基于地表模型的城市易集水区域普查——以宁波市为例

叶子伟，赵赛帅，梁寒冬，李璐，吴秀芸

(宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315040)



基于地表模型的城市易集水区域普查
——以宁波市为例

叶子伟*，赵赛帅，梁寒冬，李璐，吴秀芸

(宁波市测绘设计研究院，浙江 宁波 315040)

城市暴雨内涝灾害频发，严重威胁城市正常的生产生活活动。快速有效地确定城市易集水区的主要分布区域，能为城市暴雨内涝防灾减灾工作提供直观的决策参考依据，同时为后续风险灾害评估研究提供基础数据准备。研究基于精细化城市地表模型，考虑地形因素，结合具有优秀空间分析能力的GIS技术，以宁波市为研究区域，探讨城市易集水区普查的方法可行性，同时生成易集水区域的积水深度计算工具，以期为后续灾害风险评估提供主要的评判因素，为宁波市城市内涝治理及风险防控提供科学参考依据。

城市内涝；地表模型；GIS；地理国情普查；宁波

1 引 言

暴雨内涝通常指因经历长时降雨或短时暴雨导致的地面雨量过多，在地势低洼区域，积水不能及时排除而造成的积水灾害[1]。暴雨内涝的发生往往对城市的建筑、道路、通讯设施等造成巨大破坏，严重时甚至造成人员伤亡[2]。近年来，暴雨内涝灾害在我国多个城市(北京、上海、南京、武汉等)频繁发生，造成的生命财产损失逐年增加，给城市正常生产和居民日常生活造成很大影响，逐渐演化为一种严重的城市灾害，引发了社会的广泛关注[3]。

为减轻城市暴雨内涝的损失，内涝防灾减灾工作正在逐步开展，防灾减灾研究也不断地得到重视与深入[4]。其中，内涝风险识别和评估是灾害预防的重要手段，目前风险识别主要立足于历史灾情统计数据[5]、构建指标体系评估[6]以及根据数学模型进行情景模拟[7]等三类方法，来分析城市内涝过程中的降水强度、分布情况、积水程度以及排水设施工作能力等情况，实现内涝灾害风险的评估，进而为城市防洪排涝、市政规划提供决策支持[8]。城市内涝积水区域的划定是内涝风险识别和评估的先决条件与核心内容，因而如何快速精确地划定城市内涝积水区域是城市内涝防灾减灾工作中首要解决问题。目前，内涝积水区域划定主要基于实地高程点采样，并运用插值方法进行地表模拟，随后根据ArcGIS水文分析模块进行汇水区域计算[8，9]，此类方法在研究区域较小、精细化程度要求较高方面具有一定的效果与优势。然而，在推广到大范围研究区域、地表模型精细程度更高的情况下进行内涝积水区域划定时，此类方法存在着划分过细，数据处理强度大，时间成本高等问题。

随着机载激光点云以及车载激光点云获取处理技术的不断发展成熟，覆盖区域越来越广、尺度越来越精细化的城市地表模型的获取逐渐成为可能，为基于地表模型的城市内涝积水区域划定提供一种新的解决方案[10，11]。因此，本研究以宁波市为例，基于精细城市地表模型，集成多种GIS空间数据处理方法，探讨了一种城市易集水区快速准确提取方法，以期为内涝灾害风险识别与评估工作提供技术支持，同时为城市内涝治理及风险防控提供科学参考。

2 城市易积水区普查内容与数据

2.1 普查内容

浙江省宁波市位于我国东部沿海，频受台风带来的暴雨灾害侵扰，加之宁波的城市化水平不断加速，城市不透水面比例逐渐升高，地表下渗减小，使得宁波城市内涝灾害频发[12]。针对宁波市受台风暴雨带来的城市内涝使得城市居民遭受重大损失，研究决定对宁波市易集水区展开普查工作，切实摸排城市集水情况。本次研究的普查范围为宁波市规划六区(海曙区、江东区、江北区、鄞州区、北仑区以及镇海区)的建成区范围，面积共 383.474 km2。本次研究的普查内容为根据精细城市地表模型结合城市涝水位标准高程值提取城市易集水区，并统计集水区的积水深度，为后续城市易集水区成果推广应用提供主要参考决策依据。

2.2 数据

(1)地表模型数据：地表模型数据分为DEM数据和DOM数据。地表模型数据为本研究的核心基础数据，来源于宁波市第一次地理国情普查领导小组办公室提供的《宁波市地理国情普查高精度地表模型制作》项目成果。DEM成果采用 1∶2 000比例尺分幅，空间分辨率为 0.5 m，研究区数据建设完成时间为2014年，是城市易集水区提取的主要基础数据；DOM数据，采用 1∶2 000比例尺，地面分辨率为 0.2 m，数据建成时间为2015年，作为易集水区检查的主要依据。

(2)建成区数据：海曙区、江东区、江北区、鄞州区、北仑区以及镇海区的建成区数据由宁波市第一次地理国情普查领导小组办公室提供，数据建设完成时间为2014年，作为研究区的范围线。

(3)DLG水系图层：水系图层来源于宁波市基础地理信息数据(1∶500数字线化图)，主要包括宁波市域范围内的主要河流、沟渠、坑塘等，数据建设完成时间为2015年，作为研究区水系面的参考数据。

(4)其他参考资料：研究采用的20年一遇涝水位高程值来源于2015年《宁波市中心城排水(雨水)防涝综合规划》，以规划工况20年一遇涝水位(高程加上适当超高 10 cm～15 cm)为标准，低于该标准的区域为城市易集水区。除北仑区分为不同标准高程值以外(根据各街道分为 2.60 m、2.30 m、2.32 m、2.46 m、2.88 m)，海曙、江东、江北、鄞州以及镇海各区均为 2.60 m。

3 方法

通过以城市地表模型数据为基础，结合GIS数据处理及空间分析功能，实现城市易集水区自动化提取，并统计易集水区平均积水深度，达到宁波市易集水区普查的目的，技术流程图如图1所示：

图1 技术流程

3.1 数据预处理

数据预处理主要包括点云数据处理、DEM数据制作、外业车载激光测量补充DEM、研究区掩膜以及水系区域抠除等。具体流程包括将机载激光雷达点云数据进行自动分类和人工分类，根据研究区情况选取地面点按 0.5 m×0.5 m格网大小进行内插，获取DEM数据；对于部分机载雷达点云的“阴影区域”，如隧道、下穿道路、高架桥下面等区域，采用车载激光雷达进行补测，最终形成覆盖全研究区域的完整精确的城市DEM数据；随后套用规划六区建成区范围线进行DEM掩膜；最后根据 1∶500数字线划图中的水系面数据将研究区内部河流、坑塘、沟渠等水系区域抠除，形成可供提取城市易集水区的DEM。

3.2 城市易集水区提取

根据宁波市规划六区各区20年一遇的涝水位确定的标准高程值，研究此情境下研究区内易集水区域分布情况。在预处理后的DEM基础上，根据标准高程值确定低于该高程值的区域为城市易集水区初始区域，运用ArcGIS进行初始区域提取，将城市低洼DEM转化成易集水区图斑。由于栅格数据转换成矢量图斑之后，存在突起、孔洞、碎斑、毛刺等图形不规整现象(如图2所示)，需要对其进行处理以满足后续成果转化利用的要求。

图2 易集水区图斑处理示意图

研究利用ArcGIS ModelBuilder进行建模实现上述思路，针对突起、孔洞、碎斑、毛刺等问题，通过集成属性提取、栅格矢量转换、孔洞消除、斑块聚合、边缘平滑等一系列功能，通过顺序安排逐一消除上述图斑不规整问题，形成城市易集水区提取工具集(如图3所示)。根据《宁波市城市低洼地段和道路易积水区普查技术规程》确定将小于 100 m2孔洞进行填充，相邻斑块不超过 5 m的图斑合并，小于 20 m2凸起进行平滑。根据上述规定设置相应的工具集参数，实现城市易集水区自动化提取，最后结合研究区DOM影像数据、原始DEM数据以及地形图等资料，对城市易集水区图斑进行人工检查编辑，形成最终的城市易集水区图形数据。

图3 城市易集水区提取工具

3.3 集水区平均积水深度计算

积水深度是表现城市易集水区的积水强度的主要因素，也是灾害风险评估研究领域中的重要指标。本研究中的平均积水深度是由研究区内标准高程值减去易集水区块内平均地表高程值计算得出，如下式所示：

h水深=H标准-havg

h水深为平均积水深度，H标准为各区标准高程值，havg为地表平均高程值。havg通过如下方法求解：

叠加城市DEM和易集水区图形数据，统计每个易集水区区域内栅格单元高程的平均值，并将该高程值赋予属于该集水区斑块内的所有栅格单元(如图4所示)，最后通过点数据属性获取的形式，将该地表平均高程值传递给城市易集水区斑块。

研究利用ArcGIS ModelBuilder进行建模实现上述思路，通过集成掩膜提取、区域平均值统计、空间关联、属性计算等功能，形成平均积水深度计算工具(如图5所示)，以城市DEM和城市易集水区为输入项，实现城市易集水区平均积水深度自动化计算功能。

图4 平均高程值统计示意图

图5 城市易集水区平均积水深度计算工具

4 普查结果

根据各区20年一遇涝水位的标准高程值，基于城市地表模型，运用本方法进行的城市易集水区普查工作，并将菲特(2013年)、灿鸿(2015年)、杜鹃(2015年)等台风期间宁波市城管、交警等部门发布的积水信息作为验证资料，发现本研究基于城市地表模型提取的易集水区对台风积水点的覆盖率达到100%，很好的验证了本方法的可行性与准确性。

统计各区的城市易集水区面积分布，如表1所示：

宁波市城市易集水区普查成果表 表1

5 结 语

基于城市地表模型的易集水区提取方法具有自动化程度高、速度快、成本低等优势，在城市受水灾侵害时，能快速准确地提供易集水区的分布以及各区域的积水深度情况，摸清地理现状，全面排查宁波市内涝隐患点，充分发挥测绘地理信息的监测、监管作用，可为水利、城管、规划等部门开展城市内涝排水防治工作提供快速便捷的决策依据。

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The Urban Waterlogging Area Survey Based on the Surface Model——A Case Study of Ningbo City

Ye Ziwei，Zhao Saishuai，Liang Handong，Li lu，Wu Xiuyun

(Ningbo Institute of Surveying and Mapping，Ningbo 315040，China)

The frequent occurrence of urban waterlogging disaster，became a serious threat to the city's normal life and production activities. Accurately and effectively determining the distributed of urban waterlogging area can provide an intuitive decision reference for urban rainstorm waterlogging disaster prevention and mitigation. This research based on the urban surface model，considering topographic factors，combined with the GIS technology of which got an excellent spatial analysis ability，studied on the feasibility of the extraction method of urban waterlogging area with the study area setting in Ningbo City，thus in order to provide scientific reference for the risk prevention and control of the urban waterlogging.

urban waterlogging；surface model；GIS；geographic conditions survey；Ningbo

1672-8262(2016)05-30-05

P208.2

B

2016—07—14

叶子伟(1974—)，男，高级工程师，主要从事摄影测量与遥感，地理国情普查等工作。