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三维GIS技术在洪涝分析领域的探究

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2019-07-05


近日,《智慧水利总体方案》及《水利业务需求分析报告》通过水利部审查。

说到智慧水利,不得不提起三维GIS技术三维GIS在表达客观世界上更接近人的真实感受近年来三维GIS理论和技术的发展,给城市规划、环境监测、石油探测、气象预报、地质研究等领域开展工作带来了很多的便利。

 

在洪涝分析领域,国内外学者主要侧重于基于DEM的洪涝灾害淹没分析算法与应用研究,如基于DEM的桂林海洋岩溶区洪水淹没预测模型、一种大区域洪水淹没范围快速提取的分块种子蔓延算法、一种面向海量数字高程模型数据的洪水淹没区快速生成算法、基于F-DEM的洪水淹没区精确快速提取算法。

采用三维GIS进行城市暴雨积涝灾害的模拟、预测,可以立体地展现积涝灾害的动态演进过程、地物受灾情况。

 

以某市中的老城区作为研究对象,数据来源是通过搜集和整理了研究区地理信息数据、三维建模数据、灾情评估数据、雨量实测数据、城市排水管网数据。下面主要是研究方法:

 

城市三维模型构建

在城市积涝模拟分析中,地势的高低、建筑物群的密集程度及门槛高度与城市雨后内涝的形成密切相关,精确、现势性高的地形、地表路面模型、建筑物模型对于模拟分析、评价城市积涝灾害以及积涝灾害可视化具有重要的意义。

从构建成本、生产周期的角度考虑,DEM采用实测高程数据插值形成,地表模型(道路、草地、河流、桥梁等)通过实地调查,在GIS软件三维场景中建模完成,主要建筑模型采用大比例尺地形图确定空间位置及平面形状,根据层数估算建筑高度,外业采集文理数据,基于3DMAX精细建立模型,次要建筑模型在GIS软件三维场景中采用拉伸建模形成,最后各种模型集成于GIS软件三维场景形成城市三维模型。

以上建模方法降低了城市三维建模成本,每平方千米成本仅是采用三维激光扫描仪建模成本的1/3,同时在熟悉建模软件情况下,也有较高的建模效率。

 

1、数字高程模型的构建

DEM是描述地物空间位置信息和地形起伏变化的模型,目前主要采用GIS内插方法来构建格网DEM(GRID模型)。

常见的插值方法有样条插值、趋势面插值、克吕金插值、反距离权重插值、Cressman插值等,结合小尺度城市暴雨积涝模拟分析的需求,在GIS软件环境中,采用克吕金插值方法来实现格网DEM模型的构建,插值查找半径设置为100m,采用球函数作为内插函数,插值所用高程点分布,利用嘉定镇行政边界裁剪后研究区格网DEM模型,经过DEM与实测高程点叠加比较分析,生成的DEM精度优于0.2m。

 

2、三维场景构建

1)地表路面建模。地表路面模型主要有道路、草地、河流、桥梁以及一些辅助性的设施,如消防栓、雨水井、蓄水设施等。在城市积涝模拟分析中,不同性质路面的透水程度、雨水井的排水能力以及蓄水设施的蓄水容积与城市雨后积涝的形成密切相关,精确构建现势性高的路面、雨水井及蓄水设施模型,对于城市内涝模拟分析、评估具有重要的意义。本文针对上述应用需求,基于1:10000的数字地形图数据和外业调查的建筑纹理、三维形状数据,在GIS软件中运用符号建模技术,构建路面(道路、草地)以及雨水井模型。

 

2)建筑物建模。建筑物三维建模采取以下原则:

①大型公共建筑、重要的标志性建筑物、主干道两侧建筑物,采用3DMAX软件建精细化模型,精细化模型要求真实精确表现建筑物的外观,凹凸的阳台、立体屋顶、门厅等需要精确建模,建筑物墙面及屋顶贴图要求清晰美观;

②城市次干道两侧建筑物、普通居民住宅楼以及其他非重点建模对象,在GIS软件中中采用几何拉伸技术构建简体模型,在不影响建筑物真实几何结构的基础上,简体模型中的部分实体结构允许被忽略,凹凸的阳台、一些小的角顶、门厅等可以采用贴图技术来体现。

 

针对上述原则,基于大比例尺数字地形图数据和外业调查的建筑三维数据、建筑纹理数据,构建城市建筑物模型,各种模型导入GIS软件三维场景,形成城市三维模型

 

3)地形匹配。地物模型叠加地形模型可以构建出真实的城市三维场景。由于地形的起伏,不可避免会出现一个问题:地物模型底部是平整的,位于同一高度,而此处的地形可能是起伏的,导致地物模型和地形不能够严格贴合,造成地物模型的一部分被掩埋或者漂浮在地形之上,不能达到理想的真实效果。

地形匹配解决上述地物模型和地形不能完全匹配的问题,通过将地物模型覆盖或漂浮的地形区域调整为一个平面,从而实现模型底部与地面的完美贴合。地形匹配过程主要包括两个步骤:填挖方和平滑。

 

汇水区划分是构建分布式水文模型的重要步骤,在分布式水文模型中,每个子汇水区是独立的水力学单元,在这些单元中,地形和排水系统因子使得地表径流直接汇入到一个排出点。

 

对汇水区与道路进行叠加、查询分析获取各个汇水区内的道路段,积水深度值大于道路段高程值的,被标记为受积涝灾害影响的道路段,以风险色值标志,并关联到城市三维场景中进行可视化展示,

 

基于计算出来的各汇水区的积水深度,与房屋的门槛高度进行比较,积水深度值大于门槛高度值的,被标记为受积涝灾害影响的房屋,以风险色值标志,并关联到城市三维场景中进行可视化展示,

 

灾情统计分析基于GIS空间分析技术,实现对受灾房屋数量、面积、受灾人口以及受灾道路面积的统计,并以数值化的形式展示出来。基于GIS软件组件开发了灾情统计插件,用户点击灾情统计分析按钮,得到不同积涝等级图内的受灾房屋数量、面积、受灾人口灾情统计分析成果。

 

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