一种基于水利模型元数据的流域雨洪模型重构方法与流程

1.本发明属于地理信息技术和水利模型技术交叉领域，具体涉及一种基于水利模型元数据的流域雨洪模型重构方法。


背景技术：

2.流域雨洪模型是流域水文模型和水力学模型的耦合模型，能够从流域层面开展气象水文信息多源耦合、流域水循环及伴生过程仿真数值模拟、水利工程优化调度模拟等工作，是数字孪生流域的核心。
3.模型构建是流域雨洪模型模拟计算基础工作，也是工作量最大的部分。传统的模型构建通常是在水利模型模型自身的构建界面中完成。随着地理信息技术的发展，模型的构建逐步与地理信息技术相结合，将各类水利要素转换为模型可以应用的模型数据，一定程度上提升了模型构建效率。但大部分还停留在数据检查、数据库设计和数据转换阶段，数据属性及关联结构的获取相对零散和繁琐，针对流域雨洪模型的构建并未形成一套完整高效的水利模型数据提取和重构方法。这在很大程度上限制了国内自主开发水利专业模型的推广应用和迭代升级。
[0004]“智慧水利”和“数字孪生流域”建设正在稳步推进，未来将汇集能多的数据，怎样实现模型基础数据的重构，使之完全适应流域雨洪模型构建需求，进一步打通数据到模型的关节环节具有重要意义。
[0005]
基于上述情况，本发明专利提出了水利模型元数据概念，以此为基础借助地理信息手段开展数据重构，实现流域雨洪模型的智能构建。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术的不足，为解决流域雨洪模型基础数据利用效率不高的问题，提出了一种基于模型元数据重构的流域雨洪模型智能重构方法，包括以下步骤：水利模型元数据分析、数据准备和检查、构建初始化模块、对初始化模块进行关联重构和将重构数据转换为水利模型输入文件数据。
[0007]
所述水利模型元数据分析的具体步骤包括：对流域雨洪模型构建所需要的要素及属性进行分析，确定水利模型元数据和流域范围线。
[0008]
所述水利模型元数据包括河道中心线、河道水域面、河道断面线、河道断面点、数字高程模型(dem)、水文站点、水利工程点和土地利用。
[0009]
所述流域范围线包括上游流域线和下游陆地与出口边界水域交界线。
[0010]
所述数据准备和检查的具体步骤包括：自动检查水利模型元数据是否满足流域雨洪模型数据重构要求，修复存在问题的要素。
[0011]
所述要素包括河道中心线、河道断面线、河道断面点、河道水域面和水利工程。
[0012]
所述构建初始化模块的具体步骤包括分别构建河道初始化模块、节点初始化模块、水文单元初始化模块、水文单元与雨量站关联模块、水文单元出流模块、河道断面线及
断面点初始化模块、堤防线及堤防点初始化模块、水利工程初始化模块、水文站点及序列初始化模块和水文单元蓄水曲线初始化模块。
[0013]
所述对初始化模块进行关联重构的具体步骤包括：
[0014]
(1)将河道中心线和河道断面线组合并排序形成河道重构数据；
[0015]
(2)将河道断面线和河道断面点组合并排序形成断面重构数据；
[0016]
(3)将水文单元与雨量站、河道中心线组合并排序形成水文单元重构数据；(4)将堤防线与堤防点组合并排序形成堤防重构数据。
[0017]
所述将重构数据转换为水利模型输入文件数据的具体步骤为：
[0018]
(1)对水利模型输入文件结构进行解析，借助python语言依次读取河道、断面、水文单元、堤防、节点、水利工程、水文站、时间序列和关系曲线形成的重构数据；
[0019]
(2)解析流域雨洪模型输入文件结构，按照输入文件格式将属性信息、空间关系和位置信息写入水利模型输入文件；
[0020]
(3)以已完成的水利模型输入文件数据为基础，构建流域雨洪模型。
[0021]
本发明的有益效果如下：
[0022]
(1)本技术公开的流域雨洪模型数据重构方法实现了流域雨洪模型水文及水动力模拟中所需各类要素的信息获取和结构关联，能够与模型输入文件相融合，在参数获取上更注重其物理意义的表达，对于相关参数确定研究具有支撑作用；
[0023]
(2)数据重构采用了流程化设计方法，将水利模型元数据输入重构模型后，可以自动执行相关操作，通过一系列的智能计算得到重构数据，提高了建模效率，保证了建模质量，加速形成水利模型研究成果；
[0024]
(3)本技术提出了水利模型元数据概念，初级的建模者只要完成水利模型元数据的准备工作，不用关注具体的模型构建问题，就能很好完成前期建模工作，降低了建模难度，有利于流域雨洪模型的推广应用。
附图说明
[0025]
图1为本发明流域雨洪模型的构建流程图；
[0026]
图2为本发明中河道初始化模块构建流程图；
[0027]
图3为本发明中节点初始化模块构建流程图；
[0028]
图4为本发明中水文单元初始化模块构建流程图；
[0029]
图5为本发明中河道断面线及断面点初始化模块构建流程图；
[0030]
图6为本发明中堤防线及堤防点初始化模块构建流程图；
[0031]
图7为本发明中水文单元蓄水曲线初始化模块构建流程图。
具体实施方式
[0032]
下面结合具体实施方式，并结合附图，对本发明作出进一步的说明。
[0033]
在下面的描述中凡是涉及上、下、左、右、前和后的方向性(或者称方位性)的概念均是针对正在被描述的图所处的位置状态而言的，目的在于方便公众理解，因而不能将其理解为对本发明提供的技术方案的特别限定。
[0034]
s1、水利模型元数据分析
[0035]
(1)对流域雨洪模型构建所需要的要素及属性进行分析，确定水利模型元数据，包括河道中心线、河道水域面、河道断面线、河道断面点、dem(数字高程模型)、水文站点、水利工程点、土地利用等要素；各要素属性字段要求如下述附表1：
[0036][0037]
(2)确定流域范围线，包含上游流域线和下游陆地与出口边界水域交界线，无需包含基础字段。(针对流域雨洪模型构建数据需求确定模型基础数据，这些满足模型构建最低要求的初始数据，即为水利模型元数据)
[0038]
s2、数据准备与检查
[0039]
自动检查水利模型元数据是否满足流域雨洪模型数据重构要求，修复存在问题的要素；具体检查内容如下述附表2：
[0040][0041][0042]
s3、构建初始化模块
[0043]
s3-1、河道初始化模块构建(如图2)
[0044]
(1)保留河道名称字段，添加河道编码、上游节点名称、下游节点名称、上游节点高程、下游节点高程、关联断面数量、水力计算模式，根据河道交汇和水工建筑物(水闸、泵站、堰坝)分布情况，自动划分河段并在河道编码中进一步命名；
[0045]
(2)生成河段的起点和终点，删除重复节点后作为河道节点，添加节点名称字段并自动编码，根据dem自动差值相应节点高程；
[0046]
(3)河道是一条有方向的线，将河道起点与上游节点相关联，终点与下游节点相关联，自动识别上下游节点并写入相应字段，同时关联相应节点高程；
[0047]
(4)将分段后河道中心线与河道断面线建立一对多的关联，统计各河段上断面数量，写入相应字段；
[0048]
(5)将水力计算模式默认赋值为dywave，删除多余字段。
[0049]
s3-2、节点初始化模块构建(如图3)
[0050]
(1)在步骤s3-1后，添加节点基础面积字段，默认赋值为节点关联河段最大河宽的平方；
[0051]
(2)按照流域范围和节点空间关系，划分节点类型为河汊节点和边界节点。
[0052]
s3-3、水文单元初始化模块构建(如图4)
[0053]
(1)构建城市水文单元和新安江水文单元空白模板，字段要求按照水文模型计算参数确定；
[0054]
(2)以流域线和河道中心线包围形成的区域作为水文单元；
[0055]
(3)提取水文单元中心点为水库湖泊蓄水节点并进行编码，标识字符为sj，从dem中提取最低高程；
[0056]
(4)从dem中提取坡度，并以分区为单元进行坡度均值统计，若坡度大于30度则归为新安江水文单元，否则为归为城市水文单元，分别进行编码，新安江标识字符为xaj，城市水文单元标识字符为scm；
[0057]
(5)对于新安江水文单元，各单元不透水面积百分比按照单元范围从土地利用相关图层中提取，其余参数初始值按推荐值赋值；
[0058]
(6)对于城市水文单元，不透水面积百分比同新安江水文单元，虚拟汇水道宽度、虚拟汇水道坡降由单元形状分析确定，不透水区洼蓄量、透水区洼蓄量、不透水区中无洼地面积百分比均由从dem中提取，其余参数初始值按推荐值赋值。
[0059]
s3-4、水文单元与雨量站关联模块构建
[0060]
(1)以雨量站点为输入生成泰森多边形；
[0061]
(2)按照各水文单元范围提取相应雨量站及其泰森多边形范围，计算雨量站权重占比。
[0062]
s3-5、水文单元出流模块构建
[0063]
(1)建立河道水域面与分段河道中心线的对应关系，以河道水域面为基础构建河道临水线，通过河道临水线建立与水文单元多对一的关系；
[0064]
(2)按照各出流河道长度进行分配出流面积；
[0065]
(3)对于无河道临水线对应的水文单元，建立与河汊节点的对应关系，将水文单元面积作为出流面积。
[0066]
s3-6、河道断面线及断面点初始化模块构建(如图5)
[0067]
(1)对河道断面线进行编码，标识字符为dm；
[0068]
(2)建立断面线与河道中心线多对一的关系，将断面线和河道中心线进行关联；
[0069]
(3)生成断面线与河道中心线的交点，计算交点所在河道断面线里程；
[0070]
(4)通过邻近分析将断面点垂直投影至相应断面线上，建立河道断面点与断面线多对一的关系，并统计断面上对应断面点数量，计算断面点所在断面线里程。
[0071]
s3-7、堤防线及堤防点初始化模块构建(如图6)
[0072]
(1)在步骤s3-5后，将河道两侧临水线的起点所在终点方向与河道中心线起点所在终点方向进行对比，若方向不一致，则改变相应线的方向，作为堤防线，对堤防线进行编码，标识字符为dk；
[0073]
(2)通过水文单元建立堤防线与s3-3生成的水库湖泊蓄水节点的关系；
[0074]
(3)确定堤防线与断面线的交点，作为堤防点，同时建立与堤防线的对应关系，堤防点高程值取5m范围内水域断面点最大高程值，计算堤防点所在堤防线里程。
[0075]
s3-8、水利工程初始化模块构建
[0076]
(1)在s3-1后选取河道断面线统计数量为0的分段河道中心线作为水利工程要素，分为水闸、泵站、堰坝3类；
[0077]
(2)结合水利工程点赋值相关属性，其中水闸包括名称、类型、基础高程、过流系数等，泵站包括名称、水力模式、关系曲线、初始状态等，堰坝包括名称、断面类型、堰顶高程、流量系数、侧向收缩系数等。
[0078]
s3-9、水文站点及序列初始化模块构建
[0079]
(1)从水文数据库或者相应数据表中提取水文站点，包括雨量站、蒸发站、水位站；
[0080]
(2)分别确定各站点系列类型及时间序列名称，时间序列包含时间序列名称、时间点及数值等。
[0081]
s3-10、水文单元蓄水曲线初始化模块构建(如图7)
[0082]
(1)结合房屋建筑物和洼地分布对dem进行修正；
[0083]
(2)在s3-3后对水文单元进行修整，剔除与河道水域面重合部分，并与水库湖泊蓄水节点建立连接；
[0084]
(3)各单元从最低高程起每隔10cm生成对应面要素30个，基于dem计算面体积，相邻面体积数据可推算高程对应面积，完成计算后合并到统一图层并按高程排序。
[0085]
s4、对子模块数据开展关联重构
[0086]
(1)将河道中心线和河道断面线组合并排序形成河道重构数据；
[0087]
(2)将河道断面线和河道断面点组合并排序形成断面重构数据；
[0088]
(3)将水文单元与雨量站、河道中心线组合并排序形成水文单元重构数据；
[0089]
(4)将堤防线与堤防点组合并排序形成堤防重构数据。
[0090]
s5、将重构数据转换为水利模型输入文件数据
[0091]
(1)借助python语言依次读取河道、断面、水文单元、堤防、节点、水利工程、水文站、时间序列、关系曲线等重构数据；
[0092]
(2)解析流域雨洪模型输入文件结构，按照输入文件格式将属性信息、空间关系、位置信息等要素写入水利模型输入文件；
[0093]
(3)以已完成的水利模型输入文件数据为基础，构建流域雨洪模型。
[0094]
本技术以水域调查数据为基础，将质检后的河道中心线、河道水域面、河道断面线、河道断面点、dem(数字高程模型)、水文站点、水利工程、土地利用等要素作为水利模型元数据，利用gis进行一系列的关联重构，生成新的河道、节点、水文单元、河道断面、堤防、水利工程、水文站点及序列、水文单元蓄水曲线等要素，这些要素的数据结构及属性均满足流域雨洪模型构建要求，再通过python程序转换数据为模型输入文件格式，实现流域雨洪模型的一键快速构建(如图1所示)。基于水利模型元数据的模型重构方法实现了数据处理的批量化、智能化，使流域雨洪模型构建工作高效、可复制、可追溯。
[0095]
以上内容是结合本专利的优选实施方式对所提供技术方案所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明，对于本专利所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本专利的保护范围。

技术特征：
1.一种基于水利模型元数据的流域雨洪模型重构方法，其特征在于，包括以下步骤：水利模型元数据分析、数据准备和检查、构建初始化模块、对初始化模块进行关联重构和将重构数据转换为水利模型输入文件数据。2.如权利要求1所述的一种基于水利模型元数据的流域雨洪模型重构方法，其特征在于，所述水利模型元数据分析的具体步骤包括：对流域雨洪模型构建所需要的要素及属性进行分析，确定水利模型元数据和流域范围线。3.如权利要求2所述的一种基于水利模型元数据的流域雨洪模型重构方法，其特征在于：所述水利模型元数据包括河道中心线、河道水域面、河道断面线、河道断面点、数字高程模型、水文站点、水利工程点和土地利用。4.如权利要求2所述的一种基于水利模型元数据的流域雨洪模型重构方法，其特征在于：所述流域范围线包括上游流域线和下游陆地与出口边界水域交界线。5.如权利要求1所述的一种基于水利模型元数据的流域雨洪模型重构方法，其特征在于，所述数据准备和检查的具体步骤包括：自动检查水利模型元数据是否满足流域雨洪模型数据重构要求，修复存在问题的要素。6.如权利要求5所述的一种基于水利模型元数据的流域雨洪模型重构方法，其特征在于：所述要素包括河道中心线、河道断面线、河道断面点、河道水域面和水利工程。7.如权利要求1所述的一种基于水利模型元数据的流域雨洪模型重构方法，其特征在于，所述构建初始化模块的具体步骤包括分别构建河道初始化模块、节点初始化模块、水文单元初始化模块、水文单元与雨量站关联模块、水文单元出流模块、河道断面线及断面点初始化模块、堤防线及堤防点初始化模块、水利工程初始化模块、水文站点及序列初始化模块和水文单元蓄水曲线初始化模块。8.如权利要求1所述的一种基于水利模型元数据的流域雨洪模型重构方法，其特征在于，所述对初始化模块进行关联重构的具体步骤包括：将河道中心线和河道断面线组合并排序形成河道重构数据；将河道断面线和河道断面点组合并排序形成断面重构数据；将水文单元与雨量站、河道中心线组合并排序形成水文单元重构数据；将堤防线与堤防点组合并排序形成堤防重构数据。9.如权利要求1所述的一种基于水利模型元数据的流域雨洪模型重构方法，其特征在于，所述将重构数据转换为水利模型输入文件数据的具体步骤为：（1）对水利模型输入文件结构进行解析，借助python语言依次读取河道、断面、水文单元、堤防、节点、水利工程、水文站、时间序列和关系曲线形成的重构数据；（2）解析流域雨洪模型输入文件结构，按照输入文件格式将属性信息、空间关系和位置信息写入水利模型输入文件；（3）以已完成的水利模型输入文件数据为基础，构建流域雨洪模型。

技术总结
本发明属于地理信息技术和水利模型技术交叉领域，具体涉及一种基于水利模型元数据的流域雨洪模型重构方法，包括以下步骤：水利模型元数据分析、数据准备和检查、构建初始化模块、对初始化模块进行关联重构和将重构数据转换为水利模型输入文件数据。本发明公开的流域雨洪模型数据重构方法实现了流域雨洪模型水文及水动力模拟中所需各类要素的信息获取和结构关联，能够与模型输入文件相融合，在参数获取上更注重其物理意义的表达，对于相关参数确定研究具有支撑作用。确定研究具有支撑作用。确定研究具有支撑作用。


技术研发人员：孟祥永 穆锦斌 陈一帆 周雁潭 唐雯雯 申振东 李鹏辉 杨洁
受保护的技术使用者：浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院）
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/5