(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210634241.6 (22)申请日 2022.06.07 (71)申请人 武汉大学 地址 430000 湖北省武汉市武昌区八一路 299号 申请人 中国水利水电科 学研究院 (72)发明人 张万顺　彭虹　王浩　 (74)专利代理 机构 北京睿智保诚专利代理事务 所(普通合伙) 11732 专利代理师 杜娟 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06T 17/05(2011.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 9/50(2006.01)G06F 111/02(2020.01) (54)发明名称 一种云边协同精细化模拟的陆面单元-河网 网格嵌套方法 (57)摘要 本发明公开了一种云边协同精细化模拟的 陆面单元 ‑河网网格嵌套方法， 涉及精准洪水预 报和水环境精细化管理技术领域， 包括： 基于数 字高程模型DEM， 对陆面单元进行单元划分， 建立 精细化模拟全尺度的网格离散系统； 每个单元产 生的水量及污染负荷进入河道； 河道内进行水下 地形网格的生成， 并完成河网网格耦合； 进行陆 面单元与 河网网格的嵌套， 通过箱 体单元媒介完 成陆面单元与河网网格的嵌套所涉及的河道内 外物质与能量的交换过程。 本发 明创建了局部精 准、 全局最优的精度高、 适应性强的陆面单元 ‑河 网网格嵌套技术， 拓展了陆面空间单元精度， 实 现了可增可减、 可粗可细的精细网格汇编与嵌 套， 极大提升了流域空间单元与 河道网格划分的 计算能力及效率。 权利要求书2页 说明书9页 附图5页 CN 114970278 A 2022.08.30 CN 114970278 A 1.一种云边协同精细化模拟的陆面单元 ‑河网网格嵌套方法， 其特征在于， 包括以下步 骤： 基于数字高程模型DEM， 对陆面单元进行单元划分， 建立精细化模拟全尺度的网格离散 系统； 每个单元产生的水量及污染负荷进入河道， 河道内进行水下地形网格的生成， 完成河 网网格耦合； 进行陆面单元与河网网格的嵌套， 其中， 通过箱体单元媒介完成所述陆面单元与河网 网格的嵌套所 涉及的河道内外物质与能量的交换 过程。 2.根据权利要求1所述的一种云边协同精细化模拟的陆面单元 ‑河网网格嵌套方法， 其 特征在于， 所述对陆面单元进 行单元划分时， 陆面单元的离散尺度包括流域尺度、 集水区尺 度、 水文响应单 元尺度、 行政单 元尺度。 3.根据权利要求2所述的一种云边协同精细化模拟的陆面单元 ‑河网网格嵌套方法， 其 特征在于， 所述流域尺度的模型计算单元， 基于流域具有统一出水口、 水文特性相近的特征 来进行流 域划分； 具体包括以下步骤： 根据包括支流流域的地形地貌、 土壤性状、 植被覆盖、 土地利用在内的多方面存在的差 异， 基于陆面系统格局与 支流空间异质性特征， 将流域划分为若干个相对独立、 完整 单元的 支流流域， 得到支流 流域面积及所占比例。 4.根据权利要求3所述的一种云边协同精细化模拟的陆面单元 ‑河网网格嵌套方法， 其 特征在于， 所述集水区尺度的模型计算单元， 采用D8算法计算各支 流流域的水流流向、 分水 线， 并基于流 域水系及合理集水面积阈值 生成支流子流 域； 具体包括以下步骤： 对所述数字高程模型DEM进行包括填洼在内的预处理过程， 得到预处理后的数字高程 模型DEM； 利用代码编码水流流动的八个方向， 通过循环处理每个格网点的水流流向， 生成格网 数据模型； 其中， 所述每 个格网点的水流 流向为邻近格网点中坡度最陡的单 元； 计算汇聚在每 个格网点的上游格网数， 生成水流聚集 点数据模型， 最后生成流 域河网； 基于流域水系及合理集水面积阈值生成支流子流域， 其中， 根据给定河道上游的集水 面积阈值决定河网水系与支流子流 域生成的精细程度。 5.根据权利要求4所述的一种云边协同精细化模拟的陆面单元 ‑河网网格嵌套方法， 其 特征在于， 所述水文响应单元尺度的模 型计算单元， 将所述支 流子流域的土壤类型、 土地利 用类型及坡度类型信息进行图层空间叠加， 通过地表属 性面积阈值约束条件而生成； 具体 包括以下步骤： 采用GIS工具叠加土壤类型、 土地利用类型及坡度类型图层， 并输入土壤阈值、 土地利 用阈值及坡度阈值来消除次要土壤类型、 次要土地利用类型和次要坡度类型 的组合， 再将 小于各阈值的部 分消除进 行重分配， 确定包括水文响应单元面积、 平均坡度在内的信息， 得 到多边形斑块的唯一空间属性特 征； 其中， 分配方程 为： 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114970278 A 2式中： Snew为设定阈值后土地利用类型面积比， S为设定阈值前土地利用类型面积比， Si 为阈值时土地利用类型面积比。 6.根据权利要求2所述的一种云边协同精细化模拟的陆面单元 ‑河网网格嵌套方法， 其 特征在于， 所述行政 单元尺度的模型输出单元， 基于网格单元面积权重 分配方法， 将水文响 应单元所产的非点源负荷分配到乡镇尺度单 元； 具体包括以下步骤： 所述网格单元面积权重分配方法以面积作为权重， 通过GIS软件在源单元区域叠加目 标单元区域， 确定每个源单元区域落在某一目标单元区域的面积比例； 其中， 源 单元为水文 响应单元， 目标单元为乡镇尺度单 元； 根据面积比例分配源单 元区域属性 值到目标 单元区域， 获得目标 单元区域的属性 值。 7.根据权利要求1所述的一种云边协同精细化模拟的陆面单元 ‑河网网格嵌套方法， 其 特征在于， 所述河网网格耦合的过程包括： 河网一 维断面‑二维平面‑三维空间网格耦合、 区 域分块和交换； 所述河网一维断面 ‑二维平面 ‑三维空间网格耦合包括一维断面 ‑二维平面 网格耦合、 二维平面 ‑三维空间 网格耦合； 其中， 所述一维断面 ‑二维平面网格耦合的关键在于二维网格的二维到一维整编： 通过 二维规则网格的二 维化整编， 获得网格的整体二 维编码； 通过二 维规则网格的一维化整编， 获得网格的一维编码； 所述二维平面 ‑三维空间网格耦合只需构建平面二维网格， 所述构建平面二维网格的 方法为： 基于并行分块的思路， 将大范围的网格分块化， 获取若干小 范围的网格后分别进 行 绘制； 根据各分块之间的空间关系， 对网格编号进行统一 化布置； 对于未进行二维规则网格的一维化整编的网格体系， 在网格识别绘制的基础上， 根据 干流和支流的水系关系， 对网格的空间地理关系进行判断， 将流域按水系划分为一级计算 区块， 得到干流方向和支流方向的不同非均匀网格在整体网格中的网格编号； 对于已经进 行二维规则网格的一 维化整编的网格， 对网格体系中的网格按照1到I JM的顺序进 行区域分 块划分， 得到相等的网格块后再对网格块从1开始重新进行编号； 通过不同分块间的传值进行边界值的校正与替换， 沿水流方向设定重叠区， 在相邻分 块的重叠区进行 数据交换， 完成河网 网格耦合。 8.根据权利要求1所述的一种云边协同精细化模拟的陆面单元 ‑河网网格嵌套方法， 其 特征在于， 所述河道内外物质与能量的交换过程包括： 流域上陆域与第 Ⅰ类水箱交换、 第 Ⅰ类 水箱与第 Ⅱ类水箱交换及第 Ⅱ类水箱与河道交换； 具体为： 所述流域上陆域与第 Ⅰ类水箱交换包括用水户从水箱取水、 用水户向水箱排水及陆地 与水箱的侧向土壤水 交换； 其中， 所述第 Ⅰ类水箱用于提供流域上陆域所需的生产和生活用 水、 接纳流 域上陆域产生的污染负荷； 所述第Ⅰ类水箱与第 Ⅱ类水箱之间的交换由第 Ⅰ类水箱的最低水位和最高水位控制， 具 体为： 当第 Ⅰ类水箱的水位低于最低限制水位时， 第 Ⅱ类水箱向第 Ⅰ类水箱补水； 当第 Ⅰ类水 箱的水位高于最高限制水位时， 第 Ⅰ类水箱向第 Ⅱ类水箱排水； 当第 Ⅰ类水箱水位处于最低 限制水位和最高限制水位时， 两类水箱之间自由联通； 所述第Ⅱ类水箱与河道的交换分为自由出流和闸站控制两种类型， 分别用于模拟 非圩 区计算箱体和圩区计算箱体与河道的交换。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114970278 A 3