基于栅格数据的溃坝洪水演进快速模拟

针对紧急条件下的溃坝洪水演进模拟实时要求高、灾情资料相对匮乏的问题,文章提出了一种基于栅格数据的水动力学溃坝洪水演进模拟算法。算法以栅格地形为基础,采用水动力学原理和GIS地形分析技术相结合的方法进行多次迭代计算。利用曼宁公式计算栅格单元间的流量,通过分析不同栅格单元洪水的流速特征,自适应计算迭代步长和计算次数,通过确定栅格间的洪水演进顺序,实现溃坝后洪水演进速度、淹没范围和水深的动态预估。选用安徽省王家坝蓄洪过程进行实验和对比验证。结果表明,该方法具有输入数据少、算法简单、计算速度快等特点,其模拟过程与历史灾情基本吻合,能够适应应急环境下的洪水演进模拟需要。     

溃坝洪水演进的光滑粒子流体动力学分析

传统GIS在实现溃坝洪水过程模拟时通常是采用无源淹没分析或有源淹没分析方法,这些方法忽略了洪水演进过程中的物理学与动力学因素,模拟结果的时效性、可靠性较差,表达效果也较为简单。针对此问题,该文提出结合光滑粒子流体动力学方法与GIS相关技术实现溃坝洪水演进的三维动态可视化及分析,以光滑粒子流体动力学生成的海量多维时空序列流体粒子数据为基础,研究了粒子数据的建模及时空数据的时空建模技术。最后在自主研发的系统中实现了溃坝洪水演进的三维动态可视化表达及分析,应用效果良好。     

基于并行元胞自动机的水体污染物扩散模拟

研究影响水体污染物扩散的因素,使用计算机快速地对水体污染物进行模拟,能够为水体污染物的控制提供决策支持。将元胞自动机与并行计算相结合,能够高效地模拟水体污染物扩散。分析了元胞自动机的构成,综合考虑了污染物浓度、风向、风速、水流方向、水流速度、水体边缘等因素对污染物扩散的影响,设计了面向水体污染扩散的元胞自动机模型。分析了MPI(Message Passing Interface)在并行计算方面的优势,设计了面向水体污染物扩散的并行元胞自动机模拟算法流程,实现了水体污染物扩散的模拟。对比分析了面向水体污染物的元胞自动机串行计算、单机并行计算和多机并行计算的执行时间,结果表明,运用并行元胞自动机可以节省计算时间,提高计算效率。     

基于CA模型的西安城市空间扩展模拟及误差分析

元胞自动机(CA)是城市发展动态模拟的重要工具。本文以西安市为例,利用基于遗传算法的CA模型对西安市1990-2007年的城市发展进行模拟,得到了较好的效果。结果表明,运用遗传算法建立的CA模型能够较好地模拟城市发展状态;对模拟误差分析表明,影响城市土地利用变化机制的尺度特征,城市规划调整、重大事件、重大建设项目和行政区划调整等过程,城市不同发展阶段和不同区位的扩展类型等都将影响确定转换规则、寻找最佳参数和模拟精度的结果。     

河道洪水演进数值模拟及其在GIS平台上的可视化

针对公共安全应急平台中灾害预测预警和应急处置的快速反应需求,建立了基于圣维南方程的河道洪水演进的水动力学模型。采用库朗格式的特征线方法对基本方程进行数值求解,得出水位和流量沿河道的时空变化关系,在此基础上进一步研究了基于GIS的洪水演进可视化方法。最后,通过天然河道模拟实例验证了所建模型的可靠性和实用性。     

应急平台中一维洪水演进模型研究

根据应急平台的特点和需求,建立了一维洪水演进数学模型。利用简便易行的基于特征线法的库朗格式求解方程,应用Matlab编制了洪水演进计算程序,并利用其强大的绘图功能实现了计算结果的可视化显示和分析。通过对长江某河段实测资料的建模分析和应用研究,验证了模型的实用性和可靠性。     

基于逻辑回归CA模型的溢油模拟与预测

结合逻辑回归方法和元胞自动机模型构建了逻辑回归CA模型,模型中的逻辑回归方法能够很方便地获取影响因子的权重,再设置起止条件等,便可以模拟出溢油的动态变化情况。把模型应用到Deep Spill项目的溢油模拟实验中,结果表明,从模型结果的形态看,模拟结果与检验结果吻合程度较高,能够很好地模拟出溢油扩散与漂移等重要的溢油特性。从统计分析中可知,模拟结果的总精度可达96.8%,Kappa系数达到0.834。     

基于水文仿真模型与GIS的三维可视化在城市洪水演进中的模拟研究——以马鞍山为例

本文对城市三维可视化虚拟场景构建和洪水演进实时动态模拟及其实现方法进行研究。以洪水水文数学模型为核心计算方法,对系统构建过程中的关键技术进行了深入探讨和研究,构建了城市洪水演进和洪水淹没三维模拟系统。研究表明,三维可视化技术与水力学模型结合提高了模型计算结果的准确性和可视性,对于城市防洪决策及水利工程有重要意义。以安徽省马鞍山市为应用实例,实现了城市三维地形仿真场景模拟及洪水演进分析和三维模拟。     

基于镶嵌数据集的洪水演进动态模拟

为使洪水演进中计算得到的枯燥的水文数据变得直观形象,进一步丰富洪水演进可视化手段,以离散水深点数据为基础,采用两种空间插值方法,对比了不同插值方法所生成栅格的优劣,选用合适的插值方法创建水深栅格,并通过构建镶嵌数据集实现了洪水的动态演进和可视化,直观形象地模拟了洪水演进的过程,为防洪减灾决策提供技术支持。     

基于六边形格网的城市内涝洪水演进方法研究

基于六边形格网建模的方式研究城市内涝洪水的演进过程,采用离散格网的方法,建立了一种基于规则多尺度离散格网的城市几何模型,通过三维地形测量数据和二维建筑物矢量数据的融合,形成了规则的地表格网模型,该模型同时考虑了城市地形和建筑等特殊阻拦体。在此基础上,提出了一种逆向的水流推演方法,由洪水的状态反算演进过程,即以洪水的水淹深度为基础,通过与出(排)水口的连通性,计算水淹的范围,由此实现了城市内涝洪水的模拟推演。试验表明,本文方法能够有效地实现城市内涝场景的演进推演,可以为城市防减灾与应急决策提供科学依据。     

基于GPGPU技术快速提取数字表面模型

介绍一种基于通用计算图形处理单元（GPGPU）技术快速提取数字表面模型（DSM）的方法,探讨了使用LiDAR和摄影测量方法获取数字表面模型的不同特点,并通过分别使用CPU和GPU技术获取一个大面积山区数字表面模型的案例对比,证明了基于CUDA架构的数字表面模型提取方法是有效和可行的。     

A minimum-volume oriented bounding box strategy for improving the performance of urban cellular automata based on vectorization and parallel computing technology

ABSTRACT

As an effective tool for simulating spatiotemporal urban processes in the real world, urban cellular automata (CA) models involve multiple data layers and complicated calibration algorithms, which make their computational capability become a bottleneck. Numerous approaches and techniques have been applied to the development of high-performance urban CA models, among which the integration of vectorization and parallel computing has broad application prospects due to its powerful computational ability and scalability. Unfortunately, this hybrid algorithm becomes inefficient when the axis-aligned bounding box (AABB) of study areas contains many unavailable cells. This paper presents a minimum-volume oriented bounding box (OBB) strategy to solve the above problem. Specifically, geometric transformation (i.e. translation and rotation) is applied to find the OBB of the study area before implementing the hybrid algorithm, and a set of functions are established to describe the spatial coordinate relationship between the AABB and OBB layers. Experiments conducted in this study demonstrate that the OBB strategy can further reduce the computational time of urban CA models after vectorization and parallelism. For example, when the cell size is 15 m and the neighborhood size is 3 × 3, an approximately 10-fold speedup in computational time can result from vectorization in the MATLAB environment, followed by an 18-fold speedup after implementing parallel computing in a quad-core processor and, finally, a speedup of 25-fold by further using an OBB strategy. We thus argue that OBB strategy can make the integration of vectorization and parallel computing more efficient and may provide scalable solutions for significantly improving the applicability of urban CA models.     

基于GIS空间分析的应急洪水风险图制作

洪水风险图是直观反映某一区域洪水风险信息的专题地图,可以作为一种重要的防洪非工程措施,正确进行洪水灾害的预测和评估,对预防灾害、应急处理具有重要的意义。本文主要描述如何通过GIS空间分析技术快速进行洪水分析来制作洪水风险图的方法。     

基于CA的城市人口密度分布动态模拟——以长沙市人口密度变化为例

利用元胞自动机（CA）进行模拟可以帮助认识城市人口密度分布的演变过程,并为相关的调控提供决策依据。以长沙市为例,由元胞自动机层构建了精确到街道的长沙市人口密度分布仿真模型,对2000～2005年人口密度分布进行重建,与实际情况对比,整体预测精确度达76％以上;并对2010年,2015年人口密度分布进行了预测,结果表明,长沙市仍处于城市发展的初期阶段,市区人口密度分布受交通通达度、距市中心距离、公共设施便利性、环境、政府主导等多因子影响,总体呈现典型的Clark分布。     

洪水灾害模拟及评估

针对洪水灾害评估的特点,将GIS技术与RS技术相结合,根据数字高程模型DEM提供的三维数据和遥感影像数据,运用GIS的空间分析功能来预测、模拟显示红水河流域洪水淹没场景,并结合该流域水文站降雨量数据和各乡镇人口密度数据以及其他辅助数据进行洪水灾害评估。