CN107563019B - 一种针对复杂下垫面城区分布式水文模型数字化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对复杂下垫面城区分布式水文模型数字化方法，包括如下步骤：基础数据的收集与整理；现场踏勘；排水片区划分；子汇水片区粗划；子汇水单元细化；集流点概化；排水管道(网)概化；排水系统精细化处理；模型数字化输入。本发明优点在于：通过高精度概化和数字化处理，实现了分布式水文模型的所需输入数据的真实性和可靠性，尽可能的还原、模拟城区实际的下垫面条件；可应用于多种用地类型交错分布城市建成区的模型数字化输入，借助ArcGIS技术与RS技术，提高了城市范围内子汇水区和排水系统数字化的概化精度，解决了强人类活动影响背景下，分布式水文模型在大规模复杂下垫面城市建成区进行水文过程模拟等技术问题。

Description

一种针对复杂下垫面城区分布式水文模型数字化方法

技术领域

本发明涉及油气井安全技术领域，特别涉及一种针对复杂下垫面城区分布式水文模型数字化方法。

背景技术

分布式水文模型是一种能够模拟复杂的水文现象和过程，研究和建立水文变化规律的重要工具，其特点是可以借助离散性水文单元来反映水文过程的空间异质性。城市建成区的复杂性一方面体现在受强人类活动影响，所述影响改变了自然的下垫面条件；另一方面建设用地类型(如居住用地、公共服务与商业服务设施用地等)呈现出多样性，不同用地类型区的透水区域和不透水区域在空间布局和面积占比上存在差异，混合功能建筑群呈交错状分布。对于分布式水文模型而言，当前缺乏一套普遍适用于复杂下垫面城区的模型数据处理方法，尤其针对城市建成区而言，其汇水区划分和排水系统数字精细化输入等技术方面经验欠缺。此外，现有的分布式水文模型大多应用在50km²以上的大中型流域范围，或局限于10km²以下的单一建设用地类型区域(如居民小区等)，而在10km²～50km²尺度的城市建成区鲜有应用。本发明综合考虑复杂下垫面城区每个相对独立的子汇水区和子排水系统的特殊性，运用ArcGIS及RS技术，实现子汇水区的高精度划分和排水系统的细化。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种针对复杂下垫面城区分布式水文模型数字化方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种针对复杂下垫面城区分布式水文模型数字化方法，包括以下步骤：

步骤1，基础数据的收集与整理；收集城市建成区域的水文气象数据、地形数据、DEM数据、排水管道或网与集水井数据，以及城区用地类型分布图、高清航拍影像图、河网水系图，从中摘录模型构建所需的边界条件和相关参数初设值，并对摘录值做合理性审查；

步骤2，现场踏勘；在模型构建时发现数据缺失，需赴现场踏勘获取管道材质，补测管道断面形状、规格缺失数据；若步骤1收集到的数据经审查后不合理或与实际相差较大者，需现场补测、踏勘完成数据的校准并通过合理性审查；

步骤3，排水片区划分；以城区内主要的河流水系、城市主干路为边界，以城区地表汇流方向和地下主干排水管线流向为依据，将城区初步划分为多个大尺度的排水片区；

步骤4，子汇水片区粗划；以流经排水片区的沟渠、城市快速路、次干路为地块边界，借助ArcGIS 10.2水文模块中的汇水区划分工具，将整个城区粗划为多个用地类型集中分布地块；

步骤5，子汇水单元细化；通过实地踏勘调研、甄别高清影像图途径判定城区建设用地类型布局，将各用地类型地块进一步划分为微尺度的汇水单元；

步骤6，集流点概化；所述集流点的概化即查找出子汇水单元边缘附近的最低节点，是连接子汇水单元和排水管道或网的纽带，以集流点的位置坐标以及排水管道连接的上下游关系确定集流点的接入位置；

步骤7，排水管道或网概化；整理核准各条管线的连接顺序，确定管线的材质，在ArcGIS中对管线数据进行统一的编码和录入，完成管道或网数据的数字化；所述管道数据包括管道材质、起点管底高程、终点管底高程、管径、管道断面形状、所属新老城区位置信息；

步骤8，排水系统精细化处理；对排水管道或网、雨水井、集流点数据的质量检验，包括合理性、完整性、一致性和碎片化检验；

步骤9，模型数字化输入；上述步骤3至5属于汇水区数字化过程，上述步骤6至8属于排水系统数字化过程，整合步骤1所述的水文气象数据，步骤3至5所述的子汇水区数据，以及步骤6至8所述的排水系统数据，经过步骤1至2所述的实地踏勘和数据合理性审查后对模型所需参数进行赋值，将数据逐一录入模型，或转化为模型支持的输入文件，完成模型的数字化输入过程。

作为优选，所述步骤4的子汇水单元的粗划和步骤5的子汇水单元细化是基于复杂下垫面城区土地利用类型细化、ArcGIS 10.2水文模块中的汇水区划分工具、数字高清影像图与现场探勘相结合的方式完成的，各子汇水区由排水系统相连。

作为优选，步骤9中所述排水系统数字化包括排水管道或网数字化、雨水集流点确定、排水系统精细化处理。

作为优选，所述步骤8的雨水井的雨水集流点的确定借助边缘检测算法实现，通过提高边缘检测精度提高模型概化精度。

作为优选，步骤8中所述的排水系统的精细化处理是针对排水管道(网)需要进行的拓扑关系检验和修正，使数字化结果符合工程合理性。

作为优选，步骤6中所述集流点的属性应包括点位坐标、内底标高；

作为优选，所述步骤8中所述拓扑关系检验和修正需要建立排水系统拓扑关系并进行拓扑检查，包括自身拓扑检查和图层间拓扑检查；

作为优选，就自身拓扑检查和图层间拓扑检查中检查出的错误进行拓扑错误处理。

与现有技术相比本发明的优点在于：借助ArcGIS和RS，实现了对复杂下垫面城区的精细化输入，有效地提高了模型输入精度。模型的精细化输入可以保证模拟结果与实际情况更加接近，该方法的应用进一步优化了分布式水文模型在城市水文离散性和城区空间异质性的模拟效果。本发明涉及的方法，弥补了现有子汇水区划分、排水系统概化的技术不足，增强了分布式水文模型在10km²～50km²城区尺度的适用性。

附图说明

图1为本发明实施例一的主流程图；

图2为本发明实施例二的流程图；

图3为本发明实施例三的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。

实施例一：

本实施例是所述模型数字化方法在北京某经济开发区核心区应用的案例，如图1所示，所述技术流程包括：基础数据的收集与整理1，所述基础数据的合理性分析与审查是借助现场踏勘2实现的，所述城区复杂下垫面经初步处理即为排水片区划分3，所述排水片区按照用地类型分布状况划分即为子汇水区粗划过程4，所述的子汇水片区用地类型相对集中但仍不能满足模拟精度，所述的提高模型模拟精度的方法可通过进一步精细划分子汇水片区的方式即为子汇水单元的细化过程5，所述3～5过程属该方法的汇水区精细化处理过程；所述子汇水区产汇流过程中水流归槽最终汇集到排水系统需进一步对雨水井集流点进行概化6，所述雨水井由排水管线相连接，由所述基础数据1获取排水管道(网)数据并完成概化7，进一步的对概化成果作拓扑检查和错误处理即为排水系统精细化处理过程8；所述3～8过程将基础收据转换为模型所需数字格式数据，进而以分布式水文模型特定的格式录入完成模型的数字化输入9。

所述经济开发区核心区数字化过程是：汇水区细化阶段，如前所述，以城区内河流、沟槽和城市快速路、主干路、次干路为边界条件，所述核心区内建设用地类型被划分为居住用地、公共服务与商业服务设施用地、工业用地、道路与交通设施用地、绿地与广场用地5类。在地块划分时，尽量使地块或其临近组合具有独立产汇流过程，最终将核心区划分为108个地块。

进一步的，参考核心区1:2000地形数据、DEM数据、航拍影像图、道路、水系等资料，在108个土地利用类型分块的基础上，借助ArcGIS 10.2水文模块(Hydrology module)中的汇水区划分工具(Watershed)，进一步确定子汇水区的排水边界。依据城区内总体地形分布、坡度分布、主要排水河道的地理位置和流向特征，以城区主干街道为分界线，将核心区粗划为东、西两大汇水片区。

在所述大类型片区划分的基础上，参照影像图和现场调研结果，还原城区建设用地的实际属性，将各用地类型的汇水区细划为住宅区屋顶汇水单元、商服区人行道汇水单元、工业区厂房汇水单元等，即汇水区土地利用类型得到进一步的细化。由于区域下垫面自身的多样性，在进行汇水区精细划分时，兼顾模型运行方便，可根据实际情况适当灵活掌握，并不一味地增加汇水单元的类型和数量来实现精细化输入。

子汇水区的划分原则：(1)对于具有相同下垫面性质且分布相对集中的地表建筑物(如同一小区的多栋住宅楼等)，在没有道路、立交桥等设施分离的前提下，宜将其临近的多个建筑物统一划分为一个子汇水区；(2)对于所述核心区地铁口附近的地块，属混合用地类型且呈交错分布状，需要区分每个相对独立的贸易商场、办公楼、科技公园等，即需要细化到每个建筑体对应的汇水区域，并分别赋予子汇水的土地表面参数。

依据上述划分原则，最终子汇水区的划分精度为：居住用地细划到每个住宅小区，公共服务与商业服务设施用地细划到每个商场建筑，工业用地细划到每个企业工厂，道路与交通设施用地细划到每条支路，绿地与广场用地细划到每个子产汇流地块。

实施例二：

如图2所示，本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于排水系统的细化。本实施例同样以实施例一中的典型城区为例，所述的排水管道(网)、雨水井、雨水集流点将各子汇水区连接在一起。所述核心区排水管道涉及钢管、砼管、钢筋砼管、普通铸铁管等4类材质47种不同规格，所述管道材质将影响模型管线曼宁系数等参数的设定，所述管道规格将影响模型概化管线形状参数等。另外，所述核心区内的河流、沟渠、硬化路面统一概化为排水管线，相应属性在GIS中以数字化格式存储。

在所述核心区雨水检查井原始数据的基础上，增加子汇水区雨水集流点。参考所述汇水区高程数据，借助ArcGIS中的重采样工具(Resample)将其转化成分辨率为250m×250m的栅格数据，再利用ArcGIS中的水文计算工具对各子汇水区进行填洼、确定流向和计算汇流累积量。再利用边缘检测算法(又称提取算法)，确定子汇水区一一对应的集流点，通过网格边缘点赋值绘制子汇水区栅格图，按照逆时针顺序依次扫描子汇水区附近的边缘点，直到查找出该子汇水区的最低节点为止，即找到了每个子汇水区所对应的唯一集流点。最后再按照管道连接的上下游关系来确定雨水井的前后顺序，产生的地表径流由集流点经雨水管道最终流入排水管网。因此，栅格图边缘检测的精度越高，概化效果越接近实际情况。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于排水系统的进一步精细化处理。本实施例所述的排水系统精细化处理还涉及拓扑检验和错误处理。

如图3所示，分布式水文模型对输入数据要求较高，以排水管道(网)拓扑关系的检验与修正为例，所述设定的拓扑容差在0.001m，先利用ArcGIS中的拓扑检验工具进行管网数据的初步精选，自动辨别和纠正重叠或未连接管段，对连接错误、重叠的点、线、面予以修正，筛选出合理的可用管网；再利用水文模型的预运行自查功能，逐个定位模型拓扑检验存在问题的位置，做必要的工程合理性检查、连接性检查和排水管道纵断面图检查；最后通过模型中管网设施编辑命令进行数据修正。上述方法及数据处理步骤对地形数据、雨水井数据同样适用，可以有效地减少模型输入环节数据校核检验的工作量，模型输入阶段SWMM提示的错误报告及不合理警告数量得到大大降低。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种针对复杂下垫面城区分布式水文模型数字化方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，基础数据的收集与整理；收集城市建成区域的水文气象数据、地形数据、DEM数据、排水管道或管网与集水井数据，以及城区用地类型分布图、高清航拍影像图、河网水系图，从中摘录模型构建所需的边界条件和相关参数初设值，并对摘录值做合理性审查；

步骤2，现场踏勘；在模型构建时发现数据缺失，需赴现场踏勘获取管道材质，补测管道断面形状、规格缺失数据；若步骤1收集到的数据经审查后不合理或与实际相差较大者，需现场补测、踏勘完成数据的校准并通过合理性审查；

步骤3，排水片区划分；以城区内主要的河流水系、城市主干路为边界，以城区地表汇流方向和地下主干排水管线流向为依据，将城区初步划分为多个大尺度的排水片区；

步骤4，子汇水片区粗划；以流经排水片区的沟渠、城市快速路、次干路为地块边界，借助ArcGIS 10.2水文模块中的汇水区划分工具，将整个城区粗划为多个用地类型集中分布地块；

步骤5，子汇水单元细化；通过实地踏勘调研、甄别高清影像图途径判定城区建设用地类型布局，将各用地类型地块进一步划分为微尺度的汇水单元；

步骤6，集流点概化；所述集流点的概化即利用边缘检测算法，通过网格边缘点赋值绘制子汇水区栅格图，按照逆时针次序依次扫描子汇水区附近的边缘点，直到查找出子汇水单元边缘附近的最低节点，是连接子汇水单元和排水管道或管网的纽带，以集流点的位置坐标以及排水管道连接的上下游关系确定集流点的接入位置；

步骤7，排水管道或管网概化；整理核准各条管线的连接顺序，确定管线的材质，在ArcGIS中对管线数据进行统一的编码和录入，完成管道或管网数据的数字化；所述管道或管网数据包括管道材质、起点管底高程、终点管底高程、管径、管道断面形状、所属新老城区位置信息；

利用ArcGIS中的拓扑检验工具进行管网数据的初步精选，自动辨别和纠正重叠或未连接管段，对连接错误、重叠的点、线、面予以修正，筛选出合理的可用管网；再利用水文模型的预运行自查功能，逐个定位模型拓扑检验存在问题的位置，做必要的工程合理性检查、连接性检查和排水管道纵断面图检查；最后通过模型中管网设施编辑命令进行数据修正；

步骤8，排水系统精细化处理；对排水管道或管网、雨水井、集流点数据的质量检验，包括合理性、完整性、一致性和碎片化检验；

步骤9，模型数字化输入；上述步骤3至5属于汇水区数字化过程，上述步骤6至8属于排水系统数字化过程，整合步骤1所述的水文气象数据，步骤3至5所述的排水片区、子排水片区、子汇水单元数据，以及步骤6至8所述的排水系统数据，经过步骤1至2所述的现场补测、踏勘完成数据的校准并通过合理性审查后对模型所需参数进行赋值，将数据逐一录入模型，或转化为模型支持的输入文件，完成模型的数字化输入过程。

Images