GIS技术在防汛应急测绘的应用——以牛山湖淹没分析为例

陈涛，彭清山，简金辉

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

GIS技术在防汛应急测绘的应用
——以牛山湖淹没分析为例

陈涛*，彭清山，简金辉

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

随着测绘技术从数字化向信息化不断地发展，测绘部门有必要为各部门提供实时应急的测绘支撑和服务，满足突发事件应对的需求。在2016年武汉特大暴雨洪涝灾害下，武汉市测绘研究院以基础地理信息资源为基础，以GIS分析技术为手段，综合运用各类专题数据资料，对湖泊的淹没范围进行预测和评估，计算和模拟出指定水位下的洪水淹没演进结果，为退垸还湖并安全疏散群众提供可靠的科学依据。

城市防涝；DEM内插；等高线模拟；武汉市

1 引 言

对突发灾害事件的应急处置，都需要利用测绘部门提供的地理底图和专题资料。作为了解灾情和制定决策的重要载体和依据，政府有关部门在应急处置过程中需要及时、准确、全面地了解事发点以及周边的空间信息，随着测绘技术从数字化向信息化的不断发展，测绘部门有能力、也有责任为相关部门提供实时应急的测绘支撑和服务，满足突发事件应对的需求，从而提高政府部门处置应急事件的时效性和准确性[1]。

2016年6月，湖北地区持续暴雨，多地出现洪涝灾害。湖北省决定对武汉梁子湖流域的牛山湖破垸分洪。这就需要在极短的时间内对牛山湖分洪后的水位淹没情况做预测和分析。武汉市测绘研究院接到任务后，以地理信息技术为基础，综合运用各类专题数据资料，在GIS平台下对湖泊的淹没范围进行预测和评估，计算和模拟出指定水位下的洪水淹没演进结果。

2 DEM表面内插精化

数字高程模型(Digital Elevation Mode，简称DEM)，是以数字的形式按一定结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的模型，也是地形形状高低起伏的数字描述。DEM通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵表示，广义的DEM还包括等高线、不规则三角网等所有表达地面高程的数字表示[2]。现有资料的DEM精度无法满足淹没分析的要求，因此需要进行内插精化。本文使用 1∶2 000地形图提取高程点和不连续高程线进行表面插值模拟DEM。表面插值方法有反距离加权(IDW)、克里格(Kriging)和自然邻域(NNI)法。IDW是对各个像元邻域中的样本数据点取平均值评估；Kriging是对散点高程进行加权评估得到预估表面；NNI是找到距散点最近的输入样本子集，然后基于区域大小按比例对这些样本进行加权插值。所有点都与邻近泰森多边形关联，当在数据集中插入一个新点(红星)时，自动创建新的泰森多边形，并与原始多边形之间的重叠占比值用作加权值[3]，如图1所示。

图1 在插值点周围创建的Voronoi多边形示例

插值过程：将等高线离散化，再把离散点和高程点融合，利用离散点高程使用上述三种算法生成DEM，对不同算法生成的DEM质量进行评估。根据本文洪山淹没分析的精度要求，将插值生成的DEM格网大小设定为 1 m。

DEM精度一般取决于散点精度和内插方法。将不同插值方法得到的DEM结果与实际采样点的高程值进行比较，根据两者的误差大小评判插值方法的优劣。本文的误差评判方法采用均方差(RMSE)、拟合度(R2)这两个参数，对各误差绝对值范围内误差点的分布进行统计。

图2均方差、拟合度的计算公式

其中：Zk为采样点k的实际高程，zk为采样点k的高程估算值，z为实际高程值的均值，n为采样点数。

牛山湖位于武汉市东南部，本文采用1985黄海高程系，该范围内最高点高程约为 65.4 m，面积约 80 km2。在区域内布设50个具有代表性、均匀分布的高程采样点，采用GPS对各采样点进行定位，记录各点实际高程值，作为最终分析验证的参照数据，如图3、图4所示。

图3 牛山湖原始数据

图4 插值后得到的DEM

不同算法内插结果误差 表1

从表1可以知道，各种方法的均方误差均小于 0.17 m(1∶500数字高程模型的精度标准规定，平地的格网点高程中误差在 0.17 m)，都符合精度要求。整体上，NNI方法生成的DEM高程误差各项指标都最小、R2最大(更接近1，模拟计算结果更好)，说明NNI的精度相对较高。

3 基于DEM的淹没范围提取

分洪淹没的机理是由于泄洪区和分洪区有通道(破堤分洪)和存在水位差，因而产生淹没过程。分洪淹没的结果是泄洪区和分洪区的水位达到平衡状态，此时的淹没范围即最终的淹没区[4]。本次牛山湖分洪属于洪水淹没类型中的有源淹没，是考虑到地表连通性而造成的水位抬升的淹没情况。凡是高程值低于给定淹没水位高程值的散点都记入淹没区，最终聚类出被淹没的范围。

本文插值得到的DEM的存储格式为IMAGINE Image，该格式是由一系列表示地面点的栅格像元Z(x，y)以及所具有的像素值Z组成，Z值代表高程值。通过这个二维数组，可以很容易地进行处理和运算[5]。其数字表达式为：

DEM={Z(x，y)}x=1，2，…，m；y=1，2，…，n

每个栅格像元Z(x，y)四周有8个领域的栅格像元Z(i，j)。对于指定的洪水水位(H)，可以从源点Z(x，y)开始，利用多线程算法进行8邻域搜索来逐步获得洪水淹没范围。其流程如图5所示：

图5 给定洪水水位(H)淹没范围计算主要流程

(1)推演淹没水位高程。淹没区的水位高程主要依靠实地测量数据，同时分析汛期中不同时段的水位高程记录以及参考历史汛期时航测照片数据，使用水文水力学模型演算得到预估淹没高程值。经过反复精确计算，牛山湖的破垸分洪的峰值水位为21 m，也就是淹没水位高程(H)值是21。

(2)记录DEM数据信息。创建用于存储DEM数值的二维数组和Bool型数组。ArryList型的二维数组用于记录从DEM中读取Z值低于淹没水位高程(H)栅格点；Bool型的数组用于记录该栅格点是否被访问过，使用“True”和“False”进行标记[6]。

(3)读取DEM相关数据。使用IRasterCursor和IPixelBlock3这两个ArcEngine的组件接口来获得DEM的坐标及其Value值[7]。具体方法是通过IRasterCursor获得整个区域DEM的栅格游标，然后调用IPixelBlock3获得二维数组等有效数值。

(4)遍历8邻域栅格。首先在ArryList数组中引入源点，并把相应Bool型的数组赋值“True”。然后从源点开始搜索周围8邻域的栅格像元Z(i，j)，把满足Z(i，j)≤21 m的点加入ArryList数组中，并删除第一个栅格点，再以邻域中满足条件的点为源点进行8邻域搜索循环，直到ArryList数组为空则终止循环[8]。

(5)连点成线。依次获取Bool型数组中标记为“True”栅格点的中心点坐标，使用Points To Line函数将点依次连成线，该线就是预测洪水淹没的范围线。

图5 根据DEM提取的淹没范围线

4 结 论

本文通过测绘单位掌握的基础地形资料，通过表面内插得到精细化的DEM，然后根据有源淹没原理，使用GIS技术实现洪水淹没范围的提取。整个过程严谨、快速和准确。从武汉市防汛指挥部反馈的结果是牛山湖淹没范围成果直观和准确，论证了京广高铁、沪渝、京珠等交通动脉的安全性，市政府迅速完成了千余名群众的转移安置工作，为次日的牛山湖破垸分洪这种突发事件提供了必要的应急测绘保障。该方法切实有效，便于推广应用，为快速、准确及科学地进行洪灾评估等应急测绘提供良好的参考方法，能对洪涝灾害进行有效的评估和预测分析。

[1] 尹杰，万远，杨玉忠等. 测绘地理信息在应急测绘中的应用[J]. 中国应急管理，2015(10)：48～51.

[2] 邬伦. 地理信息系统[J]. 科技术语研究，1999(2)：34～35.

[3] ESRI. ArcGIS Help[R]. ESRI Inc，版本10.2.

[4] 祝红英，顾华奇，桂新等. 基于ArcGIS的洪水淹没分析模拟及可视化[J]. 测绘通报，2009(5)：66～68.

[5] 边淑莉，柳佳佳，王海龙等. 基于规则格网DEM的等高线提取算法的优化与实现[J]. 测绘科学，2008(6)：151～153.

[6] 姬英杰. 基于离散点生成等高线图算法的研究与实现[D]. 太谷：山西农业大学，2014.

[7] 张东华，刘荣，张咏新等. 一种基于DEM的洪水有源淹没算法的设计与实现[J]. 东华理工大学学报，2009(2)：181～184.

[8] 王涛，毌河海. 一种从高程格网中提取等高线的算法[J]. 测绘科学，2006(2)：108～110.

ApplicationofGISTechnologyinFloodControlEmergencyMapping——ACaseStudyofSubmergedFloodingofNiushanLake

Chen Tao，Peng Qingshan，Jian Jinhui
(Wuhan Geomatic Institute，WuHan 430022，China)

With the continuous development of Surveying and mapping technology from digitalization to information technology，it is necessary for surveying and mapping departments to provide real-time emergency mapping support and services for various departments to meet the needs of emergency response. In 2016 Wuhan torrential flood disaster，Wuhan Institute of Surveying and mapping based on fundamental geographic information resources，with the analysis of GIS technology，the integrated use of various thematic data，inundated area of lakes for prediction and assessment，calculation and Simulation of evolution results under specified water flooded flood，provides reliable science according to back safe evacuation of the masses.

urban waterlogging；DEM interpolation；contour simulation；Wuhan

1672-8262(2017)06-53-03

P208.1

B

2017—01—22

陈涛(1981—)，男，硕士，高级工程师，注册测绘师，主要从事GIS数据处理及GIS系统开发工作。