降雨仿真方法及降雨仿真系统与流程

本发明涉及降雨三维时空可视化仿真渲染的方法，主要涉及降雨网格和降雨雨滴粒子的三维时空可视化呈现的方法和系统。

背景技术：

1、随着数字孪生流域建设大力推进，仿真渲染技术对构建孪生场景有着重要意义，目前，在降雨渲染结果展示中，通常使用等值面和全屏或基于规则发射器的降雨雨滴粒子系统的展示方法。以等值面的形式叠加到二维或地图引擎上，用户可以依据图例中降雨量和颜色的对映信息，查看关注地区降雨情况，但是该方式不能对降雨数据升维进行三维可视化呈现。另外，现有技术以降雨雨滴粒子形式展示降雨效果，只支持盒型、球形、圆形、锥形等规则发射器的方式或者全屏的方式呈现降雨效果，无法呈现不规则形状区域(例如某个城市区域、某个省区域)的降雨雨滴粒子效果。而且，当待分析区域范围较大时，通过仿真无法反映不同区域降雨量的不同。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是针对现有技术中无法呈现不规则形状区域的三维降雨效果的问题，提供一种降雨仿真方法。

2、本发明提供的降雨仿真方法包括：

3、(a)构建被分析区域的外接矩形，使得被分析区域位于外接矩形的范围内；

4、(b)将外接矩形划分为面积相等的多个网格，且裁剪位于被分析区域边界之外的部分，得到与被分析区域对应的二维网格模型，其中，每个网格对应的区域中降雨量监测点的数量不大于1；

5、(c)将所述二维网格模型设置在具有地球与天空的地球三维场景中，使得所述二维网格模型位于地球三维场景中被分析区域的正上方(即二维网格模型投影到地球三维场景中的地球表面上的位置即为地球三维场景中被分析区域)，使得所述二维网格模型与地球表面平行，且使得所述二维网格模型与地面之间的高度差为预设高度差；

6、(d)在地球三维场景中，在网格正下方、地球表面之上的范围设置与该网格对应的雨滴粒子，以固定周期更新所有雨滴粒子的高度位置，从而实现降雨仿真；

7、其中，利用被分析时刻设置有降雨量监测点的网格对应的降雨量、网格之间的距离计算得到被分析时刻各个网格对应的降雨量估计值；

8、其中，网格对应的降雨量估计值/网格对应的降雨量估计值所在降雨量区间的上限值与网格对应的雨滴粒子个数为正相关关系。

9、根据上述设置，通过划分网格，裁剪位于被分析区域边界之外的部分，通过得到每个网格对应的区域位置的降雨量，且在地球三维场景中设置与各个网格对应的雨滴粒子，固定周期更新雨滴粒子的高度位置，即可对不规则的区域(例如某市所在范围，某省所在范围)进行降雨量仿真。设置网格对应的降雨量估计值/网格对应的降雨量估计值所在降雨量区间的上限值与网格对应的雨滴粒子个数为正相关关系，即若降雨量越大/降雨量所在降雨量区间的上限值越大，则雨滴粒子个数越多，若降雨量越大/降雨量所在降雨量区间的上限值越小，则雨滴粒子个数越少。通过上述设置，从而可以在仿真中直观反映被分析区域内降雨量大小的分布。本技术的高度位置即在垂直于地球表面方向上、与地球表面的距离。即越远离地球，高度越大，越靠近地球，高度越小。

10、上述技术方案中，根据网格对应的降雨量估计值设置与网格对应的雨滴粒子个数，使得：当一个网格对应的降雨量估计值大于另一个网格对应的降雨量估计值时，所述一个网格对应的雨滴粒子个数大于所述另一个网格对应的雨滴粒子个数；或者

11、当一个网格对应的降雨量估计值所在降雨量区间的上限值大于另一个网格对应的降雨量估计值所在降雨量区间的上限值时，所述一个网格对应的雨滴粒子个数大于所述另一个网格对应的雨滴粒子个数。

12、上述技术方案中，所述降雨量区间划分为：第1个降雨量区间为[0,d1]，第2个降雨量区间为(d1,d2]，……，第k个降雨量区间为(dk-1,dk]；d1、d2、……、dk分别为第1个降雨量区间、第2个降雨量区间、……、第k个降雨量区间的上限值；其中，k＝1,2,……,k；k为降雨量区间个数；npk＞npk-1＞……＞np1；npk为当网格对应的降雨量估计值位于第k个降雨量区间时，网格对应的雨滴粒子个数。

13、在优选实施方式中，若网格对应的降雨量估计值位于第k个降雨量区间，则网格对应的雨滴粒子个数为npk＝pa×dk，其中，pa为预设比例值，pa＞0。

14、在优选实施方式中，np1为预设值，表示对d2/d1向上取整。

15、在优选实施方式中，dpk＞dpk-1＞……＞dp1；dpk为当网格对应的降雨量估计值位于第k个降雨量区间时，网格对应的雨滴粒子的直径。

16、上述技术方案中，将网格对应的降雨量估计值进行归一化处理后与各个降雨量区间进行比较，判断归一化处理后的降雨量估计值所处于的降雨量区间。

17、根据上述设置，使得当降雨量最大值与降雨量最小值的差值较大时，通过归一化处理，方便后续进行数据处理。

18、上述技术方案中，在一种实施方式中，在被分析时刻被分析区域的第i个网格对应的降雨量估计值zi利用下式计算：

19、

20、其中，i＝1,2,……,ia；ia为被分析区域内网格的个数；ωi,ju为计算第i个网格的降雨量估计值时第ju个降雨量监测点所占权值，uju为第ju个降雨量监测点在被分析时刻测得的降雨量，di,ju为第i个网格的中心与第ju个降雨量监测点之间的距离，p1为第一预设幂次，ju＝1,2,……,ju，ju为被分析区域内观测点的个数、或为外接矩形中观测点的个数。

21、根据上述设置，即可利用已有降雨量监测点测得的降雨量，对未设置降雨量监测点的网格的降雨量进行估计。两个网格之间的距离可为两个网格中心之间的距离。根据上述公式中，若降雨量监测点与被估计的网格距离较远，则分母较大，使得该较远的降雨量监测点所占权重较小，而若降雨量监测点与被估计的网格距离较近，则分母较小，使得该较近的降雨量监测点所占权重较大，即对较近的降雨量监测点的降雨量值的信任度较高。根据上述计算式，即可得到未设置降雨量监测点的各个网格的降雨量估计值。

22、上述技术方案中，在另一种实施方式中，所述步骤(a)中，所述外接矩形的任一条边与被分析区域边界之间的最小间距不小于第一预设间距；所述降雨仿真方法中，在被分析时刻被分析区域的第i个网格对应的降雨量估计值zi利用下式计算，且降雨量估计值zi的计算先于所述裁剪位于被分析区域边界之外的部分的步骤执行；

23、

24、其中，i＝1,2,……,ia；ia为被分析区域内网格的个数；ωi,jv为计算第i个网格的降雨量估计值时第jv个降雨量监测点所占权值，uj为第jv个降雨量监测点在被分析时刻测得的降雨量，di,jv为第i个网格的中心与第jv个降雨量监测点之间的距离，p2为第二预设幂次，jv＝1,2,……,jv，jv为外接矩形中与第m1个网格之间的间距不大于第二预设间距的观测点的个数。

25、申请人在研究时发现，例如被分析区域为湖南省，如果某个网格位于湖南省边界，而湖南省的各个降雨量监测点均在该边界网格的一侧，则对该边界网格的降雨量估计值可能有不准确的问题。通过上述改进方案，即构建的外接矩形的任一条边与被分析区域边界之间的最小间距不小于第一预设间距，且在网格降雨量估计值计算式中，所选取的降雨量监测点是与该被估计网格之间的间距不大于第二预设间距，即计算中所选取的降雨量监测点并不仅限于被分析区域内，而是考虑与被估计网格之间的距离。通过设置外接矩形的任一条边与被分析区域边界之间的最小间距不小于第一预设间距，使得即使是靠近被分析区域边界的网格，其与外界矩形的边界的距离至少为第一预设间距，即靠近被分析区域边界的网格的降雨量估计值可利用被分析区域之外的降雨量监测点的降雨量值进行计算(例如位于湖南省边界的网格的降雨量估计值可利用湖北省的降雨量监测点的降雨量值计算)，且计算时仅考虑外接矩形中与第m1个网格之间的间距不大于第二预设间距的观测点(即距离网格较近的降雨量监测点)，从而可使得位于被分析区域边界的网格的降雨量估计值有较好的估计精度。由于距离网格较近的降雨量监测点的降雨量数据可信度更高，因此根据上述改进方案，使得对网格降雨量的估计更为准确。

26、上述技术方案中，所述固定周期的取值范围为5ms-100ms。

27、根据上述设置，使得在较短时间内即对雨滴粒子进行刷新，使得降雨显示效果较好。

28、上述技术方案中，各个雨滴粒子所在的高度位置均利用重力公式更新；或者各个雨滴粒子与地球表面之间的高度差利用0到预设高度差之间的随机值更新。

29、根据上述设置，可利用重力公式更新雨滴粒子的高度位置，也可将各个雨滴粒子的位置设置为随机高度。后一种更新方法更为简单，降低计算机或处理器运算的复杂度，节约功耗；且根据实践发现，后一种更新方法也能实现较好雨滴仿真的效果。

30、上述技术方案中，所述步骤(c)与步骤(d)之间还包括：

31、步骤(c1)：将所述二维网格模型中的每个网格均在第一方向进行拉伸，得到拉伸后网格模型，使得第i个网格拉伸后的形状的部分的顶面、底面均与地球表面平行，且使得第i个网格拉伸后的形状在第一方向上的尺寸eth(i)为：

32、

33、其中，maxh为所述预设高度差，rfv(i)为第i个网格对应的降雨量，i＝1,2,……,num；num为被分析区域内网格总数；max_rfv为各个网格对应的降雨量中的最大值，所述第一方向为垂直于地球表面、且朝向或远离地球表面的方向。

34、通过上述设置，通过对二维网格模型进行拉伸，从而使得降雨量较大的区域拉伸长度较大，从而可以直观反映不同区域降雨量的大小差异。

35、上述技术方案中，各个雨滴粒子所在的高度位置均利用重力公式更新；或者

36、第i个网格对应的雨滴粒子的高度位置利用0到h(i)之间的随机值更新，其中h(i)为第i个网格对应的雨滴粒子的高度上限；

37、其中：

38、若所述第一方向为垂直于地球表面、且朝向地球表面的方向，则：

39、其中kh为预设比例系数，0＜kh≤1。

40、若所述第一方向为垂直于地球表面、且远离地球表面的方向，则h(i)＝maxh。

41、本发明还提供一种降雨仿真系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器被配置为用于执行上述降雨仿真方法的步骤。

42、本发明具有的优点和积极效果是：本发明提供了一种针对不规则形状区域的降雨雨滴粒子三维仿真方法，提升了降雨可视化呈现的视觉效果。