基于过程的流域水利时空数据模型研究

发布时间：2018-12-06 15:27

【摘要】：时空数据模型是描述地理现象变化过程的数据模型,在流域时空过程模拟中起着至关重要的作用。当前描述地理实体变化的时空数据模型有诸多的模型,这些流域时空数据模型主要是针对某一特定流域水文模型系统的数据模型或综合流域水文模型,但这些流域水文时空数据模型表达时间的时间序列描述成相应空间对象的属性,它们间时空变化通过不同时刻状态对象的变化操作实现,以隐形关联的方式实现时间与空间的联系,这种方式只能表达空间关系及其变化,但是无法表达对象随时间变化原因、变化程度、变化趋势等问题。而流域水利大多模型及应用往往就是要预测变化的趋势,动态追溯反映变化情况。本研究阐述了一种顾及流域特征逻辑关系的基于过程时空数据模型,根据流域现象的变化过程特征引入观测维度(变化轴)、原子单元(原子立方体)等概念,从某一观测维度(变化轴)的变化情况来解析流域时空过程的空间、时间、专题属性的变化情况。也就是,将地理实体(观测原子单元)抽象成单元立方体,将流域地理变化过程抽象成某一维度轴上实体在其它维度轴上的变化情况。地理实体的时间信息为该单元立方体在时间维度轴上对应的时间属性。预测流域实体随时间变化趋势时,只需检索时间维度轴上时刻点对应实体映射到空间维度、专题属性维度上的信息。该种流域时空数据模型解决了当前流域时空数据模型表达时间的时间序列描述成相应空间对象的属性,它们间时空变化通过不同时刻状态对象的变化操作实现,以隐形的方式表达时间与空间的联系来描述空间关系及其变化等问题。本文具体研究工作总结如下： (1)论文首先分析流域时空现象表达的时空数据模型国内外研究现状。分析了不同时空数据的特点及应用领域,阐述了这些模型的优缺点。其次,在分析了流域地理现象变化过程中地理实体的空间特征、时间特征、属性特征的基础上,将地理实体的时间、空间、属性分解成时间、空间及属性域关联的统一整体原子单元。同时,针对当前重点关注的时间、时间、专题属性描述问题,总结出了12种变化场景来描述空间特征、时间特征、属性特征变化,指出了：①空间轴由离散空间点序列组成,该空间点值为时态空间在空间轴上的投影。该空间数据为对应的St,也可以看成时间层和属性层交集到空间轴上的点。②时间轴由连续时间点序列组成,该时间点数值为时态空间内点在时间轴上的投影。该空间属性数据为对应的Ft,也可以看成空间层和属性层交集到时间轴上的点。③属性轴由连续属性点序列组成,该属性点数值为时态空间内在属性轴上的投影,该空间映射的时间数据为对应Tl。也可以看成空间维和时间维维面集合到属性轴上点,该属性轴上每一个属性点代表一个包含空间时间的一个要素实体。最后,依据观测流域时空变化的维度不同,将流域地理现象变化归纳以下三种类型：时间维度观测型、专题属性维度观测型、空间维度观测型。不同的观测维度上记录变化数据就是从不同的角度描述流域地理现象的变化,流域变化过程抽象成一个观测维度(变化轴)上变化过程,对该现象变化过程的管理实际上就是表达该观测轴上记录的数据过程。 (2)研究了时间维度的引入及表达问题,重点阐述流域变化过程阶段的原子单元的时间维度上表达的问题。提出了将基于快照时间嵌入表达法(也就是将时间嵌入到GIS层中,时间作为一个时间层的数据来处理)与基于时间戳的时间嵌入表达法(即将有效时间点嵌入到GIS各层的地理实体对象中)引入到流域地理现象变化时间维度上表达的模式。该模式解析了基于快照和基于时间戳法在物理组织层、流域过程代数表达层、流域空间要素表层纵向层间映射关系,解析了基于快照和基于时间戳法在时间维度、空间维度、属性维度横向维度间关联关系。实验结果表明：基于时间点和基于时间段的方法都可以表达时间信息,由于基于时间戳的表达法能简洁地进行时间段查询,故基于时间戳的表达法较适合应用于流域过程模型的描述及表达。本论文后续的流域过程模型均使用该时间戳的模式表达时间。最后,基于流域时空现象的变化过程特征,给出了一种按照观测维度变化粒度进行分级抽象成过程、子过程、子阶段、过程原子单元(过程原子单元包含地理实体表达的空间域、时间域、属性域信息)四个层次的流域过程模型的结构构架图。并具体描述了过程中地理实体对象的表达方法,提出了一种四元组描述的过程模型,在该模型的基础上表达了流域水利时空过程关系及该时空关系的存储结构。 (3)在分析流域时空现象及地理变化特征的基础上,首先提出了一种流域时空过程模型。该模型从纵向层次结构上对过程模型进行细化组织表达,从横向过程发展变化的观测维度上对过程进行关联。从组织流域变化过程的观测维度上,将过程细化分层进行组织。流域地理现象过程可分解成过程、子过程、子阶段、原子单元层次。根据流域地理现象发展过程的特征进行细分,子过程又可划分为若干个子阶段。这些阶段均是按照地理现象发展变化过程观测维度变化过程进行的。每一个子阶段又可对应一个过程原子单元。过程原子单元包含了时间域、空间域、属性域的信息,时间、空间、属性域涵盖了流域实体对象的时空特征信息,也是进行时空分析的基础数据。从流域过程发展变化观测维度变化顺序上分析过程模型的变化规律,将过程原子单元抽象成原子单元对象,每个对象部分在结构上分割,在语义上通过关系相关联。以便为后续时间域分析提供底层数据结构的支撑。其次,描述了一种基于流域、子流域、原子单元等流域特征逻辑关系。该逻辑关系表达了流域例如河流、河网、湖泊等水文要素,流域水利工程例如水库、水渠、大坝等要素间的关联关系。从原子单元对象角度描述流域时空过程的时间、空间、专题属性和关系,给出了它们间的关系联系描述。考虑到面向对象技术在抽象地理实体、属性及操作上的简单便利性,将流域特征及表达实体抽象成空间、时间、属性对象。给出了流域地理实体变化对象空间对象部分的点、线、面、体数据描述及组织的方法(本研究中流域特征对象要素均继承于MAPGIS基本要素特征之上,以便流域时空数据模型可直接嵌入商业地理信息系统软件MAPGIS使用)；描述了流域地理实体变化对象时域对象部分的时间戳、时间段组织表达方法；分析了流域地理实体变化对象中专题属性对象部分的专题属性域、类型组织表达方法。最后,结合GIS数据存储方式及流域地理现象变化过程的特征,提出了一种顾及流域特征逻辑关系的流域时空数据存储结构模型,该存储结构构造了过程、子过程、子阶段、过程原子单元的存储方式,映射了流域过程模型中的流域实体相关关系,该种过程原子单元存储方式也是流域过程模型模拟的数据存储基础。 (4)流域降雨事件导致了流域水文过程,该变化过程是局部地理气候与下垫面条件共同作用下的一种复杂的自然现象。本论文,首先描述了一种通用的流程方案来表达流域地理现象变化过程,提出了一种流域地理现象变化的基础模拟构架,这种嵌套式的流域过程模型模拟框架可方便模拟流域地理现象变化的流程,该种模拟框架能描述基于流域某一维度的地理实体变化情况。同时该种框架适用于流域不同的地理事件的过程变化模拟。例如流域降雨淹没过程模拟,流域溃坝淹没过程模拟,唯一的区别就在于抽象出来的流域演算模块不同,该演算模型模块是根据不同的流域过程变化采用不同的计算模型,最终得出过程原子单元所需的空间域、时间域、属性域的数据。其次,以降雨径流淹没过程为实例,展示了流域过程模型模拟通用框架,在该框架中集成了模型方案：将流域逐级划分成面积大小均匀的水文响应原子单元。利用降雨过程相关雨量及水位信息,结合流域基础地形、土壤、土地利用等影响因子,模拟各水文响应原子单元的降雨产流过程、汇流过程、淹没过程,建立流域降雨、径流、淹没过程演算模型,实现对流域淹没过程降雨→产流→汇流→淹没水位→淹没区域的模拟。具体集成方案实现包括：①基于研究区河道的特征、地形DEM数据及降雨量水位数据,在分析流域单元土地利用类型、土壤湿润程度、土壤类别的基础上,采用SCS产流模型,分析计算得出流域单元流量；②结合水量平衡方程和槽蓄曲线方程采用马斯京根法演算河道出口单元汇流量；③考虑到研究区上游流域河道坡度较大,使用曼宁公式来计算研究区河道的水位值。④结合流域地形DEM和流域淹没水位,使用淹没水平面与地理单元DEM相切的方法来演算淹没区范围。 (5)在分析了研究区的地理位置、水系分布、水文气象特征、植被土壤等基本概况基础上,给出了一个流域过程模型的应用实例。基于基础数据对研究区流域进行流域洼地填充、流域河流流向、汇流累积量、流域河流网络、流域子流域划分处理,为流域降雨径流淹没过程提供流域河道网络基础。因流域水位数据的获取通过测站测量获取较为容易,考虑到本研究区的特征及流域河道网络流向,采用基于水位的有源淹没模型来模拟研究区的淹没水深及淹没区范围,研究区实测数据及基础地理地形数据相结合实现了模拟昌化江流域的上游区域每日淹没范围。在使用2013年8月份昌化江流域上游山区河段模拟水位数据的基础上进行该河段淹没过程分析,以日作为时间戳(时间点)模拟了昌化江流域上游区域每日记录时刻点淹没区淹没河段情况。使用数理统计分析方法,分别输入流域测站实测数据与演算模型模拟数据,分别计算对应的绝对误差、相对误差、分级指标、精度等级。计算结果显示25项数据中精度等级指标中有2项为不合格,其余23项为合格,合格率为92%。从4d淹没区的变化情况来看,初始时段淹没范围较低,随后时段随着水位的急剧上涨流域淹没范围扩大,到第3时段水位回落淹没范围缩小,到第4时刻降雨减弱流域淹没范围大幅回落。实例模拟表明,基于过程的流域时空数据模型能表达流域地理实体单元的变化过程。
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【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P208;P331

【参考文献】