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        基于ArcScene的洪水淹沒三維模型的建立——以廣州大學(xué)城南亭村為例

        2016-04-14 21:07:541湖南省第一測繪院湖南衡陽4210012廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院廣東廣州510006
        地球 2016年10期
        關(guān)鍵詞:廣州大學(xué)出租屋商鋪

        (1湖南省第一測繪院 湖南衡陽421001;2廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 廣東廣州510006)

        (1湖南省第一測繪院 湖南衡陽421001;2廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 廣東廣州510006)

        近年來洪水在我國的頻發(fā),使得耕抗洪救災(zāi)的重要性日益上升。隨著三維技術(shù)的不斷發(fā)展,基于地理信息系統(tǒng)的三維建模研究日漸成為研究的難點與熱點。本文根據(jù)南亭村各建筑的門牌號、層數(shù)、結(jié)構(gòu)、面積和用途等信息利用ArcMap建立數(shù)據(jù)庫。收集南亭村1250個高程點,利用ArcGIS軟件建立起南亭村的三維DEM模型,并實現(xiàn)可視化?;贏rcScene平臺的地形三維可視化的技術(shù)流程和三維模型的制作方法,開發(fā)南亭村洪水淹沒三維模型。模型的主要作用是對淹沒區(qū)域的建筑損失進(jìn)行查詢、統(tǒng)計及洪水淹沒動態(tài)分析等。結(jié)果表明,南亭村主要商服用地、公共設(shè)施用地都布局在地勢較低的村西地區(qū),若發(fā)生洪水災(zāi)害,對南亭村的破壞性極大。本實驗?zāi)P涂梢詾楹闉?zāi)評估和防洪決策提供科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù)。

        ArcScene三維模型洪水淹沒南亭

        1 引言

        伴隨全球變暖的加劇,極端天氣的增加,洪澇災(zāi)害的風(fēng)險在近幾年呈現(xiàn)上升勢頭。

        我國是水害頻發(fā)的國度,快速、準(zhǔn)確、科學(xué)模擬、預(yù)測和顯示洪水淹沒范圍,特別是對被淹沒的建筑進(jìn)行財產(chǎn)損失估計,為防洪、抗洪、洪災(zāi)評估及災(zāi)后重建等工作提供決策支持具有重要意義[1]。

        20世紀(jì)70年代,美國首先提出采用非工程措施的概念,即通過洪水預(yù)報、防洪調(diào)度、分洪、滯洪、立法、洪水保險、洪泛區(qū)管理以及造林、水土保持等非工程措施來減緩洪澇災(zāi)害,改變損失分?jǐn)偡椒?,加?qiáng)防洪管理,順應(yīng)洪水的天然特性,因勢利導(dǎo),以達(dá)到防洪減災(zāi)的目的[2-4]。

        目前,可視化技術(shù)使人能夠在三維虛擬世界中對洪水演進(jìn)的現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行觀察、操作和分析,更好的了解洪水發(fā)生的過程[5]。諸如天津氣象科研所與中國水利水電科學(xué)研究院減災(zāi)中心天津大學(xué)建工學(xué)院合作,研制了天津市城區(qū)瀝澇仿真模型[6-8]就對城市的洪澇災(zāi)害有深入研究。

        本文利用ArcGIS中的ArcScene工具以廣州大學(xué)城南亭村為例開發(fā)洪水淹沒三維動畫模型,可以進(jìn)行洽定條件下的洪水淹沒模擬及分析,確定淹沒范圍,以逼真、直觀、多角度、多層次的模擬呈現(xiàn)出三維地形的二維圖像。再根據(jù)數(shù)據(jù)庫的信息,為進(jìn)行各類被淹建筑的財產(chǎn)損失統(tǒng)計和評估搭建基礎(chǔ)平臺。

        2 研究區(qū)域

        小谷圍島總面積20.15平方公里,分布南亭村、北亭村、穗石村、貝崗村、郭朗村、練溪村6個行政村,因廣州大學(xué)城建設(shè),其中郭朗、練溪兩村村民全部搬遷,現(xiàn)島內(nèi)有南亭村、北亭村、穗石村、貝崗村4個保留區(qū),面積1.12平方公里,常住居民1802戶、5954人。南亭村位于番禺縣城東北11.7公里處,地處低緯,屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。地表接受太陽輻射量較多,同時受季風(fēng)的影響,夏季海洋暖氣流形成高溫、高濕、多雨的氣候;冬季北方大陸冷風(fēng)形成低溫、干燥、少雨的氣候。

        年平均氣溫為 21.4-21.9度,年降雨量平均為1623.6-1899.8mm。近年來,洪、澇、咸災(zāi)害等造成珠三角脆弱性的迅速加劇[16]。

        小谷圍地處珠江下游,其洪澇災(zāi)害危險性也在加大。

        3 數(shù)據(jù)收集及地形三維場景可視化

        3.1.1 南亭村房屋信息數(shù)據(jù)

        根據(jù)2010年南亭村1:500地形圖進(jìn)行外業(yè)調(diào)查工作,實地走訪廣州大學(xué)城南亭村。

        工作為根據(jù)地形圖提供圖斑到現(xiàn)場調(diào)查并更新房屋的基本狀況,包括房屋的門牌號、層數(shù)、結(jié)構(gòu)、面積和用途等。完成外業(yè)調(diào)查后在室內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,矢量化、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,最后利用ArcGIS建成南亭村房屋數(shù)據(jù)庫。

        3.1.2 南亭村DEM模型的數(shù)據(jù)

        南亭村1:500地形圖是制作DEM的重要數(shù)據(jù)源,從地形圖上采集DEM數(shù)據(jù),首先是對地形圖的1250個高程點進(jìn)行提取,導(dǎo)入ArcMap中,利用ArcMap中的3D Analyze工具建立南亭村的TIN模型。并以此為南亭村DEM模型的原始數(shù)據(jù)。

        3.2 三維模型建立的步驟

        3.2.1 南亭村TIN模型及其柵格表面的生成

        (1)將南亭村1250個高程點在Arcmap中數(shù)字化為點狀圖層。

        (2)選擇Arcmap中的三維分析模塊下選的Create TIN From Features(由要素創(chuàng)建TIN)命令,在彈出的對話框中設(shè)置,單擊ok.完成的南亭村TIN模型。

        3.2.2 南亭村房屋數(shù)據(jù)的面狀圖形的生成

        將掃描后的南亭村地圖導(dǎo)入Arcmap中,利用更新后房屋的基本信息對地圖進(jìn)行數(shù)字化處理,建立房屋數(shù)據(jù)庫,生成南亭村的shp文件。

        在對不同的用地類型和房屋用途上色后得到的《南亭村房屋與建筑類型分布圖》。

        4 洪水淹沒的三維可視化模擬的實現(xiàn)

        4.1 洪水淹沒矢量圖層的建立

        鑒于南亭村的地基高程為5.6m,所以本文中的洪水淹沒模擬從5.8m開始淹沒深度為4米,到達(dá)9.2m止。期間以0.2m為一段,共需繪制17個shp圖層。

        在ArcMap中繪制南亭村遭遇洪水淹沒的不同時刻水深圖層。并通過AddData加載到ArcScene中。

        在Scene Layers中選擇所有17個圖層,單擊右鍵選擇Group,將17個圖層合并為一個圖層組。

        4.2 南亭村遭遇洪水淹沒演進(jìn)過程模擬

        在ArcScene中,利用Animation工具中的Creat Group Animation功能,選中Select a group layer中剛剛命名的圖層組。

        然后,利用Animation Manager功能模塊中的Time View功能,調(diào)整洪水的淹沒時間以及圖層顯示順序。

        點擊Animation Controls中的播放按鈕可播放南亭村遭遇洪水淹沒不同時刻的三維模擬仿真。

        5 實驗分析

        經(jīng)過模型的分析可統(tǒng)計出南亭村不同時刻受淹沒的不同房屋數(shù)量。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的資料統(tǒng)計,南亭村的住宅房屋數(shù)量總數(shù)為641間(包括在建),商業(yè)屬性的房屋數(shù)量為249間。洪水淹沒深度在0.7m時住宅屬性的房屋尚未受到淹沒危險。但隨洪水淹沒深度的增加,受到淹沒災(zāi)害的房屋就開始增加。

        看到住宅的淹沒情況,洪水淹沒深度再1.7m-2.2m之間是,受災(zāi)的房屋數(shù)上升速度在最快,達(dá)到了191間。

        當(dāng)洪水淹沒深度達(dá)到3.2m時受災(zāi)的總住宅數(shù)量是371間,占總住宅屬性房屋數(shù)量的57.87%,證明大多數(shù)房屋都布局在村東地勢較高的地方??梢娔贤ご宓呐f村選址時在村西的山丘上,可見其立村之時也考慮到可能受到的洪水災(zāi)害。再看到商鋪的淹沒情況,而洪水淹沒深度達(dá)到0.7m時受災(zāi)的商鋪有5家。

        對模型的分析得出洪水淹沒深度從1.2m上升到1.7m時商鋪的受災(zāi)數(shù)量上升最快,可見布局在該高程位置的商鋪較多,達(dá)到78家,占總商鋪數(shù)的31.33%。而洪水淹沒深度從1.7m上升到3.2m時,商鋪的受災(zāi)數(shù)量增加了84間。當(dāng)淹沒深度達(dá)到3.2m時,總受災(zāi)商鋪數(shù)量為218間,占總商鋪數(shù)量的87.55%。證明大多商鋪都布局在村西地勢較低的地方。

        可見,洪水淹沒對南亭村的商業(yè)的打擊是破壞性的。

        同時,考慮到南亭村位于廣州大學(xué)城內(nèi)部,在村內(nèi)有大量的出租屋的存在。而且,大學(xué)城內(nèi)的學(xué)生存在著大量學(xué)生在村內(nèi)租住房屋的現(xiàn)象。

        本文在統(tǒng)計時特別將不同淹沒深度時的出租屋數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計分析。

        調(diào)查統(tǒng)計的南亭村有出租許可的出租屋總數(shù)量為372間,可見其出租規(guī)模的宏大??吹侥M淹沒深度達(dá)到最大值時,其出租屋受災(zāi)數(shù)量是135間,占總數(shù)的36.29%,接近出租屋的三分之一。

        通過模擬實驗中不同淹沒深度的出租屋數(shù)量分析,南亭村接近半數(shù)的出租屋都布局在地勢較低的村西地區(qū)。若洪水災(zāi)害發(fā)生,大多出租屋也將受到威脅,出租屋內(nèi)的人員,特別是大學(xué)生的安全不容忽視。

        5.1 實驗總結(jié)

        本實驗利用ArcGIS中的ArcScene模塊以廣州大學(xué)城南亭村為例開發(fā)洪水淹沒三維模型,可以進(jìn)行洽定條件下的洪水淹沒模擬及分析,確定淹沒范圍,以逼真、直觀、多角度、多層次的模擬呈現(xiàn)出三維地形的二維圖像。再根據(jù)數(shù)據(jù)庫的信息,為進(jìn)行各類被淹建筑的財產(chǎn)損失統(tǒng)計和評估搭建基礎(chǔ)平臺。

        其中,對南亭村的住宅、商鋪、出租屋不同時刻的淹沒數(shù)量的統(tǒng)計也有利于識別南亭村的這些主要用地類型、主要建筑物在不同高程的布局情況以及對遭受洪水災(zāi)害的受災(zāi)情況進(jìn)行統(tǒng)計分析。

        5.2 待改進(jìn)之處

        (1)鑒于本實驗的DEM模型的建立是基于南亭村2010年1: 500地形圖上的1250個高程點。經(jīng)過5年村的發(fā)展,土地的利用結(jié)構(gòu)改變,難免會出現(xiàn)不同地點高程值的改變;

        (2)由通過最新的調(diào)查數(shù)據(jù)生成的南亭村三維模型在形態(tài)結(jié)構(gòu)上沒有達(dá)到逼真的效果,只是以不同高度的長方體代替。在視覺上沒有達(dá)到很好的客觀性。

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        基于ArcScene的洪水淹沒三維模型的建立
        ——以廣州大學(xué)城南亭村為例

        ■劉天清1吳大放2

        P2[文獻(xiàn)碼]B

        1000-405X(2016)-10-322-2

        "十二五"國家科技支撐計劃項目(2013BAJ13B01)、廣東省教育廳特色創(chuàng)新項目(2014KTSCX090)、廣東省教育科研

        "十二五"規(guī)劃2013年度研究項目(2013JK134)、廣州市哲學(xué)社會科學(xué)"十二五"規(guī)劃課題(15Q28)、廣州大學(xué)示范性實驗建設(shè)

        項目(地理信息系統(tǒng)在土地利用規(guī)劃中的應(yīng)用)、廣東省教育廳省級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201511078019、CX2015025)資助。

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