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柳州饮用水:一种基于元胞自动机的滑坡模拟算法

时间: 2018-11-30阅读:

摘要:传统滑坡动态模拟过程中,存在着模拟物理模型复杂,效率低下等问题,导致模拟效率低。本研究在传统方法的基础上引入元胞自动机模型进行优化,解决了传统方法滑坡的滑动过程模拟模型过于烦琐,且模拟可靠度低的问题,并增加了多因素分析,将滑坡看作一个复杂系统,从而可以较为真实的模拟真实滑坡过程,最后通过数据验证了本文算法的可行性与可靠性。

关键词: 元胞自动机;多任务;滑坡模拟

中图分类号:TP3 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2018)21-0293-03

1 引言

我国地大物博,幅员辽阔,自然灾害时常发生,是对人民生命财产安全的最大威胁和对社会经济发展的重大制约因素。滑坡属于自然灾害中危害性较为显著的一种,对滑坡过程模拟可以增强人民对滑坡的认识与理解,可以更好地为防灾救灾服务。

考虑到滑坡实时动态模拟所面对的存储空间量大,实时存储速度要求较高,我们提出一种针对复杂运动过程的元胞自动机滑坡模拟算法,为滑坡模拟乃至通用复杂运动过程模拟的优化研究提供一种新的解决思路。

通过阅读文献我们可以得知,各种各样的新型高效算法都开始应用到滑坡模拟、滑坡预测等方面。张永新等人对这些方法做了总结,第一个是技术的集成,将不同的滑坡研究理论应用到一起,综合解决问题。第二个是现代科学方法的引进,通过对近些年来一些高效、先进的算法进行研究,融入滑坡模拟。本文就是在两个方法的基础上,综合展开而来。

2 元胞自动机模型

元胞自动机是20世纪末研究并快速发展起来的复杂科学模型,该模型由元胞组成;每个元胞在t時刻有一个状态值,所有元胞分布在元胞空间里,根据定义的规则进行周期转换。大量的元胞在元胞规则多个周期约束下相互影响,构成整个模型的运行机制。

2.1 元胞自动机在数学上的定义

2.2 元胞自动机的组成

最简单的元胞自动机模型由元胞、演化规则、邻居以及元胞空间四块组成,广义上看,可以简单地描述为空间以及函数两部分。

(1)元胞也叫作细胞,或单元,是CA模型的基础。

(2)元胞状态指在t时刻的状态值,如在本次滑坡模拟中采用十进制0、1、2来表示。

(3)元胞空间:元胞空间指元胞自动机模型里各个元胞的空间网点集。

(4)邻居的确定:元胞自动机模型中,元胞下一时刻状态是否改变,是自身与相邻元胞状态综合决定的。

(5)确定元胞所有的演化规则以及规则约束下的状态集合,两者构成了元胞状态转换动力学函数。

(6)时间:元胞自动机模型是一个非静态模型,具有时空特征,模型在时间上的应用具有离散型。

3 多因素元胞自动机模型在滑坡上的应用

本次滑坡模拟主要过程是把一个滑坡体划分成一个个滑面,而每个滑面都是由一个个元胞空间组成,通过分析地理地质因素的改变而影响的元胞以及元胞初始化。如:元胞摩擦角、元胞倾角以及粘聚力、土壤成分组成比等,例如其中土壤湿度、温度等可以影响元胞粘聚力。

3.1 实施方法

具体实施中,将滑坡体的滑坡面进行有效划分成X*Y个元胞块,每一个块分别是一个滑坡体元胞,而对于每个滑坡体元胞又赋予他们三种状态,有0状态、1状态、2状态,三种状态各自表示元胞处于空穴、实体颗粒以及空穴实体混合体,进行滑坡实例到元胞自动机模型对象的等值转换。在演化规则不断约束运行下,处于三种状态的元胞不断转化,通过记录0状态元胞的数量以及位置,则可以动态地进行滑坡运动过程的模拟。

所以具体实施方法有以下步骤:

(1)制定滑坡元胞自动机概念模型。根据规则确定滑坡体元胞空间以及元胞演化规则的定义,然后根据实际情况进行模型其他部分内容的填充;

(2)将滑坡体参与模拟的部分抽象成X*Y的元胞空间矩阵,X*Y个方块表示整个滑坡体元胞。分析每个元胞在t时刻的状态;

(3)按一定的概率分布,设置初始状态每个元胞的初始能量;

(4)演化规则以及元胞邻居的确定。根据滑坡模拟的力学、物理、人文知识确定演化规则,根据元胞邻居定义标准,对每个元胞的邻居进行标记;

(5)通过对演化规则的分析以及对元胞空间的约束,让整个模型进行一个元胞周期的统一计算更新,然后重新定义或修改演化规则,重复上述过程,直至元胞空间开始稳定。

所以滑坡元胞层的主要涉及对象主要包含两个:

(1)第一个是滑坡体元胞的初始化:各元胞状态所占比例以及分别进行赋值,即计算滑坡智能模拟模型开始运行时元胞空间中0、1、2状态的元胞各占的比例需要考虑的对象:元胞空间组成。

(2)另一个是最终元胞自动机模型的基本直接参与单位:滑坡元胞。

我们此次模拟用元胞自动机进行滑面等值转换,通过把滑坡体的滑坡面进行有效划分成X*Y个元胞块,每一个块分别是一个滑坡体元胞。第一步为前期准备工作、第二步为滑坡体区域矩阵化,这两步都是前期准备工作,可以算为通用步骤。第三步是按一定的概率分布设置在初始状态每个元胞的初始能量,即0、1、2状态的确定,接下来即通过转换规则对滑坡元胞进行转换判定,从而得出整体元胞的状态。

3.2 具体实现

前面已经做好了系统实现的铺垫,包括概念模型与实施步骤,现在只需要建立一个合适的数据库以及可视化平台,即可以很好地进行滑坡动态模拟。本文采用VS2010平台对该模型算法进行编程测试,并进行可视化展示。

(1)建一个小滑块

创建一个小方块元胞个体,该对象包括了形状和刚体两大部分。density与globalPose两个分量分别表示密度和初始位置,而每个元胞滑块初始化过程中又定义了大小,从而可以计算出质量。

(2)建一个滑坡承载空间

一个滑坡承载空间,在本次模拟可视化设计实现过程中,是随机生成一个平滑的曲面,两头高,中间凹陷进去,有一定的蜿蜒起伏,组成整个滑坡承载空间的物质有冰面materialIce,石头materialRock,泥土materialMud,草地materialGrass,每个不同的组成都有不同的物理属性。

经过系统生成,我们可以得到如图所示的滑坡体承载空间,可以看到,整个承载空间成起伏曲线状,两头高、中间低,且下方有一处小平地,整个空间由灰色、褐色、绿色三种颜色组成、分别表示滑坡体承载体有泥土、石头以及草地组成。

(3)滑坡初始化滑坡承载体建起以后,就是滑坡初始化过程,创建好了滑坡小滑块以及滑坡体承载空间,就可以进行滑坡可视化的模拟工作了,我们可以创建一个100*100的小滑块滑坡元胞空间。下图分别是正面图与侧面图。

(4)经过10000步的运行,可以发现,滑坡运动过程基本趋于静止,不再活跃,仅有极少部分的滑块在做微小的移动。

通过对滑坡具体实例所进行编码、模拟和有效性验证表明:本文介绍的多任务时空数据模型,能够较好地描述实际滑坡作用过程,具有一定的应用价值。

4 结论

综上所述,本文通过理论研究和开发,提出了一个可操作的基于元胞自动机的滑坡模拟模型较好地解决了滑坡三维模拟中的时态性和可视化问题,实现了对滑坡过程及其时空特征的动态模拟。通过具体的模拟实践,验证了所提出的模型的合理性。

参考文献:

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[5] 黎夏,叶嘉安.知识发现及地理元胞自动机[J]. 中国科学:地球科学, 2004, 34(9):865-872.

[6] 周成虎,孙战利,谢一春.地理元胞自动机研究[M]. 科学出版社, 1999.

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