【摘要】：時空數(shù)據(jù)模型是描述地理現(xiàn)象變化過程的數(shù)據(jù)模型,在流域時空過程模擬中起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)前描述地理實體變化的時空數(shù)據(jù)模型有諸多的模型,這些流域時空數(shù)據(jù)模型主要是針對某一特定流域水文模型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型或綜合流域水文模型,但這些流域水文時空數(shù)據(jù)模型表達(dá)時間的時間序列描述成相應(yīng)空間對象的屬性,它們間時空變化通過不同時刻狀態(tài)對象的變化操作實現(xiàn),以隱形關(guān)聯(lián)的方式實現(xiàn)時間與空間的聯(lián)系,這種方式只能表達(dá)空間關(guān)系及其變化,但是無法表達(dá)對象隨時間變化原因、變化程度、變化趨勢等問題。而流域水利大多模型及應(yīng)用往往就是要預(yù)測變化的趨勢,動態(tài)追溯反映變化情況。本研究闡述了一種顧及流域特征邏輯關(guān)系的基于過程時空數(shù)據(jù)模型,根據(jù)流域現(xiàn)象的變化過程特征引入觀測維度(變化軸)、原子單元(原子立方體)等概念,從某一觀測維度(變化軸)的變化情況來解析流域時空過程的空間、時間、專題屬性的變化情況。也就是,將地理實體(觀測原子單元)抽象成單元立方體,將流域地理變化過程抽象成某一維度軸上實體在其它維度軸上的變化情況。地理實體的時間信息為該單元立方體在時間維度軸上對應(yīng)的時間屬性。預(yù)測流域?qū)嶓w隨時間變化趨勢時,只需檢索時間維度軸上時刻點對應(yīng)實體映射到空間維度、專題屬性維度上的信息。該種流域時空數(shù)據(jù)模型解決了當(dāng)前流域時空數(shù)據(jù)模型表達(dá)時間的時間序列描述成相應(yīng)空間對象的屬性,它們間時空變化通過不同時刻狀態(tài)對象的變化操作實現(xiàn),以隱形的方式表達(dá)時間與空間的聯(lián)系來描述空間關(guān)系及其變化等問題。本文具體研究工作總結(jié)如下： (1)論文首先分析流域時空現(xiàn)象表達(dá)的時空數(shù)據(jù)模型國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。分析了不同時空數(shù)據(jù)的特點及應(yīng)用領(lǐng)域,闡述了這些模型的優(yōu)缺點。其次,在分析了流域地理現(xiàn)象變化過程中地理實體的空間特征、時間特征、屬性特征的基礎(chǔ)上,將地理實體的時間、空間、屬性分解成時間、空間及屬性域關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一整體原子單元。同時,針對當(dāng)前重點關(guān)注的時間、時間、專題屬性描述問題,總結(jié)出了12種變化場景來描述空間特征、時間特征、屬性特征變化,指出了：①空間軸由離散空間點序列組成,該空間點值為時態(tài)空間在空間軸上的投影。該空間數(shù)據(jù)為對應(yīng)的St,也可以看成時間層和屬性層交集到空間軸上的點。②時間軸由連續(xù)時間點序列組成,該時間點數(shù)值為時態(tài)空間內(nèi)點在時間軸上的投影。該空間屬性數(shù)據(jù)為對應(yīng)的Ft,也可以看成空間層和屬性層交集到時間軸上的點。③屬性軸由連續(xù)屬性點序列組成,該屬性點數(shù)值為時態(tài)空間內(nèi)在屬性軸上的投影,該空間映射的時間數(shù)據(jù)為對應(yīng)Tl。也可以看成空間維和時間維維面集合到屬性軸上點,該屬性軸上每一個屬性點代表一個包含空間時間的一個要素實體。最后,依據(jù)觀測流域時空變化的維度不同,將流域地理現(xiàn)象變化歸納以下三種類型：時間維度觀測型、專題屬性維度觀測型、空間維度觀測型。不同的觀測維度上記錄變化數(shù)據(jù)就是從不同的角度描述流域地理現(xiàn)象的變化,流域變化過程抽象成一個觀測維度(變化軸)上變化過程,對該現(xiàn)象變化過程的管理實際上就是表達(dá)該觀測軸上記錄的數(shù)據(jù)過程。 (2)研究了時間維度的引入及表達(dá)問題,重點闡述流域變化過程階段的原子單元的時間維度上表達(dá)的問題。提出了將基于快照時間嵌入表達(dá)法(也就是將時間嵌入到GIS層中,時間作為一個時間層的數(shù)據(jù)來處理)與基于時間戳的時間嵌入表達(dá)法(即將有效時間點嵌入到GIS各層的地理實體對象中)引入到流域地理現(xiàn)象變化時間維度上表達(dá)的模式。該模式解析了基于快照和基于時間戳法在物理組織層、流域過程代數(shù)表達(dá)層、流域空間要素表層縱向?qū)娱g映射關(guān)系,解析了基于快照和基于時間戳法在時間維度、空間維度、屬性維度橫向維度間關(guān)聯(lián)關(guān)系。實驗結(jié)果表明：基于時間點和基于時間段的方法都可以表達(dá)時間信息,由于基于時間戳的表達(dá)法能簡潔地進(jìn)行時間段查詢,故基于時間戳的表達(dá)法較適合應(yīng)用于流域過程模型的描述及表達(dá)。本論文后續(xù)的流域過程模型均使用該時間戳的模式表達(dá)時間。最后,基于流域時空現(xiàn)象的變化過程特征,給出了一種按照觀測維度變化粒度進(jìn)行分級抽象成過程、子過程、子階段、過程原子單元(過程原子單元包含地理實體表達(dá)的空間域、時間域、屬性域信息)四個層次的流域過程模型的結(jié)構(gòu)構(gòu)架圖。并具體描述了過程中地理實體對象的表達(dá)方法,提出了一種四元組描述的過程模型,在該模型的基礎(chǔ)上表達(dá)了流域水利時空過程關(guān)系及該時空關(guān)系的存儲結(jié)構(gòu)。 (3)在分析流域時空現(xiàn)象及地理變化特征的基礎(chǔ)上,首先提出了一種流域時空過程模型。該模型從縱向?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)上對過程模型進(jìn)行細(xì)化組織表達(dá),從橫向過程發(fā)展變化的觀測維度上對過程進(jìn)行關(guān)聯(lián)。從組織流域變化過程的觀測維度上,將過程細(xì)化分層進(jìn)行組織。流域地理現(xiàn)象過程可分解成過程、子過程、子階段、原子單元層次。根據(jù)流域地理現(xiàn)象發(fā)展過程的特征進(jìn)行細(xì)分,子過程又可劃分為若干個子階段。這些階段均是按照地理現(xiàn)象發(fā)展變化過程觀測維度變化過程進(jìn)行的。每一個子階段又可對應(yīng)一個過程原子單元。過程原子單元包含了時間域、空間域、屬性域的信息,時間、空間、屬性域涵蓋了流域?qū)嶓w對象的時空特征信息,也是進(jìn)行時空分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從流域過程發(fā)展變化觀測維度變化順序上分析過程模型的變化規(guī)律,將過程原子單元抽象成原子單元對象,每個對象部分在結(jié)構(gòu)上分割,在語義上通過關(guān)系相關(guān)聯(lián)。以便為后續(xù)時間域分析提供底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的支撐。其次,描述了一種基于流域、子流域、原子單元等流域特征邏輯關(guān)系。該邏輯關(guān)系表達(dá)了流域例如河流、河網(wǎng)、湖泊等水文要素,流域水利工程例如水庫、水渠、大壩等要素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。從原子單元對象角度描述流域時空過程的時間、空間、專題屬性和關(guān)系,給出了它們間的關(guān)系聯(lián)系描述�？紤]到面向?qū)ο蠹夹g(shù)在抽象地理實體、屬性及操作上的簡單便利性,將流域特征及表達(dá)實體抽象成空間、時間、屬性對象。給出了流域地理實體變化對象空間對象部分的點、線、面、體數(shù)據(jù)描述及組織的方法(本研究中流域特征對象要素均繼承于MAPGIS基本要素特征之上,以便流域時空數(shù)據(jù)模型可直接嵌入商業(yè)地理信息系統(tǒng)軟件MAPGIS使用)；描述了流域地理實體變化對象時域?qū)ο蟛糠值臅r間戳、時間段組織表達(dá)方法；分析了流域地理實體變化對象中專題屬性對象部分的專題屬性域、類型組織表達(dá)方法。最后,結(jié)合GIS數(shù)據(jù)存儲方式及流域地理現(xiàn)象變化過程的特征,提出了一種顧及流域特征邏輯關(guān)系的流域時空數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)模型,該存儲結(jié)構(gòu)構(gòu)造了過程、子過程、子階段、過程原子單元的存儲方式,映射了流域過程模型中的流域?qū)嶓w相關(guān)關(guān)系,該種過程原子單元存儲方式也是流域過程模型模擬的數(shù)據(jù)存儲基礎(chǔ)。 (4)流域降雨事件導(dǎo)致了流域水文過程,該變化過程是局部地理氣候與下墊面條件共同作用下的一種復(fù)雜的自然現(xiàn)象。本論文,首先描述了一種通用的流程方案來表達(dá)流域地理現(xiàn)象變化過程,提出了一種流域地理現(xiàn)象變化的基礎(chǔ)模擬構(gòu)架,這種嵌套式的流域過程模型模擬框架可方便模擬流域地理現(xiàn)象變化的流程,該種模擬框架能描述基于流域某一維度的地理實體變化情況。同時該種框架適用于流域不同的地理事件的過程變化模擬。例如流域降雨淹沒過程模擬,流域潰壩淹沒過程模擬,唯一的區(qū)別就在于抽象出來的流域演算模塊不同,該演算模型模塊是根據(jù)不同的流域過程變化采用不同的計算模型,最終得出過程原子單元所需的空間域、時間域、屬性域的數(shù)據(jù)。其次,以降雨徑流淹沒過程為實例,展示了流域過程模型模擬通用框架,在該框架中集成了模型方案：將流域逐級劃分成面積大小均勻的水文響應(yīng)原子單元。利用降雨過程相關(guān)雨量及水位信息,結(jié)合流域基礎(chǔ)地形、土壤、土地利用等影響因子,模擬各水文響應(yīng)原子單元的降雨產(chǎn)流過程、匯流過程、淹沒過程,建立流域降雨、徑流、淹沒過程演算模型,實現(xiàn)對流域淹沒過程降雨→產(chǎn)流→匯流→淹沒水位→淹沒區(qū)域的模擬。具體集成方案實現(xiàn)包括：①基于研究區(qū)河道的特征、地形DEM數(shù)據(jù)及降雨量水位數(shù)據(jù),在分析流域單元土地利用類型、土壤濕潤程度、土壤類別的基礎(chǔ)上,采用SCS產(chǎn)流模型,分析計算得出流域單元流量；②結(jié)合水量平衡方程和槽蓄曲線方程采用馬斯京根法演算河道出口單元匯流量；③考慮到研究區(qū)上游流域河道坡度較大,使用曼寧公式來計算研究區(qū)河道的水位值。④結(jié)合流域地形DEM和流域淹沒水位,使用淹沒水平面與地理單元DEM相切的方法來演算淹沒區(qū)范圍。 (5)在分析了研究區(qū)的地理位置、水系分布、水文氣象特征、植被土壤等基本概況基礎(chǔ)上,給出了一個流域過程模型的應(yīng)用實例。基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對研究區(qū)流域進(jìn)行流域洼地填充、流域河流流向、匯流累積量、流域河流網(wǎng)絡(luò)、流域子流域劃分處理,為流域降雨徑流淹沒過程提供流域河道網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。因流域水位數(shù)據(jù)的獲取通過測站測量獲取較為容易,考慮到本研究區(qū)的特征及流域河道網(wǎng)絡(luò)流向,采用基于水位的有源淹沒模型來模擬研究區(qū)的淹沒水深及淹沒區(qū)范圍,研究區(qū)實測數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)地理地形數(shù)據(jù)相結(jié)合實現(xiàn)了模擬昌化江流域的上游區(qū)域每日淹沒范圍。在使用2013年8月份昌化江流域上游山區(qū)河段模擬水位數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行該河段淹沒過程分析,以日作為時間戳(時間點)模擬了昌化江流域上游區(qū)域每日記錄時刻點淹沒區(qū)淹沒河段情況。使用數(shù)理統(tǒng)計分析方法,分別輸入流域測站實測數(shù)據(jù)與演算模型模擬數(shù)據(jù),分別計算對應(yīng)的絕對誤差、相對誤差、分級指標(biāo)、精度等級。計算結(jié)果顯示25項數(shù)據(jù)中精度等級指標(biāo)中有2項為不合格,其余23項為合格,合格率為92%。從4d淹沒區(qū)的變化情況來看,初始時段淹沒范圍較低,隨后時段隨著水位的急劇上漲流域淹沒范圍擴(kuò)大,到第3時段水位回落淹沒范圍縮小,到第4時刻降雨減弱流域淹沒范圍大幅回落。實例模擬表明,基于過程的流域時空數(shù)據(jù)模型能表達(dá)流域地理實體單元的變化過程。
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【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P208;P331

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2366250