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线性水库的马斯京根法来模拟任意位置、任意时刻的产汇流量(沈晓东等,1995,参考背景文献8)。Arnold等人利用SCS曲线方法模拟每个HRU进行单独的产流模拟，累加演算得到流域总产流量，采用变存储系数法进行汇流演算(Arnold et al.,1998,参考背景文献9)。任立良等人采用新安江模型来模拟产流过程，利用分段马斯京根法来模拟汇流过程，形成松散耦合型水文模型(任立良等,2000,参考背景文10)。Qu and Duffy采用半离散有限体积法(FVM)来耦合水文过程，根据给定的约束条件(如河流网、流域边界、高程、生态区、水力性质、气候区等)生成受约束的最优Delaunay三角网，基于二维扩散波的近似方程来模拟地表水的动态过程(Qu&Duffy,2007,参考背景文献11)。L
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Vicente等人采用八个不同的累积流量计算方法来模拟不同空间模式的汇流过程(L
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Vicente et al.,2013,参考背景文献12)。Chen等人利用TIN上每个三角面固定的坡度和坡向，结合水流源点，依次连接相邻三角面的最大坡降方向形成水流路径，并提出了一种沿着TIN表面的水流路径，采用曼宁公式来模拟地表汇流量的方法(Chen et al.,2014,参考背景文献13)。
[0004]尽管学者们进行了大量研究，但由于在地表水动态模拟中，计算过程复杂，使得计算量较大，即时响应效率较低。地表水动态模拟方法不仅涉及地表径流的流速推算；不仅需要保留重要的地形特征，还要能够集成大量以栅格形式存储的地形参数(地形湿度指数、坡长因子和流线曲率)和水文要素(如流量、流速、土壤等因素)以快速估算流速，这也是实现地表水动态模拟的关键之所在。
[0005]此外，学者们提出了较多的并行计算方法，例如MPI、OpenMP、云计算、统一计算设备架构(CUDA)等。与多核CPU并行计算相比，基于GPU的CUDA并行方法能够在PC环境下进行更简单的大数据并行计算，使得单机高性能处理成为可能(NIVIDA Corporation,2010,参考背景文献14；Mielikainen et al.,2013,参考背景文献15；Schenk et al.,2008,参考背景文献16)。CUDA适用于数据量大、数据耦合度低、计算密度高的算法，这也是基于流水线网络的地表水动态模拟方法所具有的特点。随着GPU硬件的发展和CUDA的完善，并行计算的开
发成本和难度大幅降低，并行化程度不断提高，使得CUDA被广泛应用于众多研究领域，例如环境建模(Abouali et al.,2013,参考背景文献17；Xia&Liang,2016,参考背景文献18；Zhu et al.,2020,参考背景文献19)、遥感图像增强(Gegout et al.,2014,参考文献20；刘扬等,2015,参考背景文献21；常方正等,2016,参考背景文献22；王浩等,2019,参考背景文献23)、地形分析(Ortega&Rueda,2010,参考背景文献24；Qin&Zhan,2012,参考背景文献25；Rueda et al.,2016,参考背景文献26)等。同时，在水文模拟方面也有较为广泛的应用，如赵向辉等利用CUDA对基于DEM的流域等流时线绘制算法进行并行改进，实现了流域汇流曲线的快速绘制(赵向辉等,2010,参考背景文献27)。Carlotto等采用CUDA对模拟二维地下水流动的有限差分模型进行并行处理，得到一种高效的地下水流动模拟并行算法，实验表明该并行算法的加速比高达56.0(Carlotto et al.,2018,参考背景文献28)。
[0006]通过对上述内容的了解，未发现利用地形参数(地形湿度指数、坡长因子和流线曲率)对经典的曼宁公式进行改进并嵌入CUDA进行地表水模拟的方法。因此，本专利技术旨在以流水线网络为框架，基于改进的曼宁公式估算从一个水流源点沿水流路径到流域出口的流速，结合旅行时间，模拟地表汇流量的基础上，利用CUDA对流速估算函数和地表汇流量模拟函数进行并行化，最后达到在保证模拟精度的前提下快速完成地表水动态模拟的目的。
[0007]背景文献：
[0008]1.Dietrich,W.,Wilson,C.,Montgomery,D.,&McKean,J.(1993).Analysis of Erosion Thresholds,Channel Networks,and Landscape Morphology Using a Digital Terrain Model[J].The Journal of Geology,101(2),259
–
278.https://doi.org/10.1086/648220；
[0009]2.贾仰文,王浩,倪广恒,杨大文,王建华,秦大庸.2005.分布式流域水文模型原理与实践[M].北京:中国水利水电出版社；
[0010]3.Bourdin,D.R.,Fleming,S.W.,&Stull,R.B.(2012).Streamflow Modelling:A Primer on Applications,Approaches and Challenges[J].Atmosphere
‑
Ocean,50(4),507
–
536；
[0011]4.Zhang,F.,Zhou,Q.,Li,Q.,Wu,G.,&Liu,J.(2018).An enhanced approach for surface flow routing over drainage
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【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：