《洪水演进仿真综合模型研究与应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《洪水演进仿真综合模型研究与应用（118页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学 博士学位论文 洪水演进仿真综合模型研究与应用 姓名：孙海 申请学位级别：博士 专业：空间信息科学与技术 指导教师：王乘 20090213 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 本文针对洪水演进的预测与仿真课题进行了深入广泛的研究和探讨，从理论上 挖掘洪水发生的机理，从宏观上整体把握洪水演进的过程，分析整个过程中来自于 各个方面的影响，将河道洪水演进过程，河堤溃决水量计算，平坦区域淹没扩散， 排水综合模型等各个环节和全部过程中所涉及到的各个因素进行统一整合，开展深 入的研究和分析，构建出洪水演进仿真综合模型。并且使用分布式计算的思想结合 GIS 平台设计出
2、洪水演进仿真算法，将整个模型的计算过程通过仿真模拟的形式实 现出来，并且使用现代化信息技术，构建了洪水演进仿真信息管理系统，以信息平 台的方式实现了系统仿真和信息管理的统一整合。 本文的主要研究内容包括三个大的方面： 1） 洪水演进综合模型的研究和构建。综合模型的构建包括河道洪水演进，溃 堤水量预测以及洪水演进扩散三个大的部分，本文对此进行了深入的探讨和研究， 并进行优化综合，从理论上进行综合模型的构建。 2） 在 GIS 平台上的洪水仿真算法的研究。主要是通过计算机技术，图像处理 技术与三维仿真技术，在 GIS 平台上对洪水演进过程进行可视化模拟，将综合模型 的计算结果充分的反映到信息平台上
3、。 3） 信息化系统平台的设计与实现。通过信息化技术，设计和构建洪水演进仿 真信息管理平台，通过系统集成的方式将洪水演进仿真和信息化管理进行结合，发 挥 GIS 系统的特点，将理论模型应用到实际工作中去。 本文的主要创新成果： 1） 本文以浅水波扩散方程为基础，主要考虑重力与地面阻力作用，使用分布 式计算的思想来计算水流的速度增量，优化传统的算法，构建出新的，符合本课题 研究的洪水扩散模型。 2） 综合排水模型的构建和在分布式计算中的应用。本文并将排水综合模型优 化调整为适合于分布式计算的结构，并且尝试改变传统的规则网格作为分布式单 元，而是以联通区域为分布式计算单位。事实证明，这样的改进能使
4、得计算更加符 合实际情况，并且可以减少计算量，提高运行效率。 3） 洪水演进综合模型的构建。本文从宏观上把握洪水演进的过程，从整体上 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 II 进行描述，因此将不同领域的课题进行了广泛的研究和整理，进行统一规划后形成 了洪水演进综合模型。 4） 大数据量 DEM 数据的读取调用方式的改进。 本系统采用了一种分割读取的 解决方案，借用影像金字塔数据读取方法来解决仿真系统构建中海量数据读取的问 题。 5） “环形”洪水演进仿真算法的研究。本算法是根据分布式计算的思想，以 膨胀算法为理论基础的一种新的洪水演进仿真算法，与水量平衡理论进行连接，能 更好的模拟
5、水流扩散的过程。 总的来说，本文的工作是对洪水发生过程的一次全方位的研究和探讨，将洪水 仿真理论和实际应用相结合的一次新的尝试。结果证明，本研究对洪水演进过程的 仿真，洪水预警决策，防洪信息系统的构建是成功和具有一定实用价值的。 关键词：关键词：洪水演进，洪水预报，综合模型，GIS，三维仿真，信息系统，可视化 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 III Abstract Facing to the topic of forecasting and simulation in the flood submerge, a detailed and broad discussion an
6、d research are made in the paper. Comprehending the holistic flood process in macroscopically view, analyzing influential factors from all aspects, design and implement an integrated model of flood involved all processes which contains river way flood prediction, flood forecasting of dam break, floo
7、d diffusing and integrated drainage model etc. Otherwise, based on the integrate model and thinking of distributed computing, a new flood simulation arithmetic is design for simulation system. According to that, the flood integrate model is able to implement and display on the 2D 截留和蒸发分为高植被、 低植被、裸地、
8、不透水层、建筑、水体共 6 种类型，分别计算水循环和能量平衡等， 并在黄河流域水资源预报和评价方面进行了探索研究。 郭生练6667等提出了一个基 于 DEM 的分布式流域水文物理模型，该模型将流域划分为网格单元，详细描述了 网格单元的截留、蒸散发、下渗、地表径流、地下径流、融雪等水文物理过程，在 每一个网格上用地形高程来建立地表径流之间的关系。在此模型的结构中，植物截 留过程引入了描述植物截留能力的物理参数-植物蓄积容量； 流域的蒸散发主要考虑 了太阳辐射、日云量、反射率、植物叶面指数、可供土壤水、大气温度等因素；用 一维圣维南方程的运动波近似法模拟坡面水流运动，用运动波模型模拟地下径流， 不
9、同网格单元之间水流流向的确定采用多流向法确定。长江水利委员会水文学模 型、南京水文水资源研究所与长江水利委员会规划处合作研制的水文模型，针对长 江流域的水文预测也取得了一定的成绩。68-71 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 11 1.3.2 地理信息系统（GIS）技术研究现状 地理信息系统（GIS）起源于 20 世纪 60 年代，60 年代是开拓发展阶段，70 年 代属于巩固阶段，80 年代进入了技术突破阶段，90 年代后则达到了社会化阶段。 在其 40 多年的发展历程中，它作为有关空间信息管理、空间数据分析及传播的计 算机系统，已经取得了很大的成就72。由此，GIS 也广泛地
10、应用于土地利用、资源 管理、环境监测、灾害管理、交通运输、城市规划、经济建设、以及政府各职能部 门。随着计算机技术的不断发展，各种设备性能的不断攀升，也使地理信息技术的 应用领域越来越广泛。当今，地理信息系统在理论和应用上都处于一个飞速发展时 期。自从 1998 年“数字地球”概念的提出，更进一步推动了作为其技术支撑的 GIS 发展。72-75 地理信息系统(GIS)通常泛指用于储存、获取、查询、综合、处理、分析、显示 和应用地理空间数据及其与之相关信息的计算机系统。它将空间的逻辑思维延伸到 了形象思维，使原本抽象的信息变得实际具体。从理论上看，地球上 80%的信息都 属于空间信息范畴，即大多
11、数的信息都与空间位置有关。由此可知，地理信息系统 技术及其应用和发展在信息化时代将发挥举足轻重的作用。 从行业应用角度来看，自从 1960 年加拿大测量学家 RogerF.Tomlinson 提出“要 把地图变成数字形式的地图， 便于计算机处理与分析”的观点以来， GIS 的研究开发 和应用发展迅速。全世界出现了数以百计大大小小的 GIS 软件，中国市场也是 GIS 软件竞争的一个大舞台。 现阶段 GIS 已是一个全球拥有数十万从业人员和数十亿美 元的产业， 世界各国已设计出大量实用化的地理信息系统， 常用的 GIS 软件已达 400 多种。比较著名的有美国环境系统研究所(ESRI)的 ARC
12、GIS 系列，澳大利亚 GENASYS 公司开发的 GENAI，中国地质大学开发的 MapGIS，原武汉测绘科技大 学开发的 Geostar，北京大学遥感与地理信息系统研究所开发的 Citystar 等等。随着 计算机和和信息技术的发展，GIS 行业迅速地成长，未来 10 年内发展将是 GIS 网 络化、GIS 标准化、数据商业化、系统专门化、GIS 企业化、GIS 全球化、GIS 大 众化等多方向多主题的发展方式。76-79 在我国，地理信息系统相关的研究与应用起步稍晚，但随着社会经济的不断发 展，在需求的驱动下，这一领域内的发展势头非常迅猛。我国 GIS 行业的发展大体 上可以分为三个阶段
13、:七十年代是起步阶段， 主要用于交通和输电线路等基础设施的 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 12 规划管理， 城市发展规划、 土地农业利用和人口规划等。 八十年代是研究试验阶段， 列入了国家“七五”科技攻关，主要研究数据标准化，数据处理与分析方法，空间数 据库的建设以及应用软件的研制开发。九十年代是全面发展的阶段，结合遥感和全 球定位系统的发展，“3S”技术三位一体，使 GIS 纳入了产业化的轨道，并作为主要 技术支撑之一纳入了许多产业部门的业务运行系统， 国家重点扶持了国产 GIS 软件 的研制，到 2000 年国产 GIS 软件的市场占有率已达到近 30%，初步建立了我国的
14、 地理信息产业。 在水利行业应用，GIS 的发展相对滞后，八十年代后期才有一些科研院所和高 等院校开始接触和应用 GIS，由于该项技术的实用性和普适性特别强，尤其是生产 上广泛和迫切的要求，生产部门也很快开始了应用，先是与科研院所及高等院校合 作，随后是自己都建立一班人马，掌握了这项技术的应用。在很长一段时间内，大 多数部门的 GIS 应用水平仅限于对数据的管理，主要是发挥它的数据存储、查询、 统计和图形显示的功能，也就是说只发挥了 GIS 最低层次的功能。直到九十年代后 期，某些领域和少数单位才开始将它作为分析、模拟、决策和预测的强有力工具。 二十一世纪是信息时代，信息资源是重要的战略资源，
15、水利部也提出了“以信息 化建设带动水利现代化”的战略方针。信息建设内容中空间信息占 80%，而水利行 业，这一比例还要更高一些。GIS 就像一座多功能水库，对信息起着集中、调节和 净化的作用，它兼容并蓄各种来源的信息，按地理空间坐标进行数据管理、查询和 检索，通过地学分析、空间分析、相关分析、模拟和预测等手段进行科学加工与决 策，提供多层次和多功能的信息服务，因此，GIS 技术的应用将在水利行业现代化 建设中起着至关重要的作用。80-84 1.3.3 GIS 技术在洪水仿真领域的主要应用 1） 灾情的预测与评估 在灾情预测与评估中，GIS 技术主要发挥基础数据的管理，空间和属性数据查 询、检索
16、、统计和显示的作用，以及承担着洪水演进的基础平台构建，灾情数据的 提取和分析，灾情的可视化表达，辅助决策的工具的实现等功能应用。人们通过 GIS 的信息管理与相关模型的技术分析，能对洪涝灾害进行适当的预测和分析，对 灾后损失开展相关的评估工作3。同时，GIS 平台还能为经济损失分析，人口迁移， 物质调运，人员安置等各个方面的工作提供强有力的技术支持。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 13 2） 决策支持系统和信息管理系统的平台建设 在国家防汛指挥系统总体设计框架下，目前许多流域或省、市都在实施防汛决 策支持系统或防汛信息管理系统的开发与建设。虽然各地防洪减灾工作的实际需求 各有特点，但都以 GIS 为技术平台。GIS 在这些系统中的作用主要有以下几个方面: 空间数据管理，包括查询、检索、更新、和维护。利用空间分析能力为防汛指挥决 策提供辅助支持，为各类应用模型提供数据，优化模型参数，预报预测防汛信息以 及决策方案的可视化表达等。3
