景在水平面上细分为均匀的网格，将水体高度和基础地形高度存储在网格中心，将速度存储在网格边界；采用基于浅水方程的二维欧拉网格法模拟洪水演进，将浅水方程转化为拉格朗日表达形式，得到初步建立的物理场；所述物理场包括速度场和高度场；
2)在交错网格上对物理场进行对流更新，并在更新对流项时采用大时间步长并引入体积守恒与动量守恒，得到基于体积守恒和动量守恒变形后的浅水方程；根据变形后的浅水方程，采用隐式积分法和雅克比迭代法求解更新后的高度场，根据更新后的高度场梯度进一步求解得到更新后的速度场；
3)根据步骤2)更新后的物理场，采用动态自适应网格细分技术抬升渲染水面，采用纹理平铺技术实现速度场的水流绘制，并采用双三次B样条曲线插值法对绘制的洪水边缘做光滑处理；所述水流绘制包括单块平板单一流速的绘制、固定流场的绘制以及时变流场的绘制；
4)基于Hydrotec模型，根据淹没水深和建筑物类别设计洪灾损失评估函数，其中每一类建筑物对应一个洪灾损失评估函数；对洪灾损失评估函数值做归一化处理，并将归一化结果设为不同等级，每一个等级使用不同的颜色来表示建筑的受损程度，用于洪水场景绘制时实时改变建筑的外观颜色，实现可视化预警；
5)当收到预警信号时，选择在建筑物周围模拟修建挡板操作，调整挡板所设位置对应网格水底地形的高度，然后重复步骤2)-步骤4)完成洪水场景的实时更新，实现洪水模拟场景下的实时交互。


2.根据权利要求1所述的一种基于二维水动力学的大规模洪水场景模拟预警交互方法，其特征在于，所述的步骤1)具体为：
1.1)将模拟场景在水平面上细分为m*n均匀网格，为保证稳定性，使用交错网格表示物理量，将水体高度和基础地形高度存储在网格中心，将速度存储在网格边界；
1.2)将浅水方程写成拉格朗日形式：









其中，u代表x方向的速度，v表示y方向的速度，h表示水面总高度，b表示水底地形的高度，η＝h-b为水的深度，g表示重力加速度，等式左边为各物理量与速度场相关的对流项，等式右边为扩散项。


3.根据权利要求1所述的一种基于二维水动力学的大规模洪水场景模拟预警交互方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：
2.1)基于体积守恒和动量守恒，在交错网格上对物理场进行对流更新：
在每个网格位置执行虚拟粒子的向后回溯来计算网格上的对流，对于需要更新的物理场，以物理位置p处的网格单元(i,j)为例，该粒子在上一个时间步长的位置为pbackward＝p-Δt·ν(p)，其中p为当前网格中心点的位置，Δt为时间步长，ν(p)为当前网格中心点通过差值获得的速度；
对物理场更新对流项时，先更新高度场，再更新速度场；将当前物理场F中的网格的物理量，按照一定比例加权到下一时间步物理场F′的网格中，更新方式为：F′＝Interpolate(F,pbackward)，其中Interpolate(·)表示插值，确保分配时F′中每个网格的物理量比例都为1，保证整体的体积守恒，具体步骤为：
S1：构建一个数组W，用于存储各个网格实际被分配的比例；
S2：执行对流计算，得到对应网格的回溯点pbackward，根据双线性插值原则得到需要从周围四个网格提取的比例；
S3：针对比例权重大于1的部分做归一化处理，针对比例小于1的网格进行分散操作；所述的分散操作具体为：
将多余的物理量分散到对流后F′的网格中，计算映射关系qforward＝q+Δt·ν(q),其中q表示比例小于1的网格，ν(q)为网格q中心点通过差值获得的速度，qforward表示q映射后的网格，对qforward周围四个网格做双线性插值估算比例，按照估算后的比例将网格q中的多余物理量分散到四个网格中；
2.2)更新浅水方程形式：
更新对流项引入体积守恒和动量守恒后，浅水方程变形为：









其中，上标n+1表示当前时间步长的物理量，n表示前一时间步长的物理量，分别表示更新过对流项后的物理量；
2.3)更新高度场：
计算物理场中的扩散项，使用隐式积分法，根据更新后的浅水方程得到：



其中，









然后使用雅克比迭代法并行求解大型稀疏线性方程组hn+1i,j＝f(hn+1i-1,j,hn+1i+1,j,hn+1i,j-1,hn+1i,j+1)，其中f为线性函数，下标(i,j)表示网格位置，从而得到更新后的高度场；
2.4)更新速度场：
根据步骤2.3)得到的高度场梯度，得到：






进一步求解得到更新后的速度场。


4.根据权利要求1所述的一种基于二维...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏浩，刘鑫铖，张海童，王章野，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33