三維GIS引擎與骨干河網(wǎng)防洪模型的融合與分析

夏勇 王磊 肖亮 蔣占軍 高丹

摘? 要：GIS（地理信息系統(tǒng)）經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在資源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃、土地管理、交通、水利、林業(yè)等行業(yè)廣泛應(yīng)用，GIS在應(yīng)用中取得較快發(fā)展，三維GIS孕育而生，它以更逼真（全要素、三維）、更精細(xì)、更精確、更廣泛（室內(nèi)、地下、水下）、更快速、更實(shí)時(shí)和更便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析被人們所追捧。文章以水利的防洪模型為應(yīng)用場(chǎng)景，探索了三維GIS引擎與骨干河網(wǎng)防洪模型的融合與分析，闡述了城區(qū)骨干河網(wǎng)的三維建模、GIS系統(tǒng)的三維融合、城市防洪模型建立、防洪模型系統(tǒng)的推演分析等內(nèi)容，以供大家參考。

關(guān)鍵詞：三維GIS;防洪模型;智慧水利;水利信息化

中圖分類號(hào)：P208? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）10-0021-02

Abstract： After years of development， GIS （Geographic Information System） has been widely used in resource management， environmental monitoring， urban planning， land management， transportation， water conservancy， forestry and other industries. GIS has made rapid development in application， and 3D GIS is born with more lifelike （full element， 3D）， more precise， more accurate， more extensive （indoor， underground， underwater）， faster and more real time and more convenient statistical analysis is popular. Taking the Flood Control Model of water conservancy as the application scenario， this paper explores the integration and analysis of the three-dimensional GIS Engine and the flood control model of the backbone river network， expounds the three-dimensional modeling of the urban backbone river network， the three-dimensional integration of the GIS system， the establishment of the urban flood control model， the deduction and analysis of the flood control model system， etc.

Keywords： 3D GIS; Flood Control Model; smart water conservancy; water conservancy informatization

1 國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀分析

在我國(guó)，水利行業(yè)從80年代后期率先使用GIS技術(shù)至今，成果顯著，小到簡(jiǎn)單的檢索、查詢和空間顯示等GIS低層次利用，大到分析、決策、模擬和預(yù)測(cè)等高層次運(yùn)用，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益也比較明顯地顯示了出來(lái)，各省市水利部門也在積極推廣應(yīng)用。

在國(guó)外，Davis曾將HEC-1、HEC-2與GIS結(jié)合對(duì)洪水、水質(zhì)和土坡侵蝕進(jìn)行了模擬，可很好地用于洪災(zāi)損失評(píng)估。近來(lái)德國(guó)Geomer公司研制了基于GIS的水動(dòng)力學(xué)模型——Floodarea，用于界定洪水淹沒(méi)范圍，能夠預(yù)警可能的洪水風(fēng)險(xiǎn)。Overton結(jié)合GIS與RS建立了泛洪區(qū)洪水淹沒(méi)模型，并在澳大利亞南部的Murray河進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 三維GIS的概念

三維是將采集以及經(jīng)運(yùn)算分析后對(duì)數(shù)據(jù)的表現(xiàn)、展示，三維數(shù)據(jù)相對(duì)二維數(shù)據(jù)更能表現(xiàn)出客觀實(shí)際。二維和三維的本質(zhì)區(qū)別在于數(shù)據(jù)分布的范圍。對(duì)于一個(gè)二維GIS系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可用一個(gè)表達(dá)式V=F（X，Y）來(lái)表示，其中（X，Y）是二維平面內(nèi)的坐標(biāo)，V是對(duì)應(yīng)于此點(diǎn)的屬性值。對(duì)于三維GIS來(lái)說(shuō)V=F（X，Y，Z），其中（X，Y，Z）在三維空間是連續(xù)自由變化的，Z是一個(gè)獨(dú)立變量，三維GIS具有連續(xù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和與之相應(yīng)的分析功能，由此帶來(lái)的好處是可以從空間的角度分析和顯示物體。

三維GIS的建立總體可分為三步：三維數(shù)據(jù)采集及處理、GIS基礎(chǔ)軟件引擎數(shù)據(jù)整合與發(fā)布、三維GIS與業(yè)務(wù)的應(yīng)用。針對(duì)本次三維GIS引擎與骨干河網(wǎng)防洪模型下面分別從三個(gè)方面進(jìn)行介紹。

3 城市防洪模型的建設(shè)方法

利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算方法來(lái)建立城市骨干河網(wǎng)防洪模型，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同量級(jí)外洪及內(nèi)澇可能形成的內(nèi)河水位、淹沒(méi)范圍、水深、流速以及淹沒(méi)持續(xù)時(shí)間，評(píng)估洪澇災(zāi)害的損失，對(duì)即將發(fā)生的洪澇進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，并為科學(xué)地制定防洪排澇方案提供參考和決策支持是目前城市防洪減災(zāi)新的研究方向。

3.1 城市防洪模型的基本構(gòu)建

常規(guī)的水利模型可以分為兩類：第一類是普遍在預(yù)報(bào)中采用的概念性水文模型如新安江模型、SAC、HBV、MIKE-NAM等;第二類是基于網(wǎng)格的分布式水文模型如網(wǎng)格新安江模型，HL-RMS、美國(guó)國(guó)家水模型、LISTFLOOD等。流域型水文模型是描述流域降雨徑流形成過(guò)程的各函數(shù)構(gòu)成的一種物理結(jié)構(gòu)或者概念性結(jié)構(gòu)，是當(dāng)今水文預(yù)報(bào)的基本工具。

本文以江蘇省江陰城區(qū)為典型示范區(qū)進(jìn)行城市骨干河網(wǎng)防洪模型的建設(shè)，針對(duì)江陰城區(qū)所處的地理特征和城市化特征，建立在降雨-產(chǎn)匯流結(jié)合的模型，將區(qū)域下墊面劃分為水面、水田、旱地、建設(shè)用地等各種下墊面形態(tài)。根據(jù)區(qū)域蒸發(fā)資料整理出水域的蒸發(fā)規(guī)律，建立水面產(chǎn)流模型;根據(jù)降雨后旱地的雨量再分配過(guò)程，建立反映雨量再分配的新安江產(chǎn)流模型等;根據(jù)城市建設(shè)用地的蒸發(fā)規(guī)律，建立城市產(chǎn)流模型。根據(jù)數(shù)字流域理論，利用GIS管理各種下墊面的空間拓?fù)潢P(guān)系，建立全數(shù)字化具有空間拓?fù)潢P(guān)系的分布式區(qū)域產(chǎn)流模塊。準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同量級(jí)外洪及內(nèi)澇可能形成的內(nèi)河水位、淹沒(méi)范圍、水深、流速以及淹沒(méi)持續(xù)時(shí)間，評(píng)估洪澇災(zāi)害的損失，對(duì)即將發(fā)生的洪澇進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)，并為科學(xué)地制定防洪排澇方案提供參考和決策支持。

3.2 模型應(yīng)用模式的設(shè)計(jì)與分析

模型設(shè)計(jì)三種模式設(shè)計(jì)為：常態(tài)應(yīng)用模式、警戒應(yīng)用模式和應(yīng)急應(yīng)用模式。

無(wú)降雨期間的常態(tài)模式下，用戶可以使用系統(tǒng)進(jìn)行：

監(jiān)測(cè)信息（水文、氣象、閘站）和預(yù)報(bào)信息（降雨和潮位）的瀏覽、查詢和分析（降雨、潮位、風(fēng)場(chǎng)動(dòng)態(tài)展現(xiàn)、時(shí)間系列曲線、單站或多站比較、空間分布）。

警戒應(yīng)用模式下，用戶可以使用系統(tǒng)進(jìn)行：

查看降雨站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)警戒狀態(tài)的空間分布，以及潮位站點(diǎn)警戒狀態(tài)的空間分布;查看系統(tǒng)集成的氣象預(yù)報(bào)信息動(dòng)態(tài)變化，分析降雨和預(yù)報(bào)降雨的情形變化。

在警戒應(yīng)用模式下，如分析判斷的水情形式嚴(yán)峻，用戶可利用系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急模式應(yīng)用。

啟動(dòng)內(nèi)嵌河網(wǎng)模型進(jìn)行模擬計(jì)算預(yù)報(bào)。系統(tǒng)將連接中央數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入用戶連接的最新的各站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)降雨、河網(wǎng)水位，模擬更新河網(wǎng)模型的計(jì)算邊界條件，采用預(yù)報(bào)降雨和潮位信息進(jìn)行模擬計(jì)算，并返回計(jì)算成果到系統(tǒng)平臺(tái)中。平臺(tái)根據(jù)預(yù)報(bào)的河網(wǎng)水位和片區(qū)積水模擬情形進(jìn)行汛情預(yù)警，用戶可從空間和時(shí)間序列上進(jìn)行分析查看。

4 三維GIS引擎建立與防洪模型的融合

4.1 江陰城區(qū)已具備的研究基礎(chǔ)

江陰市水利局自2012年以來(lái)，根據(jù)行業(yè)現(xiàn)狀和水利現(xiàn)代化發(fā)展需要，明確了智慧水利建設(shè)的重要性和戰(zhàn)略意義，加快推進(jìn)并不斷提升完善水利數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)傳感控制平臺(tái)等，實(shí)現(xiàn)了水利多部門的多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)優(yōu)化，形成了江陰智慧水利的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，具備對(duì)信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)的獲取能力。

4.2 骨干河網(wǎng)的三維數(shù)字建模

骨干河網(wǎng)的三維數(shù)字模型的建立是三維GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。根據(jù)目前已有的江陰城區(qū)骨干河網(wǎng)的二維GIS數(shù)據(jù)、地形數(shù)字高程數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)等，運(yùn)用三維建模軟件AutoDesk Revit與Google SketchUp結(jié)合ArcMap軟件建立骨干河網(wǎng)三維數(shù)字模型。

主要內(nèi)容包括：

ArcCatalog創(chuàng)建Personal GeoDatabase，通過(guò)ArcMap加載影像數(shù)據(jù)，選取所需建模區(qū)域影像數(shù)據(jù)矢量化并添加高程數(shù)據(jù)。

在ArcScene中瀏覽矢量化數(shù)據(jù)，并通過(guò)ArcGlobe加載影像數(shù)據(jù)，選取所需矢量數(shù)據(jù)運(yùn)用SketchUp ESRI插件將面圖層導(dǎo)出為skp文件格式。

將導(dǎo)出的文件加載至SketchUp中，添加適當(dāng)紋理與貼圖后導(dǎo)出為Multipatch模型。

4.3 三維模型與GIS引擎的加工融合

三維模型與GIS引擎的加工融合是三維GIS系統(tǒng)的關(guān)鍵，根據(jù)建立完成的骨干河網(wǎng)三維模型，運(yùn)用ArcScene、ArcServer等軟件進(jìn)行三維數(shù)字模型的導(dǎo)入，并對(duì)應(yīng)GIS系統(tǒng)坐標(biāo)系，利用ArcGIS For JS API將GIS地圖通過(guò)WEB瀏覽器進(jìn)行呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景放大、縮小、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，并可實(shí)時(shí)改變視角、視野、視距、飛行角度和高度等。

4.4 三維GIS下防洪模型系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)降雨-產(chǎn)匯流結(jié)合的模型算法推演結(jié)果，采用ArcGIS作為GIS基礎(chǔ)平臺(tái)，基于WebGIS技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)縫組織、管理和可視化。采用B/S架構(gòu)搭建，所有的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、模型推演結(jié)果等存放于服務(wù)器端，通過(guò)Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)訪問(wèn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)以數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)和降雨-產(chǎn)匯流結(jié)合的模型算法為支撐，以空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、模型推演結(jié)果為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)空間數(shù)據(jù)和模型推演結(jié)果的存儲(chǔ)和管理，建立數(shù)據(jù)管理、模型推演結(jié)果分析和三維GIS展示為一體的綜合展示系統(tǒng)。

5 優(yōu)勢(shì)分析

三維GIS空間信息的展示更為直觀。用二維的圖形界面展示空間信息是非常抽象的，只有專業(yè)的人士才懂得使用，相比二維GIS，三維GIS為空間信息的展示提供了更豐富、逼真的效果，使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，從而做出準(zhǔn)確而快速的判斷。

多維度空間分析功能更加強(qiáng)大。利用三維GIS進(jìn)行骨干河網(wǎng)防洪模型的推演與分析，從淹沒(méi)分析、地質(zhì)分析、空間擴(kuò)散分析、通視性分析等多維度空間進(jìn)行呈現(xiàn)，從而更逼真更精細(xì)、更精確的為防汛決策提供支撐。

6 結(jié)束語(yǔ)

本次以江陰城區(qū)為典型示范區(qū)，利用三維GIS引擎技術(shù)與骨干河網(wǎng)防洪耦合模型耦合融合，將計(jì)算機(jī)的技術(shù)與水利行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，接入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)未來(lái)城市防洪形勢(shì)進(jìn)行模擬推演、各類調(diào)度方案進(jìn)行模擬分析，提出水利工程調(diào)度優(yōu)化方案和水體管理應(yīng)急預(yù)案，以三維GIS的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，直觀，清晰的反映了河網(wǎng)洪水趨勢(shì)變化。

本文僅以三維GIS與江陰城區(qū)骨干河網(wǎng)防洪模型進(jìn)行初步融合，計(jì)劃今后進(jìn)一步升級(jí)，以全息沙盤的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，以更好的視覺(jué)沖擊，服務(wù)好水利行業(yè)。

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