GIS水文模型應用

任柯瑋　馬立山　楊國麗　張海平　郭林虎

摘要：GIS技術是多技術交叉結合的地理空間信息技術，為了準確地認識城市的自然地理信息和水文信息，需要利用GIS多學科結合能力建立水文模型，本文通過CAD數據到GIS數據的轉換，再利用GIS的地理信息處理能力和水文分析能力，建立謝崗鎮北區GIS的水文模型，對其進行水文分析。

關鍵詞：數據轉換;CAD;GIS

中圖分類號：TU992?文獻標識碼：A

收稿時間：2020-05-08

作者簡介：任柯瑋（1992- ），男，碩士研究生，研究方向：水信息技術研究與應用

由于水文現象的復雜性，人們對其進行數理抽象，通過模型認識和理解它[1]，所以建立水文模型是認識和改造水文條件的基礎。隨著3S技術和計算機的快速發展，將資料信息以模型的形式呈現越來越多，在大數據的背景下，模型數據共享也得到了大力發展。目前GIS的應用非常廣泛，GIS能將收集到的信息數據進行分類和存儲到空間數據庫中。但由于CAD有很強的圖形編輯能力，所以很多城市都以CAD的數據形式存儲地理信息數據。CAD和GIS的存儲數據格式不相同，因此需要進行數據轉換，此過程中就會出現信息的丟失和錯誤，如何減少數據的丟失和提高其利用是目前GIS數據庫數據建設的重要問題。

1 ?數據的轉換

現代計算機技術高速的發展下，將數據信息從CAD轉換到GIS的方法有很多，主要有3類：①用數據處理軟件來實現，可以通過中間格式的語義轉換進行[2];②采用轉換模塊進行：GIS可以利用轉換模塊和屬性分析將CAD格式的數據提取并轉換為Shapefile數據進行存儲和管理[3];③采用編程的方法進行，此方法對技術人員要求高，需要掌握足夠的專業知識。本文結合謝崗鎮北部的工業園區實際情況和收集的資料數據，采用第二種方式對CAD和GIS數據進行轉換和匹配。

1.1 ?CAD和GIS數據

CAD中每一種圖形要素對應一種編碼和名稱，在CAD數據中屬性信息一般不直接存儲，而是以擴展實體數據的形式存儲。圖形信息中用塊儲存點要素，用線儲存線狀要素，同時CAD是以圖層來區分每一類專題要素。雖然GIS可以直接讀取dwg文件，但不能直接使用，數據之間缺少聯系，需要對CAD數據進行一定的處理，匹配提取的圖形和屬性信息。GIS進行數據分析與管理的能力很強，同時GIS數據可以以文件和關系數據庫的形式存儲，使得GIS數據發布與共享能力也很強[4]。因此將城市CAD數據轉化為GIS數據進行管理和利用對信息化建設很重要。

GIS 中對空間信息的管理是通過將其物理特性抽象為點、線、面的要素類來實現的，把特征相同的信息放在同一個要素集中，使之相互聯系。謝崗鎮北部工業區的地形復雜，信息量較大，在將CAD數據轉化為GIS數據時需要存儲到Geodatabase數據庫中，用點、線、面三種空間數據儲存CAD數據中的圖形和文字信息。

1.2 ?CAD數據轉為GIS數據

由于在地理數據庫Geodatabase中GIS數據的信息格式和幾何屬性與CAD數據都不同，當CAD數據直接導入到GIS中，會被按點、線、面的形式被分類，轉化為GIS數據時需要將屬性和圖形進行匹配，因此需要使用分析工具對CAD數據進行預處理。建立謝崗鎮北部工業區的GIS水文模型先創建DEM數字高程模型，一般的方法是先利用Shapefile中的圖形和高程數據生成TIN三角模型，再通過轉換工具將TIN轉換為DEM柵格文件。謝崗鎮DEM建立首先利用篩選工具提取CAD數據中的高程點和等高線，生成高程點和等高線的Shapefile文件，并用SQL表達式將相應的高程值導入Shapefile中。檢查生成文件的屬性表，比較Text中CAD存儲的高程數據和Elevation中提取的GIS高程值，結合實際情況將有錯誤的屬性數據進行修正，得到準確的數據。

生成TIN時由于CAD數據包含的謝崗鎮區域較大，有河流湖泊等重要信息，在研究工業區時需要準確提取相應的信息。提取CAD數據中的邊界線，同時提取出湖泊信息，生成不同地形的Shapefile文件。利用創建TIN工具，將高程點，等高線，研究區域邊界和湖泊信息導入，生成TIN三角模型，再轉換為DEM數字高程，生成的謝崗鎮北部工業園區的TIN和DEM如圖1所示：

2 ?水文分析

利用GIS分析謝崗鎮北部工業區表面水文特征的關鍵是確定地表降雨的水流方向[5]，GIS水文分析利用D8單向流算法對DEM數據進行降雨水流方向計算，取落差最大的柵格為流出柵格，當最大下降方向相同時，擴大相鄰的計算柵格找到最陡的下降方向。按流向將八個方向的柵格用2的n次方逆時針編碼，對流向不確定的柵格用其他數字編碼。

D8單向流算法能快速計算出降雨水流方向，且能夠反映出地形對地表徑流形成的作用，但由于假定水流只有一個方向，導致水流在遇到洼地時周邊都會流向洼地從而導致斷流，現實中流向洼地處的水會向多個方位流動，不會輕易導致斷流。DEM數據由于誤差或者真實地形存在凹陷區域，在用GIS進行分析時就很難得到正確的水流方向，因此需要對DEM數據進行填充洼地處理以確保水流能從洼地流出。通過GIS計算出洼地深度，設置合理的填充深度閾值才能精準填洼，使用模型編輯器進行建模求出填充的閾值，進行精確的填洼得到合理的流向，模型編輯器建模過程如圖3所示。

模型編輯器建模求出閾值后，GIS填洼工具將大于這個閾值的地形保留，一個洼地被填平后與附近區域再計算可能還會形成新的洼地，所以需要反復填充，直到不再產生新的洼地。這樣就得到了無洼地DEM，通過對無洼地DEM計算出地表水流流向。

GIS利用洼地填充后的謝崗鎮北部工業區DEM數據生成流向數據，將流向分析結果進行柵格累積計算，將流向該點的柵格總數記錄在每一個柵格中，記錄的數值越大表示水流的匯流量越大。謝崗鎮北部工業園區的無洼地DEM進行分析得到的流向數據和流量數據如圖4。

匯水區劃分的準確性主要取決于河網提取的準確性[6]，利用無洼地DEM數據生成的流量柵格數據和流向柵格數據，根據實際地理情況設置匯水值，提取出符合實際匯水情況的河流匯水情況。根據謝崗鎮北部工業園區的實際情況，用柵格計算器將柵格流量數據中大于降雨匯水的數據賦值為1，其余賦值為0，統計出河流匯水線。使用河流連接工具連接統計后的柵格數據和流向數據，利用流向數據判斷出河流的方向得到河網。通過GIS的柵格河網矢量化工具可以得到河網的矢量圖形文件，河流信息中包含有流向信息，可以直接觀察河網的流向，生成的河流矢量圖如圖5。

通過STRAHLER河流分級法將河流劃分成3級，沒有支流水系定為1級，當相同級別水系匯入時等級增加1級，將通過全流域水量的水系作為第3級的河流，通過河流的分級可以清楚看出流域內河流的干流和支流。通過GIS的要素折點轉點工具對出水口進行轉化，再利用捕捉傾瀉點工具將這些出水口的數據進行捕捉，這樣就讓出水口和原始DEM相聯系，利用分水嶺工具將降雨的匯水區提取出來，通過和實際的匯水情況進行比較，利用GIS的水文分析工具進行相應的調整就得到謝崗鎮北部工業區的匯水區。通過與實際地形的對比，手動調整匯水區得到降雨匯水區如圖6所示。

3 ?結論

隨著信息技術的發展，CAD與GIS逐漸取代傳統信息管理方式被廣泛用于地理信息分析與管理[7]。本文通過對謝崗鎮北部工業園區的CAD數據進行處理，將CAD數據轉換為GIS數據，存儲在地理信息數據庫Geodatabase中。利用GIS的水文分析工具分析DEM數據與水文數據的相關性，結合空間位置的地理要素和實際的地理情況提取出水文基礎數據，將河網的流向、流量和匯水區直觀的表現，為謝崗鎮的水文現象分析提供依據，加強城市信息的處理和分析能力。

參考文獻：

[1]席軍峰，曾舉，王濤.GIS水文模型在降雨徑流模擬中的應用研究[J].科技和產業，2013（02）：132-134.

[2]蔣麗，鄒時林.CAD到GIS數據的屬性匹配和轉換的研究[J].測繪地理信息，2017（3）：59-61.

[3]陳樂書，劉連勝，王長委.CAD到GIS數據格式轉換的探討[J].安徽農業科學，2009（18）：8799-8803

[4]劉琨.基于Windows CE平臺和GPS技術的嵌入式電子地圖演示系統的設計與研究[D].華東師范大學，2007.

[5]趙冬泉，陳吉寧，佟慶遠，等.子匯水區的劃分對SWMM模擬結果的影響研究[J].環境保護，2008（8）：56-59.

[6]張杰.基于GIS及SWMM的鄭州市暴雨內澇研究[D].鄭州大學，2012.

[7]李嬌嬌，王崇倡.基于ArcGIS的CAD到GIS數據轉換[J].交通科技與經濟，2009（1）：42-44.

Abstract：GIS technology is more cross combination of geographic space information technology， the natural geographic information in order to accurately know the city and hydrological information， need to be established by the multidisciplinary combination ability of GIS hydrological models， based on the CAD data to GIS data transformation， the reuse of GIS geographic information processing ability and the hydrological analysis ability， to establish a GIS hydrological models， to provide technical support for hydrologic analysis.

Key?words：Data conversion; AutoCAD; ArcGIS