基于GIS的洪水淹没范围计算

基于GIS的洪水淹没范围计算 甘郝新,邓抒豪,郑 斌 (珠江水利委员会信息中心,广东 广州 510611) 摘 要:以数字高程模型为基础,结合不同的概化模型设计合理算法,计算洪水淹没范围,并通过预生成洪水淹没 范围线(图 ) , 进一步提高成果的利用效率。所有算法均基于ArcGIS Engine进行编码实验。 关键词:数字高程模型;洪水淹没范围;概化模型;算法;编程;ArcGIS Engine 中图分类号: TP2 文献标识码:B 文章编号: 100129235(2007) 0620098203 收稿日期: 2007206221;修回日期: 2007207216 作者简介:甘郝新,男,湖北宜昌人,主要从事水利信息化系统设计、 研发工作。 在防洪减灾工作中,利用基础地理信息进行非工程措施 防洪减灾一直是一个研究热点。本文借鉴已有研究成果,以 数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)为基础,结合二 维GIS技术中矢量栅格一体化的空间分析功能,设计科学、 合理的算法,进行洪水淹没范围的计算、 模拟、 预测。 对于流域内某一特定的防洪区域而言,洪水淹没可能有 2种形式,一是漫堤式淹没,即堤防并没有溃决,而是由于河 流中洪水水位过高,超过堤防的高程,洪水漫过堤顶进入淹 没区;二是溃口式淹没,即堤防溃决或者开闸泄洪,洪水从堤 防决口处或泄洪口流入淹没区 1。 1 洪水淹没范围算法分析 洪水淹没是一个动态而至平衡的过程。对于洪水造成 的最终淹没范围,可以采用2种不同的概化模型进行计算: 其一是基于水位的洪水淹没范围计算。也就是给定某 一洪水水位H,由此推算出洪水的淹没范围和水深分布。其 二是基于水量的洪水淹没范围计算,即在给定某一洪水水量 Q的条件下,计算相应的洪水淹没范围和水深分布。 在应对非调度洪水灾情分析时,往往需要利用获取的淹 没区洪水水位或水量,实时解算洪水的淹没范围。而对于调 度洪水,可以事先根据分洪口位置和分洪区(蓄滞洪区)地形 特征,计算出特定分洪区的洪水淹没范围线(图)。一旦洪水 发生或预期发生,则可以直接调用相应的洪水淹没范围线 (图)进行查询,必要时进行内插,得到相应水位或分洪量对 应的淹没范围,从而进一步提高防洪减灾效率。 无论基于洪水水位还是水量进行淹没范围计算,都是以 数字高程模型(DEM)数据为基础的。数字高程模型是用一 组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。 在地理信息系统中,DEM最主要的3种表示模型是:规则矩 形格网(Grid )模型、 不规则三角网(TI N)模型和等高线模 型。由于Grid结构的数字高程模型相对简单,以及Grid格 网本身对模型概化的优越性,在下文设计具体算法时,选择 采用Grid模型。同时,为顾及堤坝的影响 3 ,需要对DEM数 据预先进行修正,将堤坝信息加入DEM中。 1. 1 给定洪水水位(H)条件下的淹没范围计算 a)淹没区的判决条件。对大江河洪水的淹没分析,因为 不考虑洪水行进过程中局部洼地的蓄水影响,及将淹没区水 面近似地看作是1个水平面,所以给定洪水水位H,Grid格 网单元落在淹没范围内的条件可以概括为:格网单元高程 值E小于给定洪水水位H;格网单元彼此连通,并且与洪水 入口之间存在通路。 b)利用扫描线种子填充算法解算淹没范围.扫描线种子 填充算法的基本思想是:首先“ 填充 ”(即赋予某个特定的属 性)起始种子点所在扫描线上的位于给定区域内的一个“ 区 段 ”(即一条扫描线上相连着的若干满足给定条件的内部单 元。这里所谓条件是: EH, E为单元点高程, H为单元点对 应水位 ) , 然后确定与这一区段相邻的上下两条扫描线上位 于该区段内是否存在需要“ 填充 ” 的新区段,如果存在,则依 次把它们保存起来。重复这个过程,直到所保存的各区段都 “ 填充 ” 完毕 4。基本流程如图 1所示。 c)洪水水位(H)的确定。淹没区洪水水位主要来源于 实测数据,包括汛期中一些特定位置点的观测记录,以及对 大洪水时的航测照片、 历史洪水痕迹和有关文献记载等进行 分析处理而来的数据,还可能是经由水文水力学模型推算得 到的数值(尤其当洪水水位高于堤防高程发生漫溢时 ) , 甚至 可以由用户基于试验目的任意给定。 1.2 给定洪水水量(Q)条件下的淹没范围计算 1.2.1 利用“ 体积法 ” 解算淹没范围 对给定洪水水量(Q )条件下的淹没分析,可考虑采用 “ 体积法 ” 解算 5。其基本思想是 :利用经漫堤、 溃口或泄洪 而流进淹没区的洪水水量与淹没范围内总的水体体积相等 的原理,解求洪水的淹没范围。 算法设计上,可以上述的给定洪水水位(H)条件下的淹 没分析算法作为基础,在不断给定H的条件下(即试值迭 代 ) , 求出对应淹没区洪水容积V,及其与水量Q的差,并借 89 人民珠江 PEARL R I VER2007年第6期 助二分法等逼近算法,求出满足某种阈值条件、 与Q最接近 的V。其时对应的淹没范围和水深分布即为所求。基本流 程见图2。 图1 给定洪水水位(H)条件下淹没范围计算流程 图2 给定洪水水量(Q)条件下淹没范围计算流程 “ 体积法 ” 的基本算式如下: F (H)=Q-V=Q- m i=1Ai (H -EI) 式中 Q 给定的洪水水量; V 洪水淹没区水体总体 积; H 待求的淹没区洪水水位; Ai 淹没区单 元面积; Ei 淹没区单元高程; m 连通淹没区 单元个数。 显然,一旦给定了水位H值, Ai、Ei、m均可借鉴给定洪 水水位(H)条件下的淹没分析方法,由扫描线种子填充算法 求解得到。 需要说明的是H1值的由来。为了提高算法的效率,正 式解算之前,可以预求一个比较合理的H1值,使F (H1)0, 从而将二分法的起算范围限定在区间 (H 0, H1)内,对提高算 法的效率有一定的帮助。H1的解算流程相对简单,只需设 定步长,从H0开始不断递增,解算F (H) ,至F (H)0。 1.1.2 洪水水量(Q)的确定 洪水水量(Q)原则上可以由用户任意指定,从而模拟任 何可能情况下的洪水淹没。对于更专业的应用而言,则可以 结合不同的应用场合,根据有关水文学参数、 模型和算法,推 求出相对准确的Q,再由此进行后续的淹没计算。例如在灾 中进行灾情分析时,可根据流量过程曲线和溃口的分流比计 算Q值。有条件的地方也可实测,或者根据上下游水文站点 的流量差,并考虑一定区间来水的补给误差计算得到。 1.3 预生成洪水淹没范围线(图) a)制作洪水淹没范围线(图)的基本流程。结合不同的 分洪预案和分洪区(蓄滞洪区)DEM数据,以淹没水位H为 自变因子,借助基于水位的淹没分析算法,在给定H取值范 围和步距的条件下,计算得到一系列的洪水淹没范围线(也 可采用面域的形式表达)。每条淹没范围线表征一个特定水 位条件下的洪水淹没范围,并将其时对应的淹没区洪水储量 一并记录。基本流程如图3所示。 图3 生成洪水淹没范围线(图)的基本流程 b)洪水淹没范围线(图)的使用。淹没范围线(图)在防 汛日常工作中制作完成,可以作为分洪预案的部分图件成 果,直接提供给用户;还可以在进行有关计算,尤其是调度洪 水灾情评估时,由其他业务系统直接调用,并按水位或洪量 查询,得到相应水位或洪水储量对应的洪水淹没范围。 2 实验 在上设计算法的基础上,笔者利用国家测绘局提供的 125万DEM和有关矢量数据,基于ESR I公司的组件式GIS 平台ArcGIS Engine进行了有关编码实验。部分实验结果参 见图4、5。 99 图4 水位H为70. 0 m时的淹没范围图 图5 洪量Q为641 000 m3/s时的淹没范围图 由于缺少堤坝高程信息,在实验过程中并没有对数字高 程模型进行必要的预修正处理,即没有用堤坝数据替代对应 位置DEM格网点高程,虽然从测试算法的角度而言能够基 本满足要求,但实验结果也因此会与实际情况有较大的偏 差。 在实验过程中,笔者发现,利用ArcGIS Engine的I Raw2 Pixels接口提供的CreatePixel Block方法获取IPixelBlock3接 口对象时,对于对象尺寸有一定的限制,如果尺寸过大,程序 将无法保证正常运行,因此,有必要针对大尺度栅格数据的 处理提供一套特殊的分块读写机制。 具体来说,就是先根据 给定的临界值(程序中设为5 000) ,判断DEM数据的尺寸是 否超标。如果是,则以起算种子点为中心,获取许可范围内 尺度最大的IPixelBlock3接口对象,带入计算过程。接下来, 在扫描线种子填充过程中,一旦计算范围超出,则从IRaw2 Pixels接口对象中读入一个新的IPixelBlock3接口对象,并相 应地分配索引。下次需要访问已创建的IPixelBlock3接口对 象时,则可以根据索引直接调入。 3 结语 以数字高程模型为基础,以扫描线种子填充算法为基本 算法,结合不同的概化模型,计算洪水淹没范围,是科学合理 和行之有效的。通过预生成洪水淹没范围线(图 ) , 能进一步 提高成果的利用效率。 在GIS的支持下,利用洪水淹没计算得到的淹没范围、 淹没水深,与各种专题图层(包括行政区划、 土地利用、 居民 点分布、 人口分布、 重要地物分布、 防洪工程分布、 交通线路 等)进行拓扑叠加和空间分析(空间查询、 网络分析等 ) , 即 可生成有关专题淹没图件,包括重要设施淹没图、 抢险迁安 路线图等。如进一步关联背景数据库中的社会经济信息,并 结合相关数学模型,可统计由洪水淹没造成的灾害损失。 参考文献: 1丁志雄,李纪人,李琳.基于GIS格网模型的洪水淹没分析方法 J .水利学报, 2004, (6) : 56 - 60. 2刘仁义,刘南.基于GIS的复杂地形洪水淹没区计算方法 J . 地理学报, 2001, 56 (1) : 1 - 6. 3常燕卿,张福浩.采用矢栅一体化技术的洪水淹没模拟分析系统 J .遥感信息,1998, (4) : 80 - 83. 4何斌,马天予,王运坚,等. Visual C+ +数字图像处理M .北京: 人民邮电出版社, 2001. 444 - 447. 5刘小生,黄玉生.“ 体积法 ” 洪水淹没范围模拟计算J .测绘通 报, 2004, (12) : 47 - 49. 6刘仁义,刘南.基于GIS技术的淹没区确定方法及虚拟现实表达 J .浙江大学学报(理学版) , 2002, 29 (5) : 573 - 578. (责任编辑:王 艺) (上接第72页) 法应用于受压构件,同样取得了很好的效果。粘钢加固法不 仅适用于加固钢结构,而且适用于钢筋混凝土结构,是一种 适用面很广的先进加固方法,值得大力推广应用。 b)由于试验不够全面系统,粘钢加固目前还局限于主 要承受静力作用的构件。今后应多做一些粘钢