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泥石流災害時空過程模擬與可視化分析 版權信息
- ISBN：9787030747211
- 條形碼：9787030747211 ; 978-7-03-074721-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
泥石流災害時空過程模擬與可視化分析 內容簡介
泥石流是一種在山區頻發的典型環境地質問題，往往由暴雨、洪水、滑坡等自然災害引發，具有寬級配、高濃度、速度快、持續時間短、沖擊力大、破壞性強等特點。因此，開展泥石流災害的時空過程模擬及風險評估研究，可以及時得到泥石流災害的風險程度、受災范圍以及生命損失等災情信息，對泥石流災害的防災減災具有十分重要的意義。本書首先對國內外時泥石流災害數值模擬、風險評估、三維場景建模和災害信息可視化表達等方面的相關技術特點進行了概述和分析，并明確了本書的研究特色與創新性。然后提出了基于精細化格網的泥石流災害快速風險評估的方法、基于多格網尺度的泥石流災害時空過程模擬模型、基于虛擬地理信息系統和時空過程模擬的專業知識提出了構建泥石流災害模擬虛擬地理環境的建模方法與可視化方法，并就災害過程可視化、動態增強表達進行了研究。*后，本書介紹了原型系統的研發過程及實際應用案例，表明本研究具有重要的學術意義、實際意義。
泥石流災害時空過程模擬與可視化分析 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.2 國內外研究現狀 3
1.2.1 泥石流災害風險評估 3
1.2.2 泥石流災害數值模擬 6
1.2.3 虛擬三維場景建！9
1.2.4 災害信息可視化表達 13
1.3 本書研究特色與創新 15
1.4 本書組織結構 16
參考文獻 17
第2章 基于精細化格網的泥石流災害快速風險評估 25
2.1 泥石流災害風險評估概述 25
2.1.1 泥石流災害風險評估的定義 25
2.1.2 泥石流災害風險評估基本思路 25
2.1.3 泥石流災害風險評估要素分析 26
2.2 評估要素精細格網化與空間展布 30
2.2.1 評估要素空間格網化方法 30
2.2.2 評估格網尺度適宜性分析 32
2.3 泥石流災害快速風險評估方法 33
2.3.1 泥石流災害整體性風險評估 33
2.3.2 泥石流災害精細化風險評估 39
參考文獻 43
第3章 基于多格網尺度的泥石流災害模擬并行優化 45
3.1 泥石流數值模擬模型 45
3.1.1 運動方程 45
3.1.2 特征參數的確定 46
3.1.3 面向對象的算法設計 48
3.1.4 約束條件 50
3.2 參數可視化配置優化 51
3.2.1 潰口參數計算 51
3.2.2 粗糙度系數計算 53
3.2.3 參數格網化處理 53
3.3 多格網尺度模擬并行優化 54
3.3.1 模型并行優化方法 54
3.3.2 模型并行計算流程 55
3.3.3 多格網尺度模擬準確性分析 56
參考文獻 58
第4章 泥石流災害虛擬地理場景建！60
4.1 地理場景建模工具與方法 60
4.1.1 場景建模渲染工具 60
4.1.2 地理場景建模方法 66
4.2 泥石流災害虛擬場景建模 70
4.2.1 地形場景建模 70
4.2.2 地物場景建模 77
4.2.3 泥石流災害過程建模 87
4.3 空間語義約束下泥石流場景融合建！88
4.3.1 泥石流場景融合建模流程 88
4.3.2 空間語義約束規則 89
4.3.3 空間語義約束融合建模方法 93
參考文獻 95
第5章 泥石流災害過程可視化與增強表達 97
5.1 相關概念與技術 97
5.1.1 視覺變量 97
5.1.2 數據可視化 109
5.1.3 適宜性表達 112
5.2 泥石流災害過程可視化 113
5.2.1 泥石流可視化場景體系 113
5.2.2 泥石流災害動態可視化數據流 114
5.2.3 泥石流災害動態可視化方法 115
5.3 示意性符號與真實感場景協同可視化 119
5.3.1 可視化表達連續層次結構 119
5.3.2 示意性符號與真實感場景協同 123
5.4 災害全過程動態增強表達 127
5.4.1 多樣化視覺變量聯合的場景對象語義增強 127
5.4.2 災害全過程動態增強可視化 128
參考文獻 129
第6章 泥石流災害演進模擬與可視化分析服務 132
6.1 相關概念與技術 132
6.1.1 WebGL技術 132
6.1.2 WebGL三維引擎 133
6.1.3 網絡數據傳輸技術 134
6.2 總體框架設計 135
6.3 服務器端泥石流計算模型優化 137
6.4 客戶端泥石流演進模擬與可視化分析 139
6.4.1 用戶終端分析 139
6.4.2 客戶端界面與人機交互設計 140
6.4.3 可視化服務發布與交互展示分析 143
參考文獻 146
第7章 原型系統研發與案例應用 148
7.1 案例區域與數據處理 148
7.1.1 案例區域介紹 148
7.1.2 數據處理 148
7.2 原型系統研發 150
7.2.1 系統開發環境 150
7.2.2 系統功能界面 150
7.3 泥石流災害整體性風險快速判定 151
7.3.1 泥石流危險性評估 151
7.3.2 泥石流易損性評估 153
7.3.3 泥石流整體性風險判定 154
7.4 泥石流災害精細化風險評估分析 155
7.4.1 參數設置與傳輸 155
7.4.2 多格網尺度下模擬并行優化 156
7.4.3 泥石流災害風險評估分析 160
7.5 泥石流災害全過程動態增強表達與認識效率評價 162
7.5.1 泥石流災害場景融合可視化 162
7.5.2 泥石流災害全過程增強表達 164
7.5.3 泥石流災害場景認知效率評價 165
7.5.4 泥石流災害場景渲染效率分析 168
參考文獻 168
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.2 國內外研究現狀 3
1.2.1 泥石流災害風險評估 3
1.2.2 泥石流災害數值模擬 6
1.2.3 虛擬三維場景建！9
1.2.4 災害信息可視化表達 13
1.3 本書研究特色與創新 15
1.4 本書組織結構 16
參考文獻 17
第2章 基于精細化格網的泥石流災害快速風險評估 25
2.1 泥石流災害風險評估概述 25
2.1.1 泥石流災害風險評估的定義 25
2.1.2 泥石流災害風險評估基本思路 25
2.1.3 泥石流災害風險評估要素分析 26
2.2 評估要素精細格網化與空間展布 30
2.2.1 評估要素空間格網化方法 30
2.2.2 評估格網尺度適宜性分析 32
2.3 泥石流災害快速風險評估方法 33
2.3.1 泥石流災害整體性風險評估 33
2.3.2 泥石流災害精細化風險評估 39
參考文獻 43
第3章 基于多格網尺度的泥石流災害模擬并行優化 45
3.1 泥石流數值模擬模型 45
3.1.1 運動方程 45
3.1.2 特征參數的確定 46
3.1.3 面向對象的算法設計 48
3.1.4 約束條件 50
3.2 參數可視化配置優化 51
3.2.1 潰口參數計算 51
3.2.2 粗糙度系數計算 53
3.2.3 參數格網化處理 53
3.3 多格網尺度模擬并行優化 54
3.3.1 模型并行優化方法 54
3.3.2 模型并行計算流程 55
3.3.3 多格網尺度模擬準確性分析 56
參考文獻 58
第4章 泥石流災害虛擬地理場景建！60
4.1 地理場景建模工具與方法 60
4.1.1 場景建模渲染工具 60
4.1.2 地理場景建模方法 66
4.2 泥石流災害虛擬場景建模 70
4.2.1 地形場景建模 70
4.2.2 地物場景建模 77
4.2.3 泥石流災害過程建模 87
4.3 空間語義約束下泥石流場景融合建！88
4.3.1 泥石流場景融合建模流程 88
4.3.2 空間語義約束規則 89
4.3.3 空間語義約束融合建模方法 93
參考文獻 95
第5章 泥石流災害過程可視化與增強表達 97
5.1 相關概念與技術 97
5.1.1 視覺變量 97
5.1.2 數據可視化 109
5.1.3 適宜性表達 112
5.2 泥石流災害過程可視化 113
5.2.1 泥石流可視化場景體系 113
5.2.2 泥石流災害動態可視化數據流 114
5.2.3 泥石流災害動態可視化方法 115
5.3 示意性符號與真實感場景協同可視化 119
5.3.1 可視化表達連續層次結構 119
5.3.2 示意性符號與真實感場景協同 123
5.4 災害全過程動態增強表達 127
5.4.1 多樣化視覺變量聯合的場景對象語義增強 127
5.4.2 災害全過程動態增強可視化 128
參考文獻 129
第6章 泥石流災害演進模擬與可視化分析服務 132
6.1 相關概念與技術 132
6.1.1 WebGL技術 132
6.1.2 WebGL三維引擎 133
6.1.3 網絡數據傳輸技術 134
6.2 總體框架設計 135
6.3 服務器端泥石流計算模型優化 137
6.4 客戶端泥石流演進模擬與可視化分析 139
6.4.1 用戶終端分析 139
6.4.2 客戶端界面與人機交互設計 140
6.4.3 可視化服務發布與交互展示分析 143
參考文獻 146
第7章 原型系統研發與案例應用 148
7.1 案例區域與數據處理 148
7.1.1 案例區域介紹 148
7.1.2 數據處理 148
7.2 原型系統研發 150
7.2.1 系統開發環境 150
7.2.2 系統功能界面 150
7.3 泥石流災害整體性風險快速判定 151
7.3.1 泥石流危險性評估 151
7.3.2 泥石流易損性評估 153
7.3.3 泥石流整體性風險判定 154
7.4 泥石流災害精細化風險評估分析 155
7.4.1 參數設置與傳輸 155
7.4.2 多格網尺度下模擬并行優化 156
7.4.3 泥石流災害風險評估分析 160
7.5 泥石流災害全過程動態增強表達與認識效率評價 162
7.5.1 泥石流災害場景融合可視化 162
7.5.2 泥石流災害全過程增強表達 164
7.5.3 泥石流災害場景認知效率評價 165
7.5.4 泥石流災害場景渲染效率分析 168
參考文獻 168
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泥石流災害時空過程模擬與可視化分析 節選
第1章 緒論 1.1 研究背景與意義 泥石流是一種在山區頻發的典型地質災害，往往由暴雨、洪水、滑坡等自然災害引發，具有級配寬、濃度高、速度快、持續時間短、沖擊力大、破壞性強等特點（Iverson，1997；Zhuang et al.，2010；喬成等，2016）。例如，2008年“5 12”汶川地震及其余震導致受災區域眾多山體發生崩塌和滑坡并產生大量松散的崩塌體，這些崩塌體在持續強降水的條件下極易滑動，在重力作用驅動下也極易沿陡峭的溝道快速匯聚、運移，*終形成具有強大破壞能力的泥石流災害（崔鵬等，2013；張永雙等，2013）。又如，2010年8月7日甘肅舟曲、8月12日四川安縣、8月13日四川綿竹，2013年7月11日四川汶川，2016年5月8日福建泰寧、9月18日云南元謀，2017年8月8日四川涼山，以及2019年8月20日四川汶川水磨鎮等地也都發生了特大泥石流災害。這些泥石流災害的發生與發展導致受災區域房屋被摧毀、交通被中斷、出現大量人員傷亡，給生態環境造成毀滅性破壞，影響著社會的穩定，制約著經濟的可持續發展（Blahut et al.，2010）。因此，迫切需要開展泥石流災害時空過程模擬與可視化分析研究。確切掌握發生泥石流災害的可能性，準確得到泥石流災害的風險程度、受災范圍以及生命財產損失情況等災情信息，為應急救援演練和科學處置決策提供災情信息分析服務，對泥石流防災減災具有十分重要的意義（He et al.，2003；Hürlimann et al.，2006；Cui et al.，2011，2013；Zou et al.，2016）。 泥石流災害風險評估在風險范圍預測、風險等級預判、災情損失預估等方面發揮著積極作用（胡凱衡等，2003；Fuchs et al.，2007；Liu et al.，2009），現有的大多數針對泥石流災害風險評估的研究僅集中在對泥石流災害歷史資料進行統計分析以及基于專家經驗的危險因子選取與權重賦值層面，或者僅基于泥石流災害模擬計算方法進行風險評估。基于經驗知識的泥石流災害風險評估方法雖然能夠快速地對泥石流災害進行風險評估，但是風險評估因子的選取與權重賦值、評估結果的準確性都依賴于專家的經驗，并且只能簡單地量化整條泥石流溝的風險程度，同一條溝在不同時期爆發的泥石流甚至可能會得到相同的風險評估結果（胡凱衡等，2003；Wei et al.，2008）。而基于泥石流災害模擬計算方法雖然可以定量地分析多種情形下泥石流災害的發生過程及受災程度，但由于數值模擬計算與風險評估是分離的，需要將模擬結果導入專業的軟件進行空間分析，因此，這類方法通常需要較長時間才能獲得泥石流災害風險評估結果，難以滿足應急狀態下泥石流災害快速風險評估需求（Gentile et al.，2008；Calvo and Savi，2009；Liu et al.，2009；Cui et al.，2013；Zou et al.，2016）。此外，泥石流災害風險評估中還存在許多關鍵問題亟待解決，如評估流程不明確、精細化程度不高和評估效率低等，難以滿足復雜情形下泥石流災害應急風險評估要求的精度和深度。因此，采用精細化的空間格網作為基本評估單元，將泥石流災害定性風險評估方法與定量風險評估方法進行結合，高效地集成現有的分散的人員、空間數據、模型等資源，能夠快速準確地評估泥石流災害在發生和發展過程中可能帶來的生命財產和社會經濟損失。 在泥石流災害數值模擬方面，許多研究學者主要采用GIS（geographic information system，地理信息系統）支持的數值方程來構建一維或二維模型，對泥石流災害演進過程進行模擬與空間分析（Ouyang et al.，2015）。然而，大多數GIS軟件主要采用CPU（central processing unit，中央處理器）串行方式進行數值計算，導致模型運算時間過長，尤其在使用高分辨率DEM（digital elevation model，數字高程模型）數據進行精細化數值模擬時，模型計算效率偏低（D’Ambrosio et al.，2006；Lacasta et al.，2015）。因此，有必要將并行計算模式引入泥石流災害數值模擬中，以突破計算能力的限制（Sanders and Kandrot，2010）。目前已有一些基于并行計算的泥石流災害數值模擬研究，主要包括基于Socket分布式并行計算（Ferrari et al.，2009；楊升和管群，2011）、基于CUDA（compute unified device architecture，計算統一設備體系結構）平臺并行計算（楊夫坤等，2010）、基于OpenMP多核并行計算（Huang et al.，2008；Oliverio et al.，2011）；贠penMP多核并行計算由于具有簡單易行、移植性好、靈活的跨平臺能力等優點而得到廣泛應用（鄒賢才等，2010；Amritkar et al.，2012），但在現有的研究中，為了保證泥石流災害模擬計算的準確性，僅使用單一、高分辨率的格網尺度數據進行并行模擬計算，而針對不同格網尺度下泥石流災害數值模型計算的效率與準確性缺乏系統的研究，難以為應急情景下泥石流災害快速準確模擬提供*佳的格網尺度參數。因此，本書選擇不同尺度的格網數據，基于OpenMP并行計算開展泥石流災害演進過程模擬，在準確性和效率之間進行均衡，選擇適宜格網尺度范圍，以便快速準確地獲取泥石流災害模擬計算過程中泥深、流速、淤埋范圍等災情信息。 在泥石流災害場景建模與可視化方面，虛擬地理環境（virtual geographic environment，VGE）作為新一代地理學語言，已成為科學實驗分析依據和新工具，其注重多源數據整合、集成和共享，借助地理分析模型和多維感知表達技術，能夠實現更高層次的地理問題分析、地理現象模擬以及地理環境變化預測等（林琿和朱慶，2005；Lü，2011；朱慶，2014；林琿等，2018）？梢姡摂M地理環境能夠為泥石流災害應急決策提供一種新的方法，通過構建虛擬地理環境實現泥石流災害知識的融合表達與共享，輔助進行泥石流災害分析與應急決策是目前及未來的一個重要趨勢（Lin et al.，2013；Denolle et al.，2014）。然而，泥石流災害場景對象眾多，現有的虛擬地理場景建模方法聚焦于場景建模過程及渲染優化技術本身，場景對象之間關系定義不清晰，場景表達方面注重可視化效果，忽視了場景對象語義以及對象之間關聯語義的表達，導致災情信息可讀性差，用戶難以理解（Hagemeier-Klose and Wagner，2009；Dransch et al.，2010）。 針對現有泥石流災害研究中存在的模擬計算效率低、風險評估能力弱、建模效率低、可視化效果差以及災害知識難以共享等問題，本書面向泥石流防災減災等需求，在虛擬地理環境框架理論與技術支撐下，開展泥石流災害時空過程模擬與可視化分析研究，主要包括基于精細化格網的泥石流災害快速風險評估、基于多格網尺度的泥石流災害模擬并行優化、泥石流災害虛擬地理場景建模、泥石流災害過程可視化與增強表達和泥石流災害演進模擬與可視化分析服務等關鍵技術與方法。 本書面向我國對泥石流災害模擬和災情可視化的重大需求，從測繪地理信息視角入手，對泥石流災害數值模擬與可視化的技術與方法進行研究，同時兼顧泥石流模擬的數學特性、可視化效果和災害語義信息表達，是地質學科與地理信息科學的新結合，拓寬了虛擬地理環境的應用邊界，豐富了地質災害模擬方法，同時有望推進自然災害風險評估科學的發展。 1.2 國內外研究現狀 1.2.1 泥石流災害風險評估 風險是一個通俗的日常用語，也是一個古老的科學論題，其在經濟學、自然科學、技術科學和日常生活中已有很長的使用和研究歷史。按權威的韋伯字典的說法，風險是“面臨傷害或損失的可能性”（張迎春，2007），美國哈佛大學的Wilson和Crouch（1987）發表在Science上的介紹風險評價的文章將風險的本質描述為不確定性，定義為期望值，或者說含有概率的預測值。通常認為，有風險意味著面臨選擇。因此，風險評價的主要功能之一就是進行風險性大小的比較，即風險性排序，為決策者提供理性而不僅僅是感性的依據（劉希林，2001）。 自然災害風險的定義多種多樣，Maskrey（1989）的定義為“風險是某一自然災害發生后所造成的損失”，這一定義將風險等同于災害造成的損失，將風險評價等同于災后的災情評價，似乎并不恰當，它不符合風險的本質特征。Smith（1996）的定義為“風險是某一災害發生的概率”，這一定義僅從災害的發生概率來考慮，沒有考慮災害發生的后果。Tobin和Montz（1997）將風險定義為“某一災害發生概率和期望損失的乘積”。Deyle等（1998）的定義為“風險是對某一災害發生的概率或頻率與災害結果的描述”。Hurst（1998）的定義為“風險是對某一災害發生概率與災害結果的描述”。國際地質科學聯合會滑坡工作組的定義為“風險是針對滑坡災害對人類健康、財產和環境造成負效應的嚴重性和滑坡災害發生概率的度量”（IGUS，1997）。以上關于風險的定義反映了專家學者對風險的理解的發展過程，具有一定的代表性。聯合國人道主義事務協調廳于1991年和1992年兩次正式公布了自然災害風險的定義：“風險是在一定區域和給定時間內，由某一自然災害引起的人民生命財產和經濟活動的期望損失值”（United Nations，1991），這一定義已逐步得到了國內外專家學者的認同（Alexander，1993；Liam，1993；劉希林，2000）。 風險的表達是基于對風險定義的理解而來的。如上所述，由于對自然災害風險有不同的定義，因而自然災害風險的數學表達式也不同。Maskrey（1989）提出的風險表達式為“風險性=危險性 + 易損性”，此表達式的*大貢獻是首次將風險性表達為危險性與易損性的函數，即風險不僅與致災體的自然屬性有關，也與承災體的社會經濟屬性有關。Smith（1996）提出將風險表示為“風險性=概率×損失”，Deyle等（1998）與Hurst（1998）提出的風險表達式為“風險性=概率×結果”，上述兩種表達式將災害發生的概率與災害所造成的損失有機地聯系起來，試圖表達風險的不確定性本質和損失期望值，為進一步研究風險性、危險性與易損性的定量表達提供了新的思路。Nath等（1996）提出的風險表達式為“風險性=概率×潛在損失”，Fell和Hartford（1997）以及Tobin和Montz（1997）提出的風險表達式為“風險性=概率×易損性”，以上兩種表達式的意義是相同的，將損失改為潛在損失（或期望損失）是一個較大的進步，表達式更為準確和科學。聯合國人道主義事務協調廳于1991年提出了自然災害風險的表達式，即“風險性=危險性×易損性”（United Nations，1991），這一表達式較為全面地反映了風險的本質特征，危險性是災害規模與發生概率的函數，反映了災害的自然屬性；易損性反映了承災體的社會經濟屬性及自身抵御災害的能力；而風險性則是災害自然屬性與承災體自身、社會經濟屬性的結合，表達為危險性與易損性的乘積。這一評價模式已逐步得到了國內外研究學者的認同，如圖1-1所示。在此基礎上，相關學者針對泥石流風險評估，從野外調查分析、理論研究、室內模擬實驗到泥石流防災減災工程都開展了大量的研究（劉希林和唐川，1995；劉希林等，2006；丁繼新等，2006），本書也繼續沿用這一評價模式，接下來將從危險性和易損性兩方面進行闡述。 1.泥石流災害危險性評估 泥石流災害危險性評估是指綜合分析研究區域內可能引起泥石流災害的影響因素，定量評估泥石流災害的活躍水平和危害大小，從而推算出泥石流爆發的概率以及覆蓋范圍和規模。 泥石流災害危險性評估是對泥石
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