基于ArcGIS渭河下游洪水淹没面积计算可编辑.docx

1、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. 30 No. 6 2007年 11月 AR I D LAND GEOGRAPHY Nov. 2007基于 A rc GIS的渭河下游洪水淹没面积的计算1 1 1 2 3 1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

2、究中的一个热点问题以 GIS技术为基础 ,运用 A rc2GIS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 A rcMap和 A rcV iew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 - 6060 2007 06 - 0921 - 05 921925 我国是一个洪水多发性国家 ,每

3、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 1n 5万的地代以来 ,特别是近几年来 ,在水动力 -水文模型

4、基础形图为基础数据 ,运用 GIS软件 A rcMap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

5、 ,西潼关注入黄河 ,全长 818 km。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2134 766 km ,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 T M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

6、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

7、GIS、 GPS方面的研究工作. Email: fll_216163. com1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved /0. 干 旱 区 地 理 30卷淤变化非常剧烈。 高曾到 329 m,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3m 1 000 m / s流量所对应的水位高程 。三门峡水

8、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. 1 W ater system of lower reaches of the W eihe R iver象 ,赋予特定的属性 ,在某一平面区域上沿 4个 或 82 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 A rcMap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

9、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 8a 。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

10、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. 2 Technique route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9221994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved /. : 基于 A rcGIS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. 3 Comparison bet

11、ween source flood a and non2source flood b成 TI N。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. 4 Transformed point files绍的是用人为的

12、方法确定符合连通条件的区域 ,将其4. 1. 3 TI N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 TI N转换成 Raster,具体的做法是 :单4. 1 数据预处理击【3D Analyst】 ,找到【Convert】 的【TI N to Raster】 项 ,4. 1. 1 地形图数字化 由于 A rcview软件与 A rc Info在弹出的对话框中 , A ttribute选择 Elevation; Cell Size软件是相通的 ,为方便起见 ,本次矢量化工作使用输入 20;在 Output Raster中输入路径 ,单击 OK。生成A r

13、cview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 A rcCatalog中建立4. 1. 4 面积因子的提取 在【Spatial Analyst】 菜单一个新的 Coverage作为模板 ,记录数字化底图的四个中选择【Raster Calculator】 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“Raster 348. 755” , 洪水淹没的高程选择的是 2003影 W GS - 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

14、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 A rcToolbox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. 2 3D点转换成 TI N 1 打开 A rcMap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tial Analyst】 菜单中选择【Convert】 的【Raster to Fea2设置为当前层 ,单击【3D Analyst】 ,在下拉菜单中找到tures】 项 ,弹出

15、一对话框 ,在 Input raster中选择上面求【Create /Modify TI N】 项的【Create TI N From Feature】 ,出的低于 348. 755m的栅格图像 ;在 Output geometry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 Output TI N中设定路径 ,生9231994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved

16、/. 干 旱 区 地 理 30卷单击 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 5 600 028 m ,罗纹河 -方山河 5 2002 2Shape_A rea上单击右键 ,选择Statietic项 ,弹出的对 026 m ,方山河 -罗夫河 9 333 380 m ,共计 20 1332话框将显示淹没区总面积的直方图 ,所求无源淹没区 434 m ,平均淹没高程 348. 755 m。2的面积为 : 25 080 001. 4 m 。4. 3 有源淹没面积计算有源淹没需要考

17、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. 755 m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 Feature Dataset要素集 ,在弹出的对话框Fig. 5 Sketch map of source floodName项中填入“渭河 Feature - Dateset” ,点击【Edit】 ,弹出 Spatial A ttribute对话框。在【Coordinate sy

18、stem】将此实际淹没高程值输入到 A rcMap中 ,并人为中 ,点击【Select】 ,弹出一对话框 ,选择 Geographic Co2设置实际地形和堤坝拦护的复杂情况 ,进行有源淹没ordinate System /World /W GS 1984. p rj。选中 X /Y Do2面积的统计 ,得到 A rcMap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 21 167 725. 6 m 。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”

19、中。在 A rcMap主界面【V iew】 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【Export Data】 ,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“use the same coordinate system as洪水淹没水动力演进模型及水面形状变化情况 ,其计the dataframe” ,在 Output shapefile or feature class下 ,算精度将会更高。本文主要说明利用 A rcMap软件的单击路径选择按钮 ,弹出 Saving Feature Class对话自

20、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 Personal Geodatabase. 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【V iew】 中 ,多了一个“淹没区 ”文件 ,右击并选择 Open A ttribute Table,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

21、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 390 m,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_A rea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. 755 m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 23 147 763. 6 m 。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9241994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved /.