[发明专利]城市排水仿真模拟系统的道路精细离散网格构建方法

摘要

本发明涉及一种城市排水仿真模拟系统的道路精细离散网格构建方法，属于市政工程信息技术、数据库技术与地理信息系统技术交叉领域。本发明从内涝仿真模型构建的需求出发，以道路面设计规范为约束条件，以常规地形图实测高程点为基础，应用道路横、纵断面局部高程变化曲线拟合方法，结合道路特征地形带矢量化图层，依据道路物理地形的数学模型插值加密平面高程信息，在排水仿真模拟系统平台下优化调整插值点数量和位置，从而构建出道路面精细离散高程网格单元，既快速、经济地实现了道路真实地形特征表达，又满足了内涝模型精确模拟的要求，尤其是正确表现了道路微地形特征对水流的疏导以及阻挡作用，对于排水仿真模拟技术的推广应用具有重要意义。

主权项

城市排水仿真模拟系统的道路精细离散网格方法，其特征在于：所述方法依次包含以下步骤：(1)在Access数据库系统平台下，按以下技术步骤提取城市道路地形高程点基础数据：道路地形高程点数据是描述道路地形变化细节和绘制基础三角形插值单元网格的基础，该类数据来自于城市的基础测绘地形图，采用人工测量方法在野外观测获取地面高程数据，处理后转换成测绘地形图；依据内涝仿真模拟研究范围，对地形图有效范围进行裁剪，从中采集所需地形高程点数据，并导入平台下的标准化Access数据库进行存储，作为道路数字高程模型的数据基础，该存储数据库系统的数据表基础结构包含点数据的X坐标、Y坐标和高程字段；(2)在地理信息系统平台下，按以下技术步骤建立矢量化的地形高程点图层和地形特征线图层，并完成图层间的空间坐标系统配准：(2.1)道路地形特征线矢量图层是描述道路轮廓，划分不同道路地形带的基础；该矢量线图层的数据源为通过对城市卫星影像图或地形图矢量转化后，获得的道路地形特征线矢量数据；该图层的存储套用地理信息平台下具有图层矢量蒙版的填充图层，并存储了特征矢量线的空间展布信息以及其类型信息；(2.2)基于地形高程点坐标信息，批量导入地理信息系统平台，绘制矢量化高程点图层，并设置该图层坐标系统为当地坐标系统；在地形高程点图层和特征线矢量图层的整合视图界面基础上，对坐标系统独立的点层和线层进行空间坐标配准，空间坐标的配准为选择研究区域内均匀分布的三个以上地形参照点，获得直角坐标系转换七参数，转换七参数分别包括空间坐标系X、Y和Z方向的三个平移参数和三个旋转参数，以及一个尺度变化参数，经过坐标系统转换后，建立统一坐标系统下的道路地形特征空间数据库，空间坐标匹配点选择为特征地物的转折点或交汇点；(2.3)现场补测特征高程点：为了提高精度，首先进行道路分段，道路分段标准为同一分段道路具有相同的断面路拱曲线形状，依据道路横断面地形变化和纵断面坡度变化，加密地形测量点，增补地形测量点布置于道路边线和不同地形带边界，道路中间分隔带边界的测量应避开交通高峰时段，道路低洼地区作为内涝模型重点关注区域，同样需加密测量高程点；(3)在排水仿真模拟系统平台下，完成道路特征地形的曲线拟合过程，并插值加密高程点，基于生成道路高程模型效果检验，优化调整插值点数量和位置，并基于内涝仿真模拟计算效率优选网格精度，最终构建出道路精细离散网格单元；道路特征地形的拟合处理方法是通过调用实测基础数据，经过顺序执行以下步骤完成对道路横纵断面地形的拟合处理过程：(3.1)调用模型构建区域的道路地形特征图层，包括高程点图层和特征线图层；(3.2)道路断面曲线拟合，按以下步骤进行：(3.2.1)路拱曲线拟合：通过选取位于同一横断面上的高程点，建立路宽和高程的直角坐标系；根据道路路拱曲线的对称性及直线与圆相切的特点，通过道路宽度和高程数据，拟合道路路拱曲线方程，横断面方程满足《城市道路设计规范》（CJJ37‑90）中要求；依据规范，道路横断面形式有单幅路、双幅路、三幅路及四幅路，不同类型道路采用不同拟合曲线类型，拟合曲线分别包括直线段和曲线段；单幅道路横坡设直线插圆曲线两面坡，直线坡坡度为1%～2%，圆曲线半径以单边切线长为1/3‑1/4半边铺装路宽选取；对道路中间设分车带的道路，包括双幅路和四幅路，则取消曲线段只做直线两面坡；三幅路中间主路采用与单幅路相同方法拟合，其他幅路设直线坡；依据规范要求所示，对各种类型道路横断面的表达均能够简单选用抛物线形、直线接抛物线形或折线形的路拱曲线形式；考虑同一道路上各断面的路拱曲线形状相同，只是高程值不同，因此，只要拟合出一个方程，增加相应高程差常数，即可得到道路任一横断面曲线方程；(3.2.2)道路纵断面曲线的拟合首先建立沿道路方向和竖向高程的直角坐标系，随后采用局部多项式法对道路边线测量点的高程数据进行回归分析和曲线拟合，拟合曲线方程为n次代数多项式；n次多项式的选择为从低次至高次进行优选，并以确定系数大于0.9为标准；通过构建最小二乘法的法方程组，矩阵求解出多项式的参数，从而得到表征道路纵断面地形变化的多项式方程；拟合纵断面曲线多项式符合道路基本设计规范，同时还需微调参数，使拟合曲线满足最小曲率半径R≥60m的要求；最后通过一横断面拟合曲线方程分别于道路中心、路宽1/4处、路宽3/4处和道路边界插值高程点，同时根据道路地形特征矢量线图层，分别建立各特征边界和路面地形线拟合曲线方程，特征边界和路面地形曲线与道路边线平行，并具有统一的起伏变化，带与带之间高差沿道路方向保持不变，其曲线方程形式表示为道路边线曲线方程加上高差h；(4)随后步骤为基于数学模型的道路地形高程点插值加密；(4.1)经过上述基于设计规范的道路地形曲线拟合处理过程，得到不同地形线的拟合曲线，道路地形线包括道路中心线、路宽1/4处地形线、路宽3/4处地形线、道路边线以及人行道、绿化带和分车带等的划分边界；依据道路纵断面坡度变化，采用不同插值精度，扩充高程点插值样本，当坡度较小时，沿断面曲线方向每隔1m～3m增加一个高程点；当路面坡度较大或形成道路低洼区域时，适当增大密度，每隔0.1～0.5m增加一个高程点，使生成的道路路面更加平缓；(4.2)在不同地形带相邻处，其地形高程变化具有突变性质，对相邻处的高程点插值采用 双排距离非常接近的点集数据，避免不同地形带间高程点集任意构网所产生的混搭现象；(5)以插值加密后的高程点集为基础，同时，将具有地形突变性质的结构边界，主要包括道路边线、路沿边线、人行道边线和绿化斜坡边线，作为硬隔断线参与地表狄洛尼不规则三角网格DEM的建立；形成的道路地形数字高程模型的效果检验包括三个方面：首先各道路地形带应轮廓鲜明，边界划分明显，除相邻地形带交接处双排紧密高程点，其余点集不能产生带间混搭现象；其次单一地形带内部应变化平缓，避免出现突变凹凸点；最后对于下凹式立交桥下穿部分的地形特征，在建立三角网格时需将上部能遮挡下部地形的桥梁部分高程点人工去除，从而得到具有空间高低特征表达的不规则三角网DEM模型；对于地形特征带内部的突变凹凸点，需对点集进行删除或调整处理；对于出现的带间混搭现象，转步骤（4）执行，加密和优化调整突变带连接处高程点数量和位置，重现生成三角网格模型，直至满足上述检验要求；(6)基于上述步骤构建的不规则道路三角网数字高程模型，通过地理信息系统的三维空间分析，对TIN三角形应用线性插值法转换得到正方形规则离散网格单元，网格精度与内涝仿真模拟计算效率相关，经过顺序执行以下步骤完成网格精度的选择：(6.1)基于道路三角网格模型，通过空间转换为0.1m×0.1m的正方形规则网格；其初始精度为最高转换精度，以转换后规则网格作为排水内涝仿真模拟输入条件，进行模拟运算，实现方法按以下步骤进行：(6.1.1)基于当地暴雨强度公式，构建芝加哥超标设计降雨过程线：以设计降雨过程线作为输入条件，在排水仿真模拟系统平台下完成管流过程演算模拟，管流演算的结果为排水管网系统的检查井和雨水口溢流水量随时间的变化过程线；(6.1.2)通过对不同地形特征带矢量线图层，沿道路横断面作封闭处理，转换为矢量多边形图层；按矢量线类型信息，多边形类型分为四类，分别为可渗透绿地面、可渗透铺砖面、不可渗透沥青面和不可渗透混凝土面；通过道路离散网格单元与矢量多边形进行空间叠加获得各单元网格的地表类型信息，同时依据管流模型溢流节点位置，通过与离散网格空间叠加，获得网格单元与管流模型的连接信息；道路离散网格单元模拟参数的初始化包括了：网格型心的X坐标、Y坐标、高程数值、地表类型以及与一维管流模型连接的水量变化过程线；(6.1.3)排水仿真模拟系统平台下完成道路网格二维非恒定流水力模拟，模拟结果为各网格单元，各时间步长的水深和流量数值；同时，结果还包括了完成二维模拟计算的系统运行总耗时长T；提取地表最不利网格单元模拟计算水深随时间变化过程线；(6.2)网格转换精度长宽以0.1m步长逐级降低，重复步骤(5.1.2)和(5.1.3)，最低精度以3m×3m为终止条件；以0.1m×0.1m精度下最不利网格型心坐标，提取当前精度下相同位置网 格单元计算水深变化过程线，计算内涝仿真模拟效率指数Rc，计算公式为： R c = w T × ( T c T 0.1 - 1 ) + W h × 1 n Σ t = 1 n | h c t h 0.1 t - 1 | 式中，Rc为当前精度下仿真模拟效率指数，WT和Wh为运行总耗时长权重系数和计算水深偏差权重系数，分别取作0.3和0.7；Tc和T0.1分别为当前网格精度和0.1m×0.1m精度下模拟运行总耗时长；thc和th0.1分别为t时刻，当前网格精度和0.1m×0.1m精度下，相同位置的最不利网格单元计算淹水水深；n为模拟计算总时段数；(6.3)0.1m×0.1m精度下的效率指数Rc为0，降低精度后的效率指数可能为正值或负值，转换网格精度的选择以最小的Rc值为判定标准。