三維GIS技術在洪澇分析領域的探究

發(fā)布日期：2019-07-05 00:00 瀏覽量：10118

近日，《智慧水利總體方案》及《水利業(yè)務需求分析報告》通過水利部審查。

說到智慧水利，不得不提起三維GIS技術，三維GIS在表達客觀世界上更接近人的真實感受。近年來三維GIS理論和技術的發(fā)展，給城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、石油探測、氣象預報、地質(zhì)研究等領域開展工作帶來了很多的便利。

在洪澇分析領域，國內(nèi)外學者主要側(cè)重于基于ＤＥＭ的洪澇災害淹沒分析算法與應用研究，如基于ＤＥＭ的桂林海洋巖溶區(qū)洪水淹沒預測模型、一種大區(qū)域洪水淹沒范圍快速提取的分塊種子蔓延算法、一種面向海量數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的洪水淹沒區(qū)快速生成算法、基于Ｆ－ＤＥＭ的洪水淹沒區(qū)精確快速提取算法。

采用三維GIS進行城市暴雨積澇災害的模擬、預測，可以立體地展現(xiàn)積澇災害的動態(tài)演進過程、地物受災情況。

以某市中的老城區(qū)作為研究對象，數(shù)據(jù)來源是通過搜集和整理了研究區(qū)地理信息數(shù)據(jù)、三維建模數(shù)據(jù)、災情評估數(shù)據(jù)、雨量實測數(shù)據(jù)、城市排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)。下面主要是研究方法：

城市三維模型構建

在城市積澇模擬分析中，地勢的高低、建筑物群的密集程度及門檻高度與城市雨后內(nèi)澇的形成密切相關，精確、現(xiàn)勢性高的地形、地表路面模型、建筑物模型對于模擬分析、評價城市積澇災害以及積澇災害可視化具有重要的意義。

從構建成本、生產(chǎn)周期的角度考慮，DEM采用實測高程數(shù)據(jù)插值形成，地表模型（道路、草地、河流、橋梁等）通過實地調(diào)查，在GIS軟件三維場景中建模完成，主要建筑模型采用大比例尺地形圖確定空間位置及平面形狀，根據(jù)層數(shù)估算建筑高度，外業(yè)采集文理數(shù)據(jù)，基于3DMAX精細建立模型，次要建筑模型在GIS軟件三維場景中采用拉伸建模形成，最后各種模型集成于GIS軟件三維場景形成城市三維模型。

以上建模方法降低了城市三維建模成本，每平方千米成本僅是采用三維激光掃描儀建模成本的1/3，同時在熟悉建模軟件情況下，也有較高的建模效率。

1、數(shù)字高程模型的構建

DEM是描述地物空間位置信息和地形起伏變化的模型，目前主要采用GIS內(nèi)插方法來構建格網(wǎng)DEM（GRID模型）。

常見的插值方法有樣條插值、趨勢面插值、克呂金插值、反距離權重插值、Cressman插值等，結(jié)合小尺度城市暴雨積澇模擬分析的需求，在GIS軟件環(huán)境中，采用克呂金插值方法來實現(xiàn)格網(wǎng)DEM模型的構建，插值查找半徑設置為100ｍ，采用球函數(shù)作為內(nèi)插函數(shù)，插值所用高程點分布，利用嘉定鎮(zhèn)行政邊界裁剪后研究區(qū)格網(wǎng)DEM模型，經(jīng)過DEM與實測高程點疊加比較分析，生成的DEM精度優(yōu)于0.2m。

2、三維場景構建

１）地表路面建模。地表路面模型主要有道路、草地、河流、橋梁以及一些輔助性的設施，如消防栓、雨水井、蓄水設施等。在城市積澇模擬分析中，不同性質(zhì)路面的透水程度、雨水井的排水能力以及蓄水設施的蓄水容積與城市雨后積澇的形成密切相關，精確構建現(xiàn)勢性高的路面、雨水井及蓄水設施模型，對于城市內(nèi)澇模擬分析、評估具有重要的意義。本文針對上述應用需求，基于1:10000的數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)和外業(yè)調(diào)查的建筑紋理、三維形狀數(shù)據(jù)，在GIS軟件中運用符號建模技術，構建路面（道路、草地）以及雨水井模型。

２）建筑物建模。建筑物三維建模采取以下原則：

①大型公共建筑、重要的標志性建筑物、主干道兩側(cè)建筑物，采用3DMAX軟件建精細化模型，精細化模型要求真實精確表現(xiàn)建筑物的外觀，凹凸的陽臺、立體屋頂、門廳等需要精確建模，建筑物墻面及屋頂貼圖要求清晰美觀；

②城市次干道兩側(cè)建筑物、普通居民住宅樓以及其他非重點建模對象，在GIS軟件中中采用幾何拉伸技術構建簡體模型，在不影響建筑物真實幾何結(jié)構的基礎上，簡體模型中的部分實體結(jié)構允許被忽略，凹凸的陽臺、一些小的角頂、門廳等可以采用貼圖技術來體現(xiàn)。

針對上述原則，基于大比例尺數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)和外業(yè)調(diào)查的建筑三維數(shù)據(jù)、建筑紋理數(shù)據(jù)，構建城市建筑物模型，各種模型導入GIS軟件三維場景，形成城市三維模型。

３）地形匹配。地物模型疊加地形模型可以構建出真實的城市三維場景。由于地形的起伏，不可避免會出現(xiàn)一個問題：地物模型底部是平整的，位于同一高度，而此處的地形可能是起伏的，導致地物模型和地形不能夠嚴格貼合，造成地物模型的一部分被掩埋或者漂浮在地形之上，不能達到理想的真實效果。

地形匹配解決上述地物模型和地形不能完全匹配的問題，通過將地物模型覆蓋或漂浮的地形區(qū)域調(diào)整為一個平面，從而實現(xiàn)模型底部與地面的完美貼合。地形匹配過程主要包括兩個步驟：填挖方和平滑。

匯水區(qū)劃分是構建分布式水文模型的重要步驟，在分布式水文模型中，每個子匯水區(qū)是獨立的水力學單元，在這些單元中，地形和排水系統(tǒng)因子使得地表徑流直接匯入到一個排出點。

對匯水區(qū)與道路進行疊加、查詢分析獲取各個匯水區(qū)內(nèi)的道路段，積水深度值大于道路段高程值的，被標記為受積澇災害影響的道路段，以風險色值標志，并關聯(lián)到城市三維場景中進行可視化展示，

基于計算出來的各匯水區(qū)的積水深度，與房屋的門檻高度進行比較，積水深度值大于門檻高度值的，被標記為受積澇災害影響的房屋，以風險色值標志，并關聯(lián)到城市三維場景中進行可視化展示，

災情統(tǒng)計分析基于GIS空間分析技術，實現(xiàn)對受災房屋數(shù)量、面積、受災人口以及受災道路面積的統(tǒng)計，并以數(shù)值化的形式展示出來。基于GIS軟件組件開發(fā)了災情統(tǒng)計插件，用戶點擊災情統(tǒng)計分析按鈕，得到不同積澇等級圖內(nèi)的受災房屋數(shù)量、面積、受災人口災情統(tǒng)計分析成果。

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