CN108959598B

CN108959598B - 基于gis的cad数据导入到swmm的方法

Info

Publication number: CN108959598B
Application number: CN201810767155.6A
Authority: CN
Inventors: 蒋白懿; 牟天蔚; 李博; 叶友林; 王玲萍; 沈丹玉; 赵洪宾
Original assignee: Shenyang Jianzhu University
Current assignee: Shenyang Jianzhu University
Priority date: 2017-07-15
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2038-07-12
Also published as: CN108959598A

Abstract

本发明涉及雨水排水技术领域，特别是涉及基于GIS的CAD数据导入到SWMM的方法。包括：步骤一：CAD数据前期处理，导入之前对数据进行删减并按分类以便GIS进行使用；步骤二：数据验证，验证节点和管线拓扑关系是否正确；步骤三：GIS的数据提取与计算：包括节点数据提取、管线数据提取、汇水区数据提取；步骤四：数据导入到SWMM模型；步骤五：结果及参数分析：对导入的模型进行检验及模拟。本发明的有益效果是能够节省以CAD、GIS数据源的SWMM建模时间，提高模型数据精度，减少人为误差，实现无损转化和节点井底高程、汇水区的特征宽度、平均坡度、洼地储水量和不渗透百分比等参数测定的方法。

Description

基于GIS的CAD数据导入到SWMM的方法

技术领域

本发明属于市政工程专业，雨水排水技术领域，特别是涉及基于GIS的CAD数据导入到SWMM的方法。

背景技术

SWMM是一款在城市雨污水设计、管理等方面的免费模拟软件。该软件主要以计算功能为主，但在数据的导入方面并不完善，这给雨洪模型的建立和特定参数的测量造成了极大的困难。目前只有商业化软件和少量学者通过编程才能解决数据导入问题，但以上方法难以推广使用。因此，为了对数据导入提供参考，本文研究了一种使用ArcGIS将数据导入SWMM并对参数进行测定的方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于GIS的CAD数据导入到SWMM的方法，能够节省以CAD、GIS数据源的SWMM建模时间，提高模型数据精度，减少人为误差，实现无损转化和节点井底高程、汇水区的特征宽度、平均坡度、洼地储水量和不渗透百分比等参数测定的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于GIS的CAD数据导入到SWMM的方法，包括以下步骤：

步骤一：CAD数据前期处理，导入之前对数据进行删减并按分类以便GIS进行使用；

步骤二：数据验证，验证节点和管线拓扑关系是否正确；

步骤三：GIS的数据提取与计算：包括节点数据提取、管线数据提取、汇水区数据提取；所述节点数据提取具体为：节点提取数据包括：X坐标、Y坐标、地面高程，提取的步骤如下：

使用Arctoolbox下Data Management Tools->Features->Split Line By Point工具将管线按节点位置打断，并对打断的管线批量编号并移除节点数据；

使用Arctoolbox下Data Management Tools->Features->Features Vertices ToPoints工具在管线端点重新生成节点数据，对节点数据批量编号并删除不必要的节点；

打开节点的属性表并新建text类型字段：Name节点编号；Double类型字段：X坐标、Y坐标、地面高程、井深、井底高程；并使用字段Calculate Geometry计算出节点X、Y坐标；

将CAD高程点和等高线图层数据另存到地理数据库下，并在数据表中删除数值异常的高程点和等高线；本工程提供的高程点和等高线数据精度较高，故采用TIN的方式作为生成DEM的算法；使用3D analysis Tools->Data Management->TIN->Creat TIN生成DEM并使用TIN To Raster工具将TIN转换为栅格数据。

使用Arctoolbox下Spatial Analyst Tools->Exaction->Exacte Values ToPoints工具获取节点地面高程；逐点输入通过现场勘查获得真实值的井深数据后打开节点字段表，通过Filed Calculator计算井底高程如公式(1)所示，到此获取所有节点数据：

H＝h-l (1)

式中：H——井底高层，单位m；

h——地面高层，单位m；

l——井深，单位m。

所述管线数据提取具体为：管道提取数据包括：上游下游节点、管径、长度。

在管线属性表中新建text字段：上游节点、下游节点；Double字段：管径、长度，并按照CAD图层属性统一对管道的管径字段进行批量赋值；

使用Join工具将节点数据连接到管线属性表中获取起点节点编号和终点节点编号，并根据井底埋深计算管道坡度，将坡度小于0的管道起点和终点进行批量对调。

所述汇水区数据提取具体为：汇水区提取计算数据主要包括：位置形状、特征宽度、坡度、不渗透百分比、洼地储水量、出水口节点编号；提取数据的步骤为：

打开汇水区属性表新建Double字段：X坐标、Y坐标，并对汇水区进行批量编号，使用Arctoolbox下Data Management Tools->Features->Features Vertices To Points工具并在汇水区边界折点生成点，使用Calculate Geometry计算出X、Y坐标值，即得到汇水区形状坐标；

在汇水区属性表中新建Double字段：特征宽度；新建线要素水流长度，并根据DEM绘制每个汇水区最远点到排水出口的线要素，即水流长度；通过Join工具得到每个汇水区的水流长度，通过Field Calculator工具得到特征宽度；

L＝S/l_w (2)

式中：L——特征宽度，单位m；

S——汇水区面积，单位m²；

l_w——水流长度，单位m。

在汇水区属性表新建Double字段：坡度；使用ArcToolbox下3D Analyst Tools->Raster Surface->Slope工具对栅格表面进行坡度计算；使用Spatial Analyst Tools->Zonal->Zonal Statistics as Table工具通过汇水区矢量图形提取栅格坡度平均值，并使用Join工具关联到坡度字段；

在汇水区属性表新建Double字段：不渗透百分比；根据规划的用地性质和各部分占地比例，按图层属性对用地类型面要素的不渗透百分比字段进行批量赋值，使用ArcToolbox->Conversion Tools->To Raster->Polygon to Raster工具将赋值修正后的矢量图形转为栅格以便批量加权计算；最后使用ArcToolbox下Spatial Analyst Tools->Zonal->Zonal Statistics as Table工具统计出每个汇水区的不渗透百分比的加权平均值；

在汇水区属性表新建Double字段：洼地储水量；在ArcMAP中加载之前生成的DEM文件，使用ArcToolbox下Spatial Analyst Tools->Hydrology->Fill工具对DEM数据进行填洼处理。通过Spatial Analyst Tools->Map Algebra->Raster Calculator工具将填洼后的DEM和未填洼的DEM数据进行相减运算得出洼地数据，使用Spatial Analyst Tools->Zonal->Zonal Statistics as Table工具将洼地量以总和的方式提取到每个汇水区。将得到的洼地深度总和乘以栅格面积得到洼地体积，最后除以各个汇水区的面积得到平均洼地深度；

在汇水区属性表新建text字段：出水口；第一种方法：先使用Data ManagementTools->Features->Features To Points工具得到中心汇水区位置，再使用空间关联工具与节点要素进行连接，得到最近节点的编号；使用表面分析后得到流向数据，使用区域统计到表工具得到汇水区平均流向特征值，根据流向特征值按方向得到最近节点编号。编程思路:根据汇水区方向特征值，如东北，查找节点坐标X差值>0且Y差值>0；返回值为真时使用沟谷定理计算距离，最后排序得到最近节点编号；返回值为假时出水口记为*或最近节点编号等。

步骤四：数据导入到SWMM模型；SWMM的数据文件inp文件使用ANSI编码方式，可以使用记事本程序直接编辑，数据文件包含诸多构成模块，各个模块包含不同的模块参数供程序读取，采用；；作为注释行，使用空格作为数据分隔符，使用换行符作为子项分隔符；导入模块包括：SUBCATCHMENTS基本子汇水面积信息、SUBAREAS子汇水面积不渗透/渗透子面积数据、CONDUITS管渠管段信息、XSECTIONS渠道、孔口和堰横断面几何特性、COORDINATES坐标、Polygons；

每个模块后对应该模块包含的子项，通过换行符分割，每个子项的参数使用空格进行分割。

步骤五：结果及参数分析：对导入的模型进行检验及模拟。

所述GIS实现CAD数据的提取和计算，并按文件格式输入到SWMM模型中，降低人为测量误差同时节省大量时间。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比较，本发明的有益效果和优点在于:(1)通过非编程手段的第三方软件GIS实现了CAD数据的提取和计算，并按文件格式输入到SWMM模型中，降低了人为测量误差同时节省大量时间。(2)通过DEM数据计算了汇水区的洼地储水量、平均坡度常规无法测量的参数，提高了模型精度。(3)本发明无需通过编程提取数据的节点X坐标、Y坐标、地面高程；管道上下游节点、管径、长度；汇水区位置形状、特征宽度、坡度、不渗透百分比、洼地储水量、出水口节点编号。(4)本发明可通过软件实现对节点井底高程、汇水区的特征宽度、平均坡度、洼地储水量和不渗透百分比等参数的计算。(5)本发明以节省CAD、GIS为数据源的SWMM建模时间，提高模型数据精度，减少人为误差，实现无损转化和参数测定为目的；通过ArcGIS为数据转换平台对城市雨水管网CAD格式数据进行提取并测算模拟参数，如节点、管道、汇水区等；同时该方法实现了节点井底高程、汇水区的特征宽度、平均坡度、洼地储水量和不渗透百分比等参数的计算；基于ArcGIS的数据导入方法具有有效减少建模时间及误差、测定普通方法难以测量的模型参数的优点。

附图说明

图1为本发明雨水可研工程CAD示意图。

图2为本发明雨水可研工程处理后的CAD示意图。

图3为本发明DEM数据提取示意图。

图4为本发明节点数据提取结果示意图。

图5为本发明汇水区面转点处理结果示意图。

图6为本发明汇水区形状数据提取结果示意图。

图7为本发明水流长度绘制结果示意图。

图8为本发明汇水区特征宽度计算结果示意图。

图9为本发明地形表面坡度计算结果示意图。

图10为本发明汇水区平均坡度计算结果示意图。

图11为本发明汇水区不渗透百分比计算结果示意图。

图12为本发明洼地体积计算结果示意图。

图13为本发明最终导入结果示意图。

具体实施方式

结合图1，以A市CAD工程图纸数据进行数据导入，其CAD工程数据包括：高程点数据、节点数据、管道数据、汇水区数据。

使用的数据处理工具包括：EPA SWMM 5.1007、ArcGIS 10.1、AutoCAD 2010、Excel及记事本程序。

CAD数据前期处理：

在CAD数据导入之前需要对原始数据进行删减，只保留建模需要的高程点数据、检查井数据、管道数据和汇水区数据，然后将管道数据根据管径的不同分为不同的图层，并将汇水区中的不同用地性质按图层分类以便GIS进行读取和不同图层的统一赋值。

数据验证：

在ArcMap下创建File Geodatabase文件地理信数据库，并在File Geodatabase下创建Feature dataset要素数据集，将CAD节点数据、管线数据、汇水区数据另存到Featuredataset下，然后在新建topology拓扑，并把节点、管线数据加入到拓扑中，新建Point MustBe Covered By Line验证是否正确，然后把汇水区添加到拓扑关系验证，新建Must NotOverlap、Must Not Have Gaps规则验证汇水区、用地类型是否有重叠和缝隙，最后对拓扑错误进行逐一修正。

基于GIS的数据提取与计算：

1)节点数据

节点提取数据包括：X坐标、Y坐标、地面高程，提取的步骤为：

使用Arctoolbox下Data Management Tools->Features->Split Line By Point工具将管线按节点位置打断，并对打断的管线批量编号并移除节点数据。

使用Arctoolbox下Data Management Tools->Features->Features Vertices ToPoints工具在管线端点重新生成节点数据，对节点数据批量编号并删除不必要的节点。

打开节点的属性表并新建text类型字段：Name节点编号；Double类型字段：X坐标、Y坐标、地面高程、井深、井底高程；并使用字段Calculate Geometry计算出节点X、Y坐标。

将CAD高程点和等高线图层数据另存到地理数据库下，并在数据表中删除数值异常的高程点和等高线；本工程提供的高程点和等高线数据精度较高，故采用TIN的方式作为生成DEM的算法；使用3D analysis Tools->Data Management->TIN->Creat TIN生成DEM并使用TIN To Raster工具将TIN转换为栅格数据；如图3所述。

使用Arctoolbox下Spatial Analyst Tools->Exaction->Exacte Values ToPoints工具获取节点地面高程；逐点输入通过现场勘查获得真实值的井深数据后打开节点字段表，通过Filed Calculator计算井底高程如公式(1)所示，到此获取所有节点数据；如图4所述。

H＝h-l (1)

式中：H——井底高层，单位m；

h——地面高层，单位m；

l——井深，单位m。

2)管线数据

管道提取数据包括：上游下游节点、管径、长度。

在管线属性表中新建text字段：上游节点、下游节点；Double字段：管径、长度，并按照CAD图层属性统一对管道的管径字段进行批量赋值。

3)汇水区数据

汇水区提取计算数据主要包括：位置形状、特征宽度、坡度、不渗透百分比、洼地储水量、出水口节点编号；提取数据的步骤为：

打开汇水区属性表新建Double字段：X坐标、Y坐标，并对汇水区进行批量编号，使用Arctoolbox下Data Management Tools->Features->Features Vertices To Points工具并在汇水区边界折点生成点，使用Calculate Geometry计算出X、Y坐标值，即得到汇水区形状坐标，如图5和图6所示。

在汇水区属性表中新建Double字段：特征宽度；新建线要素水流长度，并根据DEM绘制每个汇水区最远点到排水出口的线要素，即水流长度，如图7所示；通过Join工具得到每个汇水区的水流长度，通过Field Calculator工具得到特征宽度，如图8所示。

L＝S/l_w (2)

式中：L——特征宽度，单位m；

S——汇水区面积，单位m²；

l_w——水流长度，单位m。

在汇水区属性表新建Double字段：坡度；使用ArcToolbox下3D Analyst Tools->Raster Surface->Slope工具对栅格表面进行坡度计算，如图9所示；使用Spatial AnalystTools->Zonal->Zonal Statistics as Table工具通过汇水区矢量图形提取栅格坡度平均值，并使用Join工具关联到坡度字段，如图10所示。

在汇水区属性表新建Double字段：不渗透百分比；根据规划的用地性质和各部分占地比例，按图层属性对用地类型面要素的不渗透百分比字段进行批量赋值，使用ArcToolbox->Conversion Tools->To Raster->Polygon to Raster工具将赋值修正后的矢量图形转为栅格以便批量加权计算；最后使用ArcToolbox下Spatial Analyst Tools->Zonal->Zonal Statistics as Table工具统计出每个汇水区的不渗透百分比的加权平均值，如图11所示。

在汇水区属性表新建Double字段：洼地储水量；在ArcMAP中加载之前生成的DEM文件，使用ArcToolbox下Spatial Analyst Tools->Hydrology->Fill工具对DEM数据进行填洼处理。通过Spatial Analyst Tools->Map Algebra->Raster Calculator工具将填洼后的DEM和未填洼的DEM数据进行相减运算得出洼地数据，使用Spatial Analyst Tools->Zonal->Zonal Statistics as Table工具将洼地量以总和的方式提取到每个汇水区。将得到的洼地深度总和乘以栅格面积得到洼地体积，最后除以各个汇水区的面积得到平均洼地深度，如图12所示。

在汇水区属性表新建text字段：出水口；第一种方法：先使用Data ManagementTools->Features->Features To Points工具得到中心汇水区位置，再使用空间关联工具与节点要素进行连接，得到最近节点的编号；使用表面分析后得到流向数据，使用区域统计到表工具得到汇水区平均流向特征值，根据流向特征值按方向得到最近节点编号。编程思路:根据汇水区方向特征值，如东北，查找节点坐标X差值>0且Y差值>0。返回值为真时使用沟谷定理计算距离，最后排序得到最近节点编号；返回值为假时出水口记为*或最近节点编号等。

将数据导入到SWMM模型中：

SWMM的数据文件inp文件使用ANSI编码方式，可以使用记事本程序直接编辑，数据文件包含诸多构成模块，各个模块包含不同的模块参数供程序读取，采用；；作为注释行，使用空格作为数据分隔符，使用换行符作为子项分隔符。导入模块包括：SUBCATCHMENTS基本子汇水面积信息、SUBAREAS子汇水面积不渗透/渗透子面积数据、CONDUITS管渠管段信息、XSECTIONS渠道、孔口和堰横断面几何特性、COORDINATES坐标、Polygons。

每个模块后对应该模块包含的子项，通过换行符分割，每个子项的参数使用空格进行分割，例如：SUBCATCHMENTS基本子汇水面积信息编号为H95的子项汇水区,包含参数雨量计、排水出口、汇水区面积、不渗透百分比、特征宽度、汇水区平均坡度，如表1所示。

表1：[汇水区]

在ArcMap中选中要导出的要素，使用Copy Records For Selected Features工具复制要数数据并粘贴到Excel表格中，对应上述inp文件数据格式将结果复制到inp文件中，保存后得到目标文件。

结果及参数分析：

结果文件包含节点140个，管道数据139条，汇水区115个，如图13所示，节点底高程计算值178.0053m～194.5072m、汇水区的特征宽度计算值29.84m～798.57m、平均坡度计算值0.25％～8.17％、洼地储水量计算值0.000168228mm～18.20063743mm和不渗透百分比参数计算值5.72～86.80。通过非编程手段的第三方软件ArcGIS实现了对CAD数据的提取和计算，并按文件格式输入到SWMM模型中，降低了人为测量误差并节省大量时间。DEM数据计算了汇水区的洼地储水量、平均坡度常规无法测量的参数，提高了模型精度。因此，该方法为一种对于数据提取与计算是的有效方法。

Claims

1.基于GIS的CAD数据导入到SWMM的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤二：数据验证，验证节点和管线拓扑关系是否正确；

步骤三：GIS的数据提取与计算：包括节点数据提取、管线数据提取、汇水区数据提取；所述的节点数据的提取包括：X坐标、Y坐标、地面高程，提取的步骤如下：

将CAD高程点和等高线图层数据另存到地理数据库下，并在数据表中删除数值异常的高程点和等高线；本工程提供的高程点和等高线数据精度较高，故采用TIN的方式作为生成DEM的算法；使用3D analysis Tools->Data Management->TIN->Creat TIN生成DEM并使用TIN To Raster工具将TIN转换为栅格数据；

使用Arctoolbox下Spatial Analyst Tools->Exaction->Exacte Values To Points工具获取节点地面高程；逐点输入通过现场勘查获得真实值的井深数据后打开节点字段表，通过Filed Calculator计算井底高程如公式(1)所示，到此获取所有节点数据：

H＝h-l (1)

式中：H——井底高程，单位m；

h——地面高程，单位m；

l——井深，单位m，

所述的管线数据提取包括：上游下游节点、管径、长度；

使用Join工具将节点数据连接到管线属性表中获取起点节点编号和终点节点编号，并根据井底埋深计算管道坡度，将坡度小于0的管道起点和终点进行批量对调；所述的汇水区数据提取包括：位置形状、特征宽度、坡度、不渗透百分比、洼地储水量、出水口节点编号；提取数据的步骤为：

L＝S/l_w (2)

式中：L——特征宽度，单位m；

S——汇水区面积，单位m²；

l_w——水流长度，单位m；

在汇水区属性表新建Double字段：不渗透百分比；根据规划的用地性质和各部分占地比例，按图层属性对用地类型面要素的不渗透百分比字段进行批量赋值，使用ArcToolbox->Conversion Tools->To Raster->Polygon to Raster工具将赋值修正后的矢量图形转为栅格以便批量加权计算；最后使用ArcToolbox下Spatial Analyst Tools->Zonal->ZonalStatistics as Table工具统计出每个汇水区的不渗透百分比的加权平均值；

在汇水区属性表新建Double字段：洼地储水量；在ArcMAP中加载之前生成的DEM文件，使用ArcToolbox下Spatial Analyst Tools->Hydrology->Fill工具对DEM数据进行填洼处理；通过Spatial Analyst Tools->Map Algebra->Raster Calculator工具将填洼后的DEM和未填洼的DEM数据进行相减运算得出洼地数据，使用Spatial Analyst Tools->Zonal->ZonalStatistics as Table工具将洼地量以总和的方式提取到每个汇水区；将得到的洼地深度总和乘以栅格面积得到洼地体积，最后除以各个汇水区的面积得到平均洼地深度；

在汇水区属性表新建text字段：出水口；第一种方法：先使用Data Management Tools->Features->Features To Points工具得到中心汇水区位置，再使用空间关联工具与节点要素进行连接，得到最近节点的编号；第二种方法：使用表面分析后得到流向数据，使用区域统计到表工具得到汇水区平均流向特征值，根据流向特征值按方向得到最近节点编号，第二种方法编程思路:根据汇水区方向特征值，查找节点坐标X差值>0且Y差值>0；返回值为真时使用沟谷定理计算距离，最后排序得到最近节点编号；返回值为假时出水口记为*或最近节点编号；

步骤四：数据导入到SWMM模型；所述数据导入到SWMM模型具体为：SWMM的数据文件inp文件使用ANSI编码方式，使用记事本程序直接编辑，数据文件包含诸多构成模块，各个模块包含不同的模块参数供程序读取，采用；；作为注释行，使用空格作为数据分隔符，使用换行符作为子项分隔符；导入模块包括：SUBCATCHMENTS基本子汇水面积信息、SUBAREAS子汇水面积不渗透/渗透子面积数据、CONDUITS管渠管段信息、XSECTIONS渠道、孔口和堰横断面几何特性、COORDINATES坐标、Polygons；

每个模块后对应该模块包含的子项，通过换行符分割，每个子项的参数使用空格进行分割；

步骤五：结果及参数分析：对导入的模型进行检验及模拟。

2.根据权利要求1所述的基于GIS的CAD数据导入到SWMM的方法，其特征在于：所述GIS的数据提取与计算，按文件格式输入到SWMM模型中，降低人为测量误差同时节省大量时间。