CN106294653B - 基于gis的流域防洪调度概化图动态生成方法 - Google Patents

基于gis的流域防洪调度概化图动态生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及流域防洪调度领域，尤其涉及基于GIS的流域防洪调度概化图动态生成方法，输入流域基础地理数据；设定流域内重点关注的区域范围以及各类对象的抽象和概化标准；抽象和概化实体对象，在基础地理数据中基于对象的属性信息筛选出满足相应标准的水文站、水库、分洪闸、蓄滞洪区实体，对各类实体进行抽象和概化，生成概化图实体要素图层；分析确定流域拓扑结构关系，构建对象邻接表，提取各实体对象间的区间集水区域；保存和输出流域防洪调度概化图。该方法利用GIS平台的空间信息和属性信息的集成管理能力，根据用户需求动态生成既包含流域内各对象的实际地理位置信息又能各反映各对象的拓扑逻辑关系的流域防洪调度概化图。

Description

基于GIS的流域防洪调度概化图动态生成方法
技术领域
本发明涉及流域防洪调度领域，尤其涉及一种基于GIS的流域防洪调度概化图动态生成方法。
背景技术
我国地域辽阔，河流众多，受季风气候影响洪涝灾害频繁。近年来，受气候变化影响，极端天气系统及洪涝灾害事件频发，洪涝灾害造成的直接经济损失仍比较严重，防洪工程体系的防洪压力进一步增大。对现有防洪工程体系进行科学合理的调度，对于提高现有防洪工程体系防洪能力、减轻洪涝灾害意义重大。
流域防洪调度决策支持系统是提高流域防洪工程体系防洪能力、减轻洪灾损失的重要非工程措施之一，在防汛工作中发挥了巨大作用。流域防洪调度概化图是对流域防洪工程系统进行抽象和概化的直观体现，能表现出流域系统中的集水区、水文站、水库、分洪闸、蓄滞洪区、河道等实体及其相互之间的水力联系。流域防洪调度概化图是流域防洪调度方案制定和决策的重要基础。传统的流域防洪调度概化图制作方法是相关人员根据所研究流域防洪工程系统的特点，结合各集水区、水文站、水库、分洪闸、蓄滞洪区、河道等实体对象及其相互之间的水力联系，对相对重要的实体对象及其相互联系进行概化，然后手工或利用某一绘图软件绘制生成。该传统方法存在以下缺点：(1)工作量大，制图效率低；(2)生成的概化图内容固定，当资料细化或特定防汛工作要求概化图更新时需要人工重新绘制生成，更新不便；(3)生成的概化图无地理位置信息，无法与现有GIS数据图层进行叠加并进行相关的空间分析。例如，当前的流域防洪调度概化图一般仅仅反映了流域内各概化对象的拓扑逻辑关系，而忽略了各对象的实际地理位置关系，因此不能基于该概化图对流域内的防洪保护对象分布、实时降雨分布、实时灾情分布情况等信息进行综合分析。此外，当前流域防洪调度概化图均基于一定精细程度的资料，针对某一模拟精度要求，对流域中相对重要的水文站、水库、分洪闸、蓄滞洪区、河道等实体对象进行抽象和概化而忽略其他次要对象的影响后制定的固定概化图，不能随着资料的精细程度的提高、实时雨水灾情的变化而导致的防汛重点对象和地区的变化而实时调整。比如，对于某一水库，若其规模相对较小而忽略其影响进而并未在前述固定概化图中进行概化，而根据实时雨水灾情需要考虑该水库防洪调度方案时，就需要根据流域防汛工作需求重新制定流域防洪调度概化图，在一定程度上影响了流域防洪调度决策的效率。
发明内容
针对现有流域防洪调度决策支持系统中流域防洪调度概化图普遍存在的上述问题，提供一种基于GIS的流域防洪调度概化图动态生成方法，能根据用户关注的对象及相应资料的精细程度的改变，动态生成防洪调度概化图，且相应概化图中的对象能在一定的地理坐标系统中与对象的相应实际地理位置相对应，便于与现有GIS数据图层进行叠加并进行相关的空间分析。
具体的技术方案为：
基于GIS的流域防洪调度概化图动态生成方法，包括以下过程：
(1)输入基础资料，基础资料包括流域基础地理数据；
(2)设定流域内重点关注的区域范围以及各类对象的抽象和概化标准；
所述的重点关注的区域，为整个流域，或者流域内用户勾画出的某一范围；
各类对象的抽象和概化标准，包括需要重点考虑的水文站级别、水库级别、分洪闸级别；
(3)抽象和概化实体对象；根据步骤(2)中重点关注的区域范围以及各类对象的抽象和概化标准，在基础地理数据中基于对象的属性信息筛选出满足相应标准的水文站、水库、分洪闸、蓄滞洪区实体，对各类实体进行抽象和概化，生成概化图实体要素图层；
(4)分析确定流域拓扑结构关系，构建对象邻接表；
(5)提取各实体对象间的区间集水区域；
(6)保存和输出流域防洪调度概化图。
其中，所述的步骤(4)分析确定流域拓扑结构关系，构建对象邻接表，包括以下过程：采用深度优先遍历法，针对流域出口断面相应的实体对象，计为A，沿其各条汇入河流向上游搜索概化实体对象，若该河流存在概化实体对象，计为B，则首先将实体对象B至实体对象A的河道概化为一个实体连接，计为B—A，以能反映河道走向的多段线表示，并将该实体连接保存至对象邻接表，见表1：
表1对象邻接表
然后采用递归思想针对实体对象B，沿其各条汇入河流向上游搜索概化实体对象；若该河流上无概化的实体对象，则搜索实体对象的其他汇入河流，直至遍历该实体对象A的所有汇入河流。
其中，所述的步骤(5)提取各实体对象间的区间集水区域，包括以下过程，在对象邻接表中查找出以流域出口断面相应的实体对象，计为A，为终止节点的所有实体连接，相应连接的起始节点即为实体对象A上游的相邻实体对象；
根据流域出口断面相应的实体对象A及其上游的相邻实体对象，采用小流域提取方法利用步骤(1)中基础地理数据提取得到实体对象A与其上游相邻实体对象之间的区间集水区域；
对该区间集水区域进行概化，计为D，以正方形符号表示，并添加到概化图实体要素图层，其中区间集水区域概化对象的地理坐标与该区间集水区域的形心地理坐标一致；
该区间集水区域上由降雨产生的径流将直接汇合到实体对象A，因此将该区间集水区域D至实体对象A的汇流关系概化为一个虚连接，计为D—A，以连接正方形符号和实体对象A的虚线段表示，并将该虚连接保存至对象邻接表，见表1；
采用递归思想，针对实体对象A上游的各相邻实体对象，采用上述提取各实体对象间的区间集水区域的方法分别查找得到其上游的相邻实体对象，提取相应的区间集水区域；若某一实体对象上游没有相邻实体对象，则直接采用小流域提取方法提取得到该实体对象上游的集水区域；
对各区间集水区域进行概化，添加到概化图实体要素图层，并将各区间集水区域与下游出库断面处实体对象的汇流关系概化为虚连接保存至对象邻接表。
其中，所述的步骤(6)保存和输出流域防洪调度概化图，包括以下过程，将重点关注的区域范围内概化后的集水区、水文站、水库、分洪闸、蓄滞洪区、河道要素对象存储于空间数据库中，形成相应的流域防洪调度概化图专题图层；利用GIS平台的空间信息和属性信息的集成管理能力，将该流域防洪调度概化图与各概化要素的属性数据库进行关联，进而实现空间、属性特征和拓扑关系的统一存储和管理。
本发明提供的基于GIS的流域防洪调度概化图动态生成方法，利用GIS平台的空间信息和属性信息的集成管理能力，根据用户需求动态生成既包含流域内各对象的实际地理位置信息又能各反映各对象的拓扑逻辑关系的流域防洪调度概化图，提高了流域防洪调度概化图绘制的自动化程度，方便了流域防洪调度概化图的制作,可以提高流域防洪调度决策的效率，具有很好的推广应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的基于GIS的流域防洪调度概化图动态生成流程图；
图2为本发明提供的流域拓扑结构分析流程图；
图3为本发明提供的实体对象间区间集水区域提取流程图；
图4为本发明提供的实体对象上游区间集水区域提取的递归子流程图。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体实施方式。
基于GIS的流域防洪调度概化图动态生成方法，具体步骤如图1所示，具体为：
(1)输入基础资料。包括流域基础地理数据，如DEM数据，水文站、水库、分洪闸、蓄滞洪区、河道等对象的矢量数据和属性信息等；
(2)设定流域内重点关注的区域范围以及各类对象的抽象和概化标准。重点关注的区域既可以是整个流域，也可以是流域内用户勾画出的某一范围。各对象的抽象和概化标准包括需要重点考虑的水文站级别，如中央报汛站、地方报汛站、重点站等；水库级别，如大(1)型、大(2)型、中型、小(1)型、小(2)型等；分洪闸级别，如大(1)型、大(2)型、中型、小(1)型、小(2)型等；
(3)抽象和概化实体对象。根据步骤(2)中重点关注的区域范围以及各对象的抽象和概化标准，在基础地理数据中基于对象的属性信息筛选出满足相应标准的水文站、水库、分洪闸、蓄滞洪区等实体，对各类实体进行抽象和概化，生成概化图实体要素图层。其中水库类实体以圆形符号表示，水文站以三角形符号表示，分洪闸以带叉线的矩形符号表示，蓄滞洪区以面状区域加带叉线的矩形符号表示。各概化实体要素与真实实体对象具有相同的地理坐标，如水文站概化对象的地理坐标与相应水文站的地理坐标一致，水库概化对象的地理坐标与水库大坝的地理坐标一致，分洪闸概化对象的地理坐标与相应分洪闸的地理坐标一致，蓄滞洪区概化对象的面状区域与相应蓄滞洪区的实际范围一致，带叉线矩形符号的地理坐标与相应蓄滞洪区分洪口门的地理坐标一致。
(4)分析确定流域拓扑结构关系，构建对象邻接表。采用深度优先遍历法，针对流域出口断面相应的实体对象，计为A，沿其各条汇入河流向上游搜索概化实体对象，若该河流存在概化实体对象，计为B，则首先将实体对象B至实体对象A的河道概化为一个实体连接，计为B—A，以能大致反映河道走向的多段线表示，并将该实体连接保存至对象邻接表(见表1)，然后采用递归思想针对实体对象B，沿其各条汇入河流向上游搜索概化实体对象；若该河流上无概化的实体对象，则搜索实体对象的其他汇入河流，直至遍历该实体对象A的所有汇入河流，流程图如图2所示。
(5)提取各实体对象间的区间集水区域。在对象邻接表中查找出以流域出口断面相应的实体对象，计为A，为终止节点的所有实体连接，相应连接的起始节点即为实体对象A上游的相邻实体对象。根据流域出口断面相应的实体对象A及其上游的相邻实体对象，采用小流域提取方法利用步骤1中基础地理数据提取得到实体对象A与其上游相邻实体对象之间的区间集水区域。对该区间集水区域进行概化，计为D，以正方形符号表示，并添加到概化图实体要素图层，其中区间集水区域概化对象的地理坐标与该区间集水区域的形心地理坐标一致。该区间集水区域上由降雨产生的径流将直接汇合到实体对象A，因此将该区间集水区域D至实体对象A的汇流关系概化为一个虚连接，计为D—A，以连接正方形符号和实体对象A的虚线段表示，并将该虚连接保存至对象邻接表，见表1。采用递归思想，针对实体对象A上游的各相邻实体对象，采用前述方法分别查找得到其上游的相邻实体对象，提取相应的区间集水区域。若某一实体对象上游没有相邻实体对象，则直接采用小流域提取方法提取得到该实体对象上游的集水区域。对各区间集水区域进行概化，添加到概化图实体要素图层，并将各区间集水区域与下游出库断面处实体对象的汇流关系概化为虚连接保存至对象邻接表。流程如图3和图4所示。
(6)保存和输出流域防洪调度概化图。将重点关注的区域范围内概化后的集水区、水文站、水库、分洪闸、蓄滞洪区、河道等要素对象存储于空间数据库中，形成相应的流域防洪调度概化图专题图层。利用GIS平台的空间信息和属性信息的集成管理能力，将该流域防洪调度概化图与各概化要素的属性数据库进行关联，进而实现空间、属性特征和拓扑关系的统一存储和管理。根据特定需要，可在GIS平台中将流域防洪调度概化图输出成特定格式的图片文件。

Claims (4)

1.基于GIS的流域防洪调度概化图动态生成方法，其特征在于，包括以下过程：
(1)输入基础资料，基础资料包括流域基础地理数据；
(2)设定流域内重点关注的区域范围以及各类对象的抽象和概化标准；所述的重点关注的区域，为整个流域，或者流域内用户勾画出的某一范围；各类对象的抽象和概化标准，包括需要重点考虑的水文站级别、水库级别、分洪闸级别；
(3)抽象和概化实体对象；根据步骤(2)中重点关注的区域范围以及各类对象的抽象和概化标准，在基础地理数据中基于对象的属性信息筛选出满足相应标准的水文站、水库、分洪闸、蓄滞洪区实体，对各类实体进行抽象和概化，生成概化图实体要素图层；
(4)分析确定流域拓扑结构关系，构建对象邻接表；
(5)提取各实体对象间的区间集水区域；
(6)保存和输出流域防洪调度概化图。
2.根据权利要求1所述的基于GIS的流域防洪调度概化图动态生成方法，其特征在于，所述的步骤(4)分析确定流域拓扑结构关系，构建对象邻接表，包括以下过程：采用深度优先遍历法，针对流域出口断面相应的实体对象，计为A，沿其各条汇入河流向上游搜索概化实体对象，若该河流存在概化实体对象，计为B，则首先将实体对象B至实体对象A的河道概化为一个实体连接，计为B—A，以能反映河道走向的多段线表示，并将该实体连接保存至对象邻接表；然后采用递归思想针对实体对象B，沿其各条汇入河流向上游搜索概化实体对象；若该河流上无概化的实体对象，则搜索实体对象的其他汇入河流，直至遍历该实体对象A的所有汇入河流。
3.根据权利要求1所述的基于GIS的流域防洪调度概化图动态生成方法，其特征在于，所述的步骤(5)提取各实体对象间的区间集水区域，包括以下过程，在对象邻接表中查找出以流域出口断面相应的实体对象，计为A，为终止节点的所有实体连接，相应连接的起始节点即为实体对象A上游的相邻实体对象；
根据流域出口断面相应的实体对象A及其上游的相邻实体对象，采用小流域提取方法利用步骤(1)中基础地理数据提取得到实体对象A与其上游相邻实体对象之间的区间集水区域；
对该区间集水区域进行概化，计为D，以正方形符号表示，并添加到概化图实体要素图层，其中区间集水区域概化对象的地理坐标与该区间集水区域的形心地理坐标一致；
该区间集水区域上由降雨产生的径流将直接汇合到实体对象A，因此将该区间集水区域D至实体对象A的汇流关系概化为一个虚连接，计为D—A，以连接正方形符号和实体对象A的虚线段表示，并将该虚连接保存至对象邻接表；
采用递归思想，针对实体对象A上游的各相邻实体对象，采用上述提取各实体对象间的区间集水区域的方法分别查找得到其上游的相邻实体对象，提取相应的区间集水区域；若某一实体对象上游没有相邻实体对象，则直接采用小流域提取方法提取得到该实体对象上游的集水区域；
对各区间集水区域进行概化，添加到概化图实体要素图层，并将各区间集水区域与下游出库断面处实体对象的汇流关系概化为虚连接保存至对象邻接表。
4.根据权利要求1所述的基于GIS的流域防洪调度概化图动态生成方法，其特征在于，所述的步骤(6)保存和输出流域防洪调度概化图，包括以下过程，将重点关注的区域范围内概化后的集水区、水文站、水库、分洪闸、蓄滞洪区、河道要素对象存储于空间数据库中，形成相应的流域防洪调度概化图专题图层；利用GIS平台的空间信息和属性信息的集成管理能力，将该流域防洪调度概化图与各概化要素的属性数据库进行关联，进而实现空间、属性特征和拓扑关系的统一存储和管理。
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