三維GIS技術(shù)在洪澇分析領(lǐng)域的探究

發(fā)布日期：2019-07-05 00:00 瀏覽量：13811

近日，《智慧水利總體方案》及《水利業(yè)務(wù)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(shù)，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(shù)的發(fā)展，給城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、石油探測、氣象預(yù)報、地質(zhì)研究等領(lǐng)域開展工作帶來了很多的便利。

在洪澇分析領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者主要側(cè)重于基于ＤＥＭ的洪澇災(zāi)害淹沒分析算法與應(yīng)用研究，如基于ＤＥＭ的桂林海洋巖溶區(qū)洪水淹沒預(yù)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(zāi)害的模擬、預(yù)測，可以立體地展現(xiàn)積澇災(zāi)害的動態(tài)演進過程、地物受災(zāi)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(zāi)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(gòu)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(guān)，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(zāi)害以及積澇災(zāi)害可視化具有重要的意義。

從構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(quán)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(gòu)建，插值查找半徑設(shè)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(gòu)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(shè)施，如消防栓、雨水井、蓄水設(shè)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(shè)施的蓄水容積與城市雨后積澇的形成密切相關(guān)，精確構(gòu)建現(xiàn)勢性高的路面、雨水井及蓄水設(shè)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(yīng)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(shù)，構(gòu)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(biāo)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(shù)構(gòu)建簡體模型，在不影響建筑物真實幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，簡體模型中的部分實體結(jié)構(gòu)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(shù)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(gòu)建城市建筑物模型，各種模型導(dǎo)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(gòu)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(dǎo)致地物模型和地形不能夠嚴(yán)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(gòu)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(xué)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(biāo)記為受積澇災(zāi)害影響的道路段，以風(fēng)險色值標(biāo)志，并關(guān)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(biāo)記為受積澇災(zāi)害影響的房屋，以風(fēng)險色值標(biāo)志，并關(guān)聯(lián)到城市三維場景中進行可視化展示，

災(zāi)情統(tǒng)計分析基于GIS空間分析技術(shù)，實現(xiàn)對受災(zāi)房屋數(shù)量、面積、受災(zāi)人口以及受災(zāi)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(zāi)情統(tǒng)計插件，用戶點擊災(zāi)情統(tǒng)計分析按鈕，得到不同積澇等級圖內(nèi)的受災(zāi)房屋數(shù)量、面積、受災(zāi)人口災(zāi)情統(tǒng)計分析成果。

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