陳小雷，彭相瑜，陳　莎

（河北省氣象災(zāi)害防御中心，050021，石家莊）

基于三維GIS的山洪災(zāi)害匯流模擬分析系統(tǒng)

陳小雷，彭相瑜，陳莎

（河北省氣象災(zāi)害防御中心，050021，石家莊）

為實(shí)時(shí)、快速、全面地獲取山洪發(fā)展趨勢(shì)及其時(shí)空變化信息，利用三維GIS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)，無(wú)縫集成氣象數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、氣象三維模型等，以三維仿真模擬探討了由強(qiáng)降水引發(fā)的河北省山洪災(zāi)害匯流模擬及淹沒(méi)分析技術(shù)，建立了河北省山洪災(zāi)害匯流模擬分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可為山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的科學(xué)預(yù)警提供技術(shù)依據(jù)和決策支持。

河北??；山洪災(zāi)害；三維GIS；匯流模擬；淹沒(méi)分析

河北省地處中緯度歐亞大陸東岸，北接蒙古高原，南連黃淮平原，東瀕渤海，西倚太行山脈，地形復(fù)雜多樣。受夏季風(fēng)活動(dòng)影響，降水呈現(xiàn)年內(nèi)集中、強(qiáng)度大、時(shí)段集中，空間分布受地形影響明顯的特點(diǎn)，河北省暴雨多發(fā)，極易導(dǎo)致中小河流洪水和山洪災(zāi)害發(fā)生。為進(jìn)一步提高中小河流洪水和山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警水平，本文以數(shù)字高程模型（DEM）為基礎(chǔ)，將地形的連通性和任意多邊形格網(wǎng)模型技術(shù)相結(jié)合，嘗試把三維地形能夠較真實(shí)地反映地形要素和二維GIS技術(shù)中矢量柵格一體化的空間分析功能這兩大優(yōu)勢(shì)運(yùn)用到洪水淹沒(méi)范圍的模擬分析研究中，建立了河北省中小河流洪水與山洪災(zāi)害匯流模擬及分析三維展示系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)降雨過(guò)程、匯流情況進(jìn)行仿真模擬，實(shí)時(shí)查詢某一時(shí)刻的水面線、淹沒(méi)面積等，并且以淹沒(méi)區(qū)域直觀展示的方式監(jiān)測(cè)山洪災(zāi)害發(fā)生與否，直觀通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警顏色區(qū)分淹沒(méi)區(qū)域?yàn)?zāi)情的程度，形成降水模擬、匯流過(guò)程和淹沒(méi)分析的整體動(dòng)態(tài)過(guò)程，為中小河流洪水和山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、指揮決策和洪澇災(zāi)害的損失評(píng)估等提供較準(zhǔn)確的評(píng)判依據(jù)。

一、系統(tǒng)功能

1.系統(tǒng)支撐數(shù)據(jù)來(lái)源

該系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)以現(xiàn)有氣象數(shù)據(jù)以及其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為核心，包括影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、河北省矢量地圖數(shù)據(jù)、氣象三維模型數(shù)據(jù)等，能夠支持在C/S架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景綜合展示、氣象信息展示、山洪地質(zhì)災(zāi)害模擬、淹沒(méi)分析等功能。

地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)。該庫(kù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，在1∶25萬(wàn)或1∶5萬(wàn)的行政區(qū)劃、高程等信息基礎(chǔ)上，建立包括行政邊界、城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村居民點(diǎn)、中小河流域、水庫(kù)、山洪溝、尾礦庫(kù)、自動(dòng)氣象監(jiān)測(cè)站和地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)等相關(guān)屬性信息。

氣象資料數(shù)據(jù)庫(kù)。該庫(kù)包括常規(guī)觀測(cè)的歷史與實(shí)時(shí)資料庫(kù)、特種歷史與實(shí)時(shí)資料庫(kù)和氣象災(zāi)情庫(kù)。

2.系統(tǒng)平臺(tái)功能

該系統(tǒng)選擇國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的三維GIS平臺(tái)EV-Globe作為承載三維GIS氣象服務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，并將基于該平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。作為國(guó)產(chǎn)的新一代GIS系統(tǒng)平臺(tái)，EV-Globe在安全性、可靠性、運(yùn)行效率和數(shù)據(jù)支持上都具有一定的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)平臺(tái)主要包括氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示、降雨場(chǎng)景模擬、山洪淹沒(méi)分析、山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和輔助功能等5個(gè)模塊。

（1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示

該功能主要展示了河北省中小河流域和山洪溝數(shù)據(jù)、自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)及尾礦庫(kù)等信息。

（2）降雨場(chǎng)景模擬

系統(tǒng)以自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)站所在位置的行政區(qū)劃確定降雨模擬范圍，結(jié)合遙感影像、地形信息、道路和行政區(qū)劃等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在三維場(chǎng)景中對(duì)降雨效果進(jìn)行逼真模擬展示的功能。

（3）山洪淹沒(méi)分析

該模塊主要基于災(zāi)害評(píng)估數(shù)據(jù)和精細(xì)化地理信息數(shù)據(jù)，結(jié)合降雨量實(shí)況、預(yù)計(jì)未來(lái)降雨量、面雨量和降水時(shí)長(zhǎng)等要素實(shí)現(xiàn)降雨匯流淹沒(méi)模擬分析。

（4）山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

該模塊基于淹沒(méi)分析模擬數(shù)據(jù)，進(jìn)行山洪溝災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、尾礦庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等，其中災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)按照特別重大、重大、較大、一般共4個(gè)等級(jí)進(jìn)行不同顏色的預(yù)警顯示。

（5）系統(tǒng)輔助功能

系統(tǒng)輔助功能主要有災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模擬輸出、系統(tǒng)截屏、距離測(cè)量、面積測(cè)量、坡度分析、通視分析等功能。

二、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)包括：山洪溝面雨量的估算，降水致洪過(guò)程分析及致災(zāi)臨界雨量的確定，洪水淹沒(méi)的動(dòng)態(tài)模擬分析，承災(zāi)體的數(shù)量、價(jià)值量與影響力分析，其中山洪溝匯流模擬和淹沒(méi)分析是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，涉及多方面的因素。

1.山洪溝匯流模擬

（1）尋找洼地，剔除偽洼地

用DEM數(shù)據(jù)做分析運(yùn)算時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)某些異常點(diǎn)，這些點(diǎn)與周圍點(diǎn)構(gòu)成的地形與實(shí)際的地形并不相符，甚至產(chǎn)生矛盾。這是因?yàn)椴杉疍EM數(shù)據(jù)時(shí)，受選取精度的影響，忽略了許多中間地形，從而造成這種異常現(xiàn)象。這些數(shù)據(jù)的出現(xiàn)會(huì)影響正常的分析，特別是在判別地表洼地的時(shí)候，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)許多異常的洼地，我們稱其為偽洼地。偽洼地的出現(xiàn)會(huì)誤導(dǎo)水流方向，所以，在進(jìn)行洪水淹沒(méi)分析之前，必須找出這些偽洼地并且將其去除。

主要方法是：找出周邊8個(gè)格網(wǎng)單元的高程值都大于本身高程值的格網(wǎng)單元，判為洼地點(diǎn)；設(shè)置面積閾值或洼地容積閾值判定偽洼地；通過(guò)給偽洼地點(diǎn)高程賦以該周圍點(diǎn)的最低點(diǎn)高程，或者取周圍點(diǎn)的平均值，或者通過(guò)某種差分算法獲得高程值，以剔除偽洼地。

（2）確定水流方向

采用D8算法，根據(jù)DEM數(shù)據(jù)中每個(gè)柵格單元與相鄰8個(gè)柵格單元之間的最陡坡度來(lái)確定水流方向。

根據(jù)水流動(dòng)力學(xué)原理，水流總是從地勢(shì)高的地方流向地勢(shì)低的區(qū)域。通過(guò)對(duì)比相鄰的格網(wǎng)單元，根據(jù)屬性值來(lái)進(jìn)行排序，求取格網(wǎng)屬性值最小最大值。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：在垂直方向、水平方向上找到4個(gè)格網(wǎng)單元，找出最大高程點(diǎn)和最小高程點(diǎn)。同樣的方法在兩條對(duì)角線上找到最大高程屬性點(diǎn)和最小高程屬性點(diǎn)，并通過(guò)相應(yīng)的公式即可求出水流的上游點(diǎn)和下游點(diǎn)。

（3）匯流量累計(jì)圖

流向分析：以數(shù)值表示每個(gè)單元的流向。數(shù)字變化范圍是1～255，其中1為東；2為東南；4為南；8為西南；16為西；32為西北；64為北；128為東北（見(jiàn)圖1）。

圖1　流向分析原理

在地表徑流模擬過(guò)程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算而得到的。對(duì)每一個(gè)柵格來(lái)說(shuō)，其匯流累積量的大小代表著其上游有多少個(gè)柵格的水流方向最終匯流經(jīng)過(guò)該柵格，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域越易形成地表徑流。

（4）匯流過(guò)程展示

將山洪溝信息數(shù)據(jù)和地理地形信息數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，最終將洪水匯流效果在平臺(tái)中展示出來(lái)，并以動(dòng)畫方式輸出（見(jiàn)圖2）。

2.山洪淹沒(méi)分析

（1）淹沒(méi)分析關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)通過(guò)降雨實(shí)況監(jiān)測(cè)值解析和入庫(kù)，完成建立實(shí)況數(shù)據(jù)中心，對(duì)實(shí)況數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，為淹沒(méi)分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖2　山洪匯流模擬展示

①根據(jù)不規(guī)則多邊形的外包圍盒，按照插值精度插值成規(guī)則格網(wǎng)，在多邊形內(nèi)的格網(wǎng)參與以下計(jì)算，在多邊形外部則不參與計(jì)算。

②在子流域劃分時(shí)，根據(jù)周圍8個(gè)格網(wǎng)的高程，先求出各個(gè)格網(wǎng)的流向，采用改進(jìn)的D8算法即Rho8算法，Rho8與D8相比較而言，考慮了地形的隨機(jī)性因素，在對(duì)角線方向乘以一個(gè)隨機(jī)變量，使得在平緩地區(qū)水流的方向更符合實(shí)際情況，同時(shí)也保留了D8易于實(shí)現(xiàn)、執(zhí)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。

③根據(jù)格網(wǎng)與格網(wǎng)周圍8個(gè)格網(wǎng)的中心點(diǎn)進(jìn)行比較，計(jì)算出局部最低點(diǎn)、局部最高點(diǎn)。從局部最低點(diǎn)格網(wǎng)進(jìn)行反向追蹤，通過(guò)遞歸把流向該局部最低點(diǎn)的所有格網(wǎng)劃分為一個(gè)子流域。同時(shí)，通過(guò)從局部最高點(diǎn)開(kāi)始，根據(jù)最高點(diǎn)的流向進(jìn)行追蹤，直到局部最低點(diǎn)，形成一條徑流，比較子流域中徑流長(zhǎng)度，選擇最大徑流。

④子流域邊界計(jì)算，從子流域右上側(cè)的格網(wǎng)開(kāi)始，通過(guò)周圍8個(gè)格網(wǎng)判斷，遞歸計(jì)算直至和起始點(diǎn)重合，計(jì)算出子流域的邊界。以邊界最低點(diǎn)的高程為水面，計(jì)算出子流域的最大蓄水量，超過(guò)這個(gè)量，水就要流出。從邊界最低點(diǎn)開(kāi)始，根據(jù)其與周圍不在同一個(gè)子流域的點(diǎn)進(jìn)行高程判斷，判斷出如果子流域蓄水量過(guò)大的流程方向（流出的子流域）。

⑤模擬參數(shù)確定。計(jì)算植被截留、地表下滲、出水口流出等參數(shù)。

⑥流域流出點(diǎn)倒推淹沒(méi)水面。總水量減去植被截留、地表下滲、下游流出、剩余的水量，通過(guò)水位逐步升高，遞歸求出淹沒(méi)水面。

⑦基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與閾值之間的預(yù)警分析。

獲取過(guò)去1、3、6、24小時(shí)內(nèi)的降雨量與閾值進(jìn)行比較，以能高則高的原則確定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警級(jí)別。

（2）淹沒(méi)模擬展示

系統(tǒng)在實(shí)況數(shù)據(jù)解析入庫(kù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合遙感影像、地形信息、道路和行政區(qū)劃等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了在三維場(chǎng)景中以淹沒(méi)區(qū)域直觀展示的方式監(jiān)測(cè)災(zāi)害發(fā)生與否的功能；為使效果更加直觀，系統(tǒng)根據(jù)淹沒(méi)區(qū)域?yàn)?zāi)情程度的不同為淹沒(méi)區(qū)域賦予不同的預(yù)警顏色。

三、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)河北省中小河流洪水與山洪災(zāi)害特點(diǎn)，采用EV-Globe作為承載三維GIS的基礎(chǔ)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的需求分析，堅(jiān)持統(tǒng)一規(guī)劃、安全高效、先進(jìn)實(shí)用和可拓展性原則，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了河北省中小河流洪水與山洪災(zāi)害匯流模擬及淹沒(méi)分析的三維可視化和相關(guān)洪水淹沒(méi)信息的集成、管理、發(fā)布和共享等功能，建立了一套完整的河北省中小河流洪水與山洪災(zāi)害匯流模擬及分析三維展示系統(tǒng)。其中系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的技術(shù)就是山洪溝匯流模擬和淹沒(méi)分析這兩大功能所涉及的技術(shù)方法。系統(tǒng)的建立為開(kāi)展山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和淹沒(méi)分析提供了技術(shù)支撐?！?/p>

［1］黃先龍，褚明華，石勁松.我國(guó)山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作淺析［J］.中國(guó)水利，2015（9）.

［2］李丙輝.“96·8”河北洪澇災(zāi)害探析［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007（23）.

［3］程雙虎.河北以人為本合理布局逐步建立山洪災(zāi)害防御體系［J］.中國(guó)水利，2014（18）.

［4］李昌志，孫東亞.山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)確定方法［J］.中國(guó)水利，2012（9）.

［5］王文川，和吉，邱林.我國(guó)山洪災(zāi)害防治技術(shù)研究綜述［J］.中國(guó)水利，2011（13）.

［6］郭良，唐學(xué)哲，孔凡哲.基于分布式水文模型的山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究及應(yīng)用［J］.中國(guó)水利，2007（14）.

責(zé)任編輯韋鳳年

3D GIS based simulation and analysis system for concentrated flows ofmountain flood disasters

Chen Xiaolei，Peng Xiangyu，Chen Sha

In order to obtain comprehensive information on trend of mountain flood and its temporal and spatial variation in real time and fast speed manner，new technologies are applied，including 3D GIS and network computing，seamless integration of meteorological data and geographic information as well as weather 3D model.Threedimensional simulation has been used for analyzing runoff generation of mountain flood and inundation caused by strong rainfall，so as to establish simulation system in Hebei Province.It is expected to provide a technical base and decision-making support system for elimination ofmountain flood disasters.

Hebei Province；mountain flood disaster；3D GIS；simulation of concentrated flows；inundation analysis

X43

B

1000-1123（2016）15-0025-03

2016-06-17

陳小雷，主任，高級(jí)工程師，主要從事氣象災(zāi)害防御技術(shù)研究。

河北省暴雨誘發(fā)中小河流洪水和山洪地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警服務(wù)試驗(yàn)項(xiàng)目（20132030050504）。