CN103955565A - 基于gis平台的城市水系构建规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GIS平台的城市水系构建规划方法，对ArcGIS平台下自有的空间分析工具（Spatial Analyst工具）进行整合，形成一套完整的适用于水系规划的分析方法。主要包括以下三个部分：1.现状水系的筛选分析工具：根据现有的水系分布及其径流量，筛选出达到一定-积及累积径流量的水系；2.洪水淹没分析工具：进行提取分析，计算可能的洪泛区；与筛选后的现状水系进行迭代，计算现有水系范围之外的洪泛区；3.水系连通性分析工具：根据成本数据，同时对图层内的多对面状水系连通进行最优路径分析。三个部分结合在一起很好的解决了城市规划工作中现状水系梳理、新水域建设及水系间连通的问题，最终形成一套完整的高效率的适用于水系规划的分析工具。

Description

基于GIS平台的城市水系构建规划方法

技术领域

本发明涉及一种城市水系构建规划方法，尤其涉及一种基于GIS平台的城市水系构建规划方法。

背景技术

目前GIS空间分析技术已部分开展应用于城市水系规划及管理领域中，利用ArcGIS平台下的空间分析工具（Spatial Analyst工具）中的部分工具可提供较为粗浅的地表水文分析技术支撑，现阶段仅局限于流域划分管理、地表径流分析等单一功能，在城市规划领域的水系规划设计层面缺乏深入的研究和相关工具整合。

国内外基于ArcGIS平台研发出了诸多水文分析水资源配置模型，但大多过于专业，主要应用于在流域或区域尺度上解决水资源的优化配置、用水户供水、水库调度规则，及水质模拟等问题，与水系规划工作所需的相关分析不易结合。

如今水系规划工作过程中急切需要一个对ArcGIS内现有工具进行二次开发重新整合的专门适用于水系规划的软件以解决水系规划中存在的部分问题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明依据地表水文学，从地表水文分析、成本距离分析、ArcGIS工具箱下的模型构建器与Python语言进行二次开发等方面入手，旨在提供一种基于GIS平台的城市水系规划的方法，该方法结合场地地形、水文、植被、道路交通等现状数字化信息，利用GIS平台对规划建设过程中水系的规划梳理提供科学合理的规划建议。相较于其他基于GIS平台的水系相关软件，本发明集成ArcGIS空间分析工具（Spatial Analyst工具）与地表水文学技术，现状水系筛选工具、洪水淹没分析工具以及水系连通性分析工具三个功能工具在内的水系模型工具集，从而达到固化计算流程，提高软件运行速度和规划效率的目的。本发明具有针对性强、效率高、分析成果可实施性强等优点，在城市规划领域中具有广阔的应用前景。

如图1所示，本发明一种基于GIS平台的城市水系构建规划方法，是利用ArcGIS10.0工具箱下的模型构建器建立现状水系筛选工具、洪水淹没分析工具以及水系连通性分析工具；上述分析工具通过结合ArcGIS平台下已有的部分分析工具形成一套完整的高效率的基于GIS平台的城市水系构建规划方法，并包括如下步骤：

步骤1、预规划区域的现状测绘数据预处理：

将预规划区域的CAD地形图文件中的水系和高程要素分图层元素导入ArcGIS后转换为.shp格式文件，其中，将现状水系要素保存为面文件，将高程要素保存为点文件和/或线文件；

应用ArcGIS10.0工具箱下的3D分析工具，根据上述的点文件和/或线文件生成该区域DEM栅格数据；

步骤2、通过现状水系筛选工具对现状水系筛选后得出规划保留的水系：

利用步骤1得到的DEM栅格数据，应用ArcGIS水文分析工具进行地表雨水径流分析，计算得到栅格格式的区域汇流累积量；

将区域汇流累积量以及步骤1获得的面文件输入到所述的现状水系筛选工具，所述现状水系筛选工具从中提取出规划保留的水系，所述规划保留的水系大于设定流量阈值与面积阈值的现状水系；提取出规划保留的水系包括以下步骤：

对区域汇流累积量进行重采样处理，设定栅格大小为0.5×0.5；

利用ArcGIS10.0工具箱下的矢栅转换工具，把栅格格式的区域汇流累积量转换成矢量面状的区域汇流累积量；

利用ArcGIS10.0工具箱下的空间连接工具，将区域汇流累积量属性赋予保存有现状水系要素的面文件；

利用ArcGIS10.0工具箱下的计算字段工具，计算出所述面文件中所有现状水系的面积；

利用ArcGIS10.0工具箱下的选择工具选择属性脚本，设定面文件中所有现状水系的面积阈值和累积量阈值，将大于等于面积阈值和累积量阈值的现状水系保留下来作为规划保留的水系；

步骤3、根据预规划区域的防洪标准，利用洪水淹没分析工具得出规划可新增的水面：

将DEM栅格数据与步骤1得到的保存有现状水系要素的面文件输入到洪水淹没分析工具，根据预规划区域的防洪标准设定高程阈值，提取出洪水易淹没区域，得出规划可新增的水面，其步骤如下：

步骤3-1、利用ArcGIS10.0工具箱下的栅格计算器，对预规划区域DEM栅格数据进行分析，提取出小于高程阈值的区域，即洪泛区；

步骤3-2、利用ArcGIS10.0工具箱下的矢栅转换工具，把提取出的栅格格式的洪泛区转换成矢量格式数据；

步骤3-3、利用ArcGIS10.0工具箱下的擦除工具，将洪泛区内的现状水系擦除后得到洪水淹没区域，即规划可新增水面；

步骤4、利用水系连通性分析工具得出预规划区域的水系连通的最优路径：

将步骤2和步骤3得到的规划保留的水系和规划可新增水面进行整合得到规划水系雏形；将该规划雏形输入到水系连通性分析工具，利用ArcGIS10.0工具箱下的叠加分析工具得到水系建设阻力成本文件，针对规划雏形中的水面得出水系连通的最优路径，其步骤如下：

步骤4-1、利用ArcGIS10.0工具箱下的筛选工具，通过水系ID号对所要分析的水系进行筛选，分别得到目标水系和源水系；

步骤4-2、利用ArcGIS10.0工具箱下的成本距离工具，结合水系建设阻力成本文件，对步骤4-1得到的源水系进行成本距离分析，得到源水系到目标水系的距离栅格和方向栅格数据；

步骤4-3、利用ArcGIS10.0工具箱下的成本路径工具，对步骤4-1和步骤4-2得到的数据进行成本路径分析，并把成本路径分析的结果转换为矢量数据，得到水系连通的最优路径；

步骤5、将上述步骤2、步骤3和步骤4分别得到的规划保留水系、规划可新增水面和水系连通的最优路径进行叠加，最终得到水系规划方案。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

首先，本发明通过对ArcGIS平台下的空间分析工具（Spatial Analyst工具）中已有的部分分析工具进行二次开发形成了具有现状水系筛选、洪水淹没分析以及水系连通性分析功能的计算机程序，将原先的人为的对水系增减的判读转化计算机语言，促使ArcGIS平台依据人为设置的水系面积、径流强度、淹没强度、水系连通困难程度等主要数据，自行确定需要保留的现状水系及需要新增的水系。

其次，本发明通过将ArcToolbox中的部分工具进行了整合，省略了很多繁杂的操作过程，并在整合过程中进行了部分优化，解决了过往数据转换和精度控制的问题。

最后，二次开发所形成的应用环境相较于ArcGIS自身的空间工具工具易于上手，针对水系规划所形成的分析成果更为直观，且相较于专业水文分析管理软件目的性更强，可大面积推广应用于城市水系规划工作中。

附图说明

图1是本发明基于GIS平台的城市水系构建规划方法主流程图；

图2是现状水系筛选工具设计模型图；

图3是洪水淹没分析工具设计模型图；

图4是水系连通性分析工具设计模型图；

图5为本发明中现状水系筛选工具在ArcToolbox中的位置；

图6为本发明现状水系筛选工具；

图7为本发明洪水淹没分析工具；

图8为本发明水系连通性分析工具；

图9-1为实施例中现状水系筛选工具操作内容列表截图；

图9-2为实施例中现状水系筛选工具分析得出拟保留的现状水系区域截图；

图10-1为实施例中洪水淹没分析工具操作内容列表截图；

图10-2为实施例中分析得出易遭受洪涝淹没的低洼区域；

图11-1为实施例中水系连通性分析工具操作内容列表截图；

图11-2为实施例中得出的局部需连通水系的连通分析结果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

依托ArcGIS10.0二次开发平台，结合现有的区域水系规划方法，利用ArcGIS工具箱下的模型构建器与Python语言针对水系规划前期分析工具进行了二次开发，构建了现状水系筛选工具（如图2所示）、洪水淹没分析工具（如图3所示）以及水系连通性分析工具（如图4所示），从而形成一套完整的高效率的适用于水系规划的基于GIS平台的城市水系构建规划方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1、预规划区域的现状测绘数据预处理：

将预规划区域的CAD地形图文件中的水系和高程要素分图层元素导入ArcGIS后转换为.shp格式文件，其中，将现状水系要素保存为面文件，将高程要素保存为点文件和/或线文件；

将预规划区域现状水系、道路、植被、已建设用地及诸如高压走廊、水源地及其他限制因素信息（CAD格式文件）分图层元素导入ArcGIS后转换为.shp格式的限制因子文件；

应用ArcGIS10.0工具箱下3D Analyst工具中的TIN管理工具下的创建TIN功能，由上述的点文件和/或线文件生成不规则三角网（TIN），然后利用由TIN转出工具将TIN文件转换为生成该区域DEM栅格数据；

步骤2、通过现状水系筛选工具对现状水系筛选后得出规划保留的水系：

利用步骤1得到的DEM栅格数据，利用ArcGIS软件的空间分析工具（Spatial Analyst工具）下的水文分析工具，依次应用填洼、流向、流量工具进行操作，最终生成区域的地表雨水径流文件，得到栅格格式的区域汇流累积量；

将区域汇流累积量以及步骤1获得的面文件输入到所述的现状水系筛选工具，所述现状水系筛选工具从中提取出规划保留的水系，所述规划保留的水系大于设定流量阈值与面积阈值的现状水系；提取出规划保留的水系。包括以下步骤：

对区域汇流累积量进行重采样处理，设定栅格大小为0.5×0.5；

利用ArcGIS10.0工具箱下的矢栅转换工具，把栅格格式的区域汇流累积量转换成矢量面状的区域汇流累积量；

利用ArcGIS10.0工具箱下的空间连接工具，将区域汇流累积量属性赋予保存有现状水系要素的面文件；

利用ArcGIS10.0工具箱下的计算字段工具，计算出所述面文件中所有现状水系的面积；

通过查阅当地相关资料，对项目的区位、土壤、地质、植被、气候条件进行分析，依据当地降水量、蒸发量、年来水量设定最小径流汇流累积量阈值、最小保留面状水系面积阈值。利用ArcGIS10.0工具箱下的选择工具选择属性脚本，将面文件中大于等于面积阈值和累积量阈值的现状水系保留下来作为规划保留的水系；

步骤3、根据预规划区域的防洪标准，利用洪水淹没分析工具得出规划可新增的水面：

将DEM栅格数据与步骤1得到的保存有现状水系要素的面文件输入到洪水淹没分析工具，根据预规划区域的防洪标准设定高程阈值，提取出洪水易淹没区域，得出规划可新增的水面，其步骤如下：

步骤3-1、结合地形地貌分析、历史洪涝灾害的记录及现状水系常水位的信息，确定二十年一遇、五十年一遇、百年一遇设定区域易被淹没的高程阈值；利用ArcGIS10.0工具箱下的栅格计算器，对规划区域DEM栅格数据进行分析，提取出小于高程阈值的区域，即洪泛区；

步骤3-2、利用ArcGIS10.0工具箱下的矢栅转换工具，把提取出的栅格格式的洪泛区转换成矢量格式数据；

步骤3-3、利用ArcGIS10.0工具箱下的擦除工具，将洪泛区内的现状水系擦除后得到洪水淹没区域，即规划可新增水面；

步骤4、利用水系连通性分析工具得出预规划区域的水系连通的最优路径：

将步骤2和步骤3得到的规划保留的水系和规划可新增水面进行整合得到规划水系雏形；将该规划雏形输入到水系连通性分析工具，利用ArcGIS10.0工具箱下的叠加分析工具得到水系建设阻力成本文件，针对规划雏形中的水面得出水系连通的最优路径，其步骤如下：

步骤4-1、利用ArcGIS10.0工具箱下的筛选工具，通过水系ID号对所要分析的水系进行筛选，分别得到目标水系和源水系；

步骤4-2、将步骤1中shape格式的各项限制因素文件，依据国内外经验及项目具体情况划定四个等级影响范围，利用ArcGIS10.0工具箱下的距离分析工具集中的欧式距离工具对其进行缓冲分析；利用ArcGIS10.0工具箱下的重分类工具将缓冲分析得出的结果按照1—10的评分标准（按照1代表对水系改造建设阻碍小，10代表对水系改造建设阻碍大）进行重新划分，最终将各项限制因素结合不同权重，利用ArcGIS10.0工具箱下的栅格计算器进行叠加分析得出水系连通的阻力成本文件；

步骤4-3、利用ArcGIS10.0工具箱下的成本距离工具，结合步骤4-2建立的阻力成本文件，对步骤4-1得到的源水系进行成本距离分析，得到源水系到目标水系的距离栅格和方向栅格数据；

步骤4-4、利用ArcGIS10.0工具箱下的成本路径工具，对步骤4-1和步骤4-3得到的数据进行成本路径分析，并把成本路径分析的结果转换为矢量数据，得到水系连通的最优路径；

步骤5、将上述步骤2、步骤3和步骤4分别得到的规划保留水系、规划可新增水面和水系连通的最优路径进行叠加，最终得到水系规划方案。

实施例：

（1）分图层提取区域CAD地形图中的等高线与高程点要素，利用ArcGIS10.0将其转换为shape格式文件；分图层提取区域CAD地形图中的限制因子要素，包括道路、植被、已建设用地及诸如高压走廊、水源地（两座水库）要素，利用ArcGIS10.0分别转换为shape格式文件。

（2）利用ArcGIS10.0软件中3D Analyst工具创建TIN（不规则三角网），最终转换生成栅格格式的高程数据文件（DEM）。

（3）将区域CAD地形图中的现状水系曲线闭合，导入ArcGIS形成shape格式的面状水系文件，结合现状植被、人类活动等情况，将三者分别利用欧式距离分析工具进行缓冲分析，然后按照1—10的评分标准（1代表对水系改造建设阻碍小，10代表对水系改造建设阻碍大）进行重分类，最后通过层次分析法确定三者的权重关系。依据水系3/10、人类活动3/10、现状植被4/10的标准，利用ArcGIS空间分析工具（Spatial Analyst工具）中的加权叠加分析工具得出区域水系连通阻力文件。

（4）将步骤（1）中形成的栅格地形文件，利用水文分析工具集中的填洼、流向、流量一系列工具，依次进行填洼分析、流向分析、流量分析，最终形成地表径流分析栅格文件（图5中计算水系径流量）。

（5）将步骤（4）得出的地表径流分析文件及现状面状水系文件导入现状水系筛选工具（图6中输入汇流累积量、输入面状水系选项）。项目区位于广东省北部山区，项目区内现状水系占地比例约为5%，年均降水量1,528.6mm，区域防洪排涝标准为二十年一遇，依据上述项目当地情况和对项目的认知合理设置累积径流量阈值10080及水系面积阈值为30公顷（图6中累积量阈值、面积阈值输入框），利用ArcGIS10.0工具箱下的选择工具选择属性脚本，将汇流量小于设定的累积径流量阈值的现状水系及面积小于水面面积阈值的水系自动去除，形成拟保留的现状水系文件（图6中输出要素集、图9-1在内容列表内显示及图9-2中分析图成果显示）。

（6）将步骤（1）形成的栅格DEM文件导入研发的新建大型水域分析工具（图5中淹没分析），通过结合地形地貌分析、历史洪涝灾害的记录及现状水系常水位的信息，结合项目二十年一遇的防洪排涝要求定位，设定区域易被淹没的高程阈值为海拔75米（图7高程阈值输入框），得出区域易遭受洪水淹没的部分（图10-1在内容列表内显示及图10-2中分析图成果显示），继而得出可能形成大水面的区域。结合项目实际情况及方案总体考虑，确定新增大型水面的位置及边界范围，既在项目区东北侧可新增一处大型水域。

（7）结合项目区定位和设计要求，将步骤（5）与步骤（6）分析得出的需保留的水系及易遭淹没可形成大水面的区域，人工修正形成一个规划水系雏形，依据所有水系都可以流动无死水的原则，找出水系之间需要连通的点。

（8）依据国内外经验及项目具体情况，对地形、道路、植被、建筑4类限制性因子划定四个等级影响范围，利用距离分析工具中的欧式距离工具对各限制因子文件进行缓冲分析；利用重分类工具，将缓冲分析结果按照1—10的评分标准（1代表对水系改造建设阻碍小，10代表对水系改造建设阻碍大）进行重新划分；采用层次分析法，按照地形4/10、现状建筑2/10、现状植被2/10、现状道路2/10的权重分配，利用ArcGIS10.0中栅格计算器工具对其进行分权重叠加分析，形成一个基于上述因素的径流阻力面文件。

（9）通过步骤（8）中形成的径流阻力面文件，对需进行水系连通分析的面状水系进行成本距离分析，形成该面状水系的成本栅格文件，利用发明形成的最优路径分析工具，将成本栅格数据文件及需与其连通的面状水系文件导入工具进行一一对应（图8左侧输入成本栅格分别为以1号、2号水域形成的成本文件cost和cost2，右侧为对应的需要与1号和2号水域连通的面状水域。如图8所示从上至下为1号2号间连通，1号3号间连通，1号4号间连通，2号3号间连通，2号4号间连通。）通过最优路径分析工具得出水面间的最优连通方式（图11-1在内容列表内显示及图11-2分析图成果显示），最终形成一个科学的完整的水系规划预案。

尽管上述发明方法步骤结合图示对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以衍生出很多变形，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于GIS平台的城市水系构建规划方法，其特征在于，利用ArcGIS10.0工具箱下的模型构建器建立现状水系筛选工具、洪水淹没分析工具以及水系连通性分析工具；并包括如下步骤：

步骤1、预规划区域的现状测绘数据预处理：

将预规划区域的CAD地形图文件中的水系和高程要素分图层元素导入ArcGIS后转换为.shp格式文件，其中，将现状水系要素保存为面文件，将高程要素保存为点文件和/或线文件；

应用ArcGIS10.0工具箱下的3D分析工具，根据上述的点文件和/或线文件生成该区域DEM栅格数据；

步骤2、通过现状水系筛选工具对现状水系筛选后得出规划保留的水系：

利用步骤1得到的DEM栅格数据，应用ArcGIS水文分析工具进行地表雨水径流分析，计算得到栅格格式的区域汇流累积量；

将区域汇流累积量以及步骤1获得的面文件输入到所述的现状水系筛选工具，所述现状水系筛选工具从中提取出规划保留的水系，所述规划保留的水系大于设定流量阈值与面积阈值的现状水系；提取出规划保留的水系包括以下步骤：

对区域汇流累积量进行重采样处理，设定栅格大小为0.5×0.5；

利用ArcGIS10.0工具箱下的矢栅转换工具，把栅格格式的区域汇流累积量转换成矢量面状的区域汇流累积量；

利用ArcGIS10.0工具箱下的空间连接工具，将区域汇流累积量属性赋予保存有现状水系要素的面文件；

利用ArcGIS10.0工具箱下的计算字段工具，计算出所述面文件中所有现状水系的面积；

利用ArcGIS10.0工具箱下的选择工具选择属性脚本，设定面文件中所有现状水系的面积阈值和累积量阈值，将大于等于面积阈值和累积量阈值的现状水系保留下来作为规划保留的水系；

步骤3、根据预规划区域的防洪标准，利用洪水淹没分析工具得出规划可新增的水面：

将DEM栅格数据与步骤1得到的保存有现状水系要素的面文件输入到洪水淹没分析工具，根据预规划区域的防洪标准设定高程阈值，提取出洪水易淹没区域，得出规划可新增的水面，其步骤如下：

步骤3-1、利用ArcGIS10.0工具箱下的栅格计算器，对预规划区域DEM栅格数据进行分析，提取出小于高程阈值的区域，即洪泛区；

步骤3-2、利用ArcGIS10.0工具箱下的矢栅转换工具，把提取出的栅格格式的洪泛区转换成矢量格式数据；

步骤3-3、利用ArcGIS10.0工具箱下的擦除工具，将洪泛区内的现状水系擦除后得到洪水淹没区域，即规划可新增水面；

步骤4、利用水系连通性分析工具得出预规划区域的水系连通的最优路径：

将步骤2和步骤3得到的规划保留的水系和规划可新增水面进行整合得到规划水系雏形；将该规划雏形输入到水系连通性分析工具，利用ArcGIS10.0工具箱下的叠加分析工具得到水系建设阻力成本文件，针对规划雏形中的水面得出水系连通的最优路径，其步骤如下：

步骤4-1、利用ArcGIS10.0工具箱下的筛选工具，通过水系ID号对所要分析的水系进行筛选，分别得到目标水系和源水系；

步骤4-2、利用ArcGIS10.0工具箱下的成本距离工具，结合水系建设阻力成本文件，对步骤4-1得到的源水系进行成本距离分析，得到源水系到目标水系的距离栅格和方向栅格数据；

步骤4-3、利用ArcGIS10.0工具箱下的成本路径工具，对步骤4-1和步骤4-2得到的数据进行成本路径分析，并把成本路径分析的结果转换为矢量数据，得到水系连通的最优路径；

步骤5、将上述步骤2、步骤3和步骤4分别得到的规划保留水系、规划可新增水面和水系连通的最优路径进行叠加，最终得到水系规划方案。