基于信息熵筛选与特征线提取的地下水流场可视化

发布时间：2021-09-03 01:35

　　地下水循环作为水循环的地下组成部分,是陆地环境中提供可再生淡水和维持地表水系统基本流量的重要水文过程。研究发现,多波流域波浪形地下水位以下的地下水循环以层次化嵌套流动系统的形式出现。但由于其自身的透明性质导致其所产生的流场运动和变化过程难以直接观察,需要借助更有效,更直观的流场可视化技术,来识别展示其数据中所包含的流场变化规律。三维地下水流场可视化技术可以清晰的揭示地下水运动规律,为地下水研究提供直观、形象的地下水动态信息。本论文为了处理三维地下水流场中流线过多所导致的遮挡与杂乱等流线难以清晰表达的问题,提出了基于信息熵筛选的地下水流场特征线提取算法。算法利用信息熵计算获得地下水流场中变化剧烈的区域并检测其中的临界点,对存在临界点的区域进行特征值计算,根据计算结果匹配种子点模板进行流线绘制,其他区域采用随机撒点法绘制流线。信息熵的计算使用Leopardi等球面分割法,临界点检测采用线性插值法。对三维Tóthian盆地地下水环流系统进行了流线绘制,结果表明本文方法在保证地下水流场变化规律与重要特征准确的前提下,能更多更清晰地绘制出流场信息,解决了地下水流场特征线提取中由于流线过多所导致的... 

【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

二维Tóthian盆地地下水嵌套水流系统

中国地质大学（北京）工程硕士学位论文3图1-1：二维Tóthian盆地地下水嵌套水流系统图1-2：三维Tóthian盆地地下水嵌套水流系统在传统Tóthian盆地地下水流场可视化中所使用的粒子追踪方法，是将F（x，y，z）值被分配给一个网格点。如图3所示。每一点都是由通过该点的流线确定连接索引来标记。给定点（图1-3中的P）的流线是由半解析粒子追踪法（Pollock，1994）根据流速的结果得到的。通过正向粒子追踪捕获出流终点（图1-3中的D），根据顶部最近的网格点确定出出流区域的个数。进行反向粒子追踪，捕捉入流终点（图1-3中的w），确定补给区个数。然后得到对应点的F值（图1-3中的P）。对所有网格点重复该过程，得到整个流域F的离散分布。由于模型中存在大量的网格点，且每条流线都需要通过大量的积分计算，因此计算成本非常高。

第1章绪论4图1-3：三维网格粒子追踪技术1.3流场可视化研究现状在流场可视化是科学可视化学科研究中的一个重要分支，它在大气海洋模拟，燃烧实验，水流场分析等多个领域有着非常重要的作用。在我们的现实中水流、气流最为常见，但它们具有透明性质导致人们在科学实验中对其内部结构特征很难进行观测，因此通过流场可视化对这类流体进行数据处理，使其内部结构特征以图形图像的形式展现在研究者们面前。根据流场可视化结果侧重点的不同以及可视化方法的不同，可以将流场可视化分为四大类，分别是：基于点图标的可视化方法、基于几何的可视化方法、基于纹理的可视化方法和基于特征的可视化方法。（1）基于点图标的可视化方法基于点图标的可视化方法又称为直接法[18][19][20][21]，顾名思义是指几乎不需要任何预处理，直接通过该点的矢量值就可以进行流场可视化的方法。如箭头法，它可以简单直观的在每个网格中画出具有大小和方向信息箭头用来显示流场信息进行流场可视化。但该方法存在较大弊端，对于流线存在冗余的流场，该方法会由于箭头过于密集而无法直观展示流场特征，造成视觉混乱，可视化效果大大折扣；对于流线稀疏的流场，又存在无法准确表现流场变化情况的问题。（2）基于几何的可视化方法基于几何的可视化方法主要是通过粒子追踪法来获得流场流线。此类方法相较于点图标可视化方法，具有保证流场流线连续性的特点，并且能够更加直观的DW


本文编号：3380139