用于泥石流灾害快速风险评估的实时可视化模拟分析方法

摘要

泥石流主要是由短时间内强降水引发的山体滑坡所致，具有发生突然、扩张迅速以及响应紧迫等特征，严重威胁着人民的生命与财产安全。快速、准确地开展泥石流灾害演进过程模拟与风险评估分析，获取泥石流灾害淤埋范围、淤埋泥深、风险程度等灾情信息，可为应急救援演练和应急处置指挥提供重要的科学依据。虽然在泥石流灾害演进过程模拟与分析方面已有不少研究，但仍存在模拟计算效率低、风险评估能力弱、可视化程度差以及地理知识共享难等问题，难以有效地支撑应急情景下泥石流灾害快速模拟和风险评估。 针对上述问题，本文在OpenMP高性能计算和WebGL等技术的支持下，侧重研究用于泥石流灾害快速风险评估的实时可视化模拟分析方法，深入地探索了基于精细化格网的泥石流灾害快速风险评估、基于多格网尺度的泥石流灾害模拟并行优化、泥石流灾害场景动态构建与网络服务发布等关键技术与方法，以实现泥石流灾害的快速模拟与实时可视化分析。本文的主要研究工作如下： (1) 以精细化空间格网为基本评估单元，提出了泥石流灾害快速风险评估方法与流程。选择了适宜的格网尺度将土地利用、人口以及社会经济等风险对象进行精细格网化处理，并采用层次分析方法构建了泥石流灾害风险度评估函数，基于无人机影像、历史资料、野外调查结果等数据获取风险评估因子值，快速地开展了泥石流灾害整体性风险评估。在此基础上，基于数值模拟结果开展泥石流灾害精细化风险评估，得到不同风险等级下的受灾人口、道路、居民地等详细灾情信息。 (2) 提出了基于多格网尺度的泥石流灾害数值模拟并行优化方法，分析得出了数值模拟计算格网尺度的适宜性范围，提高了模拟计算效率。本文基于 OpenMP 多核并行计算框架，选择了几种典型的格网尺度数据开展泥石流灾害演进过程模拟，并采用淤埋面积、最大泥深、最大流速等因子进行格网尺度敏感性分析，得到了适宜格网尺度范围，单个时间步长内的数值模拟计算可以在15毫秒内完成，最大加速比可以达到148倍左右，能够支持泥石流灾害实时交互分析。 (3) 提出了泥石流灾害场景的动态构建与网络服务发布方法，支持三维可视化的实时动态表达与交互探索分析。在HTML5和WebGL技术的支撑下，实现了虚拟地形环境场景的快速构建与泥石流灾害模拟计算结果的动态可视化展示，用户可以交互式获取淤埋面积、实时泥深、实时流速以及不同风险等级下的人口、道路、居民地等灾情信息。泥石流灾害可视化渲染效率约为35fps，能够支持在虚拟灾害场景中进行实时交互分析。 (4) 基于上述研究成果，研发了用于泥石流灾害快速模拟与风险评估的虚拟地理环境原型系统，将泥石流灾害风险评估、数值模拟与三维可视化进行紧密集成，并选择了典型案例区域，开展了应急情景下泥石流灾害快速模拟与风险评估。试验结果表明：本文提出的方法能够有效地支撑泥石流灾害快速模拟、动态可视化与交互分析，并可以支持地理知识的共享与发布，为应急情景下人群疏散路线制定、临时安置点设置以及救援方案制定提供科学依据。

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