[发明专利]一种数字孪生流域二元水循环流场的生成与渲染方法

权利要求书

1.一种数字孪生流域二元水循环流场的生成与渲染方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、基于数字孪生流域概念模型，分别获取模拟区域内土地利用数据、高程数据、城市水网空间分布以及区域实时流量数据；

S2、根据所述土地利用数据、高程数据以及城市水网空间分布，构建区域平面二维水流场方向分布；

所述步骤S2包括以下步骤：

S201、根据所述土地利用数据和高程数据，以区域内集水区为研究对象，针对集水区内每个栅格对周围八个方向均有高程差，计算中心栅格与相邻八个方向的栅格间的坡度得到水流最陡下降方向，确定集水区内水流场方向；

S202、根据所述高程数据以及城市水网空间分布，以河道及城市水网为研究对象，针对沿河道及管网方向每个栅格之间均有高程差，计算相邻栅格间的坡度差，确定河道及水网水流场方向；

S3、根据各监测点位置及区域实时流量数据，构建区域平面二维水流场流量分布，并基于区域平面二维水流场方向分布完成区域水流场数据到水流场基本属性的表示；

所述步骤S3包括以下步骤：

S301、根据各测点位置及区域实时流量数据，对离散的实时流量数据进行双线性空间插值，得到区域时空连续流量数据，构建区域平面二维水流场流量分布；

S302、根据区域平面二维水流场方向分布及区域平面二维水流场流量分布，逐一完成区域水流场自然数据到水流场基本属性表示，其中，所述水流场的特征包括水流场的位置、水流场的流量以及水流场的流向；

S4、根据水流场基本属性，在区域内水流场添加粒子属性并进行视觉编码绘图操作，完成数字孪生流域二元水循环流场的生成与渲染；

所述步骤S4包括以下步骤：

S401、根据水流场的位置，在区域内水流场各栅格处生成粒子；

S402、定义粒子属性，其中，所述粒子属性包括粒子位置、粒子速度、粒子拖尾长度、粒子寿命以及粒子运动距离；

S403、根据区域内水流场中各栅格点的流速，对水流场流速进行视觉映射，其中，所述水流场流速以粒子拖尾长度表示；

S404、根据水流场的流速及流向，获取粒子后续时刻的运动状态；

S405、返回步骤S403，执行绘制循环，绘制粒子运动轨迹，完成数字孪生流域二元水循环流场的生成与渲染。

2.根据权利要求1所述的数字孪生流域二元水循环流场的生成与渲染方法，其特征在于，所述栅格间的坡度的表达式如下：

其中，表示栅格间的坡度，表示栅格间的水平距离差，表示栅格间的高程差。

3.根据权利要求1所述的数字孪生流域二元水循环流场的生成与渲染方法，其特征在于，所述步骤S301中进行双线性空间插值，其具体为：

A1、针对位于水流场中的栅格点，对栅格点周围的水流场流量数据进行空间插值计算栅格点处的流量大小，得到区域流量连续分布；

A2、基于区域流量连续分布，针对位于水流场中的栅格点距离最近的4个水流场监测点、、和形成的矩形方格中，对未知栅格点进行插值处理得到待求栅格点处的流量值，获取区域时空连续流量数据，构建区域平面二维水流场流量分布。

4.根据权利要求3所述的数字孪生流域二元水循环流场的生成与渲染方法，其特征在于，所述待求栅格点处的流量值的表达式如下：

其中，表示待求栅格点处的流量值，、、以及分别表示已知采样点的流量值。

5.根据权利要求1所述的数字孪生流域二元水循环流场的生成与渲染方法，其特征在于，所述粒子属性的表达式如下：

其中，表示粒子属性，表示水流场粒子的空间位置，表示水流场粒子的速度，表示水流场粒子的寿命，表示水流场粒子累计运动距离，表示水流场粒子的拖尾长度。

6.根据权利要求5所述的数字孪生流域二元水循环流场的生成与渲染方法，其特征在于，所述粒子拖尾长度的表达式如下：

其中，表示水流场中时刻为、位置为的水流场流速，表示当前水流场时刻，表示下一模拟时刻步长后水流时刻，表示微分运算。

7.根据权利要求6所述的数字孪生流域二元水循环流场的生成与渲染方法，其特征在于，所述粒子后续时刻的运动状态的表达式如下：

其中，表示k个时间步长后粒子点的位置，和分别代表第n个模拟步长初始时刻粒子沿x方向和y方向的速度，和分别表示粒子初始时刻位置，和分别表示第n和第n+1个模拟步长的时刻；

所述水流场粒子累计运动距离的表达式如下：

其中，表示第n个模拟步长初始时刻粒子的速度。