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深圳市宏電技術(shù)股份有限公司
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閱讀：313發(fā)布時間：2020-7-10
洪水是一種常見的自然災(zāi)害，對人類的生存和發(fā)展有著巨大的負(fù)面作用，因而防洪工作一直是重中之重。防洪的技術(shù)手段有很多，例如修建水庫、堤壩、分洪、蓄滯洪區(qū)規(guī)劃、河道整治等等，同時，人們對洪水的預(yù)防也非常重視，已形成了一套以洪水災(zāi)害預(yù)報、監(jiān)測與預(yù)警、災(zāi)害應(yīng)急救助、減災(zāi)知識宣傳與教育等為主要手段的完整預(yù)防體系。然而，我國幅員遼闊，各區(qū)域地理環(huán)境和氣候條件各不相同，這給我國的防洪工作帶來了很大的困難。因此，如何充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，建立一套完善的城市防洪系統(tǒng)，對于保持我國的經(jīng)濟平衡發(fā)展具有極其重要的作用。
1 GIS概述
地理信息系統(tǒng)（Geographical Information Systerm，GIS）借助現(xiàn)代計算機技術(shù)和信息技術(shù)對空間數(shù)據(jù)進行采集、存儲、分析和應(yīng)用的信息系統(tǒng)，它的實現(xiàn)涉及了計算機、網(wǎng)絡(luò)通信、三維建模、環(huán)境科學(xué)、地球科學(xué)等多門學(xué)科的專業(yè)技術(shù)，是一個復(fù)雜的綜合性應(yīng)用系統(tǒng)[1]。在地理信息系統(tǒng)的支持下，人們可以對區(qū)域地理數(shù)據(jù)進行空間分析、預(yù)測預(yù)報和輔助決策，解決了人類面臨的許多難題。GIS 技術(shù)自上世紀(jì)六十年代誕生以來，已經(jīng)過了半個多世紀(jì)的發(fā)展，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、性能等方面均有很大的提升，并逐步在社會各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。特別是在決策、國土管理、城市規(guī)劃、環(huán)境評估、軍事觀察等領(lǐng)域，更是發(fā)揮了不可替代的作用。目前，GIS系統(tǒng)正朝著大型化、復(fù)雜化、綜合化、智能化等方向發(fā)展。
2 GIS在防洪減災(zāi)方面的研究進展
隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，它已在我國現(xiàn)代化建設(shè)的各個領(lǐng)域中擔(dān)任著重要角色，其中突出的是防洪減災(zāi)、水資源利用管理、水環(huán)境和水土保持、水利水電工程建設(shè)管理等領(lǐng)域，尤其是防洪減災(zāi)領(lǐng)域，GIS更是*的關(guān)鍵技術(shù)支撐[2]。目前我國已初步引入了防汛決策支持系統(tǒng)、災(zāi)情評估系統(tǒng)、災(zāi)害風(fēng)險分析系統(tǒng)、城市防洪系統(tǒng)等基于GIS技術(shù)的大型應(yīng)用系統(tǒng)，并在防洪減災(zāi)工作中發(fā)揮著重要作用。
盡管GIS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于防洪防洪減災(zāi)工作中，但其應(yīng)用仍然有著很多不足，需要在今后的實踐中不斷完善和發(fā)展。首先，我國的防洪減災(zāi)系統(tǒng)多以小區(qū)域的防洪工作為主，在大型流域范圍內(nèi)的防洪工作仍未實現(xiàn)體系化，應(yīng)用經(jīng)驗十分有限；其次，當(dāng)前的GIS系統(tǒng)對硬件要求很高，需要投入很大成本才能保持系統(tǒng)的運營，大大提高了防洪成本，這給國家財政帶來了很大的挑戰(zhàn)；目前較多使用的是國外發(fā)達國家研發(fā)的GIS系統(tǒng)，而國產(chǎn)的GIS系統(tǒng)雖然也實現(xiàn)了初步應(yīng)用，但其性能和可靠性與國外的成熟產(chǎn)品還有很大的差距。因此，我國要真正實現(xiàn)防洪減災(zāi)的全面信息化還有很長的路要走。
3 Arc GIS在城市防洪系統(tǒng)中的應(yīng)用
3.1 Arc GIS概述
Arc GIS是由美國研發(fā)的一款地理信息系統(tǒng)軟件，具有二次開發(fā)方便、空間分析能力強大、數(shù)據(jù)格式簡潔等特點，在三維可視化應(yīng)用和大型系統(tǒng)建模等方面有著很強的優(yōu)勢。Arc GIS 系統(tǒng)具有Arc Globe和Arc Scene兩個功能強大的三維場景展示平臺，可以借助計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)把三維空間的復(fù)雜對象以適合于人眼進行觀察的圖像顯示在屏幕上，同時允許操作者與之進行交互。其中前者對矢量、柵格數(shù)據(jù)的處理比較方便，適用于數(shù)據(jù)量大的復(fù)雜空間展示，效果生動逼真，應(yīng)用較為廣泛[3]。在實際的應(yīng)用場合中，Arc GIS系統(tǒng)通常與三維數(shù)字建模技術(shù)、紋理映射技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、衛(wèi)星遙感技術(shù)等*技術(shù)配合使用，以滿足更復(fù)雜的應(yīng)用需求[4]。
3.2 區(qū)域數(shù)據(jù)采集
地形數(shù)據(jù)是城市防洪系統(tǒng)的重要原始數(shù)據(jù)，考慮到城市地形不可能是*平整的，因此地形的三維可視化建模非常關(guān)鍵，一般采用數(shù)字高程模型（DEM）對地形進行建模[5]。為了節(jié)省實地測量的時間和精力，本系統(tǒng)參考了科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫中的DEM 數(shù)據(jù)，其空間分辨率可達90 米，數(shù)據(jù)投影采用 UTM/WGS84 坐標(biāo)系。在網(wǎng)站中輸入某市的經(jīng)緯度坐標(biāo)即可得到大致的地形數(shù)據(jù)，再通過在Arc GIS 系統(tǒng)的Spational Analyst tools 對原始地形數(shù)據(jù)進行范圍裁剪，獲得了研究區(qū)域的DEM 數(shù)據(jù)。
實體數(shù)據(jù)是三維數(shù)字建模中的必要信息，在三維建模前必須獲得區(qū)域?qū)嶓w的幾何、紋理、高度等數(shù)據(jù)?？紤]到城市建筑等實體的數(shù)據(jù)獲取難度太大，所以本文采用相應(yīng)區(qū)域的地形紋理數(shù)據(jù)對其進行近似，紋理數(shù)據(jù)來源于Goolge Earth。
3.3 三維地形建模
為了對某市防洪系統(tǒng)進行模擬，對該市進行三維地形建模是必要前提。從當(dāng)前的技術(shù)來看，三維地形建模可以通過三類方法實現(xiàn)，分別是三維建模軟件（如3DMAX）、二維數(shù)據(jù)與高程信息疊加、以及數(shù)字?jǐn)z影測量。其中一類視覺效果好，但地理屬性不易表達；第二類對于細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)有所欠缺，因而只適用于小區(qū)域建模；第三類可確定真實性與精度，但投資過高。綜合考慮精度與成本因素，本文采用了二維數(shù)據(jù)與DEM疊加，再結(jié)合遙感圖像實現(xiàn)三維地形的建模。如圖1所示。
圖1 DEM模型
3.4 洪水演進模擬
根據(jù)氣象部門和*門的多年歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)得知，某市從1933-2005 年間現(xiàn)過6次不同程度的洪水淹沒情況，其中2003年洪峰流量超過5000m3/s，是典型的十年一遇洪水災(zāi)害。本文將對該次洪水的淹沒過程進行三維模擬，以研究其洪水特性和演化過程。
洪水演進模擬是一個復(fù)雜的數(shù)學(xué)迭代過程，因此對原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量有較嚴(yán)格的要求。一般要求二維的地形數(shù)據(jù)滿足完整性、一致性、準(zhǔn)確性等要求，對于三維空間數(shù)據(jù)，還應(yīng)保證其空間關(guān)系和多源數(shù)據(jù)的一致性。為了保證地形模型的真實性，本文對于復(fù)雜的局部地形采用了調(diào)整實體下腳點、同時細(xì)化 DEM網(wǎng)格的方法對模型進行了修正，使洪水演進的模擬更加符合實際。
據(jù)歷史數(shù)據(jù)顯示，該次洪水持續(xù)了50天，共經(jīng)歷了6次演化，是近幾年來比較罕見的慢演進速度洪水災(zāi)害。為了更直觀生動地展示該次洪水的演化過程，本文采用了Arc Scene平臺的動畫功能對洪水的演化行為進行模擬，通過對相應(yīng)屬性的動畫軌跡進行控制，即可實現(xiàn)三維模型中某些實體對象的屬性變化。本文對洪水水位線分別為368米、372米、378米和382米時的淹沒范圍進行了模擬，如圖2所示。
圖2 洪水水位線為（a）368、（b）372、（c）378、（d）382米時的淹沒范圍
根據(jù)地形數(shù)據(jù)得知，該區(qū)域的總體地勢情況是西北高、東南低，因此積水現(xiàn)象是在東南方向開始出現(xiàn)的，隨著洪水水位的升高，逐步向西北方向淹沒，這與模擬的結(jié)果是一致的。當(dāng)洪水水位上升到372米時，區(qū)域東部表現(xiàn)為嚴(yán)重的洪水淹沒，但西部由于地勢較高受到影響還不算嚴(yán)重，此時可組織救援力量進行人員和物資的搶救、轉(zhuǎn)移，以減小人員傷亡和經(jīng)濟損失；當(dāng)洪水水位上升到382某個區(qū)域基本被洪水吞噬，此時開展救災(zāi)活動將非常困難，必然會造成不可挽回的損失。
根據(jù)上述模擬結(jié)果，在Arc GIS系統(tǒng)還可以進一步研究洪水的演進路線和洪水總量計算等問題，為城市防洪減災(zāi)工作提供全面的決策支持和實踐指導(dǎo)。
4 結(jié)語
本文對GIS技術(shù)在我國城市防洪系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了深入的研究，并根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用Arc GIS系統(tǒng)實現(xiàn)了對某城市區(qū)域的洪水演化過程進行了模擬，為防洪減災(zāi)工作提供了有價值的思路。雖然GIS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于防洪防洪減災(zāi)工作中，但其應(yīng)用仍然有著很多不足，特別是國產(chǎn)的GIS系統(tǒng)在性能和可靠性方面與國外成熟產(chǎn)品的差距。因此，我國要真正實現(xiàn)防洪減災(zāi)的全面信息化還有很長的路要走。隨著城市化進程的不斷推進，我國GIS技術(shù)將得到更快的發(fā)展，也將在城市防洪體系中發(fā)揮著更加重要的作用，為我國經(jīng)濟發(fā)展保駕護航。
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