三维GIS引擎与骨干河网防洪模型的融合与分析

夏勇 王磊 肖亮 蒋占军 高丹

摘  要：GIS（地理信息系统）经过多年的发展，在资源管理、环境监测、城市规划、土地管理、交通、水利、林业等行业广泛应用，GIS在应用中取得较快发展，三维GIS孕育而生，它以更逼真（全要素、三维）、更精细、更精确、更广泛（室内、地下、水下）、更快速、更实时和更便于进行统计分析被人们所追捧。文章以水利的防洪模型为应用场景，探索了三维GIS引擎与骨干河网防洪模型的融合与分析，阐述了城区骨干河网的三维建模、GIS系统的三维融合、城市防洪模型建立、防洪模型系统的推演分析等内容，以供大家参考。

关键词：三维GIS;防洪模型;智慧水利;水利信息化

中图分类号：P208          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）10-0021-02

Abstract： After years of development， GIS （Geographic Information System） has been widely used in resource management， environmental monitoring， urban planning， land management， transportation， water conservancy， forestry and other industries. GIS has made rapid development in application， and 3D GIS is born with more lifelike （full element， 3D）， more precise， more accurate， more extensive （indoor， underground， underwater）， faster and more real time and more convenient statistical analysis is popular. Taking the Flood Control Model of water conservancy as the application scenario， this paper explores the integration and analysis of the three-dimensional GIS Engine and the flood control model of the backbone river network， expounds the three-dimensional modeling of the urban backbone river network， the three-dimensional integration of the GIS system， the establishment of the urban flood control model， the deduction and analysis of the flood control model system， etc.

Keywords： 3D GIS; Flood Control Model; smart water conservancy; water conservancy informatization

1 國内外的现状分析

在我国，水利行业从80年代后期率先使用GIS技术至今，成果显著，小到简单的检索、查询和空间显示等GIS低层次利用，大到分析、决策、模拟和预测等高层次运用，其社会经济效益也比较明显地显示了出来，各省市水利部门也在积极推广应用。

在国外，Davis曾将HEC-1、HEC-2与GIS结合对洪水、水质和土坡侵蚀进行了模拟，可很好地用于洪灾损失评估。近来德国Geomer公司研制了基于GIS的水动力学模型——Floodarea，用于界定洪水淹没范围，能够预警可能的洪水风险。Overton结合GIS与RS建立了泛洪区洪水淹没模型，并在澳大利亚南部的Murray河进行了验证。

2 三维GIS的概念

三维是将采集以及经运算分析后对数据的表现、展示，三维数据相对二维数据更能表现出客观实际。二维和三维的本质区别在于数据分布的范围。对于一个二维GIS系统来说，可用一个表达式V=F（X，Y）来表示，其中（X，Y）是二维平面内的坐标，V是对应于此点的属性值。对于三维GIS来说V=F（X，Y，Z），其中（X，Y，Z）在三维空间是连续自由变化的，Z是一个独立变量，三维GIS具有连续的数据结构和与之相应的分析功能，由此带来的好处是可以从空间的角度分析和显示物体。

三维GIS的建立总体可分为三步：三维数据采集及处理、GIS基础软件引擎数据整合与发布、三维GIS与业务的应用。针对本次三维GIS引擎与骨干河网防洪模型下面分别从三个方面进行介绍。

3 城市防洪模型的建设方法

利用先进的计算机技术、计算方法来建立城市骨干河网防洪模型，准确地预测不同量级外洪及内涝可能形成的内河水位、淹没范围、水深、流速以及淹没持续时间，评估洪涝灾害的损失，对即将发生的洪涝进行实时预报，并为科学地制定防洪排涝方案提供参考和决策支持是目前城市防洪减灾新的研究方向。

3.1 城市防洪模型的基本构建

常规的水利模型可以分为两类：第一类是普遍在预报中采用的概念性水文模型如新安江模型、SAC、HBV、MIKE-NAM等;第二类是基于网格的分布式水文模型如网格新安江模型，HL-RMS、美国国家水模型、LISTFLOOD等。流域型水文模型是描述流域降雨径流形成过程的各函数构成的一种物理结构或者概念性结构，是当今水文预报的基本工具。

本文以江苏省江阴城区为典型示范区进行城市骨干河网防洪模型的建设，针对江阴城区所处的地理特征和城市化特征，建立在降雨-产汇流结合的模型，将区域下垫面划分为水面、水田、旱地、建设用地等各种下垫面形态。根据区域蒸发资料整理出水域的蒸发规律，建立水面产流模型;根据降雨后旱地的雨量再分配过程，建立反映雨量再分配的新安江产流模型等;根据城市建设用地的蒸发规律，建立城市产流模型。根据数字流域理论，利用GIS管理各种下垫面的空间拓扑关系，建立全数字化具有空间拓扑关系的分布式区域产流模块。准确地预测不同量级外洪及内涝可能形成的内河水位、淹没范围、水深、流速以及淹没持续时间，评估洪涝灾害的损失，对即将发生的洪涝进行实时预报，并为科学地制定防洪排涝方案提供参考和决策支持。

3.2 模型应用模式的设计与分析

模型设计三种模式设计为：常态应用模式、警戒应用模式和应急应用模式。

无降雨期间的常态模式下，用户可以使用系统进行：

监测信息（水文、气象、闸站）和预报信息（降雨和潮位）的浏览、查询和分析（降雨、潮位、风场动态展现、时间系列曲线、单站或多站比较、空间分布）。

警戒应用模式下，用户可以使用系统进行：

查看降雨站点监测数据警戒状态的空间分布，以及潮位站点警戒状态的空间分布;查看系统集成的气象预报信息动态变化，分析降雨和预报降雨的情形变化。

在警戒应用模式下，如分析判断的水情形式严峻，用户可利用系统进行应急模式应用。

启动内嵌河网模型进行模拟计算预报。系统将连接中央数据库导入用户连接的最新的各站点的监测降雨、河网水位，模拟更新河网模型的计算边界条件，采用预报降雨和潮位信息进行模拟计算，并返回计算成果到系统平台中。平台根据预报的河网水位和片区积水模拟情形进行汛情预警，用户可从空间和时间序列上进行分析查看。

4 三维GIS引擎建立与防洪模型的融合

4.1 江阴城区已具备的研究基础

江阴市水利局自2012年以来，根据行业现状和水利现代化发展需要，明确了智慧水利建设的重要性和战略意义，加快推进并不断提升完善水利数据中心、物联网传感控制平台等，实现了水利多部门的多系统的数据整合和数据优化，形成了江阴智慧水利的综合数据库，具备对信息数据实时与非实时的获取能力。

4.2 骨干河网的三维数字建模

骨干河网的三维数字模型的建立是三维GIS系统的基础。根据目前已有的江阴城区骨干河网的二维GIS数据、地形数字高程数据、卫星影像数据等，运用三维建模软件AutoDesk Revit与Google SketchUp结合ArcMap软件建立骨干河网三维数字模型。

主要内容包括：

ArcCatalog创建Personal GeoDatabase，通过ArcMap加载影像数据，选取所需建模区域影像数据矢量化并添加高程数据。

在ArcScene中浏览矢量化数据，并通过ArcGlobe加载影像数据，选取所需矢量数据运用SketchUp ESRI插件将面图层导出为skp文件格式。

将导出的文件加载至SketchUp中，添加适当纹理与贴图后导出为Multipatch模型。

4.3 三维模型与GIS引擎的加工融合

三维模型与GIS引擎的加工融合是三维GIS系统的关键，根据建立完成的骨干河网三维模型，运用ArcScene、ArcServer等软件进行三维数字模型的导入，并对应GIS系统坐标系，利用ArcGIS For JS API将GIS地图通过WEB瀏览器进行呈现，实现场景放大、缩小、移动、旋转，并可实时改变视角、视野、视距、飞行角度和高度等。

4.4 三维GIS下防洪模型系统的应用

根据降雨-产汇流结合的模型算法推演结果，采用ArcGIS作为GIS基础平台，基于WebGIS技术，在网络环境下实现数据无缝组织、管理和可视化。采用B/S架构搭建，所有的空间数据、属性数据、模型推演结果等存放于服务器端，通过Web浏览器实现在线数据访问。

系统设计开发以数据库技术、网络技术、地理信息系统技术和降雨-产汇流结合的模型算法为支撑，以空间数据、属性数据、模型推演结果为基础，通过对空间数据和模型推演结果的存储和管理，建立数据管理、模型推演结果分析和三维GIS展示为一体的综合展示系统。

5 优势分析

三维GIS空间信息的展示更为直观。用二维的图形界面展示空间信息是非常抽象的，只有专业的人士才懂得使用，相比二维GIS，三维GIS为空间信息的展示提供了更丰富、逼真的效果，使人们将抽象难懂的空间信息可视化和直观化，从而做出准确而快速的判断。

多维度空间分析功能更加强大。利用三维GIS进行骨干河网防洪模型的推演与分析，从淹没分析、地质分析、空间扩散分析、通视性分析等多维度空间进行呈现，从而更逼真更精细、更精确的为防汛决策提供支撑。

6 结束语

本次以江阴城区为典型示范区，利用三维GIS引擎技术与骨干河网防洪耦合模型耦合融合，将计算机的技术与水利行业应用相结合，接入实时监测数据，对未来城市防洪形势进行模拟推演、各类调度方案进行模拟分析，提出水利工程调度优化方案和水体管理应急预案，以三维GIS的形式进行呈现，直观，清晰的反映了河网洪水趋势变化。

本文仅以三维GIS与江阴城区骨干河网防洪模型进行初步融合，计划今后进一步升级，以全息沙盘的形式进行呈现，以更好的视觉冲击，服务好水利行业。

参考文献：

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