暑期軟件工作營(yíng)

暑假快要來(lái)啦！Needle為同學(xué)們的暑假準(zhǔn)備了豐富系統(tǒng)的軟件課程，本次暑假軟件工作營(yíng)包含了基礎(chǔ)課程和進(jìn)階課程。基礎(chǔ)課程包括了景觀學(xué)生必學(xué)的五大軟件：PS+AI+GIS+Rhino+Grasshopper，進(jìn)階課程則涵蓋了可做景觀動(dòng)態(tài)模擬的Simulation課程，可做景觀參數(shù)化編程的Processing課程以及景觀異形建模的Maya課程等。
如果你希望精進(jìn)自己的軟件制圖能力及建模能力等，那么基礎(chǔ)課程絕對(duì)適合你！如果你希望能夠?qū)W些不一樣的前沿技能以及深化研究方法，又或是已經(jīng)工作但希望能提升自己的技能水平增加技能點(diǎn)，那么進(jìn)階課程也一定能夠讓你滿意！
本次課程設(shè)置于七月和八月暑假期間，本次課程采取CCTALK的線上直播形式，課后提供課程視頻回放及微信群內(nèi)答疑，方便同學(xué)們自由靈活的學(xué)習(xí)與回顧。還不快下滑來(lái)看看我們的精彩課程設(shè)置！

基于Casear LisFlooding的雨洪

以及河道侵蝕和沉積的數(shù)字化模擬平臺(tái)

Casear LisFlooding

本文主要介紹基于Casear Lisflooding的雨洪以及河道侵蝕和沉積的數(shù)字化模擬平臺(tái)。河流是高頻率變化自然場(chǎng)景之一。河流中包含了多個(gè)動(dòng)態(tài)變化的自然過(guò)程，如洪水，沉積和侵蝕，生物多樣性的演變等。在河流的場(chǎng)景里，數(shù)字化模型可以介入，將河流中的動(dòng)態(tài)過(guò)程轉(zhuǎn)化成為數(shù)學(xué)算法。地質(zhì)科學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家合作開(kāi)發(fā)過(guò)多種數(shù)字化模擬平臺(tái)，旨在表示影響河流形態(tài)和動(dòng)力變化的顯著過(guò)程和特性，允許在建模環(huán)境中模 擬和觀察過(guò)去的動(dòng)態(tài)過(guò)程。Caesar Lisflooding 屬于這些平臺(tái)之一。CAESAR是用Visual C#編寫(xiě)的，在Windowsnt、2000、XP、Vista、7和8-32和64位上作為Windows程序運(yùn)行。它有很好的可操作性，由于搭建了完整的切閉合的平臺(tái)和前端的操作界面，在使用過(guò)程中，不需要編程經(jīng)驗(yàn)。

Caesar Lisflooding 綜合了元胞自動(dòng)機(jī)及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型。它將 Lisflood-FP 二維水動(dòng)力流模型與多粒徑泥沙輸移模型相結(jié)合，模擬多重流動(dòng)路 徑及河流集水區(qū)的侵蝕和沉積，其能夠在廣泛 的空間(1~1 000 km2)和時(shí)間(<1~1 000+ 年) 范圍內(nèi)運(yùn)行。模 擬中集成泥沙、流模型、水文、植被、坡度與迭代等模塊的數(shù)值參數(shù)。模擬輸入端以數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)為基本載體，將柵格重采樣為 10 m 以維持計(jì)算穩(wěn)定性。研究采用河段模式，輸入流域水量數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行多情景水量洪泛區(qū)模擬。

Fig.1 模擬河流系統(tǒng)的不同類型

（Source：趙天逸,成玉寧.基于CAESAR-Lisflood的彎曲型河流景觀演化與洪泛區(qū)治理—以英國(guó)塞文河為例[J].風(fēng)景園林,2021,28(02):76-82.）

Caesar Lisflooding 中的Dem處理

CAESAR可以接受DEM中的任何網(wǎng)格單元大小（盡管所有單元的大小必須相同），并已用于從1m到100m的DEM單元。但是，網(wǎng)格單元大小的選擇很重要，因?yàn)樵诳梢越５膮^(qū)域、分辨率和運(yùn)行模型所需的時(shí)間之間需要做出重大的折衷。CAESAR最多可以運(yùn)行200萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元，但可能最適合于25萬(wàn)到50萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格單元的應(yīng)用程序。很簡(jiǎn)單，網(wǎng)格單元的數(shù)量越小，模型運(yùn)行的速度就越快。這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)榫€性增加分辨率會(huì)導(dǎo)致柵格單元數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)。此外，侵蝕極限參數(shù)-或每次迭代可侵蝕或沉積在單元上的量-可能取決于網(wǎng)格單元大小。單元高程的變化表示局部坡度的變化，1m單元的0.1m變化等于坡度的10%，而10m單元的0.1m變化等于1%。因此，增加正在建模的DEM的網(wǎng)格單元大小會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，因?yàn)榫W(wǎng)格單元之間的變化會(huì)導(dǎo)致坡度變化不太嚴(yán)重。

此外，單元大小影響流模型的時(shí)間步長(zhǎng)。這個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)由courant數(shù)、流動(dòng)深度和網(wǎng)格單元大小控制。更小的網(wǎng)格單元將導(dǎo)致更小的時(shí)間步，因?yàn)榱鞑荒芤淮慰缭蕉鄠€(gè)單元（在距離上）。此外，較小的網(wǎng)格單元尺寸會(huì)導(dǎo)致單元之間高程的較大相對(duì)變化，為了保持流動(dòng)模型的數(shù)值穩(wěn)定性。

在這個(gè)Dem讀取條件下，如需模擬特殊場(chǎng)地，則需要獲取它的詳細(xì)Dem數(shù)據(jù)或者編輯與地形相符的excel數(shù)據(jù)。這兩種方式在大部風(fēng)情況下都稍顯復(fù)雜。因此，筆者試圖開(kāi)發(fā)了連接Rhino和Caesar的借口API，通過(guò)rhino中搭建地形，模型通過(guò)借口直接轉(zhuǎn)化為Caesar能夠讀取的高程數(shù)據(jù)。同時(shí)，可以設(shè)置指定區(qū)域的土地粒徑。簡(jiǎn)化了整體的工作流程。

Fig.2 Flow?Based?on?Python?API?（Rhino?to?Caesar）

CASEAR可以在兩種模式下運(yùn)行；集水模式，除降雨外無(wú)外部通量或輸入；以及具有一個(gè)或多個(gè)將水和沉積物輸入到系統(tǒng)的點(diǎn)的到達(dá)模式。它可以同時(shí)在集水模式和到達(dá)模式下運(yùn)行。

Catchment Mode：雨洪模擬

對(duì)于集水模式，CAESAR需要降雨數(shù)據(jù)，理想情況下應(yīng)為每小時(shí)一次，但使用了不同的時(shí)間段（分鐘到天）。理想情況下，研究集水區(qū)應(yīng)具有降雨記錄以及允許評(píng)估/校準(zhǔn)模型水文成分的測(cè)量點(diǎn)或出口。因此，模型流量與給定洪水的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)流量相匹配。但是，如果這不可用，可以使用附近的降雨數(shù)據(jù)，并且可以使用水文模型參數(shù)化的示例設(shè)置范圍。

Fig.3 Caesar 界面參數(shù)設(shè)置

CAESAR還需要集水區(qū)的光柵DEM（而不是TIN），編輯和校正DEM是準(zhǔn)備CAESAR模擬的重要部分。該模型可以處理各種DEM分辨率，并已應(yīng)用于1m-100m網(wǎng)格單元的DEM中。一些DEM可以以原始形式應(yīng)用，但通常數(shù)據(jù)中包含的錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致模型出現(xiàn)重大問(wèn)題，例如錯(cuò)誤的單元高程序列可能會(huì)導(dǎo)致谷底障礙物。因此，建議首先對(duì)DEM進(jìn)行處理，以清除任何水槽或凹坑，并確保排水管網(wǎng)直接下降至出口點(diǎn)。

CAESAR的設(shè)置使得DEM的水和沉積物出口點(diǎn)（測(cè)量沉積物和水輸出的地方）必須位于地圖的一個(gè)邊緣。該模型不會(huì)路由水或允許水從“無(wú)數(shù)據(jù)”單元格（值為-9999的單元格）流出，因此必須從要流出的DEM邊緣刪除這些單元格。

Catchment Mode 常用于河道的雨洪模擬，來(lái)測(cè)試在急降雨或者河道洪水的情況下，河道周邊的淹沒(méi)范圍?？芍笇?dǎo)河道泄洪設(shè)施或海綿體的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的多種參數(shù)包括尺寸，深度以及排洪連接方式等。

Fig.4 應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目的雨洪模擬

Reach Mode：沉積與侵蝕模擬

對(duì)于reach模型，CAESAR還需要相同格式的DEM文件。同樣，值得花時(shí)間確保DEM中沒(méi)有錯(cuò)誤。有時(shí)，個(gè)別單元格或單元格組可能需要編輯或刪除，為此，CAESAR網(wǎng)站上提供了一個(gè)名為RasterEdit（由Marco Van de Wiel創(chuàng)建）的有用程序。

Fig.5 Raster?Edit

至于集水模式，水必須直接從DEM的任何邊緣流出–它不會(huì)被路由到-9999或Nodata單元。在reach模式下，需要一個(gè)包含reach的水和沉積物輸入的附加文件。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)ascii文件中，時(shí)間步長(zhǎng)在第一列，排水量在第二列，單獨(dú)粒度分?jǐn)?shù)的輸入（時(shí)間步長(zhǎng)以m3為單位）在第6到第14列。此文件與其中一個(gè)匯流輸出文件的格式相同CAESAR還可以在集水區(qū)和河段模式下運(yùn)行，因此對(duì)于也包含點(diǎn)源（例如主要支流）的集水區(qū)，模型可以同時(shí)采用降雨和點(diǎn)輸入。

?

Casear還需要集水區(qū)粒度分布的信息。它目前可容納9種不同粒級(jí)的泥沙，可同時(shí)處理推移質(zhì)和懸移質(zhì)。該模型使用一個(gè)可變的時(shí)間步長(zhǎng)，由流域內(nèi)發(fā)生的侵蝕和沉積量控制。設(shè)置一個(gè)參數(shù)，它表示在任何一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)可能發(fā)生的最大腐蝕或沉積量。如果超過(guò)此值，模型將時(shí)間步長(zhǎng)減半，并重復(fù)侵蝕計(jì)算，直到低于此限制。這確保了數(shù)值穩(wěn)定性，并允許模型在靜止期（例如低流量）有較長(zhǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)（最多1小時(shí)），但在洪水或侵蝕活動(dòng)期間有較小的時(shí)間步長(zhǎng)。

Reach Mode主要模擬河道的侵蝕和沉積的動(dòng)態(tài)過(guò)程。通過(guò)場(chǎng)地內(nèi)粒徑的大小，來(lái)控制侵蝕速度的快慢。

Video 2?實(shí)際場(chǎng)地的沉積侵蝕模擬

Fig.6 應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目的沉積侵蝕模擬

Fig.7 應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目的沉積侵蝕模擬

CAESAR-Lisflood模型運(yùn)用到風(fēng)景園林或城市規(guī)劃學(xué)科中,對(duì)于河道景觀演化的模擬研究,創(chuàng)新性地提出能夠使防洪措施更精確可控的設(shè)置,為規(guī)劃方案的設(shè)置與比選提供新思路,以此指導(dǎo)河流沿岸空間景觀規(guī)劃。