一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法。该方法基于沿河道采集的离散水位监测数据，首先对河道中心线进行分段线性插值，得到沿河道中心线的每一处水位值；然后，在河道DEM上，按照最近邻插值计算每个DEM网格的洪水水位；最后，从河道中按照种子区域生长法计算河道洪水实际淹没范围和淹没水深分布。本发明专利技术充分考虑了河道蜿蜒起伏的自然形态变化，将水位监测站点之间的河道水位值按照距离参数进行内插，可以有效避免插值水位失真的问题。同时，本发明专利技术可以有效解决由于布设于河道的洪水水位监测站点过于稀少，水位监测数据样本点不足导致常规的基于全局区域的洪水水位空间插值方法难以适用的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地球科学领域，具体是。
技术介绍
洪水灾害是地球上最主要的自然灾害之一，近几十年来全球洪水灾害的发生一直呈现持续增加的趋势。洪水的发生是一个极其复杂的过程，它受到降雨、地质、水源条件、地形地貌等多方面的影响，其中河道型洪水是最为典型的一种洪水类型。产生河道洪水的原因有多种，它可能是因为局部暴雨导致降水过快地汇集到河道等低洼处而形成的洪涝灾害，也可能是因为堤坝溃决导致水流从溃口倾泻而下从而对下游形成的洪水。就其发生机理而言，主要是因为洪水水源在受淹区存在联通区域以及存在水位差，导致水流从高处流向低处，从而产生洪水淹没现象。 河道洪水的演进是一个动态的过程，任一受淹地点的水位是随着时间的改变而发生变化的，在某一特定的时间下可以认为受淹区域存在一个起伏变化的淹没水位面，位于该水位面下的区域都属于淹没区。如何准确的模拟洪水水位面是计算洪水淹没范围和淹没水深的关键。常见的河道洪水淹没模拟主要基于一维和二维水力学模型构建，这类模型通常需要较多的水文水力学计算参数，模型的构建较为复杂，特别是对于一些水文资料较为匮乏的地区，很难有效的构建出洪水淹没模拟模型。 考虑到洪水水位面是一个起伏变化的不规则曲面，对于洪水受淹地区而言，要想实测任一受淹地点处洪水水位面上的洪水水位显然是不太现实的。洪水水位监测数据是一种最常见的水文数据，在空间分布上，这些水位监测数据可以看作是洪水水位曲面上的一系列特征点。因此，可以基于GIS空间插值技术，基于这些水位监测数据插值出洪水水位面。 本专利技术人在实现本专利技术的过程中发现:在应用常规的基于全局区域的空间插值技术内插洪水水位面时，会存在如下困难: (I)插值样本点过少，且空间分布不均匀。水位监测站点是沿着河道布设的，通常在一个大型河道内也就几个或十几个水位监测站点，这对于需要大量采样点的空间插值来说，其样本点过少。在样本太少的情况下，常规的反距离加权、克里金插值等空间插值方法会受到极大的影响，插值出的水位面会非常平坦，导致洪水水位面严重失真，难以满足实际应用需求。 (2)受上述(I)问题的约束，常规空间插值方法插值出的洪水水位面没有充分考虑河道的形态变化。如江岭等人在研宄区域采用空间均匀分布的模拟水位监测数据，应用克里金内插法计算洪水淹没区(江岭等，基于F-DEM的洪水淹没区精确快速提取[J]，地球信息科学学报，2013，15 (I): 68-74)。这类方法难以应用于河道洪水，因为在空间上，河道是蜿蜒起伏的，洪水水位面也应该充分考虑这种“线”分布形态，即从河道上游向河道下游，洪水水位会逐步下降，而不能仅考虑水位监测站点在空间上的“点”形态分布。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供，可以有效解决常规空间插值方法在进行洪水水位插值时样本点过少的问题，同时又充分考虑了河道的形态变化，进而可以合理的计算洪水淹没范围和淹没水深。 为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案: ，包括如下步骤: 第一步、根据河道中心线数据和河道DEM数据，设定河道中心线的分段规则，按照等距离间隔对河道中心线进行分段，将河道中心线上的所有线段端点的初始水位赋值为O ； 第二步、依据给定的沿河道布设的水位监测站点空间位置，从每个水位监测站点处向河道中心线作垂线，取距离河道中心线最近的垂线及其在河道中心线上的交点，使交点处的当前水位值等于该水位监测站点监测水位值； 第三步、在沿河道的水位监测站点两两之间，基于河道中心线上监测站点的交点处的水位值进行分段线性插值，计算河道中心线上每个分段线段端点处的水位值； 第四步、遍历河道DEM网格，查找距离该网格最近的河道中心线上的线段端点，按照最近邻插值的方法将线段端点的水位值赋值给DEM网格； 第五步、剔除DEM网格中实际未被淹没的伪淹没区:在河道中心任取一淹没网格作为起始种子点，使用种子区域生长方法，查找插值水位低于网格高程且与种子点连通的DEM网格，在DEM中将这些网格标记为实际洪水淹没网格； 第六步、将DEM中实际被洪水淹没的网格生成洪水淹没范围和淹没水深分布图。 如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，所述第一步中将线段长度设定为DEM空间分辨率的10倍左右。 如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，所述第一步中的河道中心线是一不规则的沿着河道中心走向的首尾相连的线段序列，且该中心线完全位于河道DEM范围内。 如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，所述第二步具体步骤为: (I)针对任一水位监测站点，遍历河道中心线上的线段，取水位监测站点到线段两端点距离和最近的线段；(2)从当前水位监测站点向该条线段做垂线，若垂足位于线段的延长线上，则将线段位于延长线端的端点作为垂线交点；若垂足位于线段中间位置，则将垂足作为垂线交点；(3)根据步骤(2)得到的交点，将河道中心线进一步打断，同时将水位监测站点的水位监测值作为交点处的当前水位值。 如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，所述第三步基于河道中心线上监测站点的交点处的水位值进行分段线性插值的步骤具体为: (I)在河道中心线上两两遍历水位监测站点生成的垂线交点，计算两个垂线交点之间的线段距离，以及垂线交点之间的水位差；(2)遍历上述河道中心线上两垂线交点之间的所有线段端点，计算线段端点沿河道中心线距离两垂线交点的距离，基于线性插值法计算端点处的水位值；(3)基于步骤(I)和步骤(2)计算得到河道中心线上所有线段端点处的水位值。 如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，第四步的步骤具体为: (I)循环遍历所有DEM网格；(2)针对某一 DEM网格，循环遍历河道中心线上所有线段端点，计算当前DEM网格到每个端点的距离，找到距离当前DEM网格最近的线段端点，将该线段端点处的水位值赋值给当前DEM网格；(3)基于步骤⑴和步骤(2)，将整个DEM网格内插出洪水水位。 如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，所述第五步的步骤具体为: (I)将位于河道内某一插值水位低于网格高程值的DEM网格作为初始种子点；(2)按照4邻域或8邻域的方式进行种子点扩散，对于插值水位低于网格高程值的DEM网格，将其标记为实际淹没网格，同时作为新的种子点；(3)按照步骤(2)进行递归计算，查找出所有实际被洪水淹没的DEM网格。 如上所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，所述第六步的步骤具体为:基于标记的洪水淹没网格，计算网格集合的最大最小坐标范围，网格横向和纵向行列数，生成洪水淹没范围和淹没水深分布栅格图，其中，栅格图中没有被洪水淹没的网格以空值表达。 本专利技术的有益效果: (I)解决了水位监测数据样本点过少导致常规基于全局区域的空间插值方法难以适用的问题。常见的如反距离加权插值和克里金插值都需要空间上大量均匀分布的样本点，来推求其他位置上的插值点的值。对于河道水位监测数据，因为受到样本点过少的影响，在进行空间数据插值时，整个空间域插值出来的水位面较为平坦，插值效果较差。本专利技术首先在河道中心线上采用线性插值出一系列新的水位点数据，可以增加整体样本点的数量。最后，基于沿着河道中心线的插值样本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，其特征在于包括如下步骤：第一步、根据河道中心线数据和河道DEM数据，设定河道中心线的分段规则，按照等距离间隔对河道中心线进行分段，将河道中心线上的所有线段端点的初始水位赋值为0；第二步、依据给定的沿河道布设的水位监测站点空间位置，从每个水位监测站点处向河道中心线作垂线，取距离河道中心线最近的垂线及其在河道中心线上的交点，使交点处的当前水位值等于该水位监测站点监测水位值；第三步、在沿河道的水位监测站点两两之间，基于河道中心线上监测站点的交点处的水位值进行分段线性插值，计算河道中心线上每个分段线段端点处的水位值；第四步、遍历河道DEM网格，查找距离该网格最近的河道中心线上的线段端点，按照最近邻插值的方法将线段端点的水位值赋值给DEM网格；第五步、剔除DEM网格中实际未被淹没的伪淹没区：在河道中心任取一淹没网格作为起始种子点，使用种子区域生长方法，查找插值水位低于网格高程且与种子点连通的DEM网格，在DEM中将这些网格标记为实际洪水淹没网格；第六步、将DEM中实际被洪水淹没的网格生成洪水淹没范围和淹没水深分布图。

【技术特征摘要】
1.一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，其特征在于包括如下步骤: 第一步、根据河道中心线数据和河道DEM数据，设定河道中心线的分段规则，按照等距离间隔对河道中心线进行分段，将河道中心线上的所有线段端点的初始水位赋值为O ; 第二步、依据给定的沿河道布设的水位监测站点空间位置，从每个水位监测站点处向河道中心线作垂线，取距离河道中心线最近的垂线及其在河道中心线上的交点，使交点处的当前水位值等于该水位监测站点监测水位值； 第三步、在沿河道的水位监测站点两两之间，基于河道中心线上监测站点的交点处的水位值进行分段线性插值，计算河道中心线上每个分段线段端点处的水位值； 第四步、遍历河道DEM网格，查找距离该网格最近的河道中心线上的线段端点，按照最近邻插值的方法将线段端点的水位值赋值给DEM网格； 第五步、剔除DEM网格中实际未被淹没的伪淹没区:在河道中心任取一淹没网格作为起始种子点，使用种子区域生长方法，查找插值水位低于网格高程且与种子点连通的DEM网格，在DEM中将这些网格标记为实际洪水淹没网格； 第六步、将DEM中实际被洪水淹没的网格生成洪水淹没范围和淹没水深分布图。2.如权利要求1所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，其特征在于:所述第一步中将线段长度设定为DEM空间分辨率的10倍左右。3.如权利要求1所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，其特征在于:所述第一步中的河道中心线是一不规则的沿着河道中心走向的首尾相连的线段序列，且该中心线完全位于河道DEM范围内。4.如权利要求1所述的基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法，其特征在于:所述第二步具体步骤为: (1)针对任一水位监测站点，遍历河道中心线上的线段，取水位监测站点到线段两端点距离和最近的线段； (2)从当前水位监测站点向该条线段做垂线，若垂足位于线段的延长线上，则将线段位于延长线端的端点作为垂线交点；若垂足位于线段中间位置，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈定涛，张煜，叶松，曹波，黄俊，芦云峰，李云帆，黄艳芳，杨胜梅，黄晓贞，陈文龙，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42