CN116542371A - 一种城市内涝预测分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市内涝预测分析方法，涉及灾害预测技术领域，本发明包括利用车载移动测量系统和航空摄影测量系统，获取数字点云，制作数字表面模型；利用地理国情监测地表覆盖数据，以地理国情监测数据作为下垫面数据，通过透水性分析，获取地表透水模型；通过地下管网调查，将管网与节点概化，获取并构建排水管网拓扑网络模型；基于数字表面模型、地表透水模型、排水管网拓扑网络模型和气象数据，对地表汇流、区域积水和积水程度进行分析，构建城市内涝预测分析模型；根据城市内涝预测分析模型，获取对城市内涝的预测分析。

Description

一种城市内涝预测分析方法

技术领域

本发明涉及灾害预测技术领域，具体为一种城市内涝预测分析方法。

背景技术

近年来，由于城市化水平提高、全球气候变化、土地利用及城市水文水利情况的变化，受暴雨等极端灾害性天气的影响，城市内涝发生频繁，灾害程度日趋严重，内涝预报也成为防灾减灾的重要非工程措施。构建城市内涝预测分析方法，有利于相关工作人员全面了解城市内涝的防治情况，针对实际情况展开合理分析，有效判断采用策略。

当前在城市内涝分析预测方面主要从以下几方面实现：一是从地表产流的角度，即从子流域的模拟方法、子流域下的产流产生条件、产流模型方法等。二是从地表径流的角度，即影响径流的因子及径流过程。三是从下渗的角度，即雨水降到地表后慢慢渗入透水区域的过程，以及不同地表的拦截雨水能力。四是从管网汇流角度，即管网的拓扑结构、排水能力、影响排水的过程影响因子等。五是从气象角度，即模拟暴雨的降雨程度影响及过程变化规律。

在城市内涝分析预测方面当前一是缺乏高精度数字表面模型，由于城市地形具有高度复杂的特征，楼宇、高架桥、市政建筑物等城市微地形会显著改变水流方向，对地表径流以及积水扩散过程产生明显影响，进而制约内涝模型的模拟精度。二是缺乏丰富的城市下垫面分类数据，以及在此基础上构建的地表透水模型。三是缺乏详实的地下管网数据，以及对其的拓扑网络构建。整体而言，城市内涝分析存在城市地表模拟方面不够精准、下垫面数据不够丰富、数值模拟算法不够综合、模型参数设置精度较低,导致城市内涝分析结果精度不高。

发明内容

本发明提出的一种城市内涝预测分析方法，包括以下步骤：

利用车载移动测量系统和航空摄影测量系统，获取数字点云，制作数字表面模型；

利用地理国情监测地表覆盖数据，以地理国情监测数据作为下垫面数据，通过透水性分析，获取地表透水模型；

通过地下管网调查，将管网与节点概化，获取并构建排水管网拓扑网络模型；

基于数字表面模型、地表透水模型、排水管网拓扑网络模型和气象数据，对地表汇流、区域积水和积水程度进行分析，构建城市内涝预测分析模型；

根据城市内涝预测分析模型，获取对城市内涝的预测分析。

进一步的，所述制作数字表面模型，具体包括：

利用车载移动测量系统，获取带状数字点云；

利用航空摄影测量技术，对车载测量系统无法采集到的区域进行数字点云采集；

对数字点云进行加工、处理、融合，并构建满足城市内涝分析的数字地表模型DSM。

进一步的，所述利用车载移动测量系统，获取带状高精度数字点云，具体包括：

在移动测量车有效控制范围内架设地面基站点并进行控制测量，根据规划测线开展车载移动扫描；

对采集的定位定姿数据IMU、DGPS、里程数据和纠正点数据进行组合导航解算，对扫描的激光数据进行纠正处理，经精度检核获得点云数据成果。

进一步的，所述利用航空摄影测量技术，对车载测量系统无法采集到的区域进行数字点云采集，具体包括：

在无人机有效控制范围内架设地面基站点并进行控制测量，根据规划航线开展无人机载lidar扫描；

利用采集的定位定姿数据IMU、DGPS对点云进行坐标系统转换，对获取的点云进行地面点、非地面点、噪声点等分类，并利用多种算法开展点云的自动、半自动滤波，经精度检核获得点云数据成果。

进一步的，所述构建满足城市内涝分析的高精度数字地表模型DSM，具体包括：

将基于车载移动测量系统获取的点云和基于航空摄影测量系统获取的点云进行点云格式转换，并对点云数据进行融合处理；

针对点云分布不均等问题进行点云内插；

对点云进行编辑，保留地物信息；

经精度检验获得保留地表构筑物形态的数字表面模型DSM。

进一步的，所述获取地表透水模型，具体包括：

以高分辨率源航空航天遥感影像数据为数据源，收集和整合基础地理信息数据及多行业专题数据；

通过遥感影像解译、外业调查、数据编辑与整理、质量检查技术与方法获得地表覆盖数据；

经过透水性分析，构建地表透水模型。

进一步的，所述获取并构建排水管网拓扑网络模型，具体包括：

收集各类地下管线专业资料，现场探勘确定探查仪器与方法；

通过明显点的探查和隐蔽点的探查，经草图记录和质量检查获得物探属性数据结果；

通过控制点测量和管线点测量，经内业处理和质量检查后获得测绘空间数据成果；

对物探属性数据结果和测绘空间数据结果进行挂接，获得地下管网数据；

对排水管网中线状管网及点状排水口的分布进行概化和拓扑模拟，形成排水管网模型。

进一步的，所述构建城市内涝预测分析模型，具体包括：

将模拟区划分为若干子汇水区，每个子汇水区作为模型计算的基本空间单元；

根据各个子汇水区的参数，分别计算汇流过程；

根据流量演算方法汇总各个子汇水区信息，将各个阶段进行时空耦合，构建城市内涝预测分析模型，得到模拟区内的内涝分布情况。

进一步的，在计算汇流前，需要先进行产流分析，产流分析包括：

产流是考虑到降雨蒸发、下渗、管网排水等情况的损耗，而将排到其他区域的水量，产流计算公式为:

R＝(i-e)*Δt-∑H_i-H_P；

式中，R-产流量，mm；i-降雨强度，mm/s；e-地表蒸发量，mm/s；Δt-降雨历时，s；H_i-不同透水面降雨入渗深度，mm；H_P-子汇水区排水管网的排水深度，mm；

公式中的降雨强度和地表蒸发量从气象数据中提取，其他因子通过下渗计算、管网汇流计算获得；

下渗计算是先利用地表透水模型计算不同地表的下渗强度K_i，再计算不同透水面在降雨过程中的入渗深度，下渗计算公式如下：

H_i＝(θ_S-θ_i)K_i/(i-K_i)*A_i；

式中，H_i-不同透水面降雨入渗深度，mm；θ_S-饱和时候以体积计算的水分含量，mm³；θ_i-初始时候以体积计算的水分含量，mm³；i-降雨强度，mm/s；K_i-不同地表的下渗强度，mm/s；A_i-不同透水面的面积，mm²；

管网汇流计算是先根据排水管网模型中管网的粗细、长度、出口等因素计算子汇水区域内所有管网的排水体方，其次根据井盖的数量，计算通过管网可以排出的降雨深度，管网汇流公式如下：

H_P＝Φ_S*G_S/(i-G_S)*N*A_p；

式中，H_P-子汇水区排水管网的排水深度，mm；Φ_S-子汇水区内排水管网的总排水体方，mm³；i-降雨强度，mm/s；G_S-排水管网节点的饱和水力传导率，mm/s；N-排水管网节点的数量；A_p-排水管网节点的面积，mm²。

进一步的，所述计算汇流，具体包括：

经过产流分析，得到将流到其他区域的雨量，对这些雨量进行汇流分析；

其中，在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算得到的，以规则格网表示的数字表面模型每点处有一个单位的水量，按照自然水流从高处流往低处的自然规律，根据区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值，便可得到该区域的汇流累积量；

利用数字表面模型确定水流方向，水流的流向通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定，栅格间的距离与方向有关，如果邻域栅格对中心栅格的方向值为2、8、32、128，则栅格间的距离为2倍的栅格大小，否则距离为1，得到水流编码后的水流文件；

利用水流文件获得洼地区域sink，计算每个洼地所形成的贡献区出水口高程z_max，并对洼地每一个栅格计算其深度,计算公式如下：

ΔZ_i＝Z_max-Z_i；

式中，Z_i为每个栅格的高程；

根据下式获取洼地的蓄水量：

V_sink＝∑Vol_i＝∑(Cell_area)*ΔZ_i；

式中，Cell_area为栅格大小。

与现有技术相比，本发明提供的一种城市内涝预测分析方法，其有益效果是：

(1)针对现有城市地表模拟方面不够精准的技术问题，本发明引入车载激光测量建模系统与航空摄影测量系统获取的数字点云，构建高精度数字地表模型；

(2)针对下垫面数据不够丰富的技术问题，本发明引入地理国情监测数据作为下垫面数据,综合考虑城市复杂地表信息，在此数据基础上进行识别与渗水性分析；

(3)针对城市排水管网数据不够详实的问题，本发明引入地下管网调查技术，并对城市排水管网进行概化模拟，形成排水管网拓扑网络，并耦合至水动力模型，更加精确地论证带入变量后结果的科学性和准确性，从而使模型运行结果更加贴近真实情况。

附图说明

图1为本发明提供的城市内涝预测分析方法构建总体技术路线图；

图2为本发明提供的车载移动测量系统获取数字点云技术流程；

图3为本发明提供的航空摄影测量系统获取数字点云技术流程；

图4为本发明提供的数字表面模型制作技术流程；

图5为本发明提供的地表透水模型制作技术流程；

图6为本发明提供的排水管网模型构建制作技术流程；

图7为本发明提供的汇流累计量计算过程图；

图8为本发明提供的水流流向编码。

具体实施方式

下面结合附图1至图8，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：如图1-8所示，本发明提出了一种城市内涝预测分析方法，具体包括：

利用车载移动测量系统、航空摄影测量系统获取并制作高精度数字表面模型；利用地理国情监测地表覆盖数据通过透水性分析获取地表透水模型；通过地下管网调查获取并构建管网拓扑网络模型。在这三个数据模型基础上，通过汇流分析及验证构建一种城市内涝预测分析方法。其总体技术路线如图1所示。

1.数字地表模型(DSM)构建

利用车载移动测量系统，获取带状高精度数字点云。利用航空摄影测量技术对车载测量系统无法采集到的区域进行数字点云采集，对数字点云进行加工、处理、融合，并构建满足城市内涝分析的高精度数字地表模型(DSM)。

1.1车载移动测量系统获取数字点云

首先在移动测量车有效控制范围内架设地面基站点并进行控制测量，根据规划测线开展车载移动扫描，对采集的定位定姿数据(IMU、DGPS)、里程数据和纠正点数据进行组合导航解算，对扫描的激光数据进行纠正处理，经精度检核获得点云数据成果，其技术流程如图2所示。

1.2航空摄影测量系统获取数字点云

首先在无人机有效控制范围内架设地面基站点并进行控制测量，根据规划航线开展无人机载lidar扫描，利用采集的定位定姿数据(IMU、DGPS)对点云进行坐标系统转换，对获取的点云进行地面点、非地面点、噪声点等分类，并利用多种算法开展点云的自动、半自动滤波，经精度检核获得点云数据成果，其技术流程如图3所示。

1.3数字表面模型(DSM)制作

将基于车载移动测量系统获取的点云和基于航空摄影测量系统获取的点云进行点云格式转换，并对点云数据进行融合处理，针对点云分布不均等问题进行点云内插，对点云进行编辑，保留地物信息，经精度检验获得保留地表构筑物形态的数字表面模型(DSM)，其技术流程如图4所示。

2.地表透水性模型构建

以高分辨率源航空航天遥感影像数据为主要数据源，收集和整合基础地理信息数据及多行业专题数据，通过遥感影像解译、外业调查、数据编辑与整理、质量检查等技术与方法获得地表覆盖数据，经过透水性分析，构建地表透水模型，其技术路线如图5所示。

3.排水管网拓扑网络模型构建

收集各类地下管线专业资料(包括设计图、竣工图等)，现场探勘确定探查仪器与方法。然后分物探和测量两个分步骤实施，物探方面通过明显点和隐蔽点的探查，经草图记录和质量检查获得物探属性数据结果；测量方面通过控制点测量和管线点测量，经内业处理和质量检查后获得测绘空间数据成果。对上述两类数据结果进行挂接，获得地下管网数据，线状管网及点状排水口等排水管网的分布进行概化和拓扑模拟，形成排水管网模型，其技术路线如图6所示。

4.城市内涝预测分析模型

将模拟区划分为若干子汇水区(小流域)，每个子汇水区作为模型计算的基本空间单元，根据各个子汇水区的参数，分别计算汇流过程，最后根据流量演算方法汇总各个子汇水区信息，将各个阶段进行时空耦合，构建预测分析模型，得到模拟区内的内涝分布情况。

4.1产流分析

产流是考虑到降雨蒸发、下渗、管网排水等情况的损耗，而将排到其他区域的水量，产流计算公式如下：

R＝(i-e)*Δt-∑H_i-H_P；

式中，R-产流量，mm；i-降雨强度，mm/s；e-地表蒸发量，mm/s；Δt-降雨历时，s；H_i-不同透水面降雨入渗深度，mm；H_P-子汇水区排水管网的排水深度，mm；

公式中的降雨强度和地表蒸发量从气象数据中提取，其他因子通过下渗计算、管网汇流计算获得。

4.1.1下渗计算

首先利用地表透水模型计算不同地表的下渗强度K_i，再计算不同透水面在降雨过程中的入渗深度，其计算公式如下：

H_i＝(θ_S-θ_i)K_i/(i-K_i)*A_i；

式中，H_i-不同透水面降雨入渗深度，mm；θ_S-饱和时候以体积计算的水分含量，mm³；θ_i-初始时候以体积计算的水分含量，mm³；i-降雨强度，mm/s；K_i-不同地表的下渗强度，mm/s；A_i-不同透水面的面积，mm²。

4.1.2管网汇流计算

首先根据排水管网模型中管网的粗细、长度、出口等因素计算子汇水区域内所有管网的排水体方，其次根据井盖的数量，计算通过管网可以排出的降雨深度，其计算公式如下：

H_P＝Φ_S*G_S/(i-G_S)*N*A_p；

式中，H_P-子汇水区排水管网的排水深度，mm；Φ_S-子汇水区内排水管网的总排水体方，mm³；i-降雨强度，mm/s；G_S-排水管网节点的饱和水力传导率，mm/s；N-排水管网节点的数量；A_p-排水管网节点的面积，mm²。

4.2汇流分析

经过产流分析，我们得到将流到其他区域的雨量，对这些雨量进行汇流分析。在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算得到的。以规则格网表示的数字表面模型每点处有一个单位的水量，按照自然水流从高处流往低处的自然规律，根据区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值，便得到了该区域的汇流累积量。汇流累积量计算过程如图7所示。

首先利用数字表面模型确定水流方向。水流的流向是通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定，栅格间的距离与方向有关，如果邻域栅格对中心栅格的方向值为2、8、32、128，则栅格间的距离为2倍的栅格大小，否则距离为1。通过上述方式得到水流编码后的水流文件。

其次利用水流文件获得洼地区域sink，计算每个洼地所形成的贡献区出水口高程z_max，并对洼地每一个栅格计算其深度

ΔZ_i＝Z_max-Z_i；

式中，Z_i为每个栅格的高程。

并进一步得到洼地的蓄水量

V_sink＝∑Vol_i＝∑(Cell_area)*ΔZ_i；

式中，Cell_area为栅格大小。

综合来看，与现有技术相比，本发明提供的一种城市内涝预测分析方法，其有益效果是：

(1)针对现有城市地表模拟方面不够精准的技术问题，本发明引入车载激光测量建模系统与航空摄影测量系统获取的数字点云，构建高精度数字地表模型；

(2)针对下垫面数据不够丰富的技术问题，本发明引入地理国情监测数据作为下垫面数据,综合考虑城市复杂地表信息，在此数据基础上进行识别与渗水性分析；

(3)针对城市排水管网数据不够详实的问题，本发明引入地下管网调查技术，并对城市排水管网进行概化模拟，形成排水管网拓扑网络，并耦合至水动力模型，更加精确地论证带入变量后结果的科学性和准确性，从而使模型运行结果更加贴近真实情况。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种城市内涝预测分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用车载移动测量系统和航空摄影测量系统，获取数字点云，制作数字表面模型；

利用地理国情监测地表覆盖数据，以地理国情监测数据作为下垫面数据，通过透水性分析，获取地表透水模型；

通过地下管网调查，将管网与节点概化，获取并构建排水管网拓扑网络模型；

基于数字表面模型、地表透水模型、排水管网拓扑网络模型和气象数据，对地表汇流、区域积水和积水程度进行分析，构建城市内涝预测分析模型；

根据城市内涝预测分析模型，获取对城市内涝的预测分析。

2.如权利要求1所述的一种城市内涝预测分析方法，其特征在于，所述制作数字表面模型，具体包括：

利用车载移动测量系统，获取带状数字点云；

利用航空摄影测量技术，对车载测量系统无法采集到的区域进行数字点云采集；

对数字点云进行加工、处理、融合，并构建满足城市内涝分析的数字地表模型DSM。

3.如权利要求2所述的一种城市内涝预测分析方法，其特征在于，所述利用车载移动测量系统，获取带状高精度数字点云，具体包括：

在移动测量车有效控制范围内架设地面基站点并进行控制测量，根据规划测线开展车载移动扫描；

对采集的定位定姿数据IMU、DGPS、里程数据和纠正点数据进行组合导航解算，对扫描的激光数据进行纠正处理，经精度检核获得点云数据成果。

4.如权利要求3所述的一种城市内涝预测分析方法，其特征在于，所述利用航空摄影测量技术，对车载测量系统无法采集到的区域进行数字点云采集，具体包括：

在无人机有效控制范围内架设地面基站点并进行控制测量，根据规划航线开展无人机载lidar扫描；

利用采集的定位定姿数据IMU、DGPS对点云进行坐标系统转换，对获取的点云进行地面点、非地面点、噪声点等分类，并利用多种算法开展点云的自动、半自动滤波，经精度检核获得点云数据成果。

5.如权利要求4所述的一种城市内涝预测分析方法，其特征在于，所述构建满足城市内涝分析的高精度数字地表模型DSM，具体包括：

将基于车载移动测量系统获取的点云和基于航空摄影测量系统获取的点云进行点云格式转换，并对点云数据进行融合处理；

针对点云分布不均等问题进行点云内插；

对点云进行编辑，保留地物信息；

经精度检验获得保留地表构筑物形态的数字表面模型DSM。

6.如权利要求1所述的一种城市内涝预测分析方法，其特征在于，所述获取地表透水模型，具体包括：

以高分辨率源航空航天遥感影像数据为数据源，收集和整合基础地理信息数据及多行业专题数据；

通过遥感影像解译、外业调查、数据编辑与整理、质量检查技术与方法获得地表覆盖数据；

经过透水性分析，构建地表透水模型。

7.如权利要求1所述的一种城市内涝预测分析方法，其特征在于，所述获取并构建排水管网拓扑网络模型，具体包括：

收集各类地下管线专业资料，现场探勘确定探查仪器与方法；

通过明显点的探查和隐蔽点的探查，经草图记录和质量检查获得物探属性数据结果；

通过控制点测量和管线点测量，经内业处理和质量检查后获得测绘空间数据成果；

对物探属性数据结果和测绘空间数据结果进行挂接，获得地下管网数据；

对排水管网中线状管网及点状排水口的分布进行概化和拓扑模拟，形成排水管网模型。

8.如权利要求1所述的一种城市内涝预测分析方法，其特征在于，所述构建城市内涝预测分析模型，具体包括：

将模拟区划分为若干子汇水区，每个子汇水区作为模型计算的基本空间单元；

根据各个子汇水区的参数，分别计算汇流过程；

根据流量演算方法汇总各个子汇水区信息，将各个阶段进行时空耦合，构建城市内涝预测分析模型，得到模拟区内的内涝分布情况。

9.如权利要求8所述的一种城市内涝预测分析方法，其特征在于，在计算汇流前，需要先进行产流分析，产流分析包括：

产流是考虑到降雨蒸发、下渗、管网排水等情况的损耗，而将排到其他区域的水量，产流计算公式为:

R＝(i-e)*Δt-∑H_i-H_P；

式中，R-产流量，mm；i-降雨强度，mm/s；e-地表蒸发量，mm/s；Δt-降雨历时，s；H_i-不同透水面降雨入渗深度，mm；H_P-子汇水区排水管网的排水深度，mm；

公式中的降雨强度和地表蒸发量从气象数据中提取，其他因子通过下渗计算、管网汇流计算获得；

下渗计算是先利用地表透水模型计算不同地表的下渗强度K_i，再计算不同透水面在降雨过程中的入渗深度，下渗计算公式如下：

H_i＝(θ_S-θ_i)K_i/(i-K_i)*A_i；

式中，H_i-不同透水面降雨入渗深度，mm；θ_S-饱和时候以体积计算的水分含量，mm³；θ_i-初始时候以体积计算的水分含量，mm³；i-降雨强度，mm/s；K_i-不同地表的下渗强度，mm/s；A_i-不同透水面的面积，mm²；

管网汇流计算是先根据排水管网模型中管网的粗细、长度、出口等因素计算子汇水区域内所有管网的排水体方，其次根据井盖的数量，计算通过管网可以排出的降雨深度，管网汇流公式如下：

H_P＝Φ_S*G_S/(i-G_S)*N*A_p；

式中，H_P-子汇水区排水管网的排水深度，mm；Φ_S-子汇水区内排水管网的总排水体方，mm³；i-降雨强度，mm/s；G_S-排水管网节点的饱和水力传导率，mm/s；N-排水管网节点的数量；A_p-排水管网节点的面积，mm²。

10.如权利要求9所述的一种城市内涝预测分析方法，其特征在于，所述计算汇流，具体包括：

经过产流分析，得到将流到其他区域的雨量，对这些雨量进行汇流分析；

其中，在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算得到的，以规则格网表示的数字表面模型每点处有一个单位的水量，按照自然水流从高处流往低处的自然规律，根据区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值，便可得到该区域的汇流累积量；

利用数字表面模型确定水流方向，水流的流向通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定，栅格间的距离与方向有关，如果邻域栅格对中心栅格的方向值为2、8、32、128，则栅格间的距离为倍的栅格大小，否则距离为1，得到水流编码后的水流文件；

利用水流文件获得洼地区域sink，计算每个洼地所形成的贡献区出水口高程z_max，并对洼地每一个栅格计算其深度,计算公式如下：

ΔZ_i＝Z_max-Z_i；

式中，Z_i为每个栅格的高程；

根据下式获取洼地的蓄水量：

V_sink＝∑Vol_i＝∑(Cell_area)*ΔZ_i；

式中，Cell_area为栅格大小。