GIS在洪水淹没灾害评估中的应用

胡瑞鹏1，黄少华2，3 ，王　迅4

(1.武汉工业学院计算机与信息工程系，湖北　武汉　430023；2.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北　武汉　430079；3.长江水利委员会长江勘测规划设计研究院, 湖北　武汉　430000；

4.武汉市政工程设计研究院，湖北　武汉　430015)

摘　要：洪水淹没灾害评估是一个十分广泛的课题，其中洪水淹没范围及水深的确定是核心。介绍了基于GIS的洪水淹没范围计算原理及算法实现，并利用数字高程模型DEM，模拟夯川水库洪泛区域内的淹没水深，从而为快速评估洪灾损失与防洪决策服务提供科学的依据。

关键词：GIS；洪水灾害评估；淹没灾害；数字高程模型；淹没范围；淹没水深

中图分类号：P208　　　　　文献标识码：A 　　　　　　文章编号：1672-3279(2007)02-0005-04

第2期 2007年6月水利水文自动化

Automation in Water Resources and Hydrology

NO.2 Jun.,2007

0 　前言

我国是一个洪水灾害频发而严重的国家，自古以来，人民在社会经济生活中就离不开抗洪救灾以争取生存和发展。由于洪水具有不确定性、突发性、区域性等特点，要及时迅速了解洪水的发展态势，全面掌握灾情进展，准确评估洪水灾害损失等，仅仅依靠通讯与地面交通工具是难以实现的。而现代遥感、GIS 和数据库技术，以及数值模拟、数学模型等科技成就的发展为洪水灾害的调查、计算、模拟、分析、评估和防治提供了崭新的手段。

近几年来，将GIS 技术与水动力模型相结合，根据数字高程模型DEM ( Digital Elevation Model ) 提供的三维数据来预测、模拟显示洪水淹没区，并进行洪水灾害评估，已成为GIS 应用和水利部门的一个非常活跃的研究课题。在GIS 和空间数据库支持下的基于GIS 的洪水淹没灾害损失评估不完全依赖于灾害统计数据，而是充分利用洪水灾害的自然特征和社会经济指标，运用信息提取、空间分析和数学模型等方法，获取洪水灾害程度的空间分布结果，从而使洪水淹没灾害评估的空间信息更为详尽。本研究以数字高程模型DEM 为基础，运用GIS 的空间分析功能，研究试验区夯川水库的洪水淹没范围和水深。

1 　基于GIS的洪水淹没范围计算

洪水淹没范围计算分析是洪水灾害损失评估的前提和基础。它根据水库调度（实际、预报、设计和历

史等调度）的出库洪水过程，配合大比例尺的数字化地图，利用淹没范围模拟算法计算洪水淹没范围，并动态显示洪水淹没的演进过程和区域，为后续进行的洪水灾害损失评估提供淹没深度和面积等重要的实时数据信息。

1.1　数字高程模型DEM的制作

从数据源获取数据高程模型原始数据，是建立DEM 的第一步，也是最关键的一步。数字高程模型原始数据的采集方法和获取方案，通常采用扫描矢量化技术将大比例尺地形图转换为栅格图像。试验区夯川水库的DEM 原始数据的主要制作过程如下：采用1 : 10 000地形图及1 : 5 000专题图为底图进行屏幕数字化，并结合实地调查，采集试验流域内所有的离散高程点数据（小于6 m 尺度）和等高线高程数据（大于6 m 尺度），将两者分别保存在不同的图层中，高程点和等高线的高程属性数据则以图像软件mapinfo 的Table 中字段存贮 (如被选中对象的高程用selection.gc 表示，其中gc 为字段名)。以这种方式存贮高程的优势在于对象化, 即数据和对象都是一一对应的，图层中每一个高程点和每一条等高线都仅有一个高程属性，以便于编程开发工具进行对象和属性的操作 (可以是Mapinfo 自带的Mapbasic 开发工具，也可以是VC++等)。

由于试验区夯川水库流域平原地区居多，尽管采集了地形图上所有的高程数据，但仅有这些高程数据

6水利水文自动化2007.2

不足以充分反映平原地区的地形地势，这是在平原地区建立数据高程模型经常遇到的一个问题。因此需要对上述数据高程模型进行合理化修正，采用的方式是利用数据高程模型中离散高程点及其高程数据进行等高线的密度内插。内插采用不规则三角网法（TIN ），内插的等高线间距根据试验区平原地区的地形定为0.2 m ，同时将内插的等高线按地势走向进行光滑处理，得到的水库下游流域内插等高线分布图见图1，也即得到夯川水库下游流域的更加精确的DEM ，为水库下游流域淹没面积的计算分析及三维显示提供基础。

对原有数字高程模型进行等高线内插的另一个目的在于：利用这一精度更高的数字高程模型建立一个较为准确的三维地面模型，并以此为基础生成流域地形的坡度和坡向栅格数据图，供水力演进模型模拟淹没水深使用。

1.2　矢量数据库的建立

在洪水淹没范围的计算分析中，除了要采用包括试验区夯川水库库区流域的1 : 10 000地形图、 1 : 50 000电子规划图等地图数据（这些数字高程模型DEM 和三维地形的建立是属于栅格数据库的内容）；还要采用包括如境界、水系、道路交通、居民点、植被分布等基础地理信息，一些与洪水淹没范围相关的堤坝、主干河道、水库数据(内容除了所在位置分布和名称外，还包括堤顶和河底高程、水库库容等工程辅助信息)；此外还包括试验流域内的雨量和水位观测站等水文站点信息 (其包含的信息除了位置分布外，还包括其实时监测得到的数据结果) 等数

图1 水库下游流域内插等高线分布图

据。这些数据统一采用矢量数据库来进行管理。

矢量数据库是通过对象—属性关系加以管理的，即矢量数据在图形上表现为一个图形对象 (可以是点、线、面中的任意一种)，而每一个图形对象都借助Mapinfo 软件中Table 表的形式保存其特有的属性数据，属性数据中固定不变的数据 (如名称、河道、堤顶高程、水库库容等辅助信息) 则以静态形式保存，而那些不断更新的属性数据(如水文站实时监测数据)则采用动态形式存贮。矢量数据库在水平方向上的数据组织按图幅方式进行；在垂直方向上，使用分层方法，将图幅中的一个区域划分成等高线、高程点、居民地、工商企事业、耕地、经济林地、畜牧业、渔业、河流、河堤、道路、陡坎、水利设施、乡行政边界、村行政边界等15个图。这种对象—属性关系的数据结构和GIS 中常用的分离式数据管理方法相比，具有更高的工作效率和系统稳定性。同时各图层、图幅以空间位置关系为基础组织在一起，通过信息的融合、比较、统计等，可以从中挖掘出有用的新数据。

本研究中栅格和矢量数据库的结合采用矢栅一体化方法进行管理，管理方法主要是根据栅格和矢量数据在空间位置上的一体性联系，将数据来源不尽相同的栅格和矢量数据进行几何配准(投影配准、比例尺匹配和坐标匹配)统一到相同的定位基础上，淹没范围的模拟主要围绕栅格数据展开。DEM 精度的高低将直接影响淹没面积的精度；矢量、栅格图形的配准精度基本上决定了淹没区范围的准确度；其空间叠加的运算速度则在很大程度上影响整个模型的效率。1.3　淹没范围模拟的算法原理

根据DEM 求取给定水位条件下的淹没区，可分两种情形：(1) 凡是高程值低于给定水位的点皆入淹

没区，相当于整个地区大面积均匀降水，所有低洼处都可能积水成灾；(2) 考虑“流通”淹没的情况，即洪水只淹没它能流到的地方，相当于高发洪水流域泛滥，例如洪水决堤，或局部暴雨引起的暴涨水向四周扩散。它们被称作无源和有源淹没。从计算机算法的角度，无源淹没处理相对简单，只要沿着由左至右、由上至下的方向遍寻所有网格，将满足条件的网格找出即可；有源淹没因需处理迂回连通问题，其算法实现复杂一些。经过分析采用种子蔓延法进行处理。该

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胡瑞鹏等：GIS在洪水淹没灾害评估中的应用第2期算法的核心思想是从给定的源点出发，从平面区域上沿8个方向游动扩散，求取既满足水位条件又与源点连通的网格集合。考虑到洪水淹没的动态模拟，本研究在无源淹没中设计了淹没步数，这样就实现了雨量由小至大所造成的淹没演示过程；有源淹没中淹没的演进是从源点逐渐扩散的，因此也是水源流动的动态模拟。本设计的程序计算流程如图2所示。

1.4　淹没范围模拟的算法实现

利用试验水库流域的空间和统计资料数据，结合水库流域出库洪水调度信息，如预报、实时和历史等调度信息，采用Visual C++ 6.0进行算法实现。其中地理信息系统采MapInfo 地理信息平台，以实现基本的GIS 功能和系统运行过程总所需的空间分析功能，以及相关空间实体信息的有效控制管理，其程序部分核心代码如下：

图2 淹没范围的模拟算法流程图

函数名称：FloodSubmergeCompute 参数：int FlowAmout, double dblFlowTime 返回值：无

函数功能：根据洪水出库流量和时间，进行淹没范围分析和计算

void CNZFloodSystemView:FloodSubmergeCompute(int FlowAmout, double dblFlowTime ｛ ……

CHZFloodSystemDoc* pDoc – GetDocument( );ASSERT ＿V ALID(pDoc);

CString strFeatureName,strTopAmout; // 拓扑分析Long iIndex1, iIndex2, iIndex3, iIndex4; // 用于拓扑分析的四条线实体的索引

CString strFloodLayerName; // 洪水淹没风险图层名称

strFloodLayerName “河流”

iLayer Index-pDoc->m _tmCis.GetLayer IndexByNa -me(strFloodLayerName);

iF(iLayerIndex<0) // 获取图层索引号 return;else

　pDoc->m_tmCis.SetLayer( _variant_t((long)iLayer Index),variant_t((long)

_variant_t(bool)true)); //设置图层为可编辑状态……

}

由该算法实现，可得到试验水库一出库洪水调度信息下的淹没范围（阴影部分），范围图见图3。

图3　某一调度信息下的洪水淹没范围图

2 　基于DEM的洪水淹没深度的计算

洪水淹没深度是度量洪水灾害严重程度的一个重要指标，是评价洪水灾害损失的一个重要因子。如，

不同农作物受淹后所能承受的积水深度和时间不同，其减产程度也不同。水稻在不同发育阶段，允许积水深度为10 ～ 20 cm，允许积水时间为2 ～ 10天；而棉花等旱作物在不同发育阶段允许积水深度为5 ～ 12 cm，允许积水时间为1 ～ 2天。传统的洪水淹没深度的计算常采用实地调查，精度和效率较低，在洪水淹没范围区域分布的基础上，利用DEM，结合GIS空间分析功能，计算泛洪区的淹没水深，可为洪水灾害损失评估提供相关的参数信息。

在GIS中，地形信息是以DEM的形式存贮的，从DEM中提取流域信息是一条方便迅速的途径。利用DEM可以计算出流域参数和实时淹没信息，如流域面积、坡度、坡向、河网密度和淹没水深等重要空间数据信息。

理论上分析，洪水水面是一个复杂的曲面，但为了便于分析，在淹没区内的各个连通区域里视水面为水平平面，在淹没区的边界上，水深为0的边界点的高程值就是该区域此刻的水位值。由该区域的数据高程模型可知区域内各点的地面高程，那么水位值即水域边界点高程值与内部各点的地面高程之差，即是相应内部点的水深值。

具体操作为：先将洪水淹没范围计算分析和数据高程两种模型叠合，得到包含地面高程信息的淹没范围图；然后搜索洪水连通区域个数及各自的边界点坐标，分别在各连通区域内计算淹没水深，相应小于某一个水位的积水量也可以得到。需要注意的是，在提取淹没范围边界高程的过程中需要一定的人工干预，要尽量避免地形突变线（如陡坎）或人工地物（如堤坝）等的影响．

对于可以获得多个水位值的大范围区域，可以人机交互划定各水位的覆盖范围，制作相应区域的“数字水位模型”，即由水位点数据首先生成不规则三角网（TIN），然后再插值生成规则栅格数据（Grid）。两个数据高程模型必须严格配准，且网格大小一致。最后利用MapInfo中的GIS的空间分析功能对“数字水位模型”和库区的DEM做相减计算，即可得到淹没水深分布情况，并可用二维图显示。二维图以不同的颜色代表不同的水深段。把DEM和“数字水位模型”相叠合，在水体部分显示中，将原水体设为一种颜色(不透明)，淹没水体设为另一种半透明的颜色显示，这样会比较清楚地再现淹没情况。

具体工作流程见图4。

图4　基于DEM的淹没水深的计算流程

参考文献

[1] 陈述彭，鲁学军，钟昀. 地理信息系统导论 [M]. 北京：科

学出版社，1999.

[2] 郭利华，龙毅. 基于DEM的洪水淹没分析 [J]. 测绘通报， 2002，(11).

[3] 冯平，崔广涛，周成虎，等. 城市洪涝灾害经济损失的评

估与预测 [J]. 水利学报，2001，(8).

[4] 刘仁义，刘南．基于GIS技术的淹没区确定方法及虚拟现

实表达 [J]. 浙江大学学报，2002，(5).

[5] 姜付仁，向立云. 洪水风险区划方法与典型流域洪水区划

实例 [J]. 水利发展研究，2002，(7).

[6] 万洪涛，周成虎，万庆，等. GIS技术支持下的洪水模型

建模 [J]. 地理研究，2001，20 (4 ).

(下转第15页) 3 　结语

以夯川水库流域为试验区，分析了在洪水淹没灾害评估系统中洪水淹没范围模拟算法及实现，并动态显示淹没的演进过程，从而提高了洪水淹没范围计算分析的时效性和准确性。在洪水淹没范围区域分布的基础上，利用数字高程模型DEM，结合GIS 的空间分析功能，模拟计算出夯川水库洪泛区域内的淹没水深深度，为洪水灾害淹没损失评估提供重要的相关参数信息，从而提高了洪水灾害评估的精度和效率。

杨攀科：红河州国际跨界河流水情自动测报系统设计15第2期

正确的预报和决策。

5 　结语

红河州国际跨界河流水文、雨量站水情自动测报系统主要以强大的公共通信网为支撑，以GSM/SMS 和GSM/GPRS为主要信道，PSTN、超短波和卫星信道等为辅助的信息传输方式，建立红河州国际跨界河流水情信息查询决策支持系统，同时通过SCSI分层通信协议和TCP/IP协议实现与全州其他自动测报系统的互联互通和信息查询，实现资源共享，提供国际跨界河流报汛业务。

Design of Automatic Measuring and Forecasting System for Water

Regime of Boundary River in Hong River State

Y ANG Pan-ke

(Hong River Branch of Yunnan Provincial Hydrology & Water Resources Survey Bureau, Kaiyuan 661600, China) Abstract: Boundary river in Hong River state has existing problems concerning deficiency of hydrometric network, simple and crude equipment of automatic measuring and forecasting system for water regime. In order to meet the requirements of flood control & drought resist, flood management and forecasting for the boundary river, design ideas for setting up an automatic measuring and forecasting system for water regime are proposed. The author describes the system construction design aim and requirements, also makes a detailed analysis of hydrological observation installations, communication channels and the realization of water regime information resources share.

Key words: international river; automatic measuring and forecasting system for water regime; information resources share; hydrometric network; Hong river state; communication network

Application of GIS in Flood-inundated Calculation and Damage Evaluation

HU Rui-peng1 , HUANG Shao-hua2,3, W ANG Xun4

(1.Department of Computer & Information Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China;

2. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, mapping and Remote Sensing,

Wuhan University, Wuhan 430079, China;

3.Yangtze Institute of Survey, Planning & Design, Yangtze River Water Resources Commission, Wuan 430000, China;

4.Institute of Wuhan city planning project design, Wuhan 430015, China)

Abstract: Flood-inundated damage evaluation is a broad question for discussion, among which the determination of flood submerged area and depth are the key points. In this article, the theory and method for flood submerged area calculation based on GIS are introduced. And DEM is applied to make flood-inundated simulation for submergence depth in reservoir flood plain, which provides scientific evidences for quick flood damage assessment and flood control decision-making service.

Key words: GIS; flood damage evaluation; submergence damage; DEM; submerged area; submergence depth

(上接第8页)