基于ArcGIS渭河下游洪水淹没面积计算可编辑.docx
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基于ArcGIS渭河下游洪水淹没面积计算可编辑
基于ArcGIS渭河下游洪水淹没面积计算
第30卷第6期干旱区地理Vol.30No.6
2007年11月ARIDLANDGEOGRAPHYNov.2007
①
基于ArcGIS的渭河下游洪水淹没面积的计算
111231
冯丽丽,李天文,陈正江,姚任平,吴琳,程一曼
1西北大学城市与资源学系,陕西西安710069;2国家测绘局大地测量数据处理中心,陕西西安710054;
3西安电子科技大学党政办公室,陕西西安710071
摘要:
计算洪水淹没面积一直是灾害评估研究中的一个热点问题以GIS技术为基础,运用Arc2
GIS软件的特殊功能,以渭河为研究背景实现了无需编程即可完成对洪水淹没面积的提取及计算。
在地形图数字化基础上,分别对有源淹没和无源淹没进行分析,并运用ArcMap和ArcView软件自
身的功能,对洪水淹没面积进行统计计算,并以2003年渭河下游洪水淹没数据为依据进行对比验
证,取得了良好的效果。
关键词:
洪水洪水淹没面积有源淹没无源淹没
中图分类号:
TP753文献标识码:
A文章编号:
1000-6060200706-0921-05921~925
我国是一个洪水多发性国家,每年因洪水淹没经费,对于一些小单位或是个人来讲,实现起来比较
造成的损失难以估计。
近十几年来,自然资源的开困难。
因此,以克服上述方法的不足为目标,本文提
发利用不断扩大,城乡经济建设飞速发展,洪水出现
供了一种无需编程就可以简单迅速地计算出洪水淹
的频率及其造成的损失也不断增加。
因此,快速、准
没面积的方法,为快速评估洪灾损失和政府防洪决
确、科学地模拟预测洪水淹没范围以及计算洪水淹
策提供了科学的依据。
其以种子蔓延算法为基本原
没面积,对防洪减灾具有重要意义。
20世纪90年
理,以GIS为基本处理方法,以渭河下游1n5万的地
代以来,特别是近几年来,在水动力-水文模型基础
形图为基础数据,运用GIS软件ArcMap的自身功
上,利用GIS强有力的空间分析和可视化功能,模拟
能,在无需编程的情况下即可求得低于一定高程的
显示洪水淹没区,一直是一个研究热点。
对近几年
洪水淹没范围,从而实现了洪水淹没面积的计算。
的有关学术研究文献进行分析,发现有些文献虽然
也讨论了GIS在洪水淹没范围及面积方面的应
1研究区概况
〔1-6〕
用,但都需要编制复杂的程序或是应用复杂的
渭河是黄河的最大支流,位于我国西北黄土高
算法,且耗时较长,多适用于专业人士或具有一定编
原的东南地区,发源于甘肃省渭源县的鸟鼠山,于陕
程基础的人员,对于政府决策人员或者普通人来讲,
西潼关注入黄河,全长818km。
渭河流域包括甘
往往过于繁琐复杂。
其次也有基于遥感技术来确定
肃、宁夏、陕西三省区13个地区县市,总面积
洪水淹没面积,其使人们能从空间的高度来获取洪
2
134766km,其中甘肃占44%,宁夏占6%,陕西占
水淹没的范围。
戴昌达等研究了从陆地资源卫星
50%。
渭河下游支流汇入较多,北岸有泾河、石川河
Landsat-5的TM数据中提取洪水淹没范围;盛永
和北洛河,南岸有沣河、灞河、尤河、罗夫河等,南岸
伟研究了从FY-1B气象卫星中提取洪水淹没范
支流均发源于秦岭北麓图1。
泾河和北洛河都是
围;周成虎、杜云艳等研究了从NOAA气象卫星数
我国著名的多泥沙河流,因此,渭河下游处于我国多
据中提取洪水淹没范围,并提出了基于知识的
AVHRR影像的水体自动识别方法,以及建立了相泥沙河流的汇流区,同时也是大中小河流的汇流区,
〔7〕
应的模型。
但基于遥感技术,一般需投入很大的是三门峡水库的回水影响区,水流条件十分复杂,冲
①收稿日期:
2006-10-17;修订日期:
2007-04-03
基金项目:
国家软科学研究计划项目2004DS3D026;陕西省重大软科学项目2004K12-G5
作者简介:
冯丽丽1980-,女,天津人,硕士研究生,主要从事GIS、GPS方面的研究工作.Email:
fll_216@163.com1994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved////0>.干旱区地理30卷
淤变化非常剧烈。
高曾到329m,造成渭河下游河道淤积抬高,常有洪
渭河下游在三门峡水库修建前为输沙近于平衡泛发生。
因此,选取渭河下游华县-华阴-潼关一
的相对稳定河道,渭河入黄口高程潼关高程323带作为研究样区,对于渭河下游的防洪减灾具有深
3
m1000m/s流量所对应的水位高程。
三门峡水远意义,并为其水利工程实施提供了重要的决策
库建成后,由于回水淤积影响,潼关渭河入黄高程最支持。
图1渭河下游水系图
Fig.1WatersystemoflowerreachesoftheWeiheRiver
象,赋予特定的属性,在某一平面区域上沿4个或8
2研究方法与技术路线
个方向游动扩散,求取满足给定条件、符合数据采集
以种子蔓延算法为基本原理,利用GIS技术进行
分析精度、且具有连通关联分布的点的集合。
利用种
相关处理,应用ArcMap软件自身功能,求得低于一定
子蔓延算法计算淹没区,就是按给定水位条件,求取
高程的洪水淹没范围,从而计算出洪水淹没面积。
满足精度、连通性要求的点集合,该集合给出的连续
〔6〕
平面就是我们所要求算的淹没区范围,其技术路线
如图2所示。
3淹没分析
3.1无源淹没分析
无源淹没中,凡是高程低于给定水位的点都记入
淹没区,算作被淹没的点,这种情形相当于整个区域
大面积均匀降水,所有低洼处都可能积水成灾。
从算
法分析上看,这种情况因不涉及到区域连通、洼地合
并、地表径流等复杂问题,分析起来比较简单图3
〔8〕
a。
3.2有源淹没分析
有源淹没情况下,水流受到地表起伏特征的影
响,在这种情况下,即使在低洼处,也可能由于地形的
阻挡而不会被淹没。
造成的淹没原因除了自然降水
外,还包括上游来水、洼地溢出水等。
在实际情况中,
图2技术路线
有源淹没更为普遍也更为复杂。
有源淹没涉及到水
Fig.2Techniqueroute
流方向、地表径流、洼地连通等情况的分析图3
〔8〕
种子蔓延算法是一种基于种子空间特征的扩散
b。
探测算法,其核心思想是将给定的种子点作为一个对
9221994-2008ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved////.:
基于ArcGIS的渭河下游洪水淹没面积的计算
图3有源、无源淹没对比示意图
Fig.3Comparisonbetweensourcefloodaandnon2sourcefloodb
成TIN。
4洪水淹没面积计算
由于3D点多采用的是沿等高线采点,因此在等
高线密集的地方采点多,等高线稀疏的地方采点少,
这样既能很好的表示出地形的高低起伏,又能有效的
减少数据冗余。
淹没面积的计算分为有源淹没面积
计算和无源淹没面积计算。
无源淹没比较简单,所有
低于或等于预测水位高程的像元都将计入淹没区,经
累加计算得出淹没面积;有源淹没则是在无源淹没的
图4坐标转换后的点文件
基础上,考虑到连通要求的淹没面积的计算,本文介
Fig.4Transformedpointfiles
绍的是用人为的方法确定符合连通条件的区域,将其
4.1.3TIN转化成Raster基于栅格的计算比较简
取出,并计算出它的面积。
单,因此需要将TIN转换成Raster,具体的做法是:
单
4.1数据预处理
击【3DAnalyst】,找到【Convert】的【TINtoRaster】项,
4.1.1地形图数字化由于Arcview软件与ArcInfo
在弹出的对话框中,Attribute选择Elevation;CellSize
软件是相通的,为方便起见,本次矢量化工作使用
输入20;在OutputRaster中输入路径,单击OK。
生成
Arcview软件对地形图进行数字化,沿等高线采样,并
我们所需要的Raster,其属性值表示高程值。
在属性表中输入各点的高程。
在ArcCatalog中建立
4.1.4面积因子的提取在【SpatialAnalyst】菜单
一个新的Coverage作为模板,记录数字化底图的四个
中选择【RasterCalculator】项,在弹出的界面中,设置
脚点Tic点的平面直角坐标,并选择底图所用的投
“Raster348.755”,洪水淹没的高程选择的是2003
影WGS-84投影及坐标系统。
将点文件转换成
年渭河洪水的平均淹没高程。
Coverage并在其属性中添加对应的四个脚点Tic点
4.2无源淹没面积计算
的屏幕直角坐标,在ArcToolbox中运用Transform进
将所有Raster的值为1的区域进行累加计算,得
行坐标转换。
转换的结果如图4所示:
出淹没区的面积。
4.1.23D点转换成TIN1打开ArcMap软件,在
将Raster转化成Features,具体做法是:
在【Spa2
其界面中打开坐标转换后的点文件。
2将点文件
tialAnalyst】菜单中选择【Convert】的【RastertoFea2
设置为当前层,单击【3DAnalyst】,在下拉菜单中找到
tures】项,弹出一对话框,在Inputraster中选择上面求
【Create/ModifyTIN】项的【CreateTINFromFeature】,
出的低于348.755m的栅格图像;在Outputgeometry
在弹出的对话框中,高程来源项选择点的高程,在
type中选择Polygon,并在Outputfeatures中写入路径,
Layers中选择点文件,在OutputTIN中设定路径,生
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单击OK,生成Features。
堤河、罗纹河、方山河、罗夫河,其淹没面积分别为:
石
2
将其属性表打开,选择所有值为1的多边形,在堤河-罗纹河5600028m,罗纹河-方山河5200
22
Shape_Area上单击右键,选择∑Statietic项,弹出的对026m,方山河-罗夫河9333380m,共计20133
2
话框将显示淹没区总面积的直方图,所求无源淹没区434m,平均淹没高程348.755m。
2
的面积为:
25080001.4m。
4.3有源淹没面积计算
有源淹没需要考虑连通条件,是以人为的方法确
定符合连通要求的区域,具体做法是把决堤口定为源
头,在前面生成的Raster中寻找与源头连通的区域,
其具体步骤如下:
1与无源淹没一样先要将低于348.755m高
程的区域的栅格图像转化成Features。
2建立个人数据库,具体做法是:
图5有源淹没示意图
新建一FeatureDataset要素集,在弹出的对话框
Fig.5Sketchmapofsourceflood
Name项中填入“渭河Feature-Dateset”,点击【Edit】,
弹出SpatialAttribute对话框。
在【Coordinatesystem】
将此实际淹没高程值输入到ArcMap中,并人为
中,点击【Select】,弹出一对话框,选择GeographicCo2
设置实际地形和堤坝拦护的复杂情况,进行有源淹没
ordinateSystem/World/WGS1984.prj。
选中X/YDo2
面积的统计,得到ArcMap统计的石堤河~罗夫河一
main项,确定X与Y的坐标范围及精度。
2
带的淹没面积为21167725.6m。
与实际的受淹面
3把上面生成的Features导出到“渭河Fea2
积相比,还有一定的误差,主要是受扫描底图的年限、
ture-Dateset”中。
在ArcMap主界面【View】菜单下
扫描时底图的质量、比例尺及连通条件等因素的限
右击【Features】,选择【Data】下的【ExportData】,在弹
制,如果采用最新且比例尺较大的地形图,充分考虑
出的对话框中,选择“usethesamecoordinatesystemas
洪水淹没水动力演进模型及水面形状变化情况,其计
thedataframe”,在Outputshapefileorfeatureclass下,
算精度将会更高。
本文主要说明利用ArcMap软件的
单击路径选择按钮,弹出SavingFeatureClass对话
自身功能,无需编程计算淹没面积的方法是有效可行
框,在渭河PersonalGeodatabase.mdb目录下,将导入
的。
在后续的研究中,要深入研究并建立该地区的洪
的数据命名为淹没区,单击Save按钮,返回Export
水淹没水动力演进模型,采用更加精确的数据,并对
Data对话框,单击OK。
实际地形进行深入的调查研究,使其精度更加提高。
4可以看到在【View】中,多了一个“淹没区”
文件,右击并选择OpenAttributeTable,弹出一属性对
5结语
话框,在该框中人为确定连通区域,淹没区如图5所
示。
在该图中,可以看到,区域2是与源头相连,且是
研究结果表明GIS技术在洪水淹没面积计算中
连通的,而区域1,3,4周围的高程都大于390m,不可
的应用为流域洪水灾害评估研究提供了一个有力的
能被淹没,故在有源淹没中,淹没区域不包含区域1,工具。
无论是有源淹没还是无源淹没,淹没区面积计
3,4。
算精度的准确性都要受到空间数据精度优劣的影响,
5打开其属性表,选择淹没区2。
因此,数据的获取与处理工作是基础。
在此之上,根
∑
6在Shape_Area上单击右键,选择Statietic
据本文提供的洪水淹没区面积的计算方法,可以迅速
项,弹出的对话框将显示淹没区
准确地计算淹没区的面积,为洪水灾害的客观准确评
总面积的直方图,其低于348.755m的有源淹没
估和预测分析提供了重要基础和依据,从而为进一步
2
面积为23147763.6m。
开展洪水治理工作开拓了更广阔的前景,为快速、准
4.4实验验证
确及科学地进行洪灾评估及洪水风险图的制作提供
渭河下游2003年洪水主要堤防决口的河流有石
了良好的基础,也为中小流域防洪减灾决策支持创造
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