本发明属于数字孪生水利模拟，具体涉及一种河道一维水动力断面与二维河网耦合及可视化方法及系统。
背景技术：
1、近年来，随着数字孪生技术的快速发展和智慧水利体系的逐渐完善，数字孪生流域建设先行先试工作逐步开展，基于数字化场景、智慧化模拟、精准化决策，加快推进数字孪生流域建设，实现预报、预警、预演、预案功能，提升以流域为单元的防洪调度能力。
2、重点河段的淹没分析模拟仿真和预警管理是数字孪生流域建设的重要内容，一维水动力模型和二维水动力模型是淹没分析中最常用的水文水动力分析模型。二维水动力模型能基于二维河网计算生成精确的河道水位和流量过程，能较好的基于二维河网进行淹没分析，但时间复杂度高，计算效率较低，不适用于大范围的河道淹没分析模拟，因此在流域级别的淹没分析模拟主要还是以一维水动力模型为主。一维水动力模型能以较高的效率计算出各断面的水位和流量过程，若要将模型计算结果推演至二维河网，则需将河网沿断面进行分割，分割后的每段河网关联其区间内的一个断面，将断面的水位和流量过程反映至整个河段，在较大尺度场景下可以进行一定程度的河道淹没分析，但在更小的尺度甚至是微观场景下，其呈现出精度较低、模拟仿真可视化效果较差、河网不连续等缺点。且现有方案只针对模型计算层面，而随着数字孪生技术的发展，如何在可视化方面基于一维水动力模型计算结果对大范围的河道进行更直观、更丰富、更高效的可视化仿真模拟仍需进一步研究。
技术实现思路
1、本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种河道一维水动力断面与二维河网耦合及可视化方法及系统，融合河道范围、河道断面、河道地形数据，通过构建河道一维断面与二维河网顶点之间的索引和权重关系，使得一维河道断面计算结果可以在二维河网上更直观、更生动地体现，具有更高的效率和更强的通用性，极大地提升了二维河网对一维水动力模型计算结果驱动的响应速度，满足了在数字孪生场景下通过一维河道断面模拟二维河网淹没分析、基于时序动态展示河道水位水深的应用需求。
2、本发明采用的技术方案是：一种河道一维水动力断面与二维河网耦合及可视化方法，包括以下步骤：
3、对河道区域边界、河道两岸断面实测点位进行数据预处理，得到河网中心线和河道断面数据，并生成一维河道断面；
4、将河道区域边界与河道断面求交得到新的顶点数据，形成边界顶点集；针对边界顶点集构建带约束的delaunay三角网；对每个三角网进行局部优化，作为剖分后的河网数据集；将河道高程值赋值至河网的顶点，形成二维河网模型；
5、将河网中心线与河道断面求交，并建立河道断面与河网中心线的索引关系；将每个河网顶点投影到河网中心线上，并计算其与河道断面的权重和索引关系，形成一维河道断面与二维河网模型的耦合文件；
6、在数字孪生模拟场景下读取耦合文件；动态构建程序化网格体，通过一维河道断面计算结果驱动河网顶点更新；
7、根据外部指令对更新顶点信息后的程序化网格体进行可视化渲染。
8、上述技术方案中，生成一维河道断面的过程包括：
9、收集整理河道边界数据，河道范围边界为河道具有最高水位时的二维投影边界，通过河道范围边界提取出河网中心线；
10、获取实测的河道断面点位数据和属性信息，将其沿河道边界线两岸进行点位分布；将河道两岸的同名断面点位进行一一连接后得到与河网中心线垂直的一维河道断面。
11、上述技术方案中，获取剖分后的河网数据集的过程包括：
12、a.河道区域边界与断面进行求交，将计算出的交点插入河道区域边界的原始点集，将分割线与跨边三角形的交线段存入交线段容器；
13、b.基于横坐标将原始点集按从小到大进行排序，若横坐标相同则再根据纵坐标进行排序，排序完成后对原始点集构建带约束的delaunay三角网，存入原始三角网容器；
14、c.取出交线段容器中的任一条线段并将其从容器中移除，遍历所有三角形，判断每个三角形与当前线段是否具有除顶点之外的交点，若有则把该三角形存入相交三角网容器，并将其从原始三角网容器中移除；
15、d.对相交三角网容器中的三角形进行局部优化，对拥有公共边的两个三角形所构成的四边形，将其对角线交换后产生的两个新三角形存入原始三角网容器；
16、e.重复执行步骤c和步骤d，直到交线段容器为空，得到剖分后的河网数据。
17、上述技术方案中，获取一维河道断面与二维河网模型的耦合文件的过程包括：
18、计算河网中心线的每条子线段是否与各断面存在交点，若存在，根据交点对河网中心线进行打断并插入新的顶点到河网中心线顶点序列集合，同时标记此点为断面交点；
19、基于河网中心线顶点序列集合，建立河道断面区间与河网中心线上子线段的索引关系；遍历河网顶点，将每个顶点投影到河网中心线上，并计算其与河道断面的权重和索引关系；
20、一维河道断面与二维河网模型耦合完成后，将所有坐标转换为wgs84坐标系并输出耦合文件。
21、上述技术方案中，通过一维河道断面计算结果驱动河网顶点更新的过程包括：
22、根据断面名称查找到对应的断面索引；
23、根据断面索引更新该断面的水位和z方向偏移量：
24、根据断面索引查找到受该断面影响的全部河网顶点，采用并行计算的方式进行河网顶点水位更新计算：根据索引关系，每个河网顶点最多受两个河道断面影响；根据耦合文件，获取每个河道网点相应的两个河道断面的权重和z方向偏移量，进而计算得到每个河网顶点的z方向偏移量；将河网顶点的当前水位与河网顶点的z方向偏移量叠加作为更新后的河网顶点水位。
25、上述技术方案中，根据外部指令对更新顶点信息后的程序化网格体进行可视化渲染的过程包括：根据数字孪生场景下淹没分析的实际需求选择相应的渲染模式进行可视化渲染：
26、孪生水材质模式渲染：将河网顶点的水位值直接赋给顶点高程，采用数字孪生模拟仿真平台中带水纹波动的水材质进行渲染，对淹没分析情况进行孪生仿真模拟；
27、水深模式渲染：通过更新后的河网顶点水位与河网顶点的原始高程值，得到河网顶点水深；将河网顶点水位赋给顶点高程，将河网顶点水深作为颜色分级依据，采用基于颜色分级渲染的模式，将网格渲染为渐变颜色，不同颜色表示不同的水深；
28、水位预警模式渲染：以警戒水位和保证水位为分级依据建立分级色带，判断当前水位是否超过警戒水位或保证水位，若超过则使用设定的对应颜色进行渲染。
29、上述技术方案中，建立河道断面区间与河网中心线上子线段的索引关系的过程包括：设计断面区间数据结构，分别定义变量用于记录区间起始断面的索引、区间终点断面的索引、区间所有子线段的累积长度，区间所有子线段的节点索引，基于数据结构定义断面区间容器和普通变量;
30、先遍历河网中心线顶点集合，对其每个序列点进行判断，若当前序列点为断面交点，记录普通变量的起始断面索引和终点断面索引；其次遍历普通变量的子线段顶点索引，通过索引获取河网中心线顶点序列对应的点，并计算所有序列点的沿线长度；将普通变量放入断面区间容器，并清空该区间所有子线段的节点索引。
31、上述技术方案中，计算河网顶点与河道断面的权重和索引关系的过程包括：
32、在每次遍历中，先计算得到离河网顶点最近的断面区间，再将河网顶点投影到此区间的线段上；
33、遍历断面区间容器变量，如果对于其中任一个断面区间的起始断面索引和终点断面索引均等于-1，则该断面区间相应的遍历结束，执行下一次遍历；否则执行后续步骤；
34、将当前河网顶点投影到任一个断面区间的起始断面和终点断面构成的线段上，若投影点在线段上，则计算得到河网顶点到投影点的距离作为河网顶点到线段的距离；若投影点在线段的延长线上，则分别计算河网顶点到线段两个端点的距离，并取两者中的最小值作为河网顶点到线段的距离；
35、记录到当前河网顶点具有最短距离的断面索引，重复执行上述步骤，直至对断面区间容器变量的遍历结束；
36、根据最短距离的断面索引查找断面区间；遍历断面区间的全部子线段顶点索引，定义距河网顶点具有最短距离时的子线段顶点索引；计算河网顶点到断面区间的子线段的投影点和距离，当距离为最短距离时，记录当前索引，并将投影点记为p；
37、获取索引0至距河网顶点具有最短距离时的子线段顶点索引的点序列，并在末尾插入投影点p，计算全部点序列的沿线长度；
38、以距离来度量区间内起止断面对河网顶点的影响权重，且距离与影响权重成反比；
39、根据断面区间的起始断面和终止断面的索引，在断面数据中查找对应的断面，并记录受其影响的河网顶点的索引和权重。
40、本发明还提供了一种河道一维水动力断面与二维河网耦合及可视化系统，包括一维河道断面生成模块、二维河网模型生成模块、耦合模块、读取模块和可视化模块；
41、一维河道断面生成模块用于对河道区域边界、河道两岸断面实测点位进行数据预处理，得到河网中心线，并生成一维河道断面；
42、二维河网模型生成模块用于将河道区域边界与河道断面求交得到新的顶点数据，形成边界顶点集；针对边界顶点集构建带约束的delaunay三角网；对每个三角网进行局部优化，作为剖分后的河网数据集；将河道高程值赋值至河网的顶点，形成二维河网模型；
43、耦合模块用于将河网中心线与河道断面求交，并建立河道断面与河网中心线的索引关系；将每个河网顶点投影到河网中心线上，并计算其与河道断面的权重和索引关系，形成一维河道断面与二维河网模型的耦合文件；
44、读取模块用于在数字孪生模拟场景下读取耦合文件；动态构建程序化网格体，通过一维河道断面计算结果驱动河网顶点更新；
45、可视化模块用于根据外部指令对更新顶点信息后的程序化网格体进行可视化渲染。
46、本发明的有益效果是：本发明相较于传统方法，将一维河道断面和二维河网在模型数据结构层面进行了深度耦合，使得一维河道断面计算结果可以在二维河网上更直观、更生动、多尺度地体现，满足了在数字孪生场景下通过一维河道断面模拟二维河网淹没分析、动态展示河道水位水深的应用需求。
47、本发明所述方法在基于河道边界生成河网数据时，充分考虑了河道断面与河道边界的相交情况，顾及了河道断面与河道边界相交点对河网剖分的影响，使得河网剖分结果与河道断面区间具有更优的空间对应关系。
48、本发明所述方法在进行一维河道断面与二维河网耦合时，先进行河道断面区间划分，再采用河网顶点投影至河道中心线的方法，兼顾了河网顶点与断面区间的耦合关系及河网顶点在河道中心线的投影分布情况，使得耦合后的模型在水位和流量过程的表达上与一维水动力断面的表达结果具有高度一致性。
49、本发明所述方法融合河道范围、河段断面、河道地形数据，建立了一维河道断面与二维河网顶点之间的索引关系，具有更高的效率和更强的通用性，极大地提升了二维河网对一维河道断面计算结果驱动的响应速度，可实时呈现河道水情与两岸淹没情况；
50、本发明结合数字孪生模拟仿真平台的特点，针对数字孪生流域建设中河道淹没分析的实际应用需求，提供了孪生水材质、水深模式、预警模式三种可视化渲染方式，满足了不同的渲染需求，极大提升了可视化效果。
1.一种河道一维水动力断面与二维河网耦合及可视化方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种河道一维水动力断面与二维河网耦合及可视化方法，其特征在于：生成一维河道断面的过程包括：
3.根据权利要求1所述的一种河道一维水动力断面与二维河网耦合及可视化方法，其特征在于：获取剖分后的河网数据集的过程包括：
4.根据权利要求1所述的一种河道一维水动力断面与二维河网耦合及可视化方法，其特征在于：获取一维河道断面与二维河网模型的耦合文件的过程包括：
5.根据权利要求1所述的一种河道一维水动力断面与二维河网耦合及可视化方法，其特征在于：通过一维河道断面计算结果驱动河网顶点更新的过程包括：
6.根据权利要求1所述的一种河道一维水动力断面与二维河网耦合及可视化方法，其特征在于：根据外部指令对更新顶点信息后的程序化网格体进行可视化渲染的过程包括：根据数字孪生场景下淹没分析的实际需求选择相应的渲染模式进行可视化渲染：
7.根据权利要求4所述的一种河道一维水动力断面与二维河网耦合及可视化方法，其特征在于：建立河道断面区间与河网中心线上子线段的索引关系的过程包括：设计断面区间数据结构，分别定义变量用于记录区间起始断面的索引、区间终点断面的索引、区间所有子线段的累积长度，区间所有子线段的节点索引，基于数据结构定义断面区间容器和普通变量;
8.根据权利要求4所述的一种河道一维水动力断面与二维河网耦合及可视化方法，其特征在于：计算河网顶点与河道断面的权重和索引关系的过程包括：
9.一种河道一维水动力断面与二维河网耦合及可视化系统，其特征在于：包括一维河道断面生成模块、二维河网模型生成模块、耦合模块、读取模块和可视化模块；
