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深圳市宏電技術股份有限公司
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閱讀：330發布時間：2020-7-10
洪水是一種常見的自然災害，對人類的生存和發展有著巨大的負面作用，因而防洪工作一直是重中之重。防洪的技術手段有很多，例如修建水庫、堤壩、分洪、蓄滯洪區規劃、河道整治等等，同時，人們對洪水的預防也非常重視，已形成了一套以洪水災害預報、監測與預警、災害應急救助、減災知識宣傳與教育等為主要手段的完整預防體系。然而，我國幅員遼闊，各區域地理環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，如何充分利用現代信息技術，建立一套完善的城市防洪系統，對于保持我國的經濟平衡發展具有極其重要的作用。
1 GIS概述
地理信息系統（Geographical Information Systerm，GIS）借助現代計算機技術和信息技術對空間數據進行采集、存儲、分析和應用的信息系統，它的實現涉及了計算機、網絡通信、三維建模、環境科學、地球科學等多門學科的專業技術，是一個復雜的綜合性應用系統[1]。在地理信息系統的支持下，人們可以對區域地理數據進行空間分析、預測預報和輔助決策，解決了人類面臨的許多難題。GIS 技術自上世紀六十年代誕生以來，已經過了半個多世紀的發展，其系統結構、功能、性能等方面均有很大的提升，并逐步在社會各領域得到廣泛的應用。特別是在決策、國土管理、城市規劃、環境評估、軍事觀察等領域，更是發揮了不可替代的作用。目前，GIS系統正朝著大型化、復雜化、綜合化、智能化等方向發展。
2 GIS在防洪減災方面的研究進展
隨著GIS技術的不斷發展，它已在我國現代化建設的各個領域中擔任著重要角色，其中突出的是防洪減災、水資源利用管理、水環境和水土保持、水利水電工程建設管理等領域，尤其是防洪減災領域，GIS更是*的關鍵技術支撐[2]。目前我國已初步引入了防汛決策支持系統、災情評估系統、災害風險分析系統、城市防洪系統等基于GIS技術的大型應用系統，并在防洪減災工作中發揮著重要作用。
盡管GIS技術已經廣泛應用于防洪防洪減災工作中，但其應用仍然有著很多不足，需要在今后的實踐中不斷完善和發展。首先，我國的防洪減災系統多以小區域的防洪工作為主，在大型流域范圍內的防洪工作仍未實現體系化，應用經驗十分有限；其次，當前的GIS系統對硬件要求很高，需要投入很大成本才能保持系統的運營，大大提高了防洪成本，這給國家財政帶來了很大的挑戰；目前較多使用的是國外發達國家研發的GIS系統，而國產的GIS系統雖然也實現了初步應用，但其性能和可靠性與國外的成熟產品還有很大的差距。因此，我國要真正實現防洪減災的全面信息化還有很長的路要走。
3 Arc GIS在城市防洪系統中的應用
3.1 Arc GIS概述
Arc GIS是由美國研發的一款地理信息系統軟件，具有二次開發方便、空間分析能力強大、數據格式簡潔等特點，在三維可視化應用和大型系統建模等方面有著很強的優勢。Arc GIS 系統具有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和圖像處理技術把三維空間的復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、柵格數據的處理比較方便，適用于數據量大的復雜空間展示，效果生動逼真，應用較為廣泛[3]。在實際的應用場合中，Arc GIS系統通常與三維數字建模技術、紋理映射技術、大數據處理技術、衛星遙感技術等*技術配合使用，以滿足更復雜的應用需求[4]。
3.2 區域數據采集
地形數據是城市防洪系統的重要原始數據，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鍵，一般采用數字高程模型（DEM）對地形進行建模[5]。為了節省實地測量的時間和精力，本系統參考了科學數據服務平臺網站數據庫中的DEM 數據，其空間分辨率可達90 米，數據投影采用 UTM/WGS84 坐標系。在網站中輸入某市的經緯度坐標即可得到大致的地形數據，再通過在Arc GIS 系統的Spational Analyst tools 對原始地形數據進行范圍裁剪，獲得了研究區域的DEM 數據。
實體數據是三維數字建模中的必要信息，在三維建模前必須獲得區域實體的幾何、紋理、高度等數據。考慮到城市建筑等實體的數據獲取難度太大，所以本文采用相應區域的地形紋理數據對其進行近似，紋理數據來源于Goolge Earth。
3.3 三維地形建模
為了對某市防洪系統進行模擬，對該市進行三維地形建模是必要前提。從當前的技術來看，三維地形建模可以通過三類方法實現，分別是三維建模軟件（如3DMAX）、二維數據與高程信息疊加、以及數字攝影測量。其中一類視覺效果好，但地理屬性不易表達；第二類對于細節的呈現有所欠缺，因而只適用于小區域建模；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，本文采用了二維數據與DEM疊加，再結合遙感圖像實現三維地形的建模。如圖1所示。
圖1 DEM模型
3.4 洪水演進模擬
根據氣象部門和*門的多年歷史統計數據得知，某市從1933-2005 年間現過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雜的數學迭代過程，因此對原始數據的質量有較嚴格的要求。一般要求二維的地形數據滿足完整性、一致性、準確性等要求，對于三維空間數據，還應保證其空間關系和多源數據的一致性。為了保證地形模型的真實性，本文對于復雜的局部地形采用了調整實體下腳點、同時細化 DEM網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。
據歷史數據顯示，該次洪水持續了50天，共經歷了6次演化，是近幾年來比較罕見的慢演進速度洪水災害。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，通過對相應屬性的動畫軌跡進行控制，即可實現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
根據地形數據得知，該區域的總體地勢情況是西北高、東南低，因此積水現象是在東南方向開始出現的，隨著洪水水位的升高，逐步向西北方向淹沒，這與模擬的結果是一致的。當洪水水位上升到372米時，區域東部表現為嚴重的洪水淹沒，但西部由于地勢較高受到影響還不算嚴重，此時可組織救援力量進行人員和物資的搶救、轉移，以減小人員傷亡和經濟損失；當洪水水位上升到382某個區域基本被洪水吞噬，此時開展救災活動將非常困難，必然會造成不可挽回的損失。
根據上述模擬結果，在Arc GIS系統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，為城市防洪減災工作提供全面的決策支持和實踐指導。
4 結語
本文對GIS技術在我國城市防洪系統中的應用進行了深入的研究，并根據歷史統計數據，采用Arc GIS系統實現了對某城市區域的洪水演化過程進行了模擬，為防洪減災工作提供了有價值的思路。雖然GIS技術已經廣泛應用于防洪防洪減災工作中，但其應用仍然有著很多不足，特別是國產的GIS系統在性能和可靠性方面與國外成熟產品的差距。因此，我國要真正實現防洪減災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技術將得到更快的發展，也將在城市防洪體系中發揮著更加重要的作用，為我國經濟發展保駕護航。
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