[发明专利]一种基于CD-TIN的城区地表特征点汇水量计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及到城区雨洪内涝分析与模拟仿真领域，特别是城区暴雨致涝的模拟仿真领域，是一种基于CD-TIN并顾及城区精细高程模型和地表多元特征的、能够精确计算城区地表特征点汇水量的方法。

背景技术

从古至今，暴雨及其衍生灾害一直是中华民族的心腹大患^[1]。1931年的长江洪涝导致武汉市全城内涝长达数月之久，数十万人罹难，千万灾民流离失所^[2]。研究表明，由于大城市城区气温高、空气中粉尘大，周边上升气流形成向城市汇聚性运动。一旦上升的热气流遭遇高空强对流的冷气团，就会形成以城市为中心的暴雨，即所谓的城市雨岛效应^[3]。城市雨岛效应是城市热岛效应与尾气颗粒的综合作用，导致城市上空经过的冷空气加速凝结而降雨^[4]。当代社会，因暴雨及城市排水问题引发的城市内涝成为一种新的“城市型水灾害”。2010年5月7日、9日至14日，广州市区一周之内遭遇3场暴雨，降雨量达到440mm，是广州市自1908年有气象记录以来汛期从未出现过的极端天气状况，中心城区118处地段出现内涝水浸，7人罹难，35个地下车库被淹没，地铁口雨水倒灌、地铁隧道渗水，全市经济损失约5.4亿元。2011年6月23日，今年入夏以来的最强暴雨光临了京城大部分地区，局部地区降雨量超过了100毫米。突如其来的倾盆大雨使得城区积水严重，部分道路中断，多条地铁线路运营受阻，大批航班取消或延误。城市这一传统上人类生存的“安全地带”，在暴雨引发的内涝面前显得非常脆弱。城市内涝灾害使交通系统顷刻瘫痪、生产活动停顿、基础设施损毁、居民生活受困，直接威胁着人类生存与城市发展^[5]。

雨洪的形成、移动、汇聚等一系列过程，均与地表特征相关，尤其是与地表高程特征的关系更为密切。高程常常用来描述地形表面的起伏形态。传统的高程模型是等高线^[6]，其数学意义是定义在二维地理空间上的连续曲面函数，当此高程模型用计算机来表达时，就称为数字高程模型^[7](Digital Elevation Model，DEM)。DEM的数据模型按照网格形状可分为规则镶嵌数据模型和不规则镶嵌数据模型，其中基于正方形网络的规则镶嵌数据模型为栅格DEM，基于不规则三角网(Triangulated Irregular Network，TIN)的不规则镶嵌数据模型为矢量DEM^[8]。在防洪减灾方面，DEM是进行水文分析(如汇水区分析、水系网络分析、降雨径流分析、蓄洪量计算、淹没区分析等)的基础^[9]。

目前，在现有的水文分析中，绝大部分算法是针对栅格DEM而设计的，如各种水流方向计算^[10-12]、河网提取算法^[13-14]、流域地形分割算法^[15]等。栅格DEM具有栅格大小均一、数据点排列规则等特征，这些特征虽然使得上述算法的实现较为简单，但是限制了其在地形表达上的灵活性和准确性，也给城区水文分析带来一系列的困难，如水流方向确定的不准确、汇水区水量计算的不精确等。与栅格DEM相比，基于TIN的矢量DEM的矢量特性使得其在描述如河网结构、流域拓扑关系、城区地表汇水计算等方面更具优势，例如水流方向可由三角形唯一确定；影响水流方向的各类精细地表特征，可作为约束条件嵌入到地形TIN之中^[16]，形成约束狄洛尼不规则三角网(Constrained Delaunay Triangular Irregular Network，CD-TIN)。

参考文献：

[1]王静爱，史培军，王瑛.中国城市自然灾害区划编制[J].自然灾害学报，2005，14(6)：42-46

[2]Pietz，David.Engineering the State：The Huai River and Reconstruction in Nationalist Chine1927-1937[M].Routledge，ISBN 0415933889.2002，xvii：61-70

[3]Daniel Rosenfeld.Suppression of rain and snow by urban and industries air pollution[J].Science，2000，287(10)：1793-1796