鄱陽湖區(qū)洪水淹沒損失評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉小生， 趙相博

（江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州341000）

0 引 言

鄱陽湖區(qū)地處長江中下游， 氣候溫暖濕潤，雨量充沛， 汛期暴雨頻繁， 所以極易發(fā)生洪澇災(zāi)害.該地區(qū)常年存在洪澇災(zāi)害隱患，防災(zāi)減災(zāi)一直是該地區(qū)面臨的重要課題[1]. 做好防災(zāi)減災(zāi)工作首先要確定淹沒范圍，提高洪水預(yù)報能力，其次要合理地資源調(diào)配，降低災(zāi)害損失，促進災(zāi)后重建和恢復(fù)，所以快速而準確的確定受災(zāi)范圍，評估災(zāi)害損失就成為防災(zāi)減災(zāi)的重點和難點. 此前，很多專家學者對這一問題做了探討和研究，并提出了許多優(yōu)秀的算法和解決方案，如“體積法”確定淹沒范圍和基于BP（Back Propagation，反向傳播）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損失評估方法等. 然而由于洪水演進的復(fù)雜性和鄱陽湖區(qū)特殊的地理位置，不同的算法在計算速度和準度上各有優(yōu)劣. 文中將種子蔓延算法和空間格網(wǎng)損失評估模型結(jié)合使用， 并充分利用GIS（Geographic Information System， 地理信息系統(tǒng)）技術(shù)， 設(shè)計并實現(xiàn)了鄱陽湖區(qū)洪水淹沒損失評估系統(tǒng)， 這可準確而快速地解決災(zāi)害損失評估問題，對鄱陽湖區(qū)的防汛抗洪工作具有重要的指導作用.

1 洪水淹沒損失評估模型

1.1 洪水淹沒模型

洪水淹沒范圍和水深的確定分為兩種類型，即無源淹沒和有源淹沒. 無源淹沒僅考慮洪水水位與災(zāi)區(qū)高程之差來確定淹沒范圍和水深；而有源淹沒是考慮到洪水流動的連通性，即洪水所能流到的地方才被認定為淹沒區(qū). 無源淹沒適用于地勢平坦的大面積區(qū)域，所有高程低于洪水水位的區(qū)域都被認定為淹沒區(qū)；有源淹沒適用于地形復(fù)雜且洪水從某一點向鄰近區(qū)域擴散的情況.

確定無源淹沒類型的洪水淹沒范圍可以采用基于TIN（Triangulated Irregular Network，不規(guī)則三角網(wǎng)）的方法，即通過受災(zāi)區(qū)域的數(shù)字高程模型，構(gòu)建該區(qū)域的TIN，然后在TIN 上繪出洪水水位的等高線，最后將低于該等高線的區(qū)域確定為洪水淹沒區(qū)域.

有源淹沒考慮洪水流動的連通性， 可以采用種子蔓延的算法解決. 種子蔓延算法是一種基于空間格網(wǎng)點特性的擴散算法， 其核心思想是將給定的種子點作為一個對象， 賦予特定的屬性， 在區(qū)域的格網(wǎng)范圍上沿4 個(或8 個) 方向游動擴散， 求取滿足給定條件、 符合數(shù)據(jù)采集分析精度、且具有連通關(guān)聯(lián)分布的點的集合. 利用種子蔓延算法計算淹沒區(qū)， 就是按給定水位條件， 求取滿足精度、連通性要求的點的集合， 該集合給出的連續(xù)平面就是我們所要求計算的淹沒區(qū)范圍[2]. 種子點的起始位置一般選在水庫堤壩、 河岸邊界等特征點處. 滿足條件的點標記為被淹沒，同時這些新的被淹沒點又形成新的種子點. 這樣淹沒的范圍不斷擴大， 形成了淹沒區(qū)域. 其算法流程如圖1所示.

圖1 種子蔓延算法流程圖

種子蔓延算法在探測的過程中，要先確定進行擴散的位置集合（一般是湖區(qū)的邊界），然后由一個開始位置進入格網(wǎng)，其擴散的方向和數(shù)量根據(jù)周圍格網(wǎng)單元與種子格網(wǎng)單元高程差決定，當該位置的探測結(jié)束后又要進入下一個位置，這樣可擴散的方向數(shù)量的累加值要減少一個，故該算法的收斂性是成立的. 此算法不斷循環(huán)，當探測的位置集合為空時，就可以得到互相連通的洪水淹沒區(qū).

1.2 損失評估模型

損失評估模型主要涉及三方面要素，即洪水分布特性、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)和損失率. 洪水分布特性包含洪水空間淹沒范圍、 淹沒水深和淹沒歷時等；社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)也就是通常所說的屬性數(shù)據(jù)，包括人口數(shù)據(jù)、房產(chǎn)數(shù)據(jù)、家庭財產(chǎn)數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)、林業(yè)數(shù)據(jù)、畜牧業(yè)數(shù)據(jù)、工商企業(yè)數(shù)據(jù)、漁業(yè)數(shù)據(jù)、公共線路數(shù)據(jù)、公共設(shè)施數(shù)據(jù)等[3]. 若要進行洪災(zāi)損失評估的計算，需要將兩者統(tǒng)一起來，而洪水空間特性表示的可能只是鄉(xiāng)鎮(zhèn)的一部分，這與以行政單位為統(tǒng)計單位的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)存在不合理性. 解決這一不合理性，可以采用空間信息格網(wǎng)模型，即將洪水淹沒范圍做離散化處理， 得到洪水特性格網(wǎng)；并用社會經(jīng)濟空間展布方法得到社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)空間展布格網(wǎng). 將洪水特性格網(wǎng)與社會經(jīng)濟格網(wǎng)疊加得到可以進行洪澇災(zāi)害損失計算的格網(wǎng)，即洪災(zāi)損失評估空間格網(wǎng)[4]. 每個洪災(zāi)損失評估空間格網(wǎng)單元都包含有社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，地形數(shù)據(jù)及洪水特征數(shù)據(jù)等，如圖2 所示.

圖2 洪災(zāi)損失評估空間格網(wǎng)中淹沒單元格網(wǎng)信息

損失率是指某一資產(chǎn)在某一洪水特性條件下可能遭受的損失程度，是洪災(zāi)淹沒區(qū)范圍內(nèi)單位面積的損失值與未受災(zāi)年份單位面積收益之比. 損失率受多方面因素的影響，所以可以根據(jù)典型受災(zāi)地區(qū)損失情況的調(diào)查結(jié)果建立回歸分析方程，得到分行業(yè)的損失率推算公式，其一般統(tǒng)計回歸計算模型[5]，如式（1）所示：

式（1）中，Y 為洪災(zāi)損失率；[A]為淹沒洪水特性因子；[B]為承受體種類因子，如各種分類資產(chǎn)、各種作物；c0、c1、c2為待求參數(shù)，通過利用典型調(diào)查或試驗資料統(tǒng)計回歸求得.

通過獲得格網(wǎng)單元的社會經(jīng)濟指標信息和洪水特征信息， 再獲得對應(yīng)的資產(chǎn)或農(nóng)業(yè)洪災(zāi)損失率，從而計算出格網(wǎng)單元的損失值. 該損失計算過程如圖3 所示.

2 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)采用C/S（客戶端/服務(wù)器端）模式的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4 所示. C/S 模式的系統(tǒng)架構(gòu)，具有良好的交互性， 對圖形數(shù)據(jù)的編輯和處理能力很強，可以大大減少網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量，減小服務(wù)器的負擔. 其中， 服務(wù)器端采用Oracle 數(shù)據(jù)庫和ArcSDE相結(jié)合的方式存儲屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)；客戶端則采用C# 語言在.NET 技術(shù)的支持下開發(fā)系統(tǒng)功能和界面， 并通過ArcGIS Engine 和ADO.NET 訪問服務(wù)器端的數(shù)據(jù)[6-8].

圖3 基于空間信息格網(wǎng)的洪災(zāi)損失評估過程

鄱陽湖區(qū)洪水淹沒損失評估系統(tǒng)在層次結(jié)構(gòu)上分為用戶界面層、 業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)服務(wù)層3層，如圖5 所示. 其中業(yè)務(wù)邏輯層用來處理核心的業(yè)務(wù)邏輯， 其主要任務(wù)是接受用戶界面的服務(wù)請求，然后與數(shù)據(jù)服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互，最后提供給客戶端所要求的空間數(shù)據(jù)或文本數(shù)據(jù)；用戶界面層負責界面的表示和與用戶的交互操作；數(shù)據(jù)服務(wù)層負責空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的管理， 如鄱陽湖區(qū)1∶1萬地形圖、DEM 數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃圖、各種專題圖以及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等[9-10].

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

圖5 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

該系統(tǒng)有5 個模塊組成：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理模塊、基礎(chǔ)工情信息管理模塊、洪水淹沒范圍計算模塊、洪水淹沒分布統(tǒng)計模塊、洪災(zāi)損失評估計算模塊.

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫管理模塊

該模塊實現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)的獲取和更新，可將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和圖件以鍵盤、掃描儀或數(shù)字化儀等輸入設(shè)備錄入計算機，也可利用其他系統(tǒng)將圖件和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入本系統(tǒng)，同時對數(shù)據(jù)和原圖進行編輯，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新. 本系統(tǒng)包括對矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的錄入和更新.

2）基礎(chǔ)工情信息管理模塊

該模塊實現(xiàn)對鄱陽湖區(qū)基礎(chǔ)工情信息的查詢、統(tǒng)計、分析和圖表輸出. 例如以圖形方式顯示鄱陽湖區(qū)的行政單位、水系、水利工程、水文站點等地理位置和分布情況. 地圖可以無極放大、縮小，并可方便快捷地移動地圖到希望顯示的區(qū)域. 此外，基礎(chǔ)工情信息還包含了歷年降雨量信息、歷年水位信息和徑流量信息， 其查詢結(jié)果以多樣化的圖形、表格方式直觀顯示. 系統(tǒng)提供圖文雙向查詢，即可以從地圖上某一點查詢屬性信息，也可以反過來根據(jù)屬性信息進行空間定位. 同時，系統(tǒng)還提供條件檢索. 用戶通過點擊相關(guān)專題信息，可以快速轉(zhuǎn)入查詢其他各類信息[11-13].

3）洪水淹沒范圍計算模塊

該模塊實現(xiàn)洪水淹沒范圍的計算和歷史淹沒數(shù)據(jù)的管理. 為滿足實時獲取淹沒范圍的需求，該模塊提供實時水位和預(yù)測水位的錄入和更新，在計算淹沒范圍的同時，實時顯示當前最新的水位信息和錄入時間，以便計算當前的淹沒范圍. 當淹沒范圍計算完成后，可以臨時顯示淹沒范圍或?qū)⒀蜎]范圍導入數(shù)據(jù)庫中. 歷史淹沒范圍數(shù)據(jù)管理包括淹沒范圍信息的查詢、編輯和更新，其中淹沒范圍數(shù)據(jù)涵蓋了淹沒面積、淹沒水深、淹沒歷時及淹沒時間等信息. 此外，為直觀地顯示和比較淹沒范圍等信息的差異，可以將計算結(jié)果通過圖表或Excel 表格的方式顯示和輸出.

4）洪水淹沒分布統(tǒng)計模塊

該模塊實現(xiàn)淹沒范圍里各領(lǐng)域各行業(yè)的受災(zāi)分布統(tǒng)計. 在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中包含了鄱陽湖區(qū)的各種專題地圖數(shù)據(jù)，如村莊、道路、農(nóng)田、工廠、礦產(chǎn)、學校等， 利用這些專題數(shù)據(jù)與計算的淹沒范圍數(shù)據(jù)，在GIS 空間分析功能的支持下， 可以方便直觀的得到各領(lǐng)域被淹沒的分布，并可按行政單位或行業(yè)特性分類統(tǒng)計出各個領(lǐng)域的受災(zāi)情況，得到的統(tǒng)計結(jié)果可以輸出為表格或?qū)霐?shù)據(jù)庫，供以后查詢和分析使用. 當在統(tǒng)計結(jié)果中點擊某一受災(zāi)要素時， 可以在地圖圖形上定位出該要素的位置，便于及時確定受災(zāi)位置，進而制定有效的撤離和救援方案.

5）洪災(zāi)損失評估模塊

該模塊實現(xiàn)洪災(zāi)損失評估的計算及歷史損失情況的查詢和統(tǒng)計. 損失評估的計算是將洪水淹沒特性與社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)空間展布疊加，然后用損失率進行評估統(tǒng)計得到結(jié)果. 評估結(jié)果包含社會GDP損失、分產(chǎn)業(yè)的GDP 損失、受災(zāi)面積人口及分行業(yè)或作物的損失價值. 通過空間數(shù)據(jù)的行政單位屬性，可以按行政單位統(tǒng)計各經(jīng)濟損失指標，并可將損失評估的結(jié)果輸出為表格或?qū)霐?shù)據(jù)庫. 在查詢歷史損失評估結(jié)果時，可以根據(jù)評估時間、經(jīng)濟損失指標或行政單位進行統(tǒng)計分析，然后用圖表輸出.

2.3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.3.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建立

基于GIS 的淹沒損失評估系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫. 空間數(shù)據(jù)庫存儲的是鄱陽湖區(qū)的1∶1 萬地形圖、30 m 分辨率DEM 數(shù)據(jù)及各種專題地圖. 空間數(shù)據(jù)要統(tǒng)一參考系，然后部署到ArcSDE 中， 在系統(tǒng)中通過ArcGIS Engine連接數(shù)據(jù)庫. 屬性數(shù)據(jù)主要包含社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，及鄱陽湖區(qū)分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的GDP 總值、分產(chǎn)業(yè)GDP 總值及人口和居民財產(chǎn)等數(shù)據(jù). 此外為計算損失價值，還要建立社會經(jīng)濟指標的損失率數(shù)據(jù)庫. 屬性數(shù)據(jù)部署到Oracle 數(shù)據(jù)庫中，以二維表的形式存在，表間關(guān)系通過某一共同的屬性關(guān)鍵字連接，如行政單位名稱或行業(yè)名稱，而鄱陽湖區(qū)空間數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)通過空間要素的圖元屬性進行關(guān)聯(lián).

2.3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

鄱陽湖區(qū)淹沒損失評估系統(tǒng)在Visual Studio 2008 的開發(fā)環(huán)境下，使用C# 語言建立，界面通過Developer Express 插件進行渲染. 其主界面如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)主界面

該系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能有： 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的管理、基礎(chǔ)工情信息的管理、淹沒范圍計算、受災(zāi)分布統(tǒng)計和洪災(zāi)損失評估. 其中淹沒分析的菜單欄如圖7 所示.

圖7 淹沒分析菜單

淹沒范圍計算采用種子蔓延算法，分高中低3個精度級別，其中按低精度計算得到的淹沒范圍結(jié)果如圖8 所示.

圖8 低精度淹沒范圍計算結(jié)果

受災(zāi)分布統(tǒng)計，可以統(tǒng)計道路、村莊、居民點、基本農(nóng)田、建筑物等地物的受災(zāi)情況. 當點擊某處受災(zāi)地物時， 可以在地圖中定位出其地理位置，其中道路的受災(zāi)情況演示，如圖9 所示.

圖9 道路受災(zāi)分度統(tǒng)計

洪災(zāi)損失評估可以分產(chǎn)業(yè)、作物及地類，如第一產(chǎn)業(yè)、水稻、玉米、建筑用地等統(tǒng)計總計的損失價值，并可在總計的基礎(chǔ)上分鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計出各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的損失情況，評估結(jié)果如圖10 所示.

圖10 損失評估結(jié)果

3 結(jié) 語

鄱陽湖區(qū)洪水淹沒損失評估系統(tǒng)利用GIS 技術(shù)強大的空間分析能力和可視化特性，在空間和時間上實現(xiàn)了淹沒范圍的確定和洪災(zāi)損失情況的統(tǒng)計分析. 該系統(tǒng)采用種子蔓延算法計算地形復(fù)雜區(qū)域的淹沒范圍， 可以提高淹沒范圍計算的準確度. 采用空間格網(wǎng)的損失評估計算模型可以較好地解決淹沒范圍和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)在空間上的不合理性，進而增強損失評估的可靠性. 當然系統(tǒng)還需進一步完善，如系統(tǒng)輔助決策功能，擴大受災(zāi)統(tǒng)計的行業(yè)或地物類型. 另外為進一步提高計算淹沒范圍的精度，還應(yīng)在算法中考慮洪水的水文動力因素，如上游水位對下游水位的影響、水體流動壓力對淹沒方向的影響等.

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