（地图学与地理信息系统专业论文）洪水淹没计算与评估系统的研究与实现.pdf

摘要 地理信息系统因其强大的分析功能越来越广泛地应用于各行各业，洪水淹 没计算与评估系统就是基fg i s 的应用系统，利用它可以计算洪水淹没范围， 评估洪水淹没区域的灾害损失，从而为水利部门与各级政府部门提供准确的资 料，有效地减少灾害造成的损失并为灾后赔偿等一系列工作提供可靠的依据。 本文在深入研究发展现状的基础上，指出其存在的i 口j 题与不足。针对洪水 淹没计算中洪水淹没的真正范围问题，区分为育源淹没与无源淹没进行考虑。 针对系统中基fd e m 的洪水淹没计算与成熟的评估模型结合不紧密的问题， 采用正方形格网分析法作为解决问题的桥梁，并利用这种分析方法进行了淹没 连通性的分析，讨论了正方形格网分析法与成熟的评估方法相结合的模型。最 后，将这种思路与方案应用与湖南冷水滩区洪水淹没计算与评估系统，阐述了 系统的数据组织、系统设计与系统实现。 本文研究的苣点在于： ( 1 ) 将洪水淹没区分为有源与无源进行考虑，用正方形格网分析方法实 现对于洪水淹没连通性的分析与洪水淹没指标的计算。 ( 2 ) 采用正方形格网分析方法实现洪水淹没计算与评估系统中计算模型 与成熟的评估模型紧密结合。 ( 3 ) 对于淹没损失评估的尺度问题进行了讨论，对基于m a p i n f o 平台的 叠置分析中淹没损失数据的获取问题提出了具体的解决思路。 关键词：洪水淹没，数字高程摸型，损失评估，数据组织，系统设汁 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t ss t r o n ga n a l y s i sf u n c t i o n ，g i sh a sb e e nw i d e l yu s e d i ne v e 哆f i e l d ，f i o o ds u b m e r 百n gc a l c u l a t i n ga n da s s e s s i n gs y s t e mi sa 印p l i e ds y s t e mb a s e do ng i s ，i tc 柚c a l c u l a t en o o ds u b m e 晒n gm n g e a n da s s e s st 1 1 ed i s a s t e rd a m a g e ，p r o “d er e f e r e n c em a t e r i a lf o rw a t e r c o n s e n ，a n c yd 印a r t i l l e n t a i l d g o v e m m e m o fe v e 叮 l e v e l ， i tc a i l e 硒c i e n t l yr e d u c et h ed i s a s t e rd a m a g ea 1 1 dp f o 、，i d et h er e l i a b l er e f 毫r e n c e f o rd 锄a g ec o m p e n s a t i o na 1 1 das e r i e so fo m e rw o r k sa r e rd i s a s t e r b a s e do nd e 印l yr e s e a r c h i n go nd e v e l o p m e mo fs y s t e mp r e s e n t s i t u a t i o n ，t h i sp a p e rp o i n to u tt h ep r o b l e ma n dd e f i c i e n c yo fs y s t e m t o d a y t 0m ep m b l e mo ft m er a n g eo fs u b m e 唱i n g ，m i sp 印e r d i 肠e i l t i a t e s o u r c e n o o d ”a i l d “n o n e s o t l r c en o o d ，t om ep r o b l e mo f d i 衔c u l ti nc o m b i n a t i o no fc a l c u l a t i n gm e t h o db a s e do nd e ma n dt h e m a t u r ea s s e s s m e mm o d e l ，m i sp a p e ru s e ss q u a r eg r i da n a l y s i sm e t h o da s ab r i d g e u s i n gt h i sm e t h o d ，t h i sp 印e ra i l a l y z et h ec o n n e c t 确t ) ，o f s u b m e r g i n g i nm e 朗d ，t h i sp 印e r 印p l ym i sm e t h o di nt h eh u n 柚 l e n s h u ib e a c ha r e af l o o ds u b m e r g i n gc a l c u i a t i n ga n da s s e s s i n g s y s t e m ，d i s c u s sm ed a t ao r g 卸i z a t i o ni ns y s t e m 、t h ed e s i g i io fs y s t e m a i l dt h er e a l i z a t i o no fs y s t e m t h ep r o m i n e n c eo ft h i sp 印e rl i e si n ： ( 1 ) d i f f e r e “a t i n g t h e s u b m e r g i n g i n“s o l 鹏e n o o d ，锄d “n o n e s o l l r c ef l o o d ，a c h i c v i n gt h ec o n n e c t i v i t ) ，o fs u b m e 晒n g a i l dc a l c u l a t i n gu s i n gt h es q 哪黟i da i l a l y s i sm e t h o d ( 2 ) a c h i e “n gt h ec o h e s i v ec o m b i n a t i o nb e 孙r e e nc a l c u l a t i n gm o d e l a n dm a t u r ea s s e s s i n gm o d e li nf l o o ds u b m e r j 醇n gc a l c u l a t i n g a n da s s e s s i n gs y s t e m ( 3 ) d i s c u s s i n gt h es u b m e r g j n ga s s e s s i n gs a t u r a t e ，p r e s e n t i n gt h e c o n c r e t em e t h o df o ra c q u i r i n gs u b m e r g i n gd a l n a g ed a t ai n o v e r i a y i n ga n a l y s i sp r o b l e m b a s e do nm a p i n f o 。 k e yw o r d s ：f l o o ds u b m e 唱i n 岛d e m ，d a m a g ea s s e s s m e n t d a t ao 玛柚i z a t i o n ，d e s i g no fs y s t e m 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他荦位的学 位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论 文中作了明确的说明。 作者签名：! ：! ：丝 日期：! ! ! ! 年月翌日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公稚学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作首签名! ：! 缈导师签趟日期：竺年三月竺日 中南大学硕 论史第一节绪论 第一章绪论 随着以计算机为标志的第一次信息革命和微电子技术、空问技术、信息技 术以及现代通讯技术相结合为特征的第二次信息革命，地理信息系统作为测绘 学、摄影测晕与遥感学、地图学、计算机科学、卫星定位技术弓现代通讯技术 等的有机集成与综合应运而生。由于其强大的空间数据管理与空问分析功能， 地理信息系统广泛地应用于各行各业。洪水灾害足众灾之首，将g i s 应用f 防 汛抗洪工程，通过计算淹没范围的发展过程和发展趋势，分析灾害程度及其造 成的损失和影响，可以及时、准确、系统地掌握洪水淹没信息，向抗洪救灾部 门提供准确的灾害情报，为抗洪救灾决策提供科学依据，最大限度地减少洪水 造成的损失，为各级相关部门提供高效的服务。所以对于g i s 在防汛工程中的 应用始终足研究的一个热点。 1 1 地理信息系统概述 1 1 1 地理信息系统定义 地理信息系统( g i s ，g e o g m p h i ci n f o m l a t i o ns y s t 咖) 可简单定义为用于采 集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统。另一方 面，它可以描述为利用计算机硬软件的支持，对数据与信息( 包括图纸与统计) 按地理也标和空日j 位置进行收集、输入、存储、编辑、查询、检索、显示与管 理，以及对这些信息进行统计与分析的综合技术【l l 。实质上，地理信息系统本 身不过是计算机技术在地理空日j 研究领域的具体应用，是具有特定的数据集和 特定的操作集的计算机系统。 作为集计算机科学、地理学、遥感测绘学、环境科学、城市科学、空间科 学、信息科学、和管理科学等为一体的多学科新兴边缘学科，g i s 综合应用了 多种技术：从计算机方面讲，其主体是空间数据库技术；从数据收集方面讲， 其重要是3 s 技术的有机结合；从应用方面讲，其主体足数据互访和空丑j 分析 决策的专门技术；从信息其享方面讲，其主体足计算机网络争门技术。因此， g i s 技术总足随着计算机及相关技术的发展而发展，受计算机及相关技术发展 水平的制约，并从自身特点出发对计算机及相关技术发展提出要求，从而推动 相关学科技术和g i s 技术的不断提高1 2 j 。 与一般的事务系统相比较，地理信息系统数据收集是以地理空日j 为基础， 并对信息进行空问分析与解释。因此，除了具有一般的数据库外，还有图形数 中南人学硕 论史第一蕈绪论 据，而且要共同管理、分析和使用图形数据与属性数据。g i s 在硬件和软件方 面均比一般事务处理系统史加复杂。 1 1 2 地理信息系统组成 地理信息系统一股由四个部分组成：计算机硬件系统、计算机软件系统、 地理空f h j 数据与用户1 4 ”。 ( 1 ) 计算机硬件系统 计算机硬件足g i s 的基本设备，通常包括计算机、输入设备与输出设备。 计算机根据地理信息系统的规模与功能呵以是工作站，可以是高档微机，它负 责处理地理空问数据的处理、存储、分析等任务；输入设备有数字化仪、十1 描 仪等，主要负担着地理空间数据的输入工作，如地图扫描矢量化；输出设备有 屏幕、打印机、绘图仪等，主要负责报表、地图等地理宅问数据的输入任务。 ( 2 ) 计算机软件系统 计算机软件足地理信息系统的核心。像人的大脑一样，对地理空日j 数据的 处理、管理、查询、分析等，全靠软件系统柬完成。g i s 软件一般包括系统软 件与应用软件。系统软件与硬件有关，应用软件则代表了地理信息系统的能力 与用途。根据地理信息的特点，可以将g i s 软件中与用户有关的软件分为五部 分，即数据的获取与转换、图形与文本编辑、数据存储与管理、空日j 查询与分 析，以及数据表达与输出【4 ”。 五个系统日j 相互依存，成为一个面向用户的和谐整体，如下图l 一1 。 图1 一l 软件中五个子系统联系图 ( 3 ) 地理空间数据 数掘足地理信息系统的血液与粮食，没有数掘的地理信息系统如无米之炊。 地理空问数据足指以地球表面空b 】为参考的自然、社会和人文经济景观数据， 可以是图形、图像、文字、表格和数字等。它主要有两种数据，一种是空白j 数 据，一种是属性数据。这些数据一般通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或 一2 中南人学硕_ 卜论文第一章绪论 其它系统通讯输入g i s ，足系统程序作用的对象。地理空f b j 数据因为具有动态 变化的特征，所以需要不但地采集更新 ( 4 ) 用户 用户是g i s 中的藿要组成因素，它包括一般用户与系统管理维护人员。地 理信息系统的应用推广及完善，与一般用户足密不町分的；系统的组织、管理 及数掘的更新，都必须有号业人员柬完成；在系统建设的过程中，更必须有地 理信息系统争家的参与。 除以上四方面基本组成部分以外，一个g i s 系统还应该包括基本的应用过 程，即一套根掘经验制定的处理问题的步骤与方法，还应分析是否具有稳定的 数掘源，是否有地理信息系统方面的人才，以及是否有一套基本的应用方法。 1 1 3 地理信息系统分类 从不同的角度出发，地理信息系统可以划分为不同的类别。 按g 【s 应用的领域，可以分为土地信息系统、资源管理信息系统、地学 信息系统、灾害防御与预测系统。 按g i s 使用的数据模型，可以分为矢量、栅格与矢量栅格混合型信息系 统； 按g i s 服务对象，可以分为专题信息系统和区域信息系统： 按服务应用的范围与深度，可分为基于某一项目研究的项目地理信息系 统、应用于某一部门的部门地理信息系统、服务于某一企业团体的企业化地理 信息系统和作为公众基础信息系统的社会化地理信息系统等。 1 2g i s 在防洪抗灾工程中的应用及分类 1 2 1 国内外应用状况 早在7 0 年代，荚图就提出了通过对洪水监测、预报、模拟、评估和分析等 非工程化手段减少灾害损失的设想。地理信息系统( g i s ) 及遥感( r s ) 技术的发 展，使人们认识到这两项技术的结合应用到防汛的各个环节可以有效地减少水 灾损失。荚图突发事件管理委员会( f e 眦) 已利用g i s 技术用于淹没灾害管理， 灾害期间，可以辅助预测水灾危害，如洪水峰值时间，洪水高度，为保证城市 安全进行水量调配等；灾害发生后，可以辅助政府部门和保险公司进行损失评 估和灾后重建巾j 。 水灾是“众灾之首”，掘统计近三十年问全国发生大小规模水灾1 6 0 0 多次， 中国有4 0 的人口，3 5 的耕地和6 0 的工农业总产值及l o o 多座大中城市分 - 3 一 中南入学硕十论文第一章绪论 匍在遭受水灾威胁的地区，水灾造成的损失也呈上升趋势( 如下躅l - 2 ) 。因此， 预防并减轻水灾的危害和损失足中困十分紧迫的藿大问题p 。其对策是对江 河、湖泊的治理要蕈视工程措施，也耍蓖视 工程措施，实行综合治理。以g i s 为基础结合r s 、g p s 等高新技术町以为防汛减灾提供强大的支持与服列。6 l 。 8 0 年代中后期丌始，中斟科学院资源与环境系统斟家重点实验宅先后丌发 了中图t 要洪泛区的洪水管理与灾情评价信息系统，黄河下游洪水险情颅测和 灾情对策信息系统、黄河三角洲域信息系统等。以国家遥感中心为首的遥感 应用机构也于1 9 9 0 年综合应用遥感、通信和g i s 技术，成功地建立了国家防洪 遥感信息系统。该系统在1 9 9 1 年中困江淮等地发生的重大洪涝灾害中的应用效 果很好。我固南方洪水灾害经常发生的省、市与地区部建茳了自己的防汛抗灾 信息系统，湖北省结合本地的实际汛情f1 9 9 8 年正式启动“防汛信息服务系 统”，江西省近期建立了基于网络g i s 技术的江西省防汛决策实时水雨情分析系 统i 删。这螳系统的应用为防汛抗灾提供了及时、准确的信息，有效地减少了洪 水淹没造成的损失。 亿元( 气年价格) 图z 一2 我国历年洪灾损失示直方图 1 2 2 防汛信息系统的分类 g i s 支持下的防汛信息系统，在建立水利设施数据库及蚕洪区社会经济综 合背景数掘库和基础地理数据库的基础之上，可以以基本地理信息为蘑础和载 体，直观、及时、准确、全面地反映各种水利设施及江河湖泊的分铂与发展状 态；通过对各种防汛信息进行统计、综合分析，成为领导进行重大防汛问题决 策的有力工具，同时通过不断完善及深层发展，也可逐步发展成为防汛部门日 常办公的辅助工具。g i s 支持下的防汛信息系统的设计、开发必须与水灾的特 征紧密结合，提出真正发挥作用的切入点，未来建成的防汛信息系统，才能发挥 其应有的作用。同时，系统建没必须选择适宜的技术路线，解决好相关技术问 题。 d 一 中南大学硕十论文第一章绪论 中国的水灾具有形式多样，影响范围大，水灾危害区域具有相对集中，水 灾的季节性明显等特征。利用g i s 支持下的防汛信息系统解决问题必须考虑中 国的水灾发生特征，要有较强的针对性【l6 1 。防汛信息系统的应用对象主要包括 水利部门及政府行政管理部门。前者从号业应用角度对防汛信息系统提出了较 商的要求，后者则强调系统能为政府的决策提供支持。r 丌j 时，中央和省政府对 防汛信息系统的要求也不一致，不仅是应用范围存在全局与局部的差异，而且 系统的应用目杯也不一致。归纳起来，根扼防汛信息系统在防汛抗灾工程中的 应用主要可以分为以下三类： ( 1 ) 汛前预测与评估 结合相关数据预测全国或局部区域的洪水发展趋势、洪水淹没范围、淹没 损失和救灾措施，为防汛基础设旌建设提供决策依据，为居民避险迁安、救灾 物资输送等设计方案。 ( 2 ) 汛期现场指挥与评估 以地理信息为基础和载体，及时、准确地提供信息服务，主要包括：反映 重要城镇、道路、水利设施、江河湖泊分布及高程变化；反映与防汛紧密相关 的气象、水文信息的状况及发展趋势。利用g i s 网络分析功能支持模拟蓄洪区 人员的撤退、物资的转移，以选择最佳撤退路线，最大限度地减少洪水造成的 损失。 ( 3 ) 汛后灾情评估、救灾和水利工程建设规划 根据淹没范围，通过g i s 结合空间数据及社会经济数据，计算成灾面积并 评估灾情程度及以各级行政区划为单元统计损失。 本文所研究的洪水淹没与评估系统就是防汛信息系统中的一种，但足在实 际的防汛工作中分类不足肓很明显的界限，如在水灾汛期也可以根据水文、气 象的动态加载进行灾中洪水淹没的模拟预测与灾中的应急计算与评估。 1 3 洪水淹没计算与评估系统 1 3 1 系统概述及意义 洪水淹没计算与评估系统，是一个基于g i s 技术，在科学的洪水淹没计算 模型与灾害评估方案的基础上开发的多功能的防汛信息系统。 它充分利用已有的社会经济统计资料与地图资料，在大比例尺数字高程模 型的基础上加上各种号题图，如土地利用、居民点、工厂与社会经济统计信息 等，通过图形叠加、空间操作、空间分析等功能，使用较为成熟的模型技术与 计算机手段，可以计算出洪水淹没的范围及其面积、容积，得出洪水淹没范围 5 中南大学硕十论文第一章绪论 内人口、财产、公共设旎等的淹没分都状况，计算出淹没后财产的损失，为水 库防洪调度得出最佳泄洪区，为防洪救灾与转移物资等提供最佳路线，为灾后 的损失赔偿工作提供科学的赔偿依据，基fg i s 制作的各种类型的号题图，特 别是不同承灾体的损失专题图( 如损失景级分等) 有助于二分析损失的空间分布 特征，对制订分区减灾措施作用显苫。 1 3 2 系统发展状况及存在问题 现在关于洪水淹没计算与评估系统的研究，一般集中在两个方面，一是对 于洪水淹没范围与面积的计算，一是对于洪水淹没后损失的评估。 存在的问题如下： ( 1 ) 对于洪水淹没的计算在很多软件中部有各自的淹没计算模型，但是大 多数计算比较粗略，部只足解决了高程平铺的情况，没有将问题分为有源弓无 源两种进行讨论与计算。所以没有实现洪水淹没的真正范围。 ( 2 ) 对于洪水淹没的计算中为了单一追求计算面积的精确性，对于d e m 数据洛网划分非常小，这在单纯计算面积弓容积的情况下足比较好的，但是在 整个系统中实现与现有成熟评估模型结合时就显得比较困难，并且当网格数鼍 较多时候直接影响计算速度，对f 应急评估更是不能满足的。 ( 3 ) 现有成熟的淹没评估模型如：比较先进的洪水模拟演进模型( 陆吉康) ， 基于二空问展南式社会经济数据库的洪涝灾害损失评估模璎( 李纪人等) ”“， 它们所使用的计算格网( 可能规则，也可能不规则) 与d e 本身的格网模犁是 割裂开柬的，所以计算系统与评估系统联系不紧密。 1 3 3 解决思路 ( 1 ) 对基fd e m 洪水淹没的计算可以分为有源与无源两种情况。对f 有 源淹没，使用正方形格网模型，通过与h 值的比较，判断其可能的三个方向， 通过连通性分析实现淹没的真正范围。 ( 2 ) 格网分析的思想很早就已经提出，并且在各个领域得到广泛的应用， 我们可以使用d e m 数据，综合计算与评估尺度取合适的格网，既实现与洪水 淹没评估模型的结合，又可以较快、较准地计算洪水淹没的范围。 ( 3 ) 可以利用淹没计算的正方形格网模型，根据地形、地貌通过加密或者 离敬d e m 数据的方法得到洪水淹没评估模型中的计算格网，或直接使用此 d e m 数据格网作为模型中的计算格网，利用成熟的评估模型进行洪水淹没的评 估，实现两者优势的结合。 6 中南入学硕十论文第一章绪论 1 4 湖南永州冷水滩区洪水淹没计算与评估系统概述 湖南永州市冷水滩区地处湖南省西南部，湘江上游，毗邻两广，素有“湘西 南门户”和“潇湘第一城”之称，现是永州市委市政府所在地。全区总面积1 2 2 2 平方公咀，总人口4 6 万，城市人口1 5 厅，区域内有耕地面积2 4 4 f 公顷，是全固 商品粮生产基地，全省优质稻基地，受地理位置与气候环境等多种因素的综合影 响，自然灾害频繁发生，其中洪水灾害的影响尤为巨大，在防汛抗洪方面虽然也 建立了一些相对独立的系统，但足存在预防手段原始，计算分析不力等特点，从 而造成决策处理只从经验出发，难以形成有效的计算、评估处理与决策的综合体 系。受冷水滩区水利委员会委托，永州勘测设计院进行洪水淹没计算与评估系统 的设计与开发。系统开发仞期实现对于洪水淹没计算与评估的模拟，后期实现目 标为结合洪水动力演进模型动态加载各类水文、气象数据的计算与评估。 本系统就是应用正方形格网分析的方法，实现连通性分析，并利用正方形格 网模型将洪水淹没计算与损失评估紧密联系到一起。 1 5 本文研究的主要内容 本文的主要内容足研究洪水淹没计算的实现与洪水淹没损失的评估，全文共 分为六章，其具体内容如下： ( 1 ) 第一章介绍了g i s 在防汛信息系统中应用及其分类，引入洪水淹没计算 与评估系统概念，并指出系统发展的问题与不足，并且提出了解决思路，对于冷 水潍区防汛信息系统作了概要的介绍。 ( 2 ) 第二章深入研究并总结了基于二d e m 洪水淹没计算的理论与方法，将洪水 淹没计算分为有源与无源进行考虑，用正方形格网分析法实现了淹没计算中的连 通性的分析与淹没指标的计算，并给出了具体算法流程图。 ( 3 ) 第三章对f 淹没评估实现过程给予分析，并利用第二章提出的正方形 格网分析方法结合现有的成熟评估方法构建了系统的评估模型，对于评估尺度与 评估中的叠置分析结合具体系统进行了深入研究，并提出解决的思路与方法。 ( 4 ) 第四章对丁二冷水滩区系统的数据组织，从数据内容、数据组成、数据 采集与管理、数据库结构等方面进行了研究。 ( 5 ) 第五章对于系统依据g i s 软件工程原理进行了总体设计，并介绍了系统 实现的方法与技术。 ( 6 ) 结合系统开发总结了心得与体会，提出了尚待进一步讨论的问题。 7 中南大学硕 论文 第二章基于d 叫的洪水淹没计算 第二章基于d e m 的洪水淹没计算 洪水淹没的计算足洪水淹没计算与评估系统中研究的一个重点。洪水淹没 范围与水深分白计算的准确性将直接影响到洪水淹没损失评估的准确性。淹没 计算采用的方法也直接影响到它弓评估系统的衔接。 2 1 洪水淹没计算基本概念与内容 2 1 1 基本概念 洪水淹没是指由于降雨、上游柬水、洪堤溃决等情况造成的洪水聚集与流 动的受气象、风向、地形地貌、泥土塌方、人工建筑等多种因素影响的复杂的 过程【5 1 。 洪水淹没区指的是洪水淹没水位达到乎衡状念形成的淹没区域。 洪水淹没的水位指的是洪水现状的水位或者柬自与水力动力模型计算或 者其它方法测算的结果。应该指出的是洪水淹没给定水位足使用的水平面的概 念，而实翰：情况中应该考虑到水面形状的变化问题，但由于“水平面”近似方 法使用、简捷，又可以较好地与现状数据的叠加分析，求耿灾害评估数据，在 实际工作中有较大的实际意义【5 7 f6 2 l ，本文研究的情况足以水平面方法进行研究 的。 2 1 2 计算内容 洪水淹没的计算的内容 要包括洪水淹没的面积、容积，洪水淹没的水深 分布。 洪水淹没的面积指的足洪水当洪水淹没洼地被水填满后的水面的面积，并 不是指的我们平时所说的地形表向的咏积p l 。 洪水淹没的容积指的是洪水淹没达到平衡状态后淹没区洪水的体积。 洪水淹没水深的计算如图2 1 所示，水深由淹没区水面高程与地面高程共 同决定i l ”，见下公式： d 2 e w e g ( e w 目 其中d 为水深；e w 为水面高程；e g 为地面商程。 8 中南人学硕十论文 第：章茸fd 酬的洪水淹没计算 图2 一l 近似为水平平面的水深计算方法 2 2 有源淹没与无源淹没 许多计算软件中对于洪水淹没计算简单考虑高程平铺问题，在实际中洪水 淹没是一个相当复杂的概念，按照洪水淹没的成因，我们大致可以归纳为两种 情况，有源淹没与无源淹没。 所谓无源淹没是指只考虑降水而造成的水位抬升，不考虑地衷流水的汇入 的淹没情况，淹没中凡是高程低于一定水位的点都计入淹没区，算作被淹没的 点，这相当于因大面积均匀降水所有低洼都积水成灾的情况。在地势较平坦的 地区具有实际意义，许多软件中高程平铺思路就足解决了无源淹没的计算问题。 如图2 2 所示，假设区域降水量为d 毫米，洼地摄阿口的面积为s 平方米， 洼地当前水位表面积为s 平方米，则洼地水位上涨的高度h 可以近视表示为 _ 掣( m ) s 图2 2 洼地巢一纵切面近似图 由上式可以看出，当洼地上下底面相差不大时，水面上涨高度h 只与降 水量d 相关。因此，如果粗略的计算来看，在区域大面积降水的无源淹没的情 况下，每个洼地的水面的上涨的幅度基本上是一致的，也就是整个区域沣地水 面均匀抬高。 有源淹没则指的足在无源淹没的情况下，考虑到地表流水的汇入( 上游来 - 9 中南大学硕 论文 第二章基fd 嘣的洪水淹没计算 水、沣地溢水等) 而形成的淹没，即洪水只淹没到它可以流到的地方。例如， 对于环行山( 一种中日j 足低洼、四周环行隆起的地形) ，外来的洪水如未及山顶， 只能在山环外形成淹没。它涉及到水流方向、地表径流、洼地连通等情况1 5 j 。 这种淹没在我图江南多山地、丘陵的地区多存发生。在实际情况中更为曾遍， 也足本文研究的苣点，后面所提到的淹没都足指有源淹没。 有源淹没中常用到溢口的概念，它指的足沣地所属边缘点的最小的高程点。 2 3d e m 基础理论 2 3 1d e m 概念 最早提出的是数字地形模型( d 1 m ，d i g i t a lt e n a i n m o d e l ) 它足为了高速 公路的自动设计提出柬的( m i l l e r ，1 9 5 6 ) 。数字地形模璎足地形表面形态属性 信息的数字表达，是带有空日j 位置特征和地形属性特征的数字描述。数字地形 模型中地形属性为高程时，称为数字高程模碰( d 磷t a le l “a t i o nm o d e l ，简称 d e m ) 。高程足地理空h 】中的第三维啦杯。由于传统的地理信息系统的数据结 构都是二维的，数字高程模型的建奇= 是一个必要的补充。d e m 通常用地表规则 刚格单元构成的商程矩阵表示，广义的d e m 还包括等高线、三角网等所有衷 达地面高程的数字表示。在地理信息系统中，d e m 是建立d t m 的基础数据， 其它的地形要素町以由d e m 直接或间接导出，称为“派生数据”，如坡度、坡 向1 4 4 4 5 1 。 2 3 2d e m 表示方法 一个地区的地表高程的变化可以采用多种方法衷达，用数学定义的表面或 点、线、影像都可用来表示d e m ，如图2 3 所示。 ( 1 ) 数学方法 用数学方法来表达，可以采用整体拟合方法，即根据区域所有的高程点数 据，用傅盘叶级数和高次多项式拟合统一的地面高程曲面。也可用局部拟合方 法，将地衷复杂表面分成正方形规则区域或卣积大致相等的不规则区域进行分 块搜索，根据有限个点进行拟合形成高程曲面。 ( 2 ) 图形疗法 a 线模式 等高线是表示地形最常见的形式。其它的地形特征线也是表达地面高程的 重要信息源，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度变换线等。 b 点模式 1 0 - 中南人学硕十论文 第一二章摹fd n i 的洪水淹没计算 用离散采样数据点建立d e m 是d e m 建立常用的方法之一。数据采样可以 按规则格网采样，可以足密度一致的或不一致的；可以足不规则采样，如不规 则三角网，邻近网模型等；也可以有选择性地采样，采集山峰、洼坑、隘口、 边界等莺要特征点。 2 3 3d e m 的主要表示模型 图2 3d e m 表示方法 在地理信息系统中，d e m 最主要的三种表示模型是：规则格网模型，等高 线模型和不规则三角网模型。 ( 1 ) 规则网格模型 规则网格，通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格 将区域空f b j 切分为规则的格网单元，每个格网雏元对应一个数值。数学上可以 表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的 一个元素，对应一个高程值，如图2 4 所示。 他 衢 8 t“s 1 秘8耵 乾 6 37 8 f 2 扮 7 86 8舯 6 9 巧l o o 州6 2 勰7 3 6 2 铬7 l46 34 5 图2 4 规则网格示惠图 - i l 一 萎篡碟最磷鹾 电次则规 h 规 犁 平直事 l t j l t j r+l乇 移 局 点 线 ( 一一 法 一 。l 中南大学硕十论文第：掌基d 硎的洪水淹没计算 对于每个格网的数值有两种不同的解释。第一种是格网栅格观点，认为该格 网单元的数值足其中所有点的高程值，即格网单元对应的地面面积内高程是均一 的高度，这种数字高程模型是一个不连续的函数。第二种是点栅格观点，认为该 网格单元的数值是嘲格中心点的高程或该网格单元的乎均高程值，这样就需要用 一种插值方法柬计算每个点的岛程。计算任何不足叫格中心的数抛点的岛程值， 使用周围4 个中心点的高程值，采用距离加权平均方法进行计算，当然也可使用 样条函数和克里金插值方法。 规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理，特别足栅格数据 结构的地理信息系统。它还呵以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和 自动提取流域地形，使得它成为d e 最广泛使用的格式，目前许多国家提供的 d 酬数据部是以规则格嘲的数据矩阵形式提供的，本系统的研究中就足使用的 正方形格网模型。格嘲d 酬的缺点是不能 常准确表示地形的结构和细部，为 避免这哆问题，可采用附加地形特征数据，如地形特征点、山脊线、谷底线、 断裂线，以描述地形结构。 格网d e m 的另一个缺点是数据肇过大，给数据管理带来了不方便，通常要进 行压缩存储。d e m 数掘的无损压缩了以采用普通的栅格数据压缩方式，如游程编 码、块码等，但足由f d 嘣数据反映了地形的连续起伏变化，通常比较“破碎”， 普通压缩方式雉以达到很好的效果；因此对f 网格d e 数据，可以采用哈夫曼编 码进行无损压缩；有时，在牺牲细节信息的前提下，可以对网格d e 进行有损压 缩，通常的有损压缩大都足基于离散余弦变换或小波变换的，由于小波变换具有 较好的保持细节的特性，近年柬将小波变换应用于d 州数据处理的研究较多。 ( 2 ) 等岛线模型 等高线模型表示商程，高程值的集合足已知的，每一条等高线对应一个已知 的商程值，这样一系列等高线集合和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模 型。如图2 5 所示。 图2 5 等高线模型图 1 2 中南入学硕十论文第二章葚fd 跚的洪水淹没计算 ( 3 ) 不规则三角网模型( t i n ) 尽管规则格网d e m 在计算和应用方面有许多的优点，但也存在许多难以 克服的缺陷： a 在地形平坦的地方。存在大量的数据冗余； b 在不改变格网大小的情况f ，难以表达复杂地形的突变现象； c 在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴方向。 不规则三角网( t r i a l l g i l l a t e di r r g u l a r n e t 、v o r k ，t i n ) 是另外一种表示数字 高程模型的方法【p e u k e r 等，1 9 7 8 】，它既减少舰则格网方法带来的数据冗余， 同时在计算( 如坡度) 效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。 t i n 模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任 意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程值 通常通过线性插值的方法得到( 在边上用边的两个顶点的高程，在三角形内则 用三个顶点的高程) 。所以t i n 是一个三维空日j 的分段线性模型，在整个区域 内连续但不可微【4 9 l 。 t i n 的数据存储方式比格网d e m 复杂，它不仅要存储每个点的高程，还 要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系，三角形及邻接三角形等关系。t i n 模型在概念上类似于多边形网络的矢量拓扑结构，只是t i n 模型不需要定义 “岛”和“洞”的拓扑关系。 2 3 4d e m 模型之间的相互转换 在实际应用中，d e m 模型之间呵以相互转换。本文针对本系统实际中的应 用霞点叙述了等高线与格网d e m 之日j 的转换。 ( 1 ) 等高线转换成格网d e m 表示地形的最常见的线模式是一系列描述高程曲线的等高线。由于现有地 图大多数都绘育等高线，这些地图便是数字高程模型的现成数据源，可以将纸 面等高线图扫描后，自动获取d e m 数据1 3 5 l 。由于数字化的等高线不适合于计 算坡度或制作地貌渲染图等地形分析，因此，必须要把数字化等高线转为格网 商程矩阵。 使用局部插值算法，如距离倒数加权平均或克咀合插值算法，可以将数字 化等高线数据转为规则格网的d e m 数据，但插值的结果往往会出现一些许多 不令人满意的结果，而且数字化等高线时越小心，采样点越多，问题越严重【1 钾。 问题不在于计算插值权重系数的理论假设，也不在于平滑等高线是真实地形的 反映的假设，而在于估计未知格网点的高程要在一个半径范围内搜索落在其中 的己知点数据，再计算它的加权平均值。如果搜索到的点都具有相同的高程， - 1 3 中南大学硕十论史 第二亭基1 二d 酬的洪水淹没计算 - 那待插值点的高程也同为此赢程值。结果导致在每条等高线周围的狭长区域内 具有与等高线相同的高程，出现了“阶梯”地形。当低海拔平原地区等高线距 离更远时，搜索到一条等高线上的数据的呵能性就越大，问题更严重。以带“阶 梯”地形的d e m 为基础，计算坡度往往会出现不自然的条斑状分布模式。 最好的解决方法是使用针对等高线插值的争用方法。如果没f j 合适的方法， 最好把等高线数据点减少到最少，增加标识l ij 峰、山脊、谷底和坡度突变的数 掘点，同时使用一个较大的搜索窗u 【4 “，如图2 6 所示。 图2 6 等高线插值图 ( 2 ) 格网d e m 提取等高线 在利用格网d e m 生成等高线时，需要将其中的每个点视为一个几何点， 丽不是一个矩形区域，这样可以根据格嘲d e m 中相邻四个点组成四边形进行 等高线跟踪。其方法炎似于利用t i n 提取等高线梆j 。 2 4 基于d e m 的洪水淹没的计算 2 4 1 连通性分析与实现 ( 1 ) 连通性仞步分析 洪水淹没计算当中连通性分析足洪水淹没计算的关键，洪水淹没的连通性 判断出来了，洪水淹没的范围也就划定，洪水淹没的计算就很容易实现。在湖 南冷水潍区洪水淹没计算与评估系统中我们选择正方形格网模型d e m 数据进 行分析，当选定一溢口所在网格一边进入网格后，按照低fh 标准寻找其水流 方向( 分析中，从一边进入后与周围格网岛程比较判断后有可能三个方向的流 向) 。其连通性分析示意图如图2 7 。 1 4 苎。+ 爿_ ；：，、 一 中南夫学硕十论艾篇二章摹于d 跚的洪水淹没计箅 i ， i + ： 一一一+ - l： ： ： 一- 一一+ 一 i _ + - 一一 i + ， + - 一- 表示可能流经的方向表示遇到已提取的网格无需判断流向 表示与h 比较后流经的实际方向表示惫度网格的标记 图2 7 洪水淹没连通性分析示意图 ( 2 ) d e m 数据存放格式 不同标准d e m 使用不同的储存格式【5 0 】，系统使用此格式为中国标准交换 格式d e m 数据【1 钔，它是可以用文本编辑器打开的。打开一个g r d 文件，格式 如下： a d a 诅m a r k ：c n s d t f d e m bu n i t ：m c x o ：5 5 6 0 6 0 o o 0 0 0 0 d y o ：2 9 2 7 8 1 5 o 0 0 0 0 0 e d x ：5 0 0 0 0 0 0 f dy 5 0 0 0 0 0 0 g r o w ：3 3 h c o l ：1 8 i m i n v l 0 0 0 0 j m a xv 1 3 6 6 9 9 - 1 5 一 中南犬学硕士- 论文 第：章摹丁d 酬的洪水淹没计算 k 5 8 9 2 74 9 8 5 44 6 2 7 75 1 0 7 85 0 8 3 94 1 8 0 03 2 9 1 58 o o o o5 0 5 3 93 2 6 7 l2 0 0 0 0 2 8 1 1 83 5 0 0 0 1 o o o o1 o o o o1 5 3 8 24 6 8 9 76 o o o o5 3 8 9 65 6 2 7 62 0 0 0 03 1 3 7 8 5 3 0 3 3 51 0 0 0 01 o o o o3 2 8 6 61 0 0 0 03 4 6 4 83 9 0 3 l3 8 1 1 03 4 4 9 53 4 7 1 23 7 每行前面的母足为了说明使用的，并不是文件的数据。其中a 行为数据 表头，b 行为单位，c 、d 行为x 0 y o 也标，e 、f 行为方向x 、y 方向网格长 度，g 、h 行为格网行、列数，i 、j 行为岛程最小、最大值，从k 行以后就足基 于以上定义的具体高程数据【5 “。 知道其数据存放格式，我们就可以编制程序，将其顺次读取到我们预先定 义的数组中，并它生成我们进行分析的格网。其读取程序程序如下； 0 p e nn i e c o n t o u p a mf o rb i i m r ya c c e s sr e a dl o c kr e a d a s 样l g e t # l ，l ，c n s d t f d e m c l o s e ( 1 ) o p e nt h e c o n t o u p a t hf o ri n p m a s 拌l l i n ei n p m 群l ，t e m p i n p m 拌l ，n x ，n y i n p u t 撑1 ，x m i mx m a x h l p m 样1 ，y m i i l y m a x i i l p u t 撑l ，v m i r i v m a ，【 f o r i x = l t b n x i l l p m # l ，v a l u e t e m p n e x t i x l i n ei n p u t 样l ，t e m p c l o s e ( 1 ) i f ( l e n ( t r i m ( t e m p ) ) 1 ) 皿e n b s p a c e = 1 m e e l s e b s p e = f a l s e e n d i f c l o s e ( 1 ) ( 3 ) 连通性算法实现 1 6 - 中南大学硕十论文第：章基于d 硎的洪水淹没计芹 连通性分析算法用通俗方式表达为，一人沿指定一边进入网格( 当然足低 于h 值的网格) ，然后与周围格网高程值比较，按照低于h 的标准判断其可能的 方向，并且对于可能方向数量进行累加，并将其判断过的网格进行标注，然后 取其中一个方向继续前行( 方向数量减一) ，循环判断。但是在后来的判断过程 中，可能遇到方向指示已经标注过的格刚，这样为了不重复扔i 注，对于此方向 不进行计数。每次累加方向后判断方向数最是否为零，不为零继续判断，直到 方向数量为零的时候，连通范围也就判断出。 永州冷水滩区洪水淹没计算与评估系统中，采用v b 编程实现，其整体算 法流程图如下图2 9 ，其中过程一( 图2 8 ) 判断开始进入后与周围的连通关系， 过程二( 图2 1 0 ) 判断周围网格是否做过标记，过程三( 图2 1 1 ) 在判断周围格 网是否做过标记后继续以h 为标准进行判断。 图2 8 过程l 算法流程图 1 7 一 中南大学硕卜论文 第：章荩fd 酬的洪水淹没计