張李蓀 劉楊 張國文 盧聰飛

1江西武大揚帆科技有限公司 南昌市 330029

2中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團(tuán)有限公司 江西省南昌市 330029

3南昌市水利安全監(jiān)測與預(yù)測預(yù)警工程技術(shù)研究中心 江西省南昌市 330029

0 概述

近年來，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新信息技術(shù)的快速地發(fā)展，信息數(shù)據(jù)獲取和分析的智能化水平得到了很大的提升。隨著水利信息化應(yīng)用水平的持續(xù)提升，水利行業(yè)正從工程水利向現(xiàn)代水利轉(zhuǎn)變。在這個進(jìn)程中，數(shù)字模擬仿真、BIM技術(shù)、GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫等信息技術(shù)不斷融入水利行業(yè)的各項工作中，在水利工程建設(shè)管理、防洪減災(zāi)等許多方面發(fā)揮了重要的作用［1］。

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的從而高速發(fā)展，防洪安全保障的水平也不斷提高。從“控制洪水”到“管理洪水”，是從工程水利向現(xiàn)代水利轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志。數(shù)字流域是以地理空間數(shù)據(jù)、水利工程三維模型等為基礎(chǔ)，具有三維可視化顯示和應(yīng)用新信息技術(shù)模擬流域的虛擬流域。具體地說，數(shù)字流域是采用新信息技術(shù)（GIS、物聯(lián)網(wǎng)、VR和云計算等）把流域及相關(guān)的所有信息進(jìn)行數(shù)字化處理，同時和時空信息數(shù)據(jù)組織成一個有機(jī)的數(shù)字整體，從而有效地反映整個流域的完整的、真實的情況，并對所需的信息進(jìn)行分析處理，為用戶決策提供技術(shù)支撐。

1 基于BIM和GIS的洪水淹沒范圍動態(tài)展示

GIS技術(shù)以地理空間信息數(shù)據(jù)為核心，完成對地形地貌、建筑工程和社會經(jīng)濟(jì)情況等信息數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析，為工程規(guī)劃設(shè)計、施工、運營管理等方面提供海量數(shù)據(jù)存儲及分析的需求；BIM技術(shù)能夠?qū)ㄖ锛?xì)部結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行三維精細(xì)化管理，并且通過對三維模型信息的分析處理，能夠在工程的全生命周期過程中持續(xù)應(yīng)用。但是BIM技術(shù)對于大范圍地理空間數(shù)據(jù)處理分析的能力略顯不足。而BIM和GIS融合應(yīng)用于洪水淹沒范圍動態(tài)展示技術(shù)和可視化表現(xiàn)形式，可以為決策者提供便捷準(zhǔn)確的技術(shù)支持［2］。

將BIM和GIS整合在一起，直觀、精確地反映洪水淹沒范圍，為水利工程的防汛決策提供有力的支撐，達(dá)到減少損失、保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全的目的。

1.1 工程BIM模型的建立

采用Bentley MicroStation軟件建立整個水利樞紐工程的BIM模型，利用Bentley Geopak site軟件在測量資料基礎(chǔ)上，提取帶數(shù)據(jù)的等高線、高程點數(shù)據(jù)、河岸等特征線生成不規(guī)則三角網(wǎng)格TIN（Triangulated Ir‐regular Network）文件，進(jìn)而得到DEM數(shù)字地面模型［3］。水利樞紐工程的BIM模型，與生成的地形的數(shù)字地面模型進(jìn)行組裝，生成BIM和GIS融合的三維模型。

1.2 淹沒范圍數(shù)據(jù)處理

利用工程所在區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，由水位控制線對各柵格進(jìn)行插值，比較柵格插值出的水位與其高程之間的大小關(guān)系，若水位大于地形高程，則該柵格屬于淹沒范圍，記錄其水位或水深，若水位小于地形高程，則不屬于淹沒范圍，將該柵格改為無效值。

1.2.1 DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

從ArcGIS中將30*30的DEM直接轉(zhuǎn)換成文本格式。是將淹沒分析區(qū)DEM數(shù)據(jù)中高程值低于設(shè)定水位的視為淹沒點；有源淹沒是將淹沒分析區(qū)DEM數(shù)據(jù)中心高程值低于設(shè)定水位并且與指定位置有聯(lián)通的柵格視為淹沒點。

（1）水位控制線

類似于水文斷面，是淹沒分析中插值計算中基準(zhǔn)線，其存儲了直線左右斷點的XY坐標(biāo)，其形式如圖2所示。

圖1 DEM數(shù)據(jù)

圖2 分位控制線

1.2.2 簡化的DEM數(shù)據(jù)

去除部分連續(xù)無效值的DEM數(shù)據(jù)，目的是為了提高運算速度。

1.2.3 淹沒范圍分析

對洪水淹沒范圍進(jìn)行分析時，通過靜態(tài)水面法分析淹沒范圍，分為無源淹沒和有源淹沒兩種［4］。無源淹沒

（2）現(xiàn)有柵格分區(qū)數(shù)據(jù)

現(xiàn)有柵格分區(qū)數(shù)據(jù)是對各柵格進(jìn)行所屬分區(qū)的結(jié)果，其形式如圖3所示。

圖3 現(xiàn)有分區(qū)數(shù)據(jù)

（3）水面線數(shù)據(jù)

各水位控制線的相應(yīng)水位，其形式如圖4所示。

圖4 水面線數(shù)據(jù)

1.2.4 淹沒范圍可視化

淹沒范圍分析最終得到的是被淹沒地區(qū)的柵格數(shù)據(jù)，但是還達(dá)不到最終網(wǎng)頁展示的要求，仍然需要對此數(shù)據(jù)進(jìn)行處理［5］。

（1）柵格數(shù)據(jù)處理

將不同水位—流量組合工況下的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使其能夠統(tǒng)一顏色顯示。使用ArcGIS 10.5平臺中的“模型構(gòu)建器”工具，其功能模塊和流程見圖5。

圖5 柵格數(shù)據(jù)處理模型結(jié)構(gòu)圖

柵格數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，得到png格式的圖片，為更直觀的展示洪水淹沒的嚴(yán)重程度，對不同工況下的圖片顯示進(jìn)行了色彩統(tǒng)一，如圖6所示，其中值得注意的是從某一水位（例如：汛限水位49m）開始顏色變得更為醒目。

圖6 柵格數(shù)據(jù)重分類色彩圖例

（2）數(shù)據(jù)映射

淹沒范圍的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖片之后，再疊加到GIS中。

以此類推，可以計算并顯示出不同水位的淹沒范圍，達(dá)到動態(tài)顯示洪水淹沒范圍的動態(tài)展示［6］。

2 結(jié)束語

基于BIM和GIS的洪水淹沒范圍動態(tài)展示是“數(shù)字流域”技術(shù)在洪水淹沒分析的關(guān)鍵應(yīng)用體現(xiàn)，可以為水利工程洪水淹沒提供基礎(chǔ)信息資源，為防止洪水淹沒產(chǎn)生的災(zāi)害提供技術(shù)支持。為防洪調(diào)度、洪水預(yù)報、災(zāi)情評估等提供現(xiàn)代化的決策支撐手段，用信息化技術(shù)提升水利防洪減災(zāi)的精確決策，從而保障社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。