三維GIS技術在洪澇分(fēn)析領域的(de)探究

發布日期：2019-07-05 00:00 浏覽量：8894

近日，《智慧水(shuǐ)利總體方案》及《水(shuǐ)利業務需求分(fēn)析報告》通(tōng)過水(shuǐ)利部審查。

說到智慧水(shuǐ)利，不得(de)不提起三維GIS技術，三維GIS在表達客觀世界上更接近人(rén)的(de)真實感受。近年來(lái)三維GIS理(lǐ)論和(hé)技術的(de)發展，給城(chéng)市規劃、環境監測、石油探測、氣象預報、地質研究等領域開展工作帶來(lái)了(le)很多(duō)的(de)便利。

在洪澇分(fēn)析領域，國内外學者主要側重于基于ＤＥＭ的(de)洪澇災害淹沒分(fēn)析算(suàn)法與應用(yòng)研究，如基于ＤＥＭ的(de)桂林(lín)海洋岩溶區(qū)洪水(shuǐ)淹沒預測模型、一種大(dà)區(qū)域洪水(shuǐ)淹沒範圍快(kuài)速提取的(de)分(fēn)塊種子蔓延算(suàn)法、一種面向海量數字高(gāo)程模型數據的(de)洪水(shuǐ)淹沒區(qū)快(kuài)速生成算(suàn)法、基于Ｆ－ＤＥＭ的(de)洪水(shuǐ)淹沒區(qū)精确快(kuài)速提取算(suàn)法。

采用(yòng)三維GIS進行城(chéng)市暴雨(yǔ)積澇災害的(de)模拟、預測，可(kě)以立體地展現積澇災害的(de)動态演進過程、地物(wù)受災情況。

以某市中的(de)老城(chéng)區(qū)作爲研究對(duì)象，數據來(lái)源是通(tōng)過搜集和(hé)整理(lǐ)了(le)研究區(qū)地理(lǐ)信息數據、三維建模數據、災情評估數據、雨(yǔ)量實測數據、城(chéng)市排水(shuǐ)管網數據。下(xià)面主要是研究方法：

城(chéng)市三維模型構建

在城(chéng)市積澇模拟分(fēn)析中，地勢的(de)高(gāo)低、建築物(wù)群的(de)密集程度及門檻高(gāo)度與城(chéng)市雨(yǔ)後内澇的(de)形成密切相關，精确、現勢性高(gāo)的(de)地形、地表路面模型、建築物(wù)模型對(duì)于模拟分(fēn)析、評價城(chéng)市積澇災害以及積澇災害可(kě)視化(huà)具有重要的(de)意義。

從構建成本、生産周期的(de)角度考慮，DEM采用(yòng)實測高(gāo)程數據插值形成，地表模型（道路、草(cǎo)地、河(hé)流、橋梁等）通(tōng)過實地調查，在GIS軟件三維場(chǎng)景中建模完成，主要建築模型采用(yòng)大(dà)比例尺地形圖确定空間位置及平面形狀，根據層數估算(suàn)建築高(gāo)度，外業采集文理(lǐ)數據，基于3DMAX精細建立模型，次要建築模型在GIS軟件三維場(chǎng)景中采用(yòng)拉伸建模形成，最後各種模型集成于GIS軟件三維場(chǎng)景形成城(chéng)市三維模型。

以上建模方法降低了(le)城(chéng)市三維建模成本，每平方千米成本僅是采用(yòng)三維激光(guāng)掃描儀建模成本的(de)1/3，同時(shí)在熟悉建模軟件情況下(xià)，也(yě)有較高(gāo)的(de)建模效率。

1、數字高(gāo)程模型的(de)構建

DEM是描述地物(wù)空間位置信息和(hé)地形起伏變化(huà)的(de)模型，目前主要采用(yòng)GIS内插方法來(lái)構建格網DEM（GRID模型）。

常見的(de)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，結合小尺度城(chéng)市暴雨(yǔ)積澇模拟分(fēn)析的(de)需求，在GIS軟件環境中，采用(yòng)克呂金插值方法來(lái)實現格網DEM模型的(de)構建，插值查找半徑設置爲100ｍ，采用(yòng)球函數作爲内插函數，插值所用(yòng)高(gāo)程點分(fēn)布，利用(yòng)嘉定鎮行政邊界裁剪後研究區(qū)格網DEM模型，經過DEM與實測高(gāo)程點疊加比較分(fēn)析，生成的(de)DEM精度優于0.2m。

2、三維場(chǎng)景構建

１）地表路面建模。地表路面模型主要有道路、草(cǎo)地、河(hé)流、橋梁以及一些輔助性的(de)設施，如消防栓、雨(yǔ)水(shuǐ)井、蓄水(shuǐ)設施等。在城(chéng)市積澇模拟分(fēn)析中，不同性質路面的(de)透水(shuǐ)程度、雨(yǔ)水(shuǐ)井的(de)排水(shuǐ)能力以及蓄水(shuǐ)設施的(de)蓄水(shuǐ)容積與城(chéng)市雨(yǔ)後積澇的(de)形成密切相關，精确構建現勢性高(gāo)的(de)路面、雨(yǔ)水(shuǐ)井及蓄水(shuǐ)設施模型，對(duì)于城(chéng)市内澇模拟分(fēn)析、評估具有重要的(de)意義。本文針對(duì)上述應用(yòng)需求，基于1:10000的(de)數字地形圖數據和(hé)外業調查的(de)建築紋理(lǐ)、三維形狀數據，在GIS軟件中運用(yòng)符号建模技術，構建路面（道路、草(cǎo)地）以及雨(yǔ)水(shuǐ)井模型。

２）建築物(wù)建模。建築物(wù)三維建模采取以下(xià)原則：

①大(dà)型公共建築、重要的(de)标志性建築物(wù)、主幹道兩側建築物(wù)，采用(yòng)3DMAX軟件建精細化(huà)模型，精細化(huà)模型要求真實精确表現建築物(wù)的(de)外觀，凹凸的(de)陽台、立體屋頂、門廳等需要精确建模，建築物(wù)牆面及屋頂貼圖要求清晰美(měi)觀；

②城(chéng)市次幹道兩側建築物(wù)、普通(tōng)居民住宅樓以及其他(tā)非重點建模對(duì)象，在GIS軟件中中采用(yòng)幾何拉伸技術構建簡體模型，在不影(yǐng)響建築物(wù)真實幾何結構的(de)基礎上，簡體模型中的(de)部分(fēn)實體結構允許被忽略，凹凸的(de)陽台、一些小的(de)角頂、門廳等可(kě)以采用(yòng)貼圖技術來(lái)體現。

針對(duì)上述原則，基于大(dà)比例尺數字地形圖數據和(hé)外業調查的(de)建築三維數據、建築紋理(lǐ)數據，構建城(chéng)市建築物(wù)模型，各種模型導入GIS軟件三維場(chǎng)景，形成城(chéng)市三維模型。

３）地形匹配。地物(wù)模型疊加地形模型可(kě)以構建出真實的(de)城(chéng)市三維場(chǎng)景。由于地形的(de)起伏，不可(kě)避免會出現一個(gè)問題：地物(wù)模型底部是平整的(de)，位于同一高(gāo)度，而此處的(de)地形可(kě)能是起伏的(de)，導緻地物(wù)模型和(hé)地形不能夠嚴格貼合，造成地物(wù)模型的(de)一部分(fēn)被掩埋或者漂浮在地形之上，不能達到理(lǐ)想的(de)真實效果。

地形匹配解決上述地物(wù)模型和(hé)地形不能完全匹配的(de)問題，通(tōng)過将地物(wù)模型覆蓋或漂浮的(de)地形區(qū)域調整爲一個(gè)平面，從而實現模型底部與地面的(de)完美(měi)貼合。地形匹配過程主要包括兩個(gè)步驟：填挖方和(hé)平滑。

彙水(shuǐ)區(qū)劃分(fēn)是構建分(fēn)布式水(shuǐ)文模型的(de)重要步驟，在分(fēn)布式水(shuǐ)文模型中，每個(gè)子彙水(shuǐ)區(qū)是獨立的(de)水(shuǐ)力學單元，在這(zhè)些單元中，地形和(hé)排水(shuǐ)系統因子使得(de)地表徑流直接彙入到一個(gè)排出點。

對(duì)彙水(shuǐ)區(qū)與道路進行疊加、查詢分(fēn)析獲取各個(gè)彙水(shuǐ)區(qū)内的(de)道路段，積水(shuǐ)深度值大(dà)于道路段高(gāo)程值的(de)，被标記爲受積澇災害影(yǐng)響的(de)道路段，以風險色值标志，并關聯到城(chéng)市三維場(chǎng)景中進行可(kě)視化(huà)展示，

基于計算(suàn)出來(lái)的(de)各彙水(shuǐ)區(qū)的(de)積水(shuǐ)深度，與房(fáng)屋的(de)門檻高(gāo)度進行比較，積水(shuǐ)深度值大(dà)于門檻高(gāo)度值的(de)，被标記爲受積澇災害影(yǐng)響的(de)房(fáng)屋，以風險色值标志，并關聯到城(chéng)市三維場(chǎng)景中進行可(kě)視化(huà)展示，

災情統計分(fēn)析基于GIS空間分(fēn)析技術，實現對(duì)受災房(fáng)屋數量、面積、受災人(rén)口以及受災道路面積的(de)統計，并以數值化(huà)的(de)形式展示出來(lái)。基于GIS軟件組件開發了(le)災情統計插件，用(yòng)戶點擊災情統計分(fēn)析按鈕，得(de)到不同積澇等級圖内的(de)受災房(fáng)屋數量、面積、受災人(rén)口災情統計分(fēn)析成果。

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