降雨径流与洪水淹没模型耦合的应用研究

洪水研究包括径流与淹没两种模式。为了探究流域降雨产汇流与淹没情况、提高洪水预报精度,本研究在传统流域水文模型的基础上耦合二维水动力学模型,建立水文-水动力耦合模型。以我国吉林温德河流域为研究实例,模拟了2017年“7·13”洪水在下游口前镇所处子流域洪水淹没过程。首先对基础数据进行预处理,建立HEC-HMS水文模型并进行参数优化后,最终获得流量过程水文结果作为水动力学模型边界条件,之后建立HEC-RAS二维水动力学模型对重要子流域进行淹没模拟。耦合模型计算结果显示,水文模型经多参数优化流量模拟的NSE系数为0.988,水动力计算最大淹没水深达9.3 m相对误差为-5.2%。从泛洪模拟结果来看,子流域上游部分的农田大量被淹,淹没水深范围在0.5~2.0 m,平均流速基本在1 m/s以下。下游口前镇内最大淹没水深接近1 m,水流速度0.2 m/s至1.5 m/s,与实际的淹没情况相吻合。研究表明,所建水文水动力耦合模型模拟计算的结果准确率较高,对具有复杂水文、水力条件的流域的洪水预报具有重要的指导意义。     

复杂地质体离散化三维网格模型建模方法探讨——以面向FLAC~(3D)软件的建模为例

在地学相关的数值模拟工作中,因地质体的复杂和数值模拟软件的功能制约,使建立地质体的离散化网格模型成为一个难点。文章介绍了综合应用AutoCAD和ANSYS软件建立复杂地质体网格模型的方法,该网格模型用于在FLAC~(3D)软件中进行数值模拟计算。通过建模对比实验和分析认为,多段线具有较好的数据交互能力,面域对不同的线型兼容性好,以造面域的方法闭合岩性单元报错少,基于多段线面域的网格模型能很好地满足复杂地质体的建模需求,基于样条曲线面域的网格模型适用于形态简单的地质体建模。建模软件的综合运用,可建立复杂地质体网格模型,为成矿及工程地质领域的数值模拟提供有力的支持。     

CALPUFF模型模拟结果的时空多维可视化表达

大气污染扩散模型数值模拟结果的时空多维可视化表达,能有效展示大气污染扩散空间分布,为快速高效辅助后期污染分析与应急决策提供重要的参考。CALPUFF模型能高效模拟污染物在大气环境中时空变化的扩散过程,而现有大气污染扩散模型模拟结果可视化表达普遍存在不能有效集成地理信息、缺失部分重要维度特征等问题。论文首先分析了CALPUFF模型,及其与组件式GIS紧密集成的技术方案,为模型模拟结果与地理信息集成提供了技术支持。然后,基于CALPUFF模型的数值计算模拟结果,详细研究了风场数据预处理及其矢量绘制方法,浓度场的数据预处理及其栅格渲染方法。在三维地形场景下,探究了大气污染物的时空扩散模拟可视化表达方法,给出了CALPUFF模型模拟结果与三维地形场景的集成表达策略。最后,通过组件式GIS,构建了福州市三维地形场景,以大气污染CALPUFF扩散模拟结果为例,在WPF系统框架下,实现了风场和浓度场的时空动态模拟和空间层级多维可视化表达。实验结果表明,本文所采用的时空可视化技术方案能将CALPUFF模型模拟结果,有效集成三维地形场景,实现模型模拟结果在时间维度上动态扩散和在空间维度上的层级分布,可为大气污染模拟结果的时空多维可视化提供参考。     

基于高时相遥感影像的洪水演进模型参数优化方法

种子点蔓延算法是洪涝演进过程模拟仿真的主要方法之一,其中,洪水演进模型参数由于受到不同地理环境影响而发生改变,具有一定的不确定性,进而导致洪涝模拟结果可靠性不高。随着高分4号卫星的发射,其具有高时间分辨率特性的影像将成为洪涝模拟、灾情评估的第一手资料。本文在模拟仿真过程中,接入高时效卫星影像并提取淹没范围和洪水体积,通过与模拟仿真产生的淹没范围和洪水体积进行比对,迭代调整洪水演进模型参数μ值、速度V,进而提高模拟结果的准确性。选取云南华坪山洪为典型案例,验证了本文方法的可行性与可靠性,为快速灾情评估和预防决策服务提供更为科学的依据。     

结合三维边缘特征约束的网格模型优化方法

对于具有复杂几何结构特征的建筑物,三维网格模型重建结果易存在表面扭曲、边缘特征平滑的问题,无法较好地反映重建目标的真实信息。针对上述问题,本文提出一种结合三维边缘约束的网格模型优化方法。该方法以OpenMVS算法得到的初始网格为基础数据,利用变分原理构建能量函数,将网格模型优化问题转换为能量函数最小化问题。首先,从多视图像中提取三维边缘点,以三维边缘点构成的边缘轮廓来定位网格模型边缘区域;接着,利用灰度一致性测度构建数据项,利用顶点自身曲率构建平滑项,利用三维边缘轮廓约束构建附加约束项,将3个约束项构建为一个总体能量函数;最后,采用梯度下降法迭代求解总体能量函数最小值,将梯度变化量分配到网格模型的顶点上来驱动网格形变,以此优化模型。选取Strecha数据集中两个真实室外场景和ETH3D数据集中一个真实室内场景进行优化实验,使用ETH3D评估框架对实验结果进行评估。结果表明,经本文算法优化后的网格模型完整度和精度最高为89.76%、94.45%,本文算法在解决复杂几何结构建筑物模型边缘优化问题的基础上,提高了建筑物模型的准确程度。     

双超产流模型在册田水库的应用

根据干旱与半干旱地区降水时空分布变化大、洪水暴涨暴落及该地区流域产流具有的特殊性,提出干旱与半干旱地区的主要产流方式为蓄满和超渗两者兼而有之的混合产流方式,用超渗和超持的双超产流模型对册田水库的历史洪水进行模拟预报,从而检验模型评定的精度.同时建议加强雨量观测站网规划和建设工作,增加计算模拟单元,以提高模拟的合理性和准确性.     

3D GIS下地下水流有限元数值模拟方法与应用

目前缺乏针对较强空间特性水文地质计算参数的高效采集方法与管理机制,而且现有孔隙地下水流有限元数值模拟在三维可视化与空间分析等方面仍存在很多不足。因此,本文以有限元数值计算方法和三维地理信息平台为基础,结合GIS空间分析算法和计算机图形学理论,针对孔隙承压地下水有限元分析过程的关键步骤（概念模型构建、空间离散、水文地质参数提取与赋值等）,提出了孔隙地下水有限元数值模拟过程在3D GIS下的实现方法和技术框架。基于水文地质钻孔数据和GTP（Generalized Tri-Prism）空间数据模型,以盐城市滨海平原水文地质区为研究区域,实现了地下水系统空间结构特征的三维表达,同时与地下水流有限元数值模型相耦合,提出了3D GIS模型与地下水非稳定流有限元数值模型耦合的核心处理算法,并在此基础上开发了3D GIS地下水流数值模拟系统。应用实例表明,该技术框架可有效简化有限元分析流程、优化模型计算效率、实现地下水有限元数值模拟过程及计算结果的三维可视化。     

利用数值模型分析尾矿库对西昌跨断层场地的影响

本文综合运用地形、地质构造等基础信息,建立西昌地区的数值模型,定量分析由荷载引起的点位沉降变化等干扰对跨断层形变测量的影响。采用FLAC^3D软件对包含西昌跨断层场地及附近尾矿库的数值模型进行计算,结果表明,尾矿库矿渣堆积不是引起西昌场地水准观测资料出现异常的原因。     

纳入动态数据的改进FLUS模型在城市增长边界划定中的应用

城市增长边界是管控城市建设用地无序扩张的有效手段,科学合理划定城市增长边界是当前研究关注的重要课题。本研究试图引入百度动态交通时间和POI数据改进FLUS模型,以长沙市中心城区为例,采用2000、2010和2018年3期土地利用数据对比验证改进FLUS模型模拟精度,并利用改进FLUS模型设置2种情景,模拟2030年长沙市中心城区土地利用变化,结合用地适宜性评价划定城市增长边界。结果显示：① 纳入动态数据的改进FLUS模型模拟2010年和2018年土地利用相比原模型KAPPA系数提高了2.90%和2.74%,总体精度提高了1.79%和1.83%,表明改进模型具有更高模拟精度;② 利用改进FLUS模型模拟的2030年长沙市中心城区土地利用变化,基准情景和生态保护情景建设用地规模分别为930.06 km²和881.36 km²,均以耕地转为建设用地比例最大;③ 长沙市中心城区刚性增长边界范围为1479.59 km²,占中心城区总面积的37.38%,边界内包含了芙蓉区、天心区、雨花区、岳麓区和开福区的大部分区域;④ 基准情景和生态保护情景下,长沙市中心城区弹性增长边界面积分别为799.35 km²和742.92 km²,建设用地扩张空间主要为长沙县和望城区,结果与2010版长沙市城市总体规划拓展方向一致。纳入动态数据的改进FLUS模型多情景模拟划定城市增长边界,能更高精度的为规划决策提供科学依据。     

基于3D基元拟合的复杂屋顶点云三维重建

几何语义一体化三维建筑物模型是智慧城市建设的重要基础数据，有利于促进建筑设施的精细化管理和智能化应用。当前基于点云的三维重建算法大多关注简单屋顶结构的几何模型构建，忽略了模型的语义表达，且基于数据驱动方法的重建结果容易受噪声影响，存在几何和拓扑错误。为了解决复杂屋顶高精度三维重建难题，本文提出一种基于3D基元拟合的复杂屋顶点云三维自动化重建算法。首先，设计了一套可参数化表达的建筑物3D基元库，包含简单和复杂屋顶。其次，通过点云分割和屋顶拓扑图比较来识别点云对应的基元类型。然后，提出了一种点云与3D基元整体拟合的目标优化函数，采用序列二次规划算法估计基元的正确参数。最后，利用城市地理标记语言（City Geography Markup Language, CityGML）构建几何、语义和拓扑一体化表达的三维模型。采用几种不同屋顶风格的建筑物点云数据进行实验，定性和定量对比分析结果表明本文方法能够高效生成几何和拓扑均正确的CityGML模型，对噪声和局部点云缺失具有一定的鲁棒性，有利于促进几何语义一体化建筑物模型快速自动化构建。     

基于黏性流理论对平板受波浪冲击的两相流数值研究

【目的】研究波浪作用下位于水面上方的刚性平板所受冲击力特征,讨论数值计算结果与实验结果的差异。【方法】基于黏性流理论,采用有限体积(VOF)方法建立两相流数值波浪水槽模型,对潜堤地形上波浪传播变形和淹没水平圆柱在波浪作用下受力问题进行数值验证,对平板受波浪冲击作用进行数值模拟,通过平板下表面测点上点压力数值结果特征分析以及与前人实验数据对比,讨论结果差别原因,分析结果特征形成机理。【结果】潜堤地形上波浪传播变形的数值结果和前人实验数据吻合较好;对于波浪作用下平板的受力,相比前人实验数据,冲击力数值结果更大,且呈现出更稳定的周期性特征,沿波浪传播方向平板上的冲击力先增大后减小。【结论】建立的数值模型对波浪与结构物相互作用问题的模拟有高的精确性和稳定性。     

基于格网数据的洪水灾害风险评估方法——以日本新川洪灾为例

本文对日本格网统计数据的历史、体系以及结构进行了介绍 ,并应用地理信息技术给出了各级格网的自动生成方法。同时以 2 0 0 0年日本新川洪水灾害为案例 ,建立了二维洪水演进水动力学模型 ,并采用地理信息系统与水动力学模型结合的方法对新川破堤洪水泛滥进行了模拟 ,同时对洪泛区灾害损失进行了评估 ,得到的结果为进一步评估洪水灾害风险以及确定合理的洪灾保险费率奠定了基础 ,对于格网统计数据在城市规划以及城市减灾等领域的应用也有一定的借鉴意义。     

油藏数值模拟的裂缝/溶洞嵌入式计算模型

碎屑岩和碳酸盐岩油藏的数值模拟需要处理几何形态较为复杂的裂缝,对碳酸盐岩缝洞型油藏还须处理形状各异的溶蚀孔洞。采用传统的嵌入式离散裂缝模型时,需要将复杂裂缝划分为细密的网格,计算量较大,且难以准确处理溶洞。建立一种裂缝/溶洞嵌入式计算模型,对基质系统进行结构化网格剖分以形成基质单元,根据需要把单个裂缝或一组裂缝划分为一个裂缝单元,将大型溶洞根据几何形状划分为一个或数个连通的溶洞单元;采用推导的半解析方法计算裂缝或溶洞单元同基质单元的传导率,实现裂缝或溶洞在结构化基质网格中的嵌入。交叉裂缝、含洞储层和三维复杂缝网算例数值模拟结果表明,裂缝/溶洞嵌入式方法计算效率较高,对于形态较为复杂的裂缝和溶洞有很好的适用性。     

基于CatBoost的植被总初级生产力遥感模拟方法及在福建省的应用

植被总初级生产力(GPP)作为衡量陆地生态系统健康的重要指标,可直接反映区域环境状况和改善情况,因此准确估算植被GPP变化对区域可持续发展具有重要意义。本文利用中国及日本涡度通量观测数据,构建了基于CatBoost算法融合地形特征的GPP估算模型;并将模型应用于具有复杂地形特征的福建省,实现了该省GPP长时序模拟。研究结果表明：(1)地形特征是GPP机器学习估算的重要参数,融合地形特征建模的GPP模拟结果精度明显提高,均方根误差(RMSE)下降16%。(2) CatBoost GPP估算模型有效降低了传统GPP估算模型和常用机器学习(随机森林和支持向量机)GPP估算模型中存在的高估和低估现象,模型拥有更高的精度和更强的鲁棒性。本文GPP模拟精度：决定系数(R²)为0.888,RMSE为1.164 gC·m^-2·day^-1,平均绝对误差(MAE)为0.773 gC·m^-2·day^-1。(3)基于CatBoost GPP估算模型模拟的福建省多年GPP变化与GOSIF GPP估算结果...     

单镜头无人机在城市建筑物三维建模中的应用研究

基于消费级单镜头无人机构建城市建筑物三维模型,具有低成本、高效率、易操作等优势,能够较好地解决传统三维建模技术存在的工作量大、过程复杂、自动化程度低等问题.文章使用消费级单镜头无人机,通过设计"井"字型航线来获取城市建筑物倾斜影像数据,并在Smart3D软件环境下进行三维模型构建.     

模型嵌套技术在济南趵突泉泉域数值模型中的应用

在地下水数值模型中,经常需要对某一重点区进行详细刻画,模型嵌套技术仅需对原有模型进行较小的修改,并不需要重新进行网格剖分,就可以达到网格加密的目的。该文在系统分析济南趵突泉泉域水文地质条件的基础上,采用地下水数值模拟软件GMS10.0,建立了覆盖趵突泉泉域的地下水流数值模型,利用更加灵活、高效的共享节点的嵌套技术,对济南西郊重点区域进行加密,并与未加密、全局加密的模拟结果进行对比。结果表明:LGR在提高加密区和非加密区模拟精度的同时,大大缩减了模型的运行时间,并减小了磁盘空间的占用。随着济南市地表水转化地下水工程的建设,LGR可以应用于对断裂、补源河流、回灌井等的精确刻画,更好的为社会、工程服务。     

服务式2D、3D结合GIS的核心问题及其解决方案

3D GIS是GIS的发展方向,其研究尚处于基础理论阶段,目前,市场上还不存在成熟的真3D GIS.2D、3D结合是实现3D GIS的一条有效途径.服务式2D、3D结合GIS则是存服务式构架下实现2D GIS与三维可视化技术的无缝结合,即由GIS服务器提供传统的2D GIS服务,客户端提供用户界面及2D、3D数据融合渲...     

非首都功能疏解背景下北京市人口空间分布形态模拟

本文以北京市2005年和2010年公里网格人口分布数据为基础,运用CA-Markov模型模拟了北京市2015、2020、2025和2030年4期公里网格人口分布数据集;应用街道尺度的人口数据对模拟精度进行了验证;在模型可靠性良好的基础上,从产业疏解推动人口疏解的角度出发,结合北京市各街道各产业从业人口数据、产业疏解方向和中心城区人口疏解目标,确定了北京市各街道人口疏解的权重,并由此预测了2020年北京市中心城区人口疏解15%后的人口空间分布情况。研究表明： ① 2005-2010年,北京市约90%的公里网格人口密度等级为1级,集中在密云区、怀柔区、延庆区和房山区,而人口密度在10级以上的区域集中在西城区和东城区;② 在无人口疏解政策影响下,2015-2030年北京市公里网格人口分布呈现出低人口密度区域减少、中高人口密度区域增加的态势;③ 在人口疏解政策影响下,至2020年,中心城区人口分布从集中于中高密度等级转向集中于中低人口密度等级。中心城区最高人口密度等级的数值呈下降态势,并且高人口密度等级的区域占比也呈下降态势。除东城区外,其余5个中心城区的人口集中于人口密度等级为5-8级的区域。本文的研究成果可为人口管理、资源配置和政策制定提供科学参考。     

基于Dyna-CLUE改进模型和SD模型耦合的山区城镇用地情景模拟研究——以岷江上游地区为例

山区城镇扩张受山区地形和山地灾害等因素限制,而常用的土地利用模型难以有效表达这一特征。本文通过对Dyna-CLUE（Dynamic Conversion of Land Use and its Effects Model）模型进行改进并结合系统动力学（System Dynamic,SD）模型,充分发挥这2个模型在微观土地分配,及宏观情景模拟上的优势,很好地表达了山区地形和山地灾害等因素对山区城镇扩张的限制作用,为山区城镇扩张情景模拟提供了一个有效的方法。以岷江上游地区为例,根据研究区历史统计数据构建山区城镇用地SD模型,模拟低速发展、惯性发展和高速发展3种不同发展情景下城镇用地的需求,结合Dyna-CLUE改进模型,预测了对应情景下2011-2030年的城镇用地范围,并探究其对其他土地利用类型的影响。结果表明,发展速度越快,城镇主体越快达到地理限制区域的上限,并开始沿山间平地向两端扩张。耕地受山区城镇扩张的影响要远远超出其他土地利用类型,离城镇越近受影响越大。随着城镇扩张的加剧,其对自然环境的影响也逐渐增大。模型模拟结果能为山区城镇用地规划、评估由城镇扩张造成的生态环境问题和制定相应的对策提供有效的技术支撑。     

珊溪水库地区三维构造特征与深部水库诱发地震环境研究

利用大地电磁测深法首次在珊溪水库地区开展三维地震深部构造特征探测,获得该地区70 km²面积的三维电性结构,建立该区域深部三维地质构造模型,探讨水库地震发生的深部构造环境。结果表明：1）珊溪水库地下存在以双溪-焦溪垟断裂为主的3条断裂组成的向西南侧伏的三角形断块,2.5级以上地震基本发生在该特殊构造内。2）水库深部存在3个主要的“低阻通道”,地震活动集中在中部_f11-3“低阻通道”沿线,随着地下水沿f_11-3流体通道自东南向西北渗透,地震活动也沿该方向呈现阶段性迁移。3）水库东侧温州-泰顺断层及花岗岩阻隔双溪-焦溪垟断裂向东发展,造成地应力无法向东传播,可能是该断层以东无地震发生的主要原因。