基于GIS的洪涝灾害研究

论 文 题 目基于 GIS 的洪涝灾害研究学 院： 旅游与地理科学学院专 业： 地 理 信 息 系 统学 生 姓 名： *学 号： 0 9 1 1 5 1 *年 级 班： 09 级 5 班指 导 教 师： *2013 年 04 月 27 日吉林师范大学毕业论文(设计)论文分类号：p208密 级：无摘 要洪涝灾害已经成为了山区一种常见的综合性灾害，这种灾害给南川区南平镇带来了严重的破坏和巨大的经济损失。为了有效抵御洪涝灾害,减少洪涝灾害带来影响和破坏，文章利用 GIS 技术构建南平镇洪涝灾害分析方法。对于这种方法计算淹没区，准确性受地形图、等高距大小、数字化采集精度、数字地面模型、高程精度以及格网间隔大小、像素探测分辨率等因素的影响。等高距越小，数字化跟踪误差越小，数字地面模型内插越密，格网跨度越短，探测分辨率越高，淹没区计算精度也就越好。关键词：洪涝灾害；决策；缓冲区；叠加AbstractFlood disaster has become a common comprehensive disaster. This disaster takes a serious damage and huge economic losses to the nanping town . In order to effectively resist flood disaster and alleviate the destruction and influence by flood disaster, the article to construct the Flooding disaster analysis method of Nanping town by using GIS technology. The accuracy of flood area is mostly dependent on the contour interval of map accuracy of digitizing map accuracy of DEM, interval of GRID and detecting resolution of pixels for this kind of method to calculate the submerged area The smaller contour interval，the fewer errors of digitizing ,the denser interpolating of DEM ,the shorter span and the higher detecting resolution will make the higher accuracy the better submerged area calculation accuracy Key words: Flood disaster; Decision-making; Buffer; Interstect基于 GIS 的洪涝灾害研究1 前言洪涝灾害是由于暴雨洪水形成的一种比较具有突发性和常见性的自然灾害类型，对国民经济建设和农业生产危害极大。尤其在山区，已经成为了一种常见的综合行灾害。为了避免或减少洪涝灾害给人民生活带来灾难和破坏，文章以南平镇为参考通过GIS 技术的洪涝灾害分析方法对南平镇进行洪涝灾害研究。对于这种方法计算淹没区，准确性受地形图、等高距、数字化采集精度、数字地面模型、高程精度以及格网间隔大小、像素探测分辨率等因素的影响。等高距越小，数字化跟踪误差越小，格网跨度越小，数字地面模型内插越集中，探测分辨率越高，淹没区计算精度也就越好。2 研究区概况南平镇位于南川区，东邻南城街道办事处，南靠金山镇，西接万盛区，北连石莲乡, 兴隆镇东与南城街道相连，南与金山镇毗邻，西与石莲乡、万盛区丛林镇连界，北与神童镇、兴隆镇接壤，南平镇三面环山，西南高东北低，略成长方形，辖区介于2810N 一 2925 N，10656E 一10705 E之间，幅员面积达到129.92km2。2.1自然地理背景从地势上来看，南平镇三面环山，位于山地环绕的鞍部内，南高北低，并沿河谷逐级降低，地势相对平坦（图 1） ，由于盆地地势，故多条河流在这里汇集，发生洪灾主要由于暴雨形成。北边缘山地大暴雨区等 3 个大暴雨区内，南平镇位于暴雨区东南部，前二者是造成其过境洪水的主要原因，而后者则是本地暴雨洪水的主要来源。由于受亚热带季风气候的影响，南平镇的暴雨主要集中在 69 月。图 1 南平镇地形图Fig. 1 The Topographic map of NanPing Town2.2 社会经济背景全镇幅员面积 129.92km2，农用地面积 5 万亩，林地覆盖率约 34%，河流 2 条、各类水库或鱼塘 2 座。镇政府所在地距城区 16 公里，辖 11 个村 156 个农业社，1 个居委会 3 个居民小组，全镇大约 37000 人。城镇矿产资源丰富，煤炭储备量在 500 万吨以上，萤石矿、石英砂分布广泛，紧邻金佛山、万盛黑山谷、万盛石林等风景名胜区。3 数据库的建立3.1 基础图件把南平镇行政区划图、土地利用类型图、DEM 影像图件作为基础底图，南川区降水分布图、水系分布图等作为参考图件3.2 图形数据库和属性数据库的建立3.2.1 GIS 软件的选取目前 GIS 软件品种较多，如国外的 ArcGIS、MapInfo 等，国内的 MapGIS、Geostar以及一些科研院所自行开发的 GIS 应用软件，根据该研究课题的需要以及自己对各种软件的熟练程度来选取。本文选择目前普遍使用的 ArcGIS 来建立数据库以及各种图件的编辑。ArcGIS 是一种非常适合于 PC 上的桌面地理信息系统，具有以下一些特点：(1)提供数据、思维可视化的决策支持模式；(2)支持 CS 体系结构和无缝图层；(3)有很强的 RDMB 关系数据库管理功能； (4)读写 ODBC 数据库，建立属性数据与图形数据的关联；(5)提供强大的空间数据采集，数据编辑，数据存储管理与图形输出功能。3.2.2 矢量数据的采集矢量数据采集就是地图矢量化。所谓地图矢量化，就是把栅格数据转换成矢量数据的处理过程。当纸地图通过计算机图形、图像系统定量的光-电转换为点阵数字图像,图像处理和曲线的矢量量化,或直接在手动跟踪数字一代对地理信息系统、显示、修改、标签、漫游、计算机、管理、和印刷的矢量地图数据文件,本文地图和相应的计算机数据文件被称为矢量电子地图。对于一个 GIS 系统建设,有四个主要来源的空间数据的来源,数据转换/ GPS 遥感数据和数字测量、纸质地图的矢量量化。洪涝灾害的研究分析首先要建立在矢量数据基础之上，这就要求我们要获得洪水淹没区的矢量数据，土地利用类型矢量数据以及村界行政边界矢量数据。首先矢量数据的采集之前，要添已知的投影信息给图片，以便于在 ArcMap 之中生成的矢量数据与原来的 DEM 数据具有相同的投影信息。3.2.3 属性数据库的建立属性数据库由描述空间实体的特点的二维数据表组成, 除了通过数据库表，如Excel、ASCII 等外部数据库，还可以直接在 ArcGIS 内部建立内置数据库，本文拟采用该方法建立数据库，直接在每个图层建立与图形和分析相关联的属性数据库，从而实现地理空间数据库的一体化,因此在矢量化村行政边界以后要在属性表中添加名称以及面积两个属性字段。3.2.4 图形数据库的建立图形数据库也就是空间数据库一个重要组成部分，是用来表达和描述空间实体的数据。地理空间数据是一个操作对象和管理内容的地理信息系统，主要描述了位置和几何特征的空间实体等。图形数据库的建立主要包括底图的数字化处理、矢量数据的编辑与处理,以及矢量化以后的拓扑查错。在洪涝灾害的分析过程中我们矢量化村界，以及土地利用类型都是图形数据库建立的组成部分。4 研究方法南平镇凤咀江洪涝灾害分析是一个区域性的灾前风险等级预测和灾后评估方案，是对区域各个单元各个灾害事件的危险程度等级以及造成的损失评估的方法。4.1研究区数据矢量化选择南平镇凤咀江洪涝灾害分析所需要的基础图件，DEM 数据与行政边界划分图，土地利用类型图，建立相应的矢量数据库，生成矢量河网，矢量村行政边界划分图，矢量土地类型利用图。在地理信息系统的支持下，利用其空间叠加分析、图斑合并以及属性数据库操作函数，并评估洪水灾害风险，确定区域划分单元，按同等级分割或合并受灾区域。4.2空间分析ArcGIS 具有很强大的空间分析功能，可以对矢量数据进行缓冲区分析、叠置分析和网络分析等,对栅格数据进行距离制图、密度制图和表面生成与分析等。同时，它可以整合各种资源，各种各样的尺度，以及各类别的数据，构建空间数据库，轻松存储或提取所需信息进行评估。利用矢量数据的缓冲区分析的整个研究区域根据距离河水距离划分为研究区，利用叠加分析空间数据如降雨、地形地貌、植被、社会经济等综合处理属性数据。此外，通过 ArcGIS 对研究区利用映射函数函数风险分区。5 技术流程在 GIS 软件支持下，建立相关数据库，然后根据洪涝灾害形成的虚拟数据建立分析区域。在分析各个村庄洪涝灾害受灾区域同时，确定洪涝灾害对各类土地利用类型造成的损失面积。最后结合孕灾背景和危险性评价，利用 ArcGIS 软件进行图层叠加、分割、萃取、合并等数据操作，并划分风险等级，进行风险区划分，完成分析，输出相关数据（图 2） 。图 2 技术流程图Fig.2 The Technology process map5.1 利用提供的 DEM 数据提取河网（1）洼地填充，生成无洼 DEM地形表面模型 DEM 数据的相对平稳，但由于 DEM 误差或是一些实际地形使得 DEM表面有些空洞的面积。这些地方的存在往往会使得计算水体流动方向时出现不合理或者是错误。因此需要对原始 DEM 数据（图 3）进行洼地填补，使之成为无洼地 DEM 之后才能进行水体流动方向的计算。DEM 数据 河网数据村庄行政边区划土地利用类型数据 淹没区数据风险等级数据 DEM数 据 等级 DEM数 据 频率统计数据图 3 南平镇 DEM 图Fig.3 The DEM map of NanPing town水流方向的提取洼地填充基本过程是首先使用水流方向数据计算出 DEM 数据在沉降区洼地区域，计算深度值，然后根据深度设置阈值来萧条填补。对于每个格网，水体流动方向指的是水体流动远离网格点。在 ArcGIS，基于中心栅格外的八个邻域栅格编码、水流方向中心网格可以通过其中一个值来确定。水流的流向是通过计算中心格网与邻域格网的最大距离权落差来确定。计算方法是：展开 Spatial Analysis Tools 工具箱，打开Hydrology 之下的 Flow Direction，打开水流计算对话框分别输入南平镇 DEM 数据，以及将输出文件名为 direction 完成水流方向的计算。洼地的计算通过水水体流方向不合理区域可判断出洼地，并进行填充。也有很多洼地是地表真实形态的真实反映，因此在进行洼地填充之前，必须计算洼地深度，判断哪些是因为数据误差造成的，哪些又是真实地表形态，然后在洼地填充时设置合理的填充阙值。洼地提取的方法：打开 Hydrology 中的 Sink 选项打开计算对话框，在文本框中输入水流方向数据 direction，输出文本框中输入数据名称为 Sink,完成操作之后深色区域为洼地。洼地计算：打开 Hydrology 中的 watershed 选项，弹出 watershed 对话框计算洼地贡献区域，输入水流方向数据，在 input raster feature pour point 文本框中选择洼地数据 Sink，将输出文件名设为 watershink 完成操作。计算出洼地形成的贡献区域的最低高程。计算每个洼地贡献区域出口的最低高程既洼地出水口高程计算洼地深度在 ArcMap 中加载 Spatial Analysis 模块，打开模块选择 Raster Calculator,然后在文本框中输 入 sinkdep = ( zonalmax zonalmin )用 Evaluate 计算。洼地填充 洼地填充是无洼地 DEM 生成的最后一个步骤，可以判断出该 DEM 上是否有洼地， 如果有，则需要对洼地填充。打开 Hydrology 选项中的 Fill 选项 ，在 input surface raster 文本框中选择需要进行洼地填充的原始 DEM 数据，输出文件命名为Filldem 完成操作。（2）汇流累计量计算汇流累计量数值矩阵是区域地形每个点的流水的累积量，在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算得到。汇流累积量的基本思想是：以规则的格网表示的数字地面高程模型，每点处有一个单位的水量，按照自然水流从地势高往地势低流的规律，根据该地区的地形数据计算每点位置的方向流过的水，流在该地区得到积累。 无洼地 DEM 的水流方向的计算过程和上面水流方向计算大体相同，得到水流方向，可以利用水流方向数据计算汇流累计量，之后用 Hydrology 中的 Fill Accumulation工具，打开汇流累积量对话框输入水流方向数据输出栅格累计量文件名为 flowacc 完成操作（图 4） 。图 4 南平镇汇流累积量图Fig. 4 The Flow accumulation of NanPing town（3）根据汇流累计量重分类河网，生成河网栅格图根据南川区的降水汇流累计量的取值范围 0-137978，取 0-3000 的数据为NoData，取 3000-137978 的为一级，进行栅格图像的重分类得到河网图（图 5） 。图 5 南平镇河网矢量图Fig.5 The Vector river-net Map of NanPing Town （4）河网栅格数据转成矢量面数据利用 ArcToolBox 之中的 Conversion Tools 下面的 Raster to polygon 将栅格数据转换为矢量面数据，生成了能够进行空间分析的河网的矢量面数据。5.2 洪水水位模拟数据的估算将河网的矢量数据作为掩膜，利用 Spatial Analysis Tools 下面的 Extraction 的Extract by mask 提取河网所在区域的 DEM 数据。然后生成河网等高线值，得到河网所流经区域的高程范围为 475-1217m。根据分析需要，我们取 650m 作为洪水的淹没范围深度。5.3 提取模拟数据之下洪水淹没的 DEM 区域生成南平镇 DEM 数据的等值线图，为了提高精度将 Counter 值设置为 1。然后利用 Analysis Tools 下面的 Extract 中的 select 工具,将提取栅格计算器表达式设置为CONTOUR = 650m 提取出洪水淹没区的矢量数据（图 6） 。图 6 南平镇洪水淹没示意图Fig. 6 The Flood waters submerged area Map of NanPing Town 5.4 洪涝灾害风险等级的划分洪涝灾害风险等级的划分是为了有重点的做好防范准备，减少资源配置的浪费，尽可能的提高预防的实效性与针对性，从而提出的一种计算的方法。等级高的说明灾害发生的系数较大，等级低的说明灾害不易发生，灾害的发生可能性是从第一等级到第四等级逐渐降低，因此第一等级就是防范的重点区域（图 7） 。图 7 南平镇洪涝灾害风险等级图Fig.7 The Flood Disaster risk level Map of NanPing Town5.5 矢量化生成南平镇以及其辖区内各个村庄的行政区划图(1) 对提供的栅格图片添加 DEM 数据的投影，新建与 DEM 数据具有相同投影的面矢量数据文件。图 8 南平镇行政区划图Fig.8 The Administrative districts map of NanPing Town（2） 新建两个 shape 面文件，添加 DEM 投影开始矢量化. 加载 ArcGIS 扩展模块Georeferencing 完成对村庄行政边界的矢量化（图 3.7） ，生成南平镇以及村界的文件，在属性表中新建 scale 字段生成各个村庄的面积属性（图 9） 。图 9 南平镇行政区划图Fig.3.8 The Administrative districts attributes list of NanPing Town5.6 洪水淹没区各村各类土地利用类型一级代码的提取南平镇土地利用类型矢量图中已有各类土地利用类型的详细属性代码，根据第二次全国农村土地调查土地分类代码，在土地类型属性表中新建 Relanduse 字段，提取各类土地利用类型的一级代码。具体操作是在土地利用类型属性表中，利用字段计算器，输入公式 Relanduse = left(LANDUSE,1),实现各类土地的一级代码的提取（图 10） 。图 10 南平镇土地利用类型图Fig.10The The land use type Maps of NanPing Town 5.7 使用频率统计方法得到各村各种土地利用类型的面积(1) 利用已经生成的洪水淹没区矢量数据，结合土地利用类型图，提取洪水淹没范围之下的土地利用数据。使用在 Analysis Tools 下的 Extract 的 Clip 工具，实现洪水淹没覆盖之下土地利用数据的提取。(2) 对最后生成的带有村庄名称土地利用类型的淹没区数据进行频率统计分析得到各个村庄各种土地利用类型的模拟淹没区数据。利用 ArcToolBox 中的 Analysis Tools 下的 Statistics Frequency 工具条，统计各个村庄各种土地利用类型的模拟淹没面积，完成这次洪涝灾害的统计分析,对受灾面积进行评估，提出简单的救助方案，为政府救灾提供决策支持(图 11)。图 11 土地利用属性表Fig.11 The attribute table of land use 6 结论与讨论通过 ArcGIS 建立数据库对南坪镇地形图进行矢量化和空间分析等方法，使不同等级的受灾区域赋予不同的属性，从而更便于观测和计算受灾区域。利用淹没区计算模型和方法，可有效迅速准确地计算出淹没区范围 ,淹没区计算精度主要取决于空间数据精度的优劣，准确性受地形图的等高距大小、数字化采集精度、数字地面模型高程精度以及格网间隔大小、像素探测分辨率等因素的影响，等高距越小，数字化跟踪误差越小，数字地面模型内插越密，格网跨度越小，探测分辨率越高，淹没区计算精度也就越好，运算效率受到源点的选择位置、探测分辨率、分析区域大小及数据质量等因素的影响。洪涝灾害监测与分析是防洪减灾中一项重要的工作。GIS 在洪涝灾害监测评估中起着非常重要的作用。GIS 技术的快速发展，如 WebGIS 和真 3 维 GIS 等逐步的发展，也会将洪涝灾害的监测评估达到新的高度。参