将动态数据与机械模型相结合，用于在三维虚拟地理环境中进行精细尺度的洪水模拟

《Environmental Modelling & Software》：Coupling dynamic data and mechanistic models for fine-scale flood simulation in a 3D virtual geographic environment

本文提出了一种基于数据与模型耦合的3D虚拟地理环境中精细尺度洪水模拟方法，通过整合多源数据构建高分辨率网格，改进细胞自动机模型模拟动态洪水过程，并开发原型系统验证其有效性，为地下空间防洪提供决策支持。

　　随着全球气候变化和城市化进程的加快，极端天气事件在水循环中的频率和强度呈现出上升趋势。尤其是极端降雨事件的增多，导致城市内涝灾害日益严重。这种现象在城市地下空间尤为突出，如地铁站和地下商场等设施，由于其结构主要位于地下，且常涉及深基坑施工，因此在极端降雨条件下更容易受到洪水的影响。2021年7月20日中国郑州地铁5号线的事件就是一个典型案例，当时由于极端降雨引发了严重的城市内涝，造成14人丧生，经济损失巨大。因此，如何在这些小尺度场景中进行精确的洪水模拟，对于城市地下设施的防洪建设和风险管理工作具有重要意义。

传统的洪水模拟方法主要分为数据驱动和模型驱动两种类型。数据驱动方法依赖于大量的历史观测数据，如降雨量、水位等，通过叠加分析和模型构建，能够有效预测洪水的演变过程和风险区域。然而，这些方法在小尺度场景中面临挑战，主要是由于观测数据的不足，难以准确描述复杂地形和建筑结构对水流的影响。而模型驱动方法则基于水动力学方程，具有更强的物理建模特性，能够减少对大量历史数据的依赖。这类方法通常适用于理想化参数和场景，但在实际应用中，由于场景数据的动态变化，模型参数的静态设定难以满足复杂和多变的模拟需求。

为了解决上述问题，本文提出了一种基于数据与模型耦合的洪水模拟方法，旨在实现小尺度场景下的精确模拟和高效可视化。该方法首先通过融合多源数据，构建了高分辨率的地表网格，为洪水模拟提供了可靠的数据基础。其次，针对动态数据的特点，改进了基于细胞自动机的洪水机制模型，以更准确地反映洪水在地表的演变过程。最后，通过将动态数据层与机制模型层进行耦合，实现了在虚拟地理环境中对洪水的模拟和可视化。该方法不仅提高了洪水模拟的准确性，还增强了对复杂场景的适应能力，为城市地下空间的防洪建设提供了新的解决方案。

在实际应用中，该方法以正在建设中的地铁站为例，进行了一系列实验分析。实验结果表明，所提出的方法在模拟精度上达到了80%，与现场验证数据高度一致，且具备良好的可视化效果。这说明该方法在小尺度场景下的洪水模拟中具有显著的优势，能够为相关领域的决策支持提供有力的技术保障。此外，该方法的实施还填补了当前在小尺度场景洪水模拟方面的空白，拓展了虚拟地理环境在洪水模拟中的应用范围。

本研究的核心在于将数据与模型进行有机融合，从而克服传统方法在小尺度场景中面临的不足。通过高分辨率地表网格的构建，研究人员能够更精确地捕捉地表特征和地形变化，为洪水模拟提供了更加细致和真实的地理基础。同时，改进后的洪水机制模型能够更好地适应动态变化的场景，确保模拟结果与实际条件的匹配度。这种数据与模型的耦合方法，不仅提升了洪水模拟的准确性，还增强了对极端天气事件的预测能力，为城市防洪管理提供了新的思路和技术手段。

在具体实施过程中，研究人员采用了多源数据融合的方式，将地形数据、建筑物信息以及其他相关地理要素整合起来，构建了一个高精度的地表网格。这一网格能够准确反映地表的细微变化，为洪水的模拟提供了更加详实的数据支持。同时，基于细胞自动机的洪水机制模型也被进行了优化，使其能够更灵活地适应动态变化的场景，从而提高模拟的实时性和准确性。通过将动态数据层与机制模型层进行耦合，研究人员实现了对洪水演变过程的全面模拟，不仅能够预测洪水的发生和发展趋势，还能够直观地展示洪水对城市地下空间的影响。

为了验证该方法的有效性，研究人员开发了一个原型系统，并将其应用于地铁站的洪水模拟实验中。实验结果表明，该系统在模拟精度上达到了80%，与实际观测数据高度一致，同时具备良好的可视化效果。这表明，所提出的方法不仅能够提高洪水模拟的准确性，还能够增强对复杂场景的适应能力，为城市地下空间的防洪建设提供了有力的技术支持。此外，该方法的实施还为其他类似的小尺度场景提供了借鉴，拓展了虚拟地理环境在洪水模拟中的应用范围。

本研究的意义不仅在于提出了一种新的洪水模拟方法，更在于其对实际应用的指导价值。通过将数据与模型进行耦合，研究人员能够在虚拟地理环境中实现对洪水的精确模拟，从而为城市防洪管理提供科学依据和技术手段。特别是在极端天气事件频发的背景下，这种方法能够帮助城市管理者提前预测洪水风险，制定有效的应对措施，减少灾害带来的损失。同时，该方法还能够为地下空间的建设提供决策支持，确保在施工过程中能够有效防范洪水风险，保障人员安全和财产安全。

此外，该研究还强调了多学科融合的重要性。通过将计算机科学和地理信息科学的理论与方法相结合，研究人员不仅提高了洪水模拟的精度，还增强了系统的可视化能力。这种跨学科的研究方法为解决复杂地理问题提供了新的思路，同时也为相关领域的技术发展指明了方向。在未来的研究中，可以进一步探索如何将更多的地理要素和动态数据纳入模拟系统，以提高模拟的全面性和准确性。

综上所述，本文提出的数据与模型耦合方法在小尺度场景下的洪水模拟中具有重要的应用价值。通过构建高分辨率地表网格和改进洪水机制模型，研究人员实现了对洪水演变过程的精确模拟和高效可视化。该方法不仅能够提高洪水模拟的准确性，还能够增强对复杂场景的适应能力，为城市地下空间的防洪建设提供了新的解决方案。同时，该研究也强调了多学科融合的重要性，为未来相关领域的研究和技术发展提供了有益的参考。