技术领域
[0001] 本
发明属于城市洪水仿真数值模拟技术领域，涉及沿海城市遭遇强
风暴潮后城市内涝形成的过程模拟，特别涉及一种基于倾斜影像建模的三维水动力数值模拟方法。
背景技术
[0002] 极端大气扰动诱发的
风暴潮使沿海城市面临洪涝灾害风险，尤其当其与天文潮同
相位叠加时，会造成大量洪水漫过堤防涌入沿海城市。洪水入侵给当地经济造成严重损失。城市洪水演进数值模拟根据历史灾情统计数据确定边界条件，依据地形
地貌起伏状况识别洪水演进路径，求解每一瞬时流场变量空间分布，分析沿海城市洪水内涝风险，对城市防洪减灾至观重要。
[0003] 早期的研究根据历史灾情统计信息评估洪灾风险忽略了城市内部建筑构造及水流动力学特征，在快速变迁的城市中应用明显不足。由于
气候变化和快速的城市化，洪水变得越来越频繁，洪水造成的损失及其对社会的影响在不断增加，采用历史灾情统计信息评估城市内涝愈发困难。近年来，依据水动力模型的城市洪水数值模拟愈发成熟，成为城市洪水风险性评估的重要辅助工具。Demirkesen等结合GIS与DEM栅格数据，采用智能
算法求解洪水路径，分析城市洪水淹没情况并绘制不同重现期下的洪灾风险图，为城市防洪风险控制与决策提供了支持。Yin等基于雷达降水数据构建高
分辨率二维水动力模型开展城市洪水分析及脆弱性评估。真实地形下的洪水演进过程因能仿真实际淹没过程从而为防洪减灾提供参考而迅速发展。Liang利用TVD-MacCormack和Standard MacCormack两种格式求解二维浅水方程，通过耦合实际地形及
建筑物，模拟城区洪水淹没过程，从而为城市升级改造提供设计依据。Sandra等人利用有限体积法模拟瞬间溃坝后水流在理想化城市中的传播过程，采用两种建筑物布局方式分别进行数值模拟及物理模型实验，捕捉流场中完整的水深、流速、压强信息，从而为复杂模型的洪水演进模型验证提供参考。Hubbard基于地形、洪水淹没、建筑物
位置、地基高程以及道路建立结构易损性五级分析模型，将历史洪水应用于校园研究了极端洪水灾害下建筑物的易损性，根据计算结果制定应急疏散措施。Bernhard Gems利用flow 3d基于实际地形再现滨水建筑物内部的淹没过程，制定洪水风险分析、评价以及应急措施，最大程度减小生命财产损失。洪水演进数值模拟本质上是三维过程，需要基于真实地形地貌起伏变化特征开展三维洪水数值模拟，模拟结果才能真正的指导实践，指导防灾减灾工作的顺利进行。
[0005] 1)二维水动力数值模拟基于浅水方程求解城市洪水演进过程，忽略垂向流速梯度变化并采用静水压力近似城市压强空间分布，适用于具有开阔水面的水域，其水平尺度远大于垂向尺度，流速在垂向的大小和变化远小于水平方向的大小和变化，因而用流速沿水深方向的平均值表示垂直方向流速。因此，在地形起伏多变、建筑物密集分布、街道纵横交错的城市范围内，计算结果准确度不高，实用性不强。
[0006] 2)精细化地形对水流运动状态产生决定性影响，但现有研究并未对地形数据给予足够重视，未将完整地物地貌纳入计算范围内，导致模拟与现实状况脱节，制约数值模拟的应用。
[0007] 目前精确展现城市范围内洪水动力过程的研究较少，将倾斜摄影测量技术应用于城市洪水数值模拟并求解建筑物内部的水流过程的研究更是少之又少，迄今国内外文献尚无该方面报到，富有开创性和挑战性。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供一种基于倾斜影像建模的城市三维水动力数值模拟，结合BIM、GIS技术在倾斜摄影创建的城市模型
基础上构建真三维数字城市模型，拥有完整的建筑物空间分布信息、完整的街道分布等地物地貌细节，实现高
精度洪水数值模拟，从而优化沿海城市防灾减灾工程布置，优化应急救援措施工作的顺利开展。
[0009] 本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
[0010] 一种基于倾斜影像建模的三维水动力数值模拟方法，其特征在于：所述模拟方法的步骤为：
[0011] 1)基于倾斜影像建模，融合
建筑信息模型、
地理信息系统等技术构建三维数字城市模型；
[0012] 2)根据历史灾情统计资料，结合地物地貌为数字城市模型施加符合实际的边界条件、初始条件；
[0013] 3)开展精细化城市洪水数值模拟，包括求解局部建筑物内部洪水淹没过程，得到洪水演进过程中各物理变量的
时空变化规律，从不同侧面展示洪水演进过程的三维特性；
[0014] 4)开展洪水风险性分析，结合研究区域内人口分布，水深、流速、压强等场变量空间分布，分析人口暴露性，评估沿海城市洪水风险；
[0015] 而且，所述步骤1)数字城市模型创建方法包括：
[0016] 1)数据完整性验证和数据
质量评估。在保证数据完备的前提下，删除具有噪声、错位等明显
缺陷的影像，对其余影像匀光匀色以获取均一分辨率影像；
[0017] 2)识别影像特征点，构建特征
数据库。对多视影像进行特征点匹配，建立多幅影像同名控制点的关联；
[0018] 3)采用多视影像密集匹配技术与多视立体匹配(PMVS2)算法，基于特征数据库，
迭代求解高度冗余的控制点以摄像机空间方位，获取高
密度空间点
云数据，生成不规则三
角网模型(TIN)；
[0019] 4)将具有精确坐标信息的纹理影像数据与TIN模型匹配，最终生成具有完整地物地貌的数字城市模型；
[0020] 5)在上述城市模型基础上，结合GIS空间
定位和BIM建模技术，构建感兴趣区域的三维模型，包含完整的建筑物内、外部空间信息的完整描述。
[0021] 而且，所述步骤2)、3)中数字城市模型构建三维水动力模型方法包括：
[0022] 1)根据历史灾情统计资料设定研究区域的边界条件和初始条件；
[0023] 2)设定网格尺寸保证其能精确捕捉
水动力学特征，并进行网格无关性验证；
[0024] 3)采用雷诺平均N-S方程和RNG k-ε
湍流模型求解过坝水流运动及湍动情况，其连续方程如下：
[0025]
[0026] 其中：ui代表平均速度，xi为是维度，t为时间，p为压力，ρ为
流体密度，gi为重力
加速度分量，v为分子运动
粘度，vt为
涡流运动粘度。
[0027] 湍流涡旋粘度通过如下形式的湍
动能k和湍流耗散率ε计算：
[0028]
[0029] 其中C为常数，RNG k ε model采用修正的湍流耗散率表征湍动强度，k ε的输运方程如下：
[0030]
[0031]
[0032] 其中，Rε为湍流的剪切性能，G为湍流动能的速率，模型中的系数取值如下：
[0033] Cμ＝0.085，Cε1＝1.42，Cε2＝1.68，σk＝σε＝0.7194，β＝0.012，η＝4.38[0034] 时间步长根据Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)条件确定，三维模型中的CFL条件具有如下形式：
[0035]
[0036] 其中，C是无量纲常数，其取值依赖于要求解的特定方程；采用显示时间推进格式求解，C值设为1，根据CFL条件能够确定出一个时间步长，计算过程采用的时间步长要小于CFL确定的时间步长，能有较大的概率保证数值模拟的收敛
稳定性。
[0037] VOF(Volume of Fluid)方法被用于求解自由表面运动；气、液自由表面的追踪通过如下形式的连续方程进行求解：
[0038]
[0039] 任何有限控制体均填满气体或液体或两者的混合物，依赖于液体的体积分数αw，[0040] 基于求解上述控制方程，大坝泄洪和洪水演进数值模拟能够顺利进行，采用有限体积法对控制方程进行数值离散；在每个控制体积内，按变量的体积平均进行计算，包括压力、体积分数、密度、粘度、湍动能和湍流耗散率被逐一求解，控制体上的面流通量、面
应力和体积力被求解守恒方程。
[0041] 本发明的优点和有益效果为：
[0042] 1、本发明在倾斜摄影构建的城市表面基础上，结合地理信息系统、建筑信息模型技术，构建感兴趣区域的三维模型并将两者整合，实现感兴趣区域三维城市模型的创建。
[0043] 2、本发明在高精度三维城市数字模型的基础上开展三维水动力数值模拟，能够更真实有效的施加边界条件和初始条件，保证模拟与实际情况的一致性，极大的提高数值模拟的准确性。
[0044] 3、本发明高精度洪水数值模拟能将洪水演进过程中与地形起伏、建筑物碰撞等形成的复杂动力学特征考虑在内，实现更高精度的洪水数值模拟，并能够将建筑物内部的洪水过程准确呈现。
附图说明
[0046] 图2为融合BIM、GIS技术的数字城市模型构建
流程图；
[0047] 图3为水动力模型水深及淹没范围分布图；
[0048] 图4为三维水动力模型透视图；
[0049] 图5为建筑物内部的洪水演进过程图；
[0050] 图6为研究区域风险性评估图。
具体实施方式
[0051] 下面通过具体
实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0052] 一种基于倾斜影像建模的三维水动力数值模拟方法，其特征在于：所述模拟方法的步骤为：
[0053] 1)基于倾斜影像建模，融合建筑信息模型、地理信息系统等技术构建三维数字城市模型；
[0054] 2)根据历史灾情统计资料，结合地物地貌为数字城市模型施加符合实际的边界条件、初始条件；
[0055] 3)开展精细化城市洪水数值模拟，包括求解局部建筑物内部洪水淹没过程，得到洪水演进过程中各物理变量的时空变化规律，从不同侧面展示洪水演进过程的三维特性；
[0056] 4)开展洪水风险性分析，结合研究区域内人口分布，水深、流速、压强等场变量空间分布，分析人口暴露性，评估沿海城市洪水风险；
[0057] 步骤1)数字城市模型创建方法包括：
[0058] 1)数据完整性验证和数据质量评估。在保证数据完备的前提下，删除具有噪声、错位等明显缺陷的影像，对其余影像匀光匀色以获取均一分辨率影像；
[0059] 2)识别影像特征点，构建特征数据库。对多视影像进行特征点匹配，建立多幅影像同名控制点的关联；
[0060] 3)采用多视影像密集匹配技术与多视立体匹配(PMVS2)算法，基于特征数据库，迭代求解高度冗余的控制点以摄像机空间方位，获取高密度空间点云数据，生成不规则三角网模型(TIN)；
[0061] 4)将具有精确坐标信息的纹理影像数据与TIN模型匹配，最终生成具有完整地物地貌的数字城市模型；
[0062] 5)在上述城市模型基础上，结合GIS空间定位和BIM建模技术，构建感兴趣区域的三维模型，包含完整的建筑物内、外部空间信息的完整描述。图2为融合BIM、GIS技术的数字城市模型构建流程。
[0063] 步骤2)、3)中数字城市模型构建三维水动力模型方法包括：
[0064] 1)根据历史灾情统计资料设定研究区域的边界条件和初始条件；
[0065] 2)设定网格尺寸保证其能精确捕捉水动力学特征，并进行网格无关性验证；
[0066] 3)采用雷诺平均N-S方程和RNG k-ε湍流模型求解过坝水流运动及湍动情况，其连续方程如下：
[0067]
[0068] 其中：ui代表平均速度，xi为是维度，t为时间，p为压力，ρ为流体密度，gi为
重力加速度分量，v为分子运动粘度，vt为涡流运动粘度。
[0069] 湍流涡旋粘度通过如下形式的湍动能k和湍流耗散率ε计算：
[0070]
[0071] 其中C为常数，RNG k ε model采用修正的湍流耗散率表征湍动强度，k ε的输运方程如下：
[0072]
[0073]
[0074] 其中，Rε为湍流的剪切性能，G为湍流动能的速率，模型中的系数取值如下：
[0075] Cμ＝0.085，Cε1＝1.42，Cε2＝1.68，σk＝σε＝0.7194，β＝0.012，η＝4.38[0076] 时间步长根据Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)条件确定，三维模型中的CFL条件具有如下形式：
[0077]
[0078] 其中，C是无量纲常数，其取值依赖于要求解的特定方程；采用显示时间推进格式求解，C值设为1，根据CFL条件能够确定出一个时间步长，计算过程采用的时间步长要小于CFL确定的时间步长，能有较大的概率保证数值模拟的收敛稳定性。
[0079] VOF(Volume of Fluid)方法被用于求解自由表面运动；气、液自由表面的追踪通过如下形式的连续方程进行求解：
[0080]
[0081] 任何有限控制体均填满气体或液体或两者的混合物，依赖于液体的体积分数αw，[0082] 基于求解上述控制方程，大坝泄洪和洪水演进数值模拟能够顺利进行，采用有限体积法对控制方程进行数值离散；在每个控制体积内，按变量的体积平均进行计算，包括压力、体积分数、密度、粘度、湍动能和湍流耗散率被逐一求解，控制体上的面流通量、面应力和体积力被求解守恒方程。
[0083] 步骤3)中的模型验证包括：
[0084] 缺乏百年一遇风暴潮诱发城市内涝实测资料，加之原位观测捕捉复杂水动力现象的有限精度，制约着洪水演进数值模拟的验证。目前，绝大部分研究成果采用洪水淹没范围验证数值模拟的准确性。为此，分别采用具有水深数据的城市洪水物理模型实验和2019年4月16日观测到的涨潮过程及其淹没范围来验证模型的准确性。
[0085] 采用的物理模型试验由意大利科研人员构建，采用1∶100比尺重塑城市
原型，18个立方体交错布置表征建筑物分布，参考图3，10个测点处用水位计动态观测水位变化，被广泛用于水动力模型验证。利用该物理模型提供的资料构建城市地形，然后构建三维水动力数值模拟求解10测点位置处的水深历时变化过程，用以验证水动力模型的适用性和准确性。
[0086] 比较10个测点水深变化的试验值与模拟值表明，参考图4，各点水深平均误差均在15％以内。
[0087] 步骤4)中的洪水风险分析包括：
[0088] 图3展示了水动力模型水深及淹没范围空间分布。三维水动力数值模拟能够精确捕捉高程梯度变化，从而保证洪水根据水动力特征沿流道向城市内部纵深，造成更大范围的淹没。基于数字城市模型的洪水演进数值模拟能够高精度的再现城市内部洪水演进过程，提高灾害
预防能力。
[0089] 图4从不同角度展现流场空间分布特征。洪水登陆时，首先入侵地势低平区域，沿道路和裸地向城市内部逐步推进。由于城市内部地势逐步升高，且由于建筑物的阻挡导致水流运动趋缓，洪水无法继续深入城市内部，因而洪水主流向四周扩散，造成更大范围的淹没。风暴潮引发沿海普遍增水导致城市内部洪水无法自行排入海湾，同时源源不断的洪水不断涌入城市内部，造成街道淹没，建筑物淹没，城市内涝危害进一步加重。
[0090] 图5展示了建筑物内部洪水演进过程。水流在模拟58s后到达建筑物外部，并开始由
门、窗等进入房屋内部，70s后地板完全被洪水淹没。由于墙面的阻挡，建筑物内部洪水垂向速度分量明显。复杂的流态特征与流场是瞬时变化特征凸显了三维水动力模拟的必要性，而数字城市模型为此提供基础数据，两者之间密不可分，缺一不可。建筑物对洪水影响较大，不仅通过碰撞阻塞洪水运动改变洪水路径，同时能够为洪水提供过流通道，因而完整的建筑物空间描述对更精确了解城市洪水空间分布特征至关重要。
[0091] 图6为研究区域洪灾风险性评估。百年一遇风暴潮造成的城市内涝集中在沿岸200m范围内，海岸堤防的存在大大削弱了洪水的
能量。水深大于0.2m的淹没面积达
0.38km2，占研究区域的16.9％，给区域内400人的正常生产生活造成严重影响，洪水影响人口分布如图6。
[0092] 尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附
权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和
修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
