虚拟流域技术及其在数字湖泊工程中应用-virtual watershed technology and its application in digital lake project.docx

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。必威体育官网网址□ ，在年解密后适用本授权书。 不必威体育官网网址□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要随着对水利工程建设和流域水资源管理要求的不断提高，水资源管理决策支持系 统正朝着智能化、可视化的方向发展，水资源管理决策支持理论是集系统工程学、水 动力学、虚拟现实和空间信息科学等多学科的交叉研究领域，通过对工程数据、业务 模型和高维信息的虚拟可视化进行有效集成，可以直观的展示实时计算结果、充分揭 示不同条件下水动力学响应机制，为流域水资源和水利工程管理提供有效的数据支撑 和智能决策。在基于虚拟流域的水资源决策支持系统中，流体仿真具有非常重要的地 位。逼真的流体不但可以增加仿真的真实感，而且可以耦合后台计算模型的基础上， 充分表征如淹没范围、水位、水深、流速等动态水流流态及其响应机制。然而，基于 物理的流体计算具有高维度、非线性等特点，在实施大面积流域仿真的过程中，其计 算复杂度呈几何级数增长，如何构建虚拟流域仿真中高效求解计算框架，充分挖掘计 算资源、实现软硬件混合并行加速计算，已成为流域仿真和水资源管理决策支持系统 中亟需解决的科学问题和技术瓶颈。另一方面，由于流域水资源是一类受多种因素影 响的复杂系统，且流域水资源管理决策过程涉及社会、经济、水文、水动、水工和生 态等多个领域，具有海量的异构数据，拥有气象、水文、洪水、评价等多种专业模型， 当前大多系统虽然已经对各个专业模型构建了基本的业务系统，但是由于当前水资源 管理决策多系统集成理论的滞后，各个系统之间存在信息孤岛，数据冗余且难以交互， 各个业务之间无法进行协同计算，从而导致水资源管理系统的业务无法高效准确的应 用于工程实践当中，因此，探究水资源管理系统的多业务柔性集成方法，构建具有高 度可扩展性的综合异构数字仿真平台，充分实现水资源合理优化高效配置、提供决策 支持服务，是当前水利工程建设和管理过程中迫切需要解决的问题，具有非常重要的 科学意义和工程实用价值。本文围绕软硬件混合并行虚拟流域仿真的高效求解及在水利工程中的应用问题， 以国家“973”重点基础研究发展计划课题和水利部公益性行业科研专项等研究任务为 依托，在充分研究了流体仿真的基本原理、基于软硬件混合并行加速的原理和实现框 架基础上、提出了虚拟流域仿真数字平台的构建理论和方法，建立了基于流体仿真的 虚拟流域综合数字平台体系，实现了大型湖泊海洋的多维信息可视化，并将相关研究 成果应用到实际水利工程项目之中，为我国水利工程运行管理人员提供了有效的理论 与技术支持。本文的主要研究工作和创新点包括：I（1）针对基于物理的流体仿真求解耗时的难题，重点探讨了光滑粒子动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）流体仿真问题，提出了一种改进的最近邻居 粒子有哪些信誉好的足球投注网站算法，实现了时间和空间相关的最近邻居粒子有哪些信誉好的足球投注网站，显著提高了有哪些信誉好的足球投注网站的效率。 采用 CUDA（Compute Unified Device Architecture）架构实现了 SPH 改进算法的硬件并 行加速，显著提高了仿真的速度，满足实时应用的需要。（2）基于物理的流体仿真主要应用在小规模、小尺度范围地形上，为了实现大范 围地形上、大尺度流域仿真，提出了基于 CUDA 架构的 Bézier 曲线和流线法向贴图的 河流仿真方法。该方法使用四边形对河流流域进行划分，采用 Bézier 曲线描述河流的 走向，把河流区域的像素投射在曲线上执行渲染。在保证逼真渲染效果的同时，显著 提高了系统的运行速度，能满足复杂河网情况下的河流实时仿真。（3）基于频谱统计海洋模型，在考虑风速、风向等风场数据对波浪形态的影响下， 首次实现了基于 CUDA 和 Phillips 海浪谱的大面积流域仿真方法，实现了对湖泊和海 洋的精细化模拟。同时，针对一般仿真系统集成度不高，开发时间过长等问题，提出 了综合 C++/CLI 技术、OpenSceneGraph (OSG)和频谱模型的 COSG 三维数字湖泊仿真 快速开发方法