專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于河道水文數(shù)值模擬的復(fù)雜河道網(wǎng)格化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于河道水文數(shù)值模擬的復(fù)雜河道網(wǎng)格化方法，屬于流體力學(xué)中的網(wǎng)格生成技術(shù)及地理信息系統(tǒng)(GIS)中的空間數(shù)據(jù)內(nèi)插技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
河道數(shù)值模擬綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、流體力學(xué)、偏微分方程數(shù)學(xué)理論、計(jì)算幾何、數(shù)值分析等學(xué)科，它的發(fā)展除依賴(lài)于這些學(xué)科的發(fā)展外，更直接表現(xiàn)在對(duì)河道平面模擬的二維網(wǎng)格生成技術(shù)的依賴(lài)。在應(yīng)用諸如有限差分法、有限體積法等方法對(duì)河道數(shù)值模擬進(jìn)行數(shù)值求解時(shí)，需要生成相應(yīng)的計(jì)算網(wǎng)格，生成網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響流暢計(jì)算的精度和效率。網(wǎng)格的生成問(wèn)題可以看成是一個(gè)坐標(biāo)變換的邊值問(wèn)題，建立一種物理域的邊界點(diǎn)同計(jì)算域的邊界點(diǎn)的映射關(guān)系，從而求出物理域與計(jì)算域內(nèi)部結(jié)點(diǎn)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將不規(guī)則的物理域轉(zhuǎn)化成規(guī)則的計(jì)算域，這種方法可歸結(jié)為在給定的第一邊界條件下求解偏微分方程。這種轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示，左側(cè)為物理域，右側(cè)為計(jì)算域。目前常用的河道網(wǎng)格剖分方法有河道Thompson法、橢圓型網(wǎng)格生成法、代數(shù)法等。河道Thompson法主要是通過(guò)物理平面(天然河道平面)與變換平面(數(shù)模計(jì)算平面) 之間Poisson方程邊值問(wèn)題數(shù)值解實(shí)現(xiàn)二維正交網(wǎng)格的生成；橢圓型網(wǎng)格生成法，求解橢圓形偏微分方程具有曲線(xiàn)坐標(biāo)系的光滑性和可微性，并且所生成的網(wǎng)格在解決復(fù)雜外形方面具有生成原理直觀、易于編制程序等優(yōu)點(diǎn)。代數(shù)法是指通過(guò)一些代數(shù)關(guān)系式把物理平面上的不規(guī)則區(qū)域轉(zhuǎn)換成計(jì)算平面上矩形區(qū)域的方法。這種網(wǎng)格生成方法要找出合適的插值函數(shù)，一般采用Langrange插值為基礎(chǔ)構(gòu)造雙邊界法、無(wú)限插值法等。由于無(wú)限插值法是把 2個(gè)方向4個(gè)邊界的信息同時(shí)向內(nèi)部傳遞，插值的點(diǎn)數(shù)是無(wú)限的，用它來(lái)生成初始網(wǎng)格，迭代以后得到的是均分網(wǎng)格。這些方法雖然能實(shí)現(xiàn)對(duì)河道區(qū)域的網(wǎng)格剖分，但自身也存在一些問(wèn)題。河道Thompson法存在的主要問(wèn)題有(1)復(fù)雜洲、灘及岸線(xiàn)河道岸線(xiàn)、非恒定流動(dòng)岸和數(shù)值求解引起的動(dòng)邊界等情況下，網(wǎng)格與河道岸線(xiàn)之間的擬合同樣會(huì)出現(xiàn)實(shí)際偏離； (2)對(duì)于常見(jiàn)的寬、窄相間的河道平面形態(tài)，二維網(wǎng)格不均勻間距可能導(dǎo)致的數(shù)值計(jì)算精度問(wèn)題；橢圓型網(wǎng)格生成法雖然保證了網(wǎng)格線(xiàn)與邊界的正交性，但不能很好地控制網(wǎng)格的疏密；代數(shù)法未對(duì)不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行疏密調(diào)整。這些問(wèn)題導(dǎo)致上述方法在復(fù)雜河道網(wǎng)格化過(guò)程中不能有效處理存在眾多江心洲的多汊河道，并且缺乏根據(jù)河道岸線(xiàn)地勢(shì)變化等相關(guān)因素合理控制網(wǎng)格疏密的能力。在河道網(wǎng)格化過(guò)程中網(wǎng)格設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮地形變化、物理量的變化梯度、動(dòng)力特性、計(jì)算費(fèi)用、 模型的目的等因素。國(guó)內(nèi)外已有的網(wǎng)格自動(dòng)剖分算法和軟件缺乏根據(jù)復(fù)雜河道地勢(shì)變化控制網(wǎng)格大小與節(jié)點(diǎn)密度的靈活性
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種用于河道水文數(shù)值模擬的復(fù)雜河道網(wǎng)格化方法，其能為復(fù)雜河道數(shù)值模擬提供分布均勻、數(shù)量可根據(jù)用戶(hù)需求靈活設(shè)定的正交網(wǎng)格及離散節(jié)點(diǎn)。為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的一種用于河道水文數(shù)值模擬的復(fù)雜河道網(wǎng)格化方法，包括以下步驟第一步、數(shù)據(jù)讀取——讀取待網(wǎng)格化的二維河道矢量數(shù)據(jù)；第二步、河道分割——沿河道方向?qū)⒑拥婪指顬槿舾啥噙呅渭?，?duì)于含有江心洲的河道區(qū)域，對(duì)江心洲兩側(cè)的河道分別進(jìn)行分割，所述分割后的多邊形沿河道縱向方向分布；第三步、網(wǎng)格間距計(jì)算一構(gòu)建多邊形邊界曲線(xiàn)參數(shù)方程，計(jì)算多邊形邊界曲線(xiàn)長(zhǎng)度，根據(jù)網(wǎng)格化所需行列數(shù)目計(jì)算劃分網(wǎng)格單元時(shí)邊界曲線(xiàn)網(wǎng)格間距；第四步、內(nèi)插網(wǎng)點(diǎn)——根據(jù)多邊形邊界曲線(xiàn)參數(shù)方程及網(wǎng)格化所需網(wǎng)格間距，將網(wǎng)點(diǎn)內(nèi)插于多邊形邊界曲線(xiàn)上，并計(jì)算內(nèi)插網(wǎng)點(diǎn)的二維坐標(biāo)；第五步、網(wǎng)格剖分——根據(jù)多邊形邊界曲線(xiàn)內(nèi)插網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)量和二維坐標(biāo)，計(jì)算多邊形網(wǎng)格化后網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并生成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，將生成的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)用線(xiàn)段依次連接形成多邊形網(wǎng)格，完成多邊形的網(wǎng)格剖分；第六步、網(wǎng)格歸并——?dú)w并各多邊形網(wǎng)格，獲得河道網(wǎng)格；第七步、網(wǎng)格正交化——求解拉普拉斯方程，調(diào)整河道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置，完成河道網(wǎng)格正交化，得到河道平面二維正交網(wǎng)格。進(jìn)一步的，本發(fā)明用于河道水文數(shù)值模擬的復(fù)雜河道網(wǎng)格化方法的第二步中，對(duì)江心洲兩側(cè)河道分別進(jìn)行分割的方法是在江心洲上下游的弧段上分別選取一至兩個(gè)端點(diǎn)，在河岸上選取至所述端點(diǎn)最近的點(diǎn)，連接端點(diǎn)和距端點(diǎn)最近的河岸上的點(diǎn)，若該連接線(xiàn)未與其他江心洲相交，則該連線(xiàn)作為劃分河道的邊界線(xiàn)，否則在與該端點(diǎn)最近的其他江心洲上選取與之最近的點(diǎn)，兩者的連接線(xiàn)作為劃分河道的邊界線(xiàn)。本發(fā)明所述第五步完成后，針對(duì)需要進(jìn)行網(wǎng)格加密的河道局部區(qū)域，選定所需加密的網(wǎng)格、設(shè)定加密的行列數(shù)目，并針對(duì)各網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格加密方法參見(jiàn)所述第三步至第五步。第七步完成之后，根據(jù)河道平面二維正交網(wǎng)格各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)得二維坐標(biāo)及其連接順序，輸出河道最終網(wǎng)格化后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。本發(fā)明方法首先將帶有支流出入?yún)R、江心洲等各種復(fù)雜河道區(qū)域自由分割為簡(jiǎn)單區(qū)域集合，根據(jù)河道數(shù)值模擬需要設(shè)置區(qū)域控制曲線(xiàn)網(wǎng)格間距，生成二維網(wǎng)格，歸并簡(jiǎn)單區(qū)域網(wǎng)格得到復(fù)雜河道剖分后的初始網(wǎng)格。對(duì)于河道岸線(xiàn)特定區(qū)域，可根據(jù)需求靈活增加區(qū)域網(wǎng)點(diǎn)密度實(shí)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格加密劃分。通過(guò)求解拉普拉斯方程，設(shè)定收斂精度，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)初始網(wǎng)格正交化，最終得到河道二維正交網(wǎng)格。本發(fā)明將河道進(jìn)行分段(分割)，并且針對(duì)有江心洲的復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行巧妙分割為互相獨(dú)立的多邊形，使分割的多邊形內(nèi)均不包含有江心洲，因此本發(fā)明方法可處理帶有支流出入?yún)R、江心洲等各種復(fù)雜河道區(qū)域，相對(duì)于傳統(tǒng)河道網(wǎng)格化方法本發(fā)明具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和通用性；本發(fā)明方法可針對(duì)所需加密區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密劃分，使河道網(wǎng)格化與復(fù)雜河道地勢(shì)變化相適應(yīng)，為水文相關(guān)運(yùn)算提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。圖1為坐標(biāo)變化示意圖。圖2為本發(fā)明方法流程圖。圖3為待網(wǎng)格化的河道示意圖。圖4為劃分圖3所示河道形成簡(jiǎn)單多邊形集合示意圖。圖5為圖4的局部放大圖。圖6為圖3所示河道網(wǎng)格化后生成的網(wǎng)格示意圖。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。如圖2所示，為本發(fā)明一種用于河道水文數(shù)值模擬的復(fù)雜河道網(wǎng)格化方法實(shí)施例的流程圖，包括以下步驟第一步、數(shù)據(jù)讀取——讀取待網(wǎng)格化的二維河道矢量數(shù)據(jù)；如圖3所示，河道由非自交弧段組成。第二步、河道分割——沿河道方向?qū)⒑拥婪指顬槿舾啥噙呅渭?，?duì)于含有江心洲的河道區(qū)域，對(duì)江心洲兩側(cè)的河道分別進(jìn)行分割，所述分割后的多邊形沿河道縱向方向分布；本步驟中，對(duì)江心洲兩側(cè)河道分別進(jìn)行分割的方法是，在江心洲上下游的弧段上分別選取一至兩個(gè)端點(diǎn)，在河岸上選取至所述端點(diǎn)最近的點(diǎn)，連接端點(diǎn)和距端點(diǎn)最近的河岸上的點(diǎn)，若該連接線(xiàn)未與其他江心洲相交，則該連線(xiàn)作為劃分河道的邊界線(xiàn)，否則在與該端點(diǎn)最近的其他江心洲上選取與之最近的點(diǎn)，并進(jìn)行連接作為劃分河道的邊界線(xiàn)。如圖5所示，江心洲的上下游弧段分別選取兩個(gè)端點(diǎn)，在河岸上選取了與其最近的點(diǎn)，并進(jìn)行了連接，將河道進(jìn)行了分割。圖4中，最右側(cè)的三角洲的上游(左側(cè))弧段上則選取了一個(gè)端點(diǎn)與河岸連接?？筛鶕?jù)根據(jù)實(shí)際情況確定在三角洲上下游弧段選取端點(diǎn)的個(gè)數(shù)，一般情況選取2個(gè)端點(diǎn)的情況較為通用。計(jì)算機(jī)具體執(zhí)行過(guò)程如下輸入網(wǎng)格控制弧段，將河道區(qū)域劃分成簡(jiǎn)單的連通空間區(qū)域。計(jì)算弧段與河道岸線(xiàn)交點(diǎn)，利用該點(diǎn)打斷河道岸線(xiàn)，并將其加入到邊界弧段中。對(duì)于每個(gè)簡(jiǎn)單區(qū)域，應(yīng)用GIS拓?fù)渲亟üδ?，將?jiǎn)單區(qū)域邊界弧段首尾依次相連，構(gòu)建簡(jiǎn)單區(qū)域多邊形。最終將圖3所示的復(fù)雜河道組織為圖4所示的多邊形集合。第三步、網(wǎng)格間距計(jì)算——構(gòu)建多邊形邊界曲線(xiàn)參數(shù)方程，計(jì)算多邊形邊界曲線(xiàn)長(zhǎng)度，根據(jù)網(wǎng)格化所需行列數(shù)目計(jì)算劃分網(wǎng)格單元時(shí)邊界曲線(xiàn)網(wǎng)格間距；根據(jù)需求設(shè)定多邊形網(wǎng)格化所需行列數(shù)目即位于邊界弧段上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目，計(jì)算劃分多邊形平面時(shí)橫向曲線(xiàn)與縱向曲線(xiàn)網(wǎng)格間距。設(shè)定網(wǎng)格行列數(shù)目必須保證每個(gè)多邊形對(duì)應(yīng)橫向曲線(xiàn)網(wǎng)格列數(shù)相同、對(duì)應(yīng)縱向曲線(xiàn)網(wǎng)格行數(shù)相等。對(duì)于任意兩個(gè)擁有相同橫向曲線(xiàn)或縱向曲線(xiàn)的多邊形也要保證合并后仍滿(mǎn)足此條件。圖5為復(fù)雜河道劃分為簡(jiǎn)單區(qū)域后的局部放大圖，本發(fā)明以圖5中多邊形為例描述設(shè)定邊界網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足的條件。圖中A、B、C、D表示簡(jiǎn)單區(qū)域多邊形，Si (i = 1,2,3，...)為多邊形邊界弧段，Ni表示Si中節(jié)點(diǎn)數(shù)目。設(shè)定多邊形A邊界網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足條件=N2 = N3, N1 = N4+N5+N6。按此條件設(shè)定多邊形B、C、D邊界網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目，此外還需滿(mǎn)足條件 N1 = N1 !+N1^N13, N2+N10 = N3+N7,以保證多邊形A、B、C、D組成的連通區(qū)域?qū)?yīng)同向控制曲線(xiàn)網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目相同。第四步、內(nèi)插網(wǎng)點(diǎn)——根據(jù)多邊形邊界曲線(xiàn)參數(shù)方程及網(wǎng)格化所需網(wǎng)格間距，將網(wǎng)點(diǎn)內(nèi)插于多邊形邊界曲線(xiàn)上，并計(jì)算內(nèi)插網(wǎng)點(diǎn)的二維坐標(biāo)；第五步、網(wǎng)格剖分——根據(jù)多邊形邊界曲線(xiàn)內(nèi)插網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)量和二維坐標(biāo)，計(jì)算多邊形網(wǎng)格化后網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并生成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，將生成的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)用線(xiàn)段依次連接形成多邊形網(wǎng)格，完成多邊形的網(wǎng)格剖分；第六步、網(wǎng)格歸并——?dú)w并各多邊形網(wǎng)格，獲得河道網(wǎng)格；第七步、網(wǎng)格正交化——求解拉普拉斯方程，調(diào)整河道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置，完成河道網(wǎng)格正交化，得到河道平面二維正交網(wǎng)格。第七步完成之后，根據(jù)河道平面二維正交網(wǎng)格各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)得二維坐標(biāo)及其連接順序，輸出河道最終網(wǎng)格化后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。針對(duì)需要進(jìn)行網(wǎng)格加密的河道局部區(qū)域，在第五步完成后，選定所需加密的網(wǎng)格、 設(shè)定加密的行列數(shù)目，并針對(duì)各網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格加密方法參見(jiàn)所述第三步至第五步。除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于河道水文數(shù)值模擬的復(fù)雜河道網(wǎng)格化方法，包括以下步驟第一步、數(shù)據(jù)讀取一讀取待網(wǎng)格化的二維河道矢量數(shù)據(jù)；第二步、河道分割一沿河道方向?qū)⒑拥婪指顬槿舾啥噙呅渭?，?duì)于含有江心洲的河道區(qū)域，對(duì)江心洲兩側(cè)的河道分別進(jìn)行分割，所述分割后的多邊形沿河道縱向方向分布；第三步、網(wǎng)格間距計(jì)算一構(gòu)建多邊形邊界曲線(xiàn)參數(shù)方程，計(jì)算多邊形邊界曲線(xiàn)長(zhǎng)度， 根據(jù)網(wǎng)格化所需行列數(shù)目計(jì)算劃分網(wǎng)格單元時(shí)邊界曲線(xiàn)網(wǎng)格間距；第四步、內(nèi)插網(wǎng)點(diǎn)一根據(jù)多邊形邊界曲線(xiàn)參數(shù)方程及網(wǎng)格化所需網(wǎng)格間距，將網(wǎng)點(diǎn)內(nèi)插于多邊形邊界曲線(xiàn)上，并計(jì)算內(nèi)插網(wǎng)點(diǎn)的二維坐標(biāo)；第五步、網(wǎng)格剖分一根據(jù)多邊形邊界曲線(xiàn)內(nèi)插網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)量和二維坐標(biāo)，計(jì)算多邊形網(wǎng)格化后網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并生成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，將生成的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)用線(xiàn)段依次連接形成多邊形網(wǎng)格，完成多邊形的網(wǎng)格剖分；第六步、網(wǎng)格歸并一歸并各多邊形網(wǎng)格，獲得河道網(wǎng)格；第七步、網(wǎng)格正交化一求解拉普拉斯方程，調(diào)整河道網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置，完成河道網(wǎng)格正交化，得到河道平面二維正交網(wǎng)格。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于河道水文數(shù)值模擬的復(fù)雜河道網(wǎng)格化方法，其特征在于所述第二步中，對(duì)江心洲兩側(cè)河道分別進(jìn)行分割的方法是，在江心洲上下游的弧段上分別選取一至兩個(gè)端點(diǎn)，在河岸上選取至所述端點(diǎn)最近的點(diǎn)，連接端點(diǎn)和距端點(diǎn)最近的河岸上的點(diǎn)，若該連接線(xiàn)未與其他江心洲相交，則該連線(xiàn)作為劃分河道的邊界線(xiàn)，否則在與該端點(diǎn)最近的其他江心洲上選取與之最近的點(diǎn)，并進(jìn)行連接作為劃分河道的邊界線(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于河道水文數(shù)值模擬的復(fù)雜河道網(wǎng)格化方法，其特征在于所述第五步完成后，針對(duì)需要進(jìn)行網(wǎng)格加密的河道局部區(qū)域，選定所需加密的網(wǎng)格、 設(shè)定加密的行列數(shù)目，并針對(duì)各網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格加密方法參見(jiàn)所述第三步至第五步。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于河道水文數(shù)值模擬的復(fù)雜河道網(wǎng)格化方法，其特征在于第七步完成之后，根據(jù)河道平面二維正交網(wǎng)格各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)得二維坐標(biāo)及其連接順序， 輸出河道最終網(wǎng)格化后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。
全文摘要
本發(fā)明用于河道水文數(shù)值模擬的復(fù)雜河道網(wǎng)格化方法，首先將帶有支流出入?yún)R、江心洲等各種復(fù)雜河道區(qū)域自由分割為簡(jiǎn)單區(qū)域集合，根據(jù)河道數(shù)值模擬需要設(shè)置區(qū)域控制曲線(xiàn)網(wǎng)格間距，生成二維網(wǎng)格，歸并簡(jiǎn)單區(qū)域網(wǎng)格得到復(fù)雜河道剖分后的初始網(wǎng)格。對(duì)于河道岸線(xiàn)特定區(qū)域，可根據(jù)需求靈活增加區(qū)域網(wǎng)點(diǎn)密度實(shí)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格加密劃分。通過(guò)求解拉普拉斯方程，設(shè)定收斂精度，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)初始網(wǎng)格正交化，最終得到河道二維正交網(wǎng)格。本發(fā)明構(gòu)思巧妙，適應(yīng)性強(qiáng)，可對(duì)含有江心洲的復(fù)雜河道進(jìn)行網(wǎng)格化處理，且可根據(jù)需要實(shí)際進(jìn)行指定網(wǎng)格加密。
文檔編號(hào)G06T11/00GK102496168SQ20111037223
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者周生路, 楊柳, 王結(jié)臣, 程亮, 陳剛 申請(qǐng)人:南京大學(xué)