基于三維GIS的山洪災害匯流模擬分析系統

陳小雷，彭相瑜，陳　莎

（河北省氣象災害防御中心，050021，石家莊）

基于三維GIS的山洪災害匯流模擬分析系統

陳小雷，彭相瑜，陳莎

（河北省氣象災害防御中心，050021，石家莊）

為實時、快速、全面地獲取山洪發展趨勢及其時空變化信息，利用三維GIS技術和網絡計算技術，無縫集成氣象數據、地理信息數據、氣象三維模型等，以三維仿真模擬探討了由強降水引發的河北省山洪災害匯流模擬及淹沒分析技術，建立了河北省山洪災害匯流模擬分析系統。該系統可為山洪災害風險的科學預警提供技術依據和決策支持。

河北省；山洪災害；三維GIS；匯流模擬；淹沒分析

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，地形復雜多樣。受夏季風活動影響，降水呈現年內集中、強度大、時段集中，空間分布受地形影響明顯的特點，河北省暴雨多發，極易導致中小河流洪水和山洪災害發生。為進一步提高中小河流洪水和山洪災害風險預警水平，本文以數字高程模型（DEM）為基礎，將地形的連通性和任意多邊形格網模型技術相結合，嘗試把三維地形能夠較真實地反映地形要素和二維GIS技術中矢量柵格一體化的空間分析功能這兩大優勢運用到洪水淹沒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害匯流模擬及分析三維展示系統，該系統對降雨過程、匯流情況進行仿真模擬，實時查詢某一時刻的水面線、淹沒面積等，并且以淹沒區域直觀展示的方式監測山洪災害發生與否，直觀通過風險預警顏色區分淹沒區域災情的程度，形成降水模擬、匯流過程和淹沒分析的整體動態過程，為中小河流洪水和山洪災害風險預警、指揮決策和洪澇災害的損失評估等提供較準確的評判依據。

一、系統功能

1.系統支撐數據來源

該系統所需數據以現有氣象數據以及其他業務數據為核心，包括影像數據、DEM數據、河北省矢量地圖數據、氣象三維模型數據等，能夠支持在C/S架構下實現三維場景綜合展示、氣象信息展示、山洪地質災害模擬、淹沒分析等功能。

地理信息數據庫。該庫為基礎數據庫，在1∶25萬或1∶5萬的行政區劃、高程等信息基礎上，建立包括行政邊界、城鎮鄉村居民點、中小河流域、水庫、山洪溝、尾礦庫、自動氣象監測站和地質災害易發區等相關屬性信息。

氣象資料數據庫。該庫包括常規觀測的歷史與實時資料庫、特種歷史與實時資料庫和氣象災情庫。

2.系統平臺功能

該系統選擇國內自主開發的三維GIS平臺EV-Globe作為承載三維GIS氣象服務系統的基礎平臺，并將基于該平臺進行二次開發以達到系統設計要求。作為國產的新一代GIS系統平臺，EV-Globe在安全性、可靠性、運行效率和數據支持上都具有一定的優勢。系統平臺主要包括氣象實時監測數據展示、降雨場景模擬、山洪淹沒分析、山洪災害風險預警和輔助功能等5個模塊。

（1）監測數據展示

該功能主要展示了河北省中小河流域和山洪溝數據、自動氣象站監測數據、地質災害隱患點及尾礦庫等信息。

（2）降雨場景模擬

系統以自動氣象站實時監測數據為基礎，根據站所在位置的行政區劃確定降雨模擬范圍，結合遙感影像、地形信息、道路和行政區劃等數據，實現在三維場景中對降雨效果進行逼真模擬展示的功能。

（3）山洪淹沒分析

該模塊主要基于災害評估數據和精細化地理信息數據，結合降雨量實況、預計未來降雨量、面雨量和降水時長等要素實現降雨匯流淹沒模擬分析。

（4）山洪災害風險預警

該模塊基于淹沒分析模擬數據，進行山洪溝災害風險預警、地質災害隱患點風險預警、尾礦庫風險預警等，其中災害風險等級按照特別重大、重大、較大、一般共4個等級進行不同顏色的預警顯示。

（5）系統輔助功能

系統輔助功能主要有災害風險預警模擬輸出、系統截屏、距離測量、面積測量、坡度分析、通視分析等功能。

二、系統關鍵技術

系統中的關鍵技術包括：山洪溝面雨量的估算，降水致洪過程分析及致災臨界雨量的確定，洪水淹沒的動態模擬分析，承災體的數量、價值量與影響力分析，其中山洪溝匯流模擬和淹沒分析是一個比較復雜的過程，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數據做分析運算時，經常會發現某些異常點，這些點與周圍點構成的地形與實際的地形并不相符，甚至產生矛盾。這是因為采集DEM數據時，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象。這些數據的出現會影響正常的分析，特別是在判別地表洼地的時候，時常會出現許多異常的洼地，我們稱其為偽洼地。偽洼地的出現會誤導水流方向，所以，在進行洪水淹沒分析之前，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個格網單元的高程值都大于本身高程值的格網單元，判為洼地點；設置面積閾值或洼地容積閾值判定偽洼地；通過給偽洼地點高程賦以該周圍點的最低點高程，或者取周圍點的平均值，或者通過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DEM數據中每個柵格單元與相鄰8個柵格單元之間的最陡坡度來確定水流方向。

根據水流動力學原理，水流總是從地勢高的地方流向地勢低的區域。通過對比相鄰的格網單元，根據屬性值來進行排序，求取格網屬性值最小最大值。具體實現過程是：在垂直方向、水平方向上找到4個格網單元，找出最大高程點和最小高程點。同樣的方法在兩條對角線上找到最大高程屬性點和最小高程屬性點，并通過相應的公式即可求出水流的上游點和下游點。

（3）匯流量累計圖

流向分析：以數值表示每個單元的流向。數字變化范圍是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（見圖1）。

圖1　流向分析原理

在地表徑流模擬過程中，匯流累積量是基于水流方向數據計算而得到的。對每一個柵格來說，其匯流累積量的大小代表著其上游有多少個柵格的水流方向最終匯流經過該柵格，匯流累積的數值越大，該區域越易形成地表徑流。

（4）匯流過程展示

將山洪溝信息數據和地理地形信息數據進行疊加分析，最終將洪水匯流效果在平臺中展示出來，并以動畫方式輸出（見圖2）。

2.山洪淹沒分析

（1）淹沒分析關鍵技術

該系統通過降雨實況監測值解析和入庫，完成建立實況數據中心，對實況數據進行管理，為淹沒分析提供了數據基礎。

圖2　山洪匯流模擬展示

①根據不規則多邊形的外包圍盒，按照插值精度插值成規則格網，在多邊形內的格網參與以下計算，在多邊形外部則不參與計算。

②在子流域劃分時，根據周圍8個格網的高程，先求出各個格網的流向，采用改進的D8算法即Rho8算法，Rho8與D8相比較而言，考慮了地形的隨機性因素，在對角線方向乘以一個隨機變量，使得在平緩地區水流的方向更符合實際情況，同時也保留了D8易于實現、執行效率高等優點。

③根據格網與格網周圍8個格網的中心點進行比較，計算出局部最低點、局部最高點。從局部最低點格網進行反向追蹤，通過遞歸把流向該局部最低點的所有格網劃分為一個子流域。同時，通過從局部最高點開始，根據最高點的流向進行追蹤，直到局部最低點，形成一條徑流，比較子流域中徑流長度，選擇最大徑流。

④子流域邊界計算，從子流域右上側的格網開始，通過周圍8個格網判斷，遞歸計算直至和起始點重合，計算出子流域的邊界。以邊界最低點的高程為水面，計算出子流域的最大蓄水量，超過這個量，水就要流出。從邊界最低點開始，根據其與周圍不在同一個子流域的點進行高程判斷，判斷出如果子流域蓄水量過大的流程方向（流出的子流域）。

⑤模擬參數確定。計算植被截留、地表下滲、出水口流出等參數。

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

⑦基于實時數據與閾值之間的預警分析。

獲取過去1、3、6、24小時內的降雨量與閾值進行比較，以能高則高的原則確定風險預警級別。

（2）淹沒模擬展示

系統在實況數據解析入庫的基礎上，結合遙感影像、地形信息、道路和行政區劃等數據，實現了在三維場景中以淹沒區域直觀展示的方式監測災害發生與否的功能；為使效果更加直觀，系統根據淹沒區域災情程度的不同為淹沒區域賦予不同的預警顏色。

三、結語

根據河北省中小河流洪水與山洪災害特點，采用EV-Globe作為承載三維GIS的基礎平臺，通過對系統的需求分析，堅持統一規劃、安全高效、先進實用和可拓展性原則，對系統進行總體設計、數據庫設計和功能設計，實現了河北省中小河流洪水與山洪災害匯流模擬及淹沒分析的三維可視化和相關洪水淹沒信息的集成、管理、發布和共享等功能，建立了一套完整的河北省中小河流洪水與山洪災害匯流模擬及分析三維展示系統。其中系統中最為關鍵的技術就是山洪溝匯流模擬和淹沒分析這兩大功能所涉及的技術方法。系統的建立為開展山洪災害風險預警和淹沒分析提供了技術支撐。■

［1］黃先龍，褚明華，石勁松.我國山洪災害調查評價工作淺析［J］.中國水利，2015（9）.

［2］李丙輝.“96·8”河北洪澇災害探析［J］.安徽農業科學，2007（23）.

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

［4］李昌志，孫東亞.山洪災害預警指標確定方法［J］.中國水利，2012（9）.

［5］王文川，和吉，邱林.我國山洪災害防治技術研究綜述［J］.中國水利，2011（13）.

［6］郭良，唐學哲，孔凡哲.基于分布式水文模型的山洪災害預警預報系統研究及應用［J］.中國水利，2007（14）.

責任編輯韋鳳年

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，高級工程師，主要從事氣象災害防御技術研究。

河北省暴雨誘發中小河流洪水和山洪地質災害氣象風險預警服務試驗項目（20132030050504）。