三維GIS引擎與骨干河網防洪模型的融合與分析

夏勇 王磊 肖亮 蔣占軍 高丹

摘? 要：GIS（地理信息系統）經過多年的發展，在資源管理、環境監測、城市規劃、土地管理、交通、水利、林業等行業廣泛應用，GIS在應用中取得較快發展，三維GIS孕育而生，它以更逼真（全要素、三維）、更精細、更精確、更廣泛（室內、地下、水下）、更快速、更實時和更便于進行統計分析被人們所追捧。文章以水利的防洪模型為應用場景，探索了三維GIS引擎與骨干河網防洪模型的融合與分析，闡述了城區骨干河網的三維建模、GIS系統的三維融合、城市防洪模型建立、防洪模型系統的推演分析等內容，以供大家參考。

關鍵詞：三維GIS;防洪模型;智慧水利;水利信息化

中圖分類號：P208? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）10-0021-02

Abstract： After years of development， GIS （Geographic Information System） has been widely used in resource management， environmental monitoring， urban planning， land management， transportation， water conservancy， forestry and other industries. GIS has made rapid development in application， and 3D GIS is born with more lifelike （full element， 3D）， more precise， more accurate， more extensive （indoor， underground， underwater）， faster and more real time and more convenient statistical analysis is popular. Taking the Flood Control Model of water conservancy as the application scenario， this paper explores the integration and analysis of the three-dimensional GIS Engine and the flood control model of the backbone river network， expounds the three-dimensional modeling of the urban backbone river network， the three-dimensional integration of the GIS system， the establishment of the urban flood control model， the deduction and analysis of the flood control model system， etc.

Keywords： 3D GIS; Flood Control Model; smart water conservancy; water conservancy informatization

1 國內外的現狀分析

在我國，水利行業從80年代后期率先使用GIS技術至今，成果顯著，小到簡單的檢索、查詢和空間顯示等GIS低層次利用，大到分析、決策、模擬和預測等高層次運用，其社會經濟效益也比較明顯地顯示了出來，各省市水利部門也在積極推廣應用。

在國外，Davis曾將HEC-1、HEC-2與GIS結合對洪水、水質和土坡侵蝕進行了模擬，可很好地用于洪災損失評估。近來德國Geomer公司研制了基于GIS的水動力學模型——Floodarea，用于界定洪水淹沒范圍，能夠預警可能的洪水風險。Overton結合GIS與RS建立了泛洪區洪水淹沒模型，并在澳大利亞南部的Murray河進行了驗證。

2 三維GIS的概念

三維是將采集以及經運算分析后對數據的表現、展示，三維數據相對二維數據更能表現出客觀實際。二維和三維的本質區別在于數據分布的范圍。對于一個二維GIS系統來說，可用一個表達式V=F（X，Y）來表示，其中（X，Y）是二維平面內的坐標，V是對應于此點的屬性值。對于三維GIS來說V=F（X，Y，Z），其中（X，Y，Z）在三維空間是連續自由變化的，Z是一個獨立變量，三維GIS具有連續的數據結構和與之相應的分析功能，由此帶來的好處是可以從空間的角度分析和顯示物體。

三維GIS的建立總體可分為三步：三維數據采集及處理、GIS基礎軟件引擎數據整合與發布、三維GIS與業務的應用。針對本次三維GIS引擎與骨干河網防洪模型下面分別從三個方面進行介紹。

3 城市防洪模型的建設方法

利用先進的計算機技術、計算方法來建立城市骨干河網防洪模型，準確地預測不同量級外洪及內澇可能形成的內河水位、淹沒范圍、水深、流速以及淹沒持續時間，評估洪澇災害的損失，對即將發生的洪澇進行實時預報，并為科學地制定防洪排澇方案提供參考和決策支持是目前城市防洪減災新的研究方向。

3.1 城市防洪模型的基本構建

常規的水利模型可以分為兩類：第一類是普遍在預報中采用的概念性水文模型如新安江模型、SAC、HBV、MIKE-NAM等;第二類是基于網格的分布式水文模型如網格新安江模型，HL-RMS、美國國家水模型、LISTFLOOD等。流域型水文模型是描述流域降雨徑流形成過程的各函數構成的一種物理結構或者概念性結構，是當今水文預報的基本工具。

本文以江蘇省江陰城區為典型示范區進行城市骨干河網防洪模型的建設，針對江陰城區所處的地理特征和城市化特征，建立在降雨-產匯流結合的模型，將區域下墊面劃分為水面、水田、旱地、建設用地等各種下墊面形態。根據區域蒸發資料整理出水域的蒸發規律，建立水面產流模型;根據降雨后旱地的雨量再分配過程，建立反映雨量再分配的新安江產流模型等;根據城市建設用地的蒸發規律，建立城市產流模型。根據數字流域理論，利用GIS管理各種下墊面的空間拓撲關系，建立全數字化具有空間拓撲關系的分布式區域產流模塊。準確地預測不同量級外洪及內澇可能形成的內河水位、淹沒范圍、水深、流速以及淹沒持續時間，評估洪澇災害的損失，對即將發生的洪澇進行實時預報，并為科學地制定防洪排澇方案提供參考和決策支持。

3.2 模型應用模式的設計與分析

模型設計三種模式設計為：常態應用模式、警戒應用模式和應急應用模式。

無降雨期間的常態模式下，用戶可以使用系統進行：

監測信息（水文、氣象、閘站）和預報信息（降雨和潮位）的瀏覽、查詢和分析（降雨、潮位、風場動態展現、時間系列曲線、單站或多站比較、空間分布）。

警戒應用模式下，用戶可以使用系統進行：

查看降雨站點監測數據警戒狀態的空間分布，以及潮位站點警戒狀態的空間分布;查看系統集成的氣象預報信息動態變化，分析降雨和預報降雨的情形變化。

在警戒應用模式下，如分析判斷的水情形式嚴峻，用戶可利用系統進行應急模式應用。

啟動內嵌河網模型進行模擬計算預報。系統將連接中央數據庫導入用戶連接的最新的各站點的監測降雨、河網水位，模擬更新河網模型的計算邊界條件，采用預報降雨和潮位信息進行模擬計算，并返回計算成果到系統平臺中。平臺根據預報的河網水位和片區積水模擬情形進行汛情預警，用戶可從空間和時間序列上進行分析查看。

4 三維GIS引擎建立與防洪模型的融合

4.1 江陰城區已具備的研究基礎

江陰市水利局自2012年以來，根據行業現狀和水利現代化發展需要，明確了智慧水利建設的重要性和戰略意義，加快推進并不斷提升完善水利數據中心、物聯網傳感控制平臺等，實現了水利多部門的多系統的數據整合和數據優化，形成了江陰智慧水利的綜合數據庫，具備對信息數據實時與非實時的獲取能力。

4.2 骨干河網的三維數字建模

骨干河網的三維數字模型的建立是三維GIS系統的基礎。根據目前已有的江陰城區骨干河網的二維GIS數據、地形數字高程數據、衛星影像數據等，運用三維建模軟件AutoDesk Revit與Google SketchUp結合ArcMap軟件建立骨干河網三維數字模型。

主要內容包括：

ArcCatalog創建Personal GeoDatabase，通過ArcMap加載影像數據，選取所需建模區域影像數據矢量化并添加高程數據。

在ArcScene中瀏覽矢量化數據，并通過ArcGlobe加載影像數據，選取所需矢量數據運用SketchUp ESRI插件將面圖層導出為skp文件格式。

將導出的文件加載至SketchUp中，添加適當紋理與貼圖后導出為Multipatch模型。

4.3 三維模型與GIS引擎的加工融合

三維模型與GIS引擎的加工融合是三維GIS系統的關鍵，根據建立完成的骨干河網三維模型，運用ArcScene、ArcServer等軟件進行三維數字模型的導入，并對應GIS系統坐標系，利用ArcGIS For JS API將GIS地圖通過WEB瀏覽器進行呈現，實現場景放大、縮小、移動、旋轉，并可實時改變視角、視野、視距、飛行角度和高度等。

4.4 三維GIS下防洪模型系統的應用

根據降雨-產匯流結合的模型算法推演結果，采用ArcGIS作為GIS基礎平臺，基于WebGIS技術，在網絡環境下實現數據無縫組織、管理和可視化。采用B/S架構搭建，所有的空間數據、屬性數據、模型推演結果等存放于服務器端，通過Web瀏覽器實現在線數據訪問。

系統設計開發以數據庫技術、網絡技術、地理信息系統技術和降雨-產匯流結合的模型算法為支撐，以空間數據、屬性數據、模型推演結果為基礎，通過對空間數據和模型推演結果的存儲和管理，建立數據管理、模型推演結果分析和三維GIS展示為一體的綜合展示系統。

5 優勢分析

三維GIS空間信息的展示更為直觀。用二維的圖形界面展示空間信息是非常抽象的，只有專業的人士才懂得使用，相比二維GIS，三維GIS為空間信息的展示提供了更豐富、逼真的效果，使人們將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，從而做出準確而快速的判斷。

多維度空間分析功能更加強大。利用三維GIS進行骨干河網防洪模型的推演與分析，從淹沒分析、地質分析、空間擴散分析、通視性分析等多維度空間進行呈現，從而更逼真更精細、更精確的為防汛決策提供支撐。

6 結束語

本次以江陰城區為典型示范區，利用三維GIS引擎技術與骨干河網防洪耦合模型耦合融合，將計算機的技術與水利行業應用相結合，接入實時監測數據，對未來城市防洪形勢進行模擬推演、各類調度方案進行模擬分析，提出水利工程調度優化方案和水體管理應急預案，以三維GIS的形式進行呈現，直觀，清晰的反映了河網洪水趨勢變化。

本文僅以三維GIS與江陰城區骨干河網防洪模型進行初步融合，計劃今后進一步升級，以全息沙盤的形式進行呈現，以更好的視覺沖擊，服務好水利行業。

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