ArcGIS在生態水面淹沒范圍計算中的應用

黃一帆，李文輝

（寶雞市水利水電規劃勘測設計院,陜西 寶雞 721000）

近年來隨著城市的快速發展,為提升城市發展需求及城市的人居環境,合理利用城區河流水資源,越來越多的“生態水面工程”被提上城市規劃日程。水利設計領域也接觸愈來愈多的河道生態水面相關的設計項目,該類項目最主要的也是水利工作最關心的技術問題即是行洪與淹沒的安全預警分析問題,而如何快速且精準的繪制和計算淹沒范圍成為水利設計工作者日常設計的技術難題。

傳統設計工作領域上的生態水面相關設計對淹沒面積計算和制圖均采用常規CAD軟件進行,人工對不同工況下水位識別后繪制和計算淹沒范圍,該工作需設計工作者具有豐富經驗,對地形圖識別能力強,且該工作循環進行,插值中出現的誤差因人而異,不同設計人員繪制和計算出的結果也相差較大,因此快速準確的繪制不同工況的淹沒范圍成為日常水利設計工作中亟待解決的問題。本文利用ArcGIS的數據空間分析及可視化的功能,可對河道內擬規劃的不同工況淹沒范圍進行模擬,并與傳統設計方式進行結果對比,為設計人員減少工作量的同時提升了設計工作的精準度。

1 方法簡介

1.1 軟件簡介

我國GIS軟件在工程設計中應用較晚,尤其在水利工作中,ArcGIS軟件是美國環境系統研究所開發的新一代GIS軟件,其下3D Analyst模塊具有疊加格柵和矢量數據的功能,通過該模塊的使用可以對矢量數據進行表面分析和統計,提高矢量數據在空間上的應用。

1.2 分析方法

本文通過對帶有高程的原始河道數據信息進行格式的轉換將TIN數據導入ArcMap中,利用其下3D Analyst下轉換工具,將TIN轉為格柵數據,并在格柵計算器中對數據進行不同工況下面積因子的提取,最終模擬出不同工況下的淹沒范圍[1]。

2 實例應用

2.1 研究區現狀

“陸港生態水面工程”位于寶雞高新區科技新城陸港大橋上游河道處,其規劃的攔河橡膠壩位于渭河陸港大橋下游981 m,壩長600.0 m,橡膠壩底板高程519.0 m,壩頂高程524.0 m,設計壩高5 m。渭河該段河道現狀比降2.6‰,河道兩側堤防頂高程為530.9 m～535.7 m,河床平均底高程518.0 m（本次研究選擇河段基礎數據為未修建陸港大橋）。工況選擇分別為10 年、30 年和壩前最高三種工況,其中10 年一遇洪水在壩前達到521.35 m,30 年一遇洪水在壩前達到522.66 m,達到壩頂時水位高程為524.00 m。

利用ArcScene做出河道3D模型圖,據以分析現有數據呈現的河道三維圖與現狀河道的差異,提煉數據利用精準度,同時為凸顯數據模擬結果,將其縱向垂直夸大比例選擇為20倍。通過圖1可以明顯看出河道兩岸堤防與河道內繪制結果為齒狀線,與現狀河道兩岸堤防與河道內平順線擬合度不高,原因一方面是現有數據密度較低,在插值時呈現為孤點,兩點之間連貫性較差,線條光滑度不足；另一方面河道內繪制垂直比例較大,垂直方向凹凸較常規河道擴大20 倍,從河道內圖形分析基本符合河道現狀。因此河道內數據利用精準度較高,擬合結果較好,基本可以反映河道內真實情況。

圖1 研究區河道3D模型圖（z放大20倍圖）

2.2 數據處理

（1）TIN數據的創建

打開ArcMap軟件在添加數據中導入excel文件后,將導出的excel文件轉為shp文件,之后在3D Analyst模塊下創建新的TIN文件,將其shp文件中數據轉為TIN數據,并按指定路徑輸出TIN。

（2）TIN轉格柵數據

在3 D Analyst模塊下將輸出的TIN數據進行轉換,并按指定路徑輸出。

（3）面積因子提取

在Spatial Analyst模塊下打開格柵計算器,并在格柵計算器下分別對不同工況下淹沒范圍格柵進行模擬計算[2-3]。

2.3 淹沒計算

通過上述方式對已經擬合分析后的數據進行淹沒范圍的格柵計算,分別繪制出該段河道10 年、30 年和達到壩頂高程時的淹沒范圍圖（依次分別為圖2 的a、b和c）。藍色代表水面,綠色代表河道內為淹沒區域。

圖2 淹沒范圍圖

2.4 對比分析

通過對三種工況下淹沒范圍圖的繪制,首先直觀上觀察到10 年、30 年和壩頂高程時三者淹沒范圍符合水位規律。其次可以觀察到淹沒水面在三種工況下均出現散點情況,水系連通性較差,原因主要有兩點：一是數據提取精準度有偏差,原始數據提煉中使用的coodsheet軟件對地形圖中高程數據區若干點存在誤差；二是數據密度疏散,兩個數據間隔超過40 m,超過設定插值關聯范圍,導致軟件在插值識別過程中以其為孤立點進行插值,但其主要原因還是因為數據關聯超過插值設定范圍導致。

2.5 成果對比分析

分別對傳統設計工作常用方法和ArcGIS軟件對淹沒范圍計算成果進行對比,對比結果見表1。

表1 成果對比表

從表1 中可以看出,采用軟件計算出的結果較傳統設計方法計算出的結果基本一致,在30 年和壩頂高程兩種工況下ArcGIS軟件計算出的格柵范圍與回水長度不成正比增長關系,統一表現為回水長度較傳統方法偏小而淹沒面積較傳統方法偏大,經過地形圖對比分析其問題在這兩種工況下ArcGIS軟件模擬計算時由于數據密度不高導致的孤立散點較多,傳統設計繪制淹沒范圍時,一旦遇高程點滿足將不再繼續延續淹沒范圍,因此軟件計算的偏大部分多數來源于孤立點面積,而10 年一遇工況下孤立點較少,因此差值也較其他工況偏小。

3 結論

隨著日常水利設計領域對淹沒計算要求的提升,傳統方式已無法滿足設計緊迫時間和高精準性的要求,傳統對淹沒范圍計算工作由于河道水流的時空復雜性及基本資料的有限性,導致設計結果較為粗糙,對之后工程設計的準確性和河道安全行洪影響甚大,因此該部分設計在整個工程中既起到基石作用,又起到河道安全預警作用[4]。

通過上述ArcGIS軟件對三種工況淹沒范圍的繪制和計算,得到如下結論：

（1）本次研究范圍河道基礎數據間距較大,關聯性較弱,在局部點位呈孤立點插值,曲線光滑度不高,尤其兩岸堤防點位間距較大,模擬結果呈鋸齒狀,但該狀況并不影響本次淹沒分析,若增大數據密度即可解決該問題。

（2）通過上述計算數據結果看,ArcGIS軟件計算結果精準度高,較傳統計算結果偏大,從安全角度分析該計算安全度更高。

（3）在利用傳統方式繪制和計算時,插值過程中精準度不高,但能人為地規避因缺乏數據導致的孤立點的存在,人工將線條繪制光滑,因此在基礎數據稀疏且精度極不高時避免采用ArcGIS軟件進行繪制和計算淹沒范圍。

綜上所述,ArcGIS軟件在水利設計工作中能夠為設計工作者提供更便捷的計算方式,為日后規劃設計提供更精準的計算結論,同時能夠避免更多偶然誤差出現。鑒于安全角度該軟件在基礎數據缺乏時計算與繪制淹沒范圍偏大,雖繪制圖面圓弧度不足,但足以滿足設計規劃需求,因此在日常設計領域中值得推薦。