一种基于流水线网络的地表水动态模拟并行化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于流水线网络的地表水动态模拟并行化方法，即先构建从水流源点到流域出口的水流路径，将三维地表简化为一维的流水线网络，之后利用地形参数对经典的曼宁公式进行改进，以估算每条水流路径的流速，结合预设的旅行时间，模拟地表汇流量，最后利用并行计算对流速估算函数和地表汇流量模拟函数进行并行化处理，从而得到高精度高效率的地表水动态模拟并行化方法。本发明专利技术不仅考虑了地形参数对地表水动态模拟中径流速度的影响，而且将并行技术CUDA应用于地表水动态模拟领域，在保证地表水动态模拟算法精度的前提下，提高了地表水动态模拟的即时响应效率，为科学化的国土规划、水资源管理和自然灾害响应对策奠定了基础。基础。基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于流水线网络的地表水动态模拟并行化方法


[0001]本专利技术属于地表水动态模拟领域，特别涉及一种基于流水线网络的地表水动态模拟并行化方法。

技术介绍

[0002]早期多采用简化的经验性公式模拟地表水动态过程(Dietrich et al.,1993,参考背景文献1；贾仰文等,2005,参考背景文献2)。随着数字地形建模与是数值分析等相关技术的发展，使得采用物理模型来预测一定环境条件下的地表水过程成为可能(Bourdin et al.,2012,参考背景文献3；Zhang et al.,2018,参考背景文献4)。
[0003]地表水动态模拟的关键在于地表径流的流速的推算(Djokic&Maidment,1993,参考背景文献5)。Beven等人采用有限元方法来模拟地表水和地下水的运动(Beven et al.,1980,参考背景文献6)。Tachikawa等人利用三次样条函数来绘制三维模型的坡度，以完成一维地表水过程的模拟(Tachikawa et al.,1994,参考背景文献7)。沈晓东等人采用水量平衡方程和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于流水线网络的地表水动态模拟并行化方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1，根据现有的地表水动态模拟方法的思想对其进行算法优化，得到改进的地表水动态模拟方法；步骤2，根据CUDA的并行原理对改进的地表水动态模拟方法进行并行化，得到基于流水线网络的地表水动态模拟并行化方法；步骤3，进行基于流水线网络的地表水动态模拟并行化方法的精度和即时响应效率评估。2.根据权利要求1所述的一种基于流水线网络的地表水动态模拟并行化方法，其特征在于，步骤1中现有的地表水动态模拟方法采用的是基于TIN的地表水动态模拟算法，所述的基于TIN的地表水动态模拟算法的思想是：
①
利用最大阈值算法和D8算法从高精度格网DEM上提取地形特征点和河流网，将河流网嵌入地形特征点，生成河流网约束的TIN；
②
根据TIN上三角面的坡向能够获取每个三角面上固定的水流方向，结合水流源点数据，依次计算所有流向点，追踪得到从各水流源点到流域出口的水流路径；
③
将产流数据赋给相应的水流源点，赋予方法是将水流源点所在格网单元的产流量赋予该水流源点；
④
基于曼宁公式模拟每条水流路径上雨滴的流速；曼宁公式：v＝R
2/3
*S
1/2
/n，其中，v是流速(m/s)，R是水力半径(m)，S是坡度(m/m)，n是曼宁系数；
⑤
结合预设的旅行时间，预测移动距离，模拟该时刻地表汇流量；由此可知，曼宁公式仅考虑到了坡度对流速的影响。3.根据权利要求2所述的一种基于流水线网络的地表水动态模拟并行化方法，其特征在于，步骤1中得到改进的地表水动态模拟方法，具体方法是：利用地形参数对经典的曼宁公式进行改进，以提高地表水动态模拟的精度来优化基于TIN的地表水动态模拟算法，从而得到改进的地表水动态模拟方法；地形参数包括地形湿度指数、坡长因子和流线曲率，改进的曼宁公式如下：式中，v是流速(m/s)，R是径流水深，T是地形湿度指数，L是坡长因子，C是流线曲率，S是坡度，w1、w2、w3和w4是对应的权重因子，n是曼宁系数。地形湿度指数、坡长因子和流线曲率的权重因子是由层次分析法获取而得。4.根据权利要求3所述的一种基于流水线网络的地表水动态模拟并行化方法，其特征在于，步骤2，根据CUDA的并行原理对改进的地表水动态模拟方法进行并行化，得到基于流水线网络的地表水动态模拟并行化方法，具体步骤如下：步骤2.1，使用程序性能分析工具对步骤1中改进的地表水动态模拟算法进行程序性能分析，得到其中计算量较大耗时较多且可并行的函数；步骤2.2，研究基于CUDA的并行化原理，得到地表水动态模拟并行化方法，整个并行化过程主要包括数据传输过程、CUDA中线程划分模式和核函数实现，具体步骤如下：步骤2.2.1，根据改进的地表水动态模拟方法的思路，对数据传输过程进行设计；步骤2.2.2，改进的地表水动态模拟方法以流水线网络为架构，流水线网络以矢量的水
流路径形式存储，故对流水线网络进行线程模式划分；步骤2.2.3，根据步骤2.2.1中的数据传输过程和步骤2.2.2中的线程划分模式将步骤2.1中得到的函数改进成CUDA中的核函数，从而得到高精度高效率的基于流水线网络的地表水动态模拟并行化方法。5.根据权利要求4所述的一种基于流水线网络的地表水动态模拟并行化方法，其特征在于，步骤2.1中所述程序性能分析工具采用的是Intel@V Tune
TM
性能分析器，使用Intel@V Tune
TM
性能分析器对步骤1中的改进的地表水动态模拟方...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴钱娇，陈玉敏，胡志龙，解华明，徐通，俞家勇，
申请(专利权)人：安徽建筑大学，
类型：发明
国别省市：