CN117852218A - 一种基于管网位置和拓扑关系的排水管网模型汇水分区划定方法 - Google Patents
一种基于管网位置和拓扑关系的排水管网模型汇水分区划定方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于管网位置和拓扑关系的排水管网模型汇水分区划定方法，属于市政排水工程技术领域。本发明通过迭代方法实现各三级排水分区内汇水分区的自动划分，避免了传统基于检查井节点位置的泰森多边形法划定汇水分区存在的弊端，无需进行大量的人工修正工作，主要数据处理过程均通过计算机自动化和批量化的实现，提高汇水区划定的工作效率，保证排水管网模型数据的质量，又可实现与工程规划设计条件的等价。本发明包括排水管网模型数据的导出、排水管网模型数据的预处理、三级排水分区的预处理、迭代要素设置、各三级排水分区内点服务分区的自动划分、融合相同属性的点服务分区。本发明只需借助现有的软件工具即可完成各个步骤，操作简易，容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于管网位置和拓扑关系的排水管网模型汇水分区划定方法，属于市政排水工程技术领域，特别是排水管网模型和排水防涝模型建设中管网汇水分区的有效划定。
背景技术
排水管网系统是重要的城市基础设施，担负着收集和输送城市污水和城市降雨、融雪产生的径流的任务，具有保护环境和城市减灾双重功能，被称作城市的“生命线”和“血脉”，在城市规划、建设和运行中的作用不容忽视。近年来受全球气候变化和城市快速发展等影响，城市内涝问题频发，受到国家、社会的广泛关注，如何保障城市排水排涝安全，成为城市发展亟待解决的热点和难点问题。针对城市内涝顽疾，国家有关部门相继发文，提出了系统提升城市内涝防治水平等一系列的要求，包括编制城市内涝风险图、提升暴雨洪涝预报预警能力等。2021年版《室外排水设计标准》明确提出当汇水面积大于2平方公里时，应采用数学模型法确定雨水设计流量，各地在城市规划和设计中，也提出了应用排水防涝模型的有关要求，可见排水防涝模型的应用已被正式提上了日程。
雨水管网的设计流量为设计暴雨强度、径流系数及汇水面积三者的乘积。排水管网模型的建设包括管网拓扑结构的搭建、属性数据的转换或录入、管网模型汇水分区的划定、降雨边界的输入、参数的设置等过程。由此可见，汇水区的有效合理划定对雨水设计流量计算以及排水管网模型模拟计算意义重大。目前排水管网模型建设中，最常用的汇水分区划定方法是在ArcGIS中基于检查井节点位置的泰森多边形划定方法，目前主流的模型软件中自带的汇水区划定方法也均是基于检查井节点位置的泰森多边形划定方法。该方法虽然划定简单，但该方法受限于节点位置的影响，无法准确的划定对应排水管网的服务分区，尤其是当一条道路上有2条或多条管道以及在路口位置有多条管道交叉或连接时，该方法划定的汇水分区的误差将进一步增大，甚至出现划定错误的情况，例如当一条道路上有2条雨水管道时，会出现道路一测管道的服务范围划定到道路另一侧，结果将导致模型模拟结果的错误。在实际工程规划设计中，受限于管网勘测精度的限制，根据排水管网模型的建设需求，通常会对排水管网进行一定程度的概化，对于概化后的模型，受限于概化程度以及概化后节点位置的分布，对应的基于检查井节点位置的泰森多边形划定方法会对结果造成较大的影响。因此目前在排水管网模型和排水防涝模型建设中，在基于检查井节点位置的泰森多边形划定方法基础上，仍需大量的人工手动调整工作，效率低而且误差较大，不能有效保证排水管网模型的质量。
针对目前汇水区划定存在的问题，相关的论文研究或专利提出了基于地形模型(DEM)、建筑、道路等相关要素、综合水文分析等途径的汇水区划分方法，但相关方法均需有详细的地形和地类信息做支撑，仅可用于现状模型的构建与应用。此外，通常基于盆域分析等水文分析的方法，其基本原理为D8算法(也称单流向算法)，该方法在地势平坦等地区基本不适应。而在实际工程规划设计中，尤其是对于新建区域的规划设计工况较现状变化较大的情况，无法采用上述相关研究的方法。
基于上述排水管网模型构建过程中模型汇水区划定存在的缺陷，本发明从排水管网模型构建的需求出发，根据排水管网模型中管网拓扑关系特点，提出了一种基于排水管网位置信息和拓扑关系的排水管网模型汇水分区划定方法，避免了传统基于检查井节点位置的泰森多边形法划定汇水分区存在的弊端，无需进行大量的人工修正工作，主要数据处理过程均通过计算机自动化和批量化的实现，即可提高汇水区划定的工作效率，保证排水管网模型数据的质量，又可实现与工程规划设计条件的等价，从而有效提高构建排水管网模型的质量。
发明内容
本发明主要为解决当前排水管网模型构建时，基于检查井节点位置的泰森多边形法划定汇水分区所存在的误差大、效率低等缺点，提出了一种基于管网位置和拓扑关系的排水管网模型汇水分区划定方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于管网位置和拓扑关系的排水管网模型汇水分区划定方法，所述方法依次包含以下步骤：
(1)排水管网模型数据的导出
在划定模型汇水区之前，已经完成了排水管网模型图形数据和属性数据的转换，并构建好了排水管网模型的管网拓扑结，包括节点数据和管网数据，节点数据包括检查井节点、出水口节点等，节点数据属性字段包括节点编号等，管网数据属性字段包括管道编号、上游节点编号、下游节点编号等。
首先将排水管网模型中检查井节点数据和管网数据分别导出为Shapefile格式文件，其中检查井节点数据命名为“NODE”，管网数据命名为“LINK”，检查井节点数据属性字段需包括“节点编号”，管网数据属性字段需包括“上游节点编号”。
(2)排水管网模型数据的预处理
(2.1)在ArcGIS中加载步骤(1)的“LINK”文件，通过“Add Field”即添加字段工具，添加“节点编号”字段，字段类型为字符串。通过“Field Calculator”即字段计算器工具，设置“节点编号＝上游节点编号”，使“节点编号”字段的属性信息与“上游节点编号”字段相同。
(2.2)在ArcGIS中通过“Generate Points Along Lines”即沿线生成点工具，将管网线层数据转为点层数据，其中“输入要素”选择步骤(2.1)的“LINK”，“输出要素类”命名为“LINKPOINTS”，点放置参数设置为DISTANCE，即按固定间隔距离沿管线位置生成点，距离设置为1，不选择“包括端点”，即不在管线两端点处生成点。
(2.3)在ArcGIS中通过“Append”即追加工具，将检查井节点数据合并至步骤(2.2)生成的“LINKPOINTS”数据中，其中“输入数据集”选择“NODE”，“目标数据集”选择“LINKPOINTS”，“方案类型”选择“NO_TEST”。
通过本步骤生成的“LINKPOINTS”数据中将包含管网模型数据中的检查井节点数据和检查井节点对应的下游管道数据生成的点数据，以此作为模型汇水区划定的基础参数。
(3)三级排水分区的预处理
在模型建设过程中，如果建模范围只有一个三级排水分区，则可直接采用步骤(2.3)生成的“LINKPOINTS”点数据和三级排水分区范围，通过泰森多边形法创建泰森多边形后，再通过“节点编号”字段合并相同编号字段的范围，即可生成基于基于排水管网位置和拓扑关系的排水管网模型汇水分区，汇水分区的“节点编号”字段即为对应管道的上游节点编号，可直接应用于模型中，与管道上游节点进行自动连接。
在实际工程规划设计中，模型的建设通常有多个三级排水分区，通过手动方法逐个进行各三级排水分区内汇水分区划分的方法工作量相对较大，如能通过计算机程序自动选择各三级排水分区进行汇水分区划分，可大幅提升工作效率。为此，本发明通过迭代方法实现各三级排水分区内汇水分区的自动划分。三级排水分区为面层数据，以CAD或Shapefile格式存储，对于CAD格式数据，需将其转为Shapefile格式面层数据。
本步骤首先在ArcGIS中通过数据转换功能将三级排水分区数据转为Shapefile格式面层数据，命名为“三级排水分区”，然后通过“Add Field”即添加字段工具，添加“ID”字段，字段属性为字符串，最后通过“Field Calculator”即字段计算器工具，设置“ID＝[FID]+1”，为各三级排水分区自动增加唯一标识码。
(4)迭代要素设置
在ArcGIS的“Model Builder”即模型构建器中，插入“迭代要素选择”迭代器，通过迭代器按照“三级排水分区”文件的ID字段逐个选择各三级排水分区，其中在“迭代要素选择”迭代器的“输入要素”中选择步骤(3)的“三级排水分区”，“按字段分组”选择“ID”。通过本步骤依次选择的各三级排水分区将自动命名为“I_三级排水分区_ID”。
(5)各三级排水分区内点服务分区的自动划分
(5.1)在ArcGIS的模型构建器中，通过“Select Layer By Location”即按位置选择图层工具，按照步骤(4)迭代选择三级排水分区的次序，依次自动在“I_三级排水分区_ID”范围内选择步骤(2.3)的“LINKPOINTS”数据，其中“输入要素图层”选择步骤(2.3)的“LINKPOINTS”，“关系”选择“WITHIN”，“选择要素”选择步骤(4)的“I_三级排水分区_ID”，“选择类型”选择“NEW_SELECTION”。通过本步骤选择的各三级排水分区内的“LINKPOINTS”数据将自动命名为“LINKPOINTS(2)”。
(5.2)在ArcGIS的模型构建器中，通过“Create Thiessen Polygons”即创建泰森多边形工具，创建基于步骤5.1中“LINKPOINTS(2)”数据的泰森多边形，其中“输入要素”选择“LINKPOINTS(2)”，“输出要素类”命名为“TS”，“输出字段”选择“ALL”，将环境变量中的处理范围即“范围”设置为“与图层三级排水分区相同”。通过本步骤生成的泰森多边形即“TS”图层的属性字段中将包含与“LINKPOINTS(2)”对应的“节点编号”字段。
(5.3)在ArcGIS的模型构建器中，通过“Clip”即裁剪工具，提取与步骤(5.1)、(5.2)中“I_三级排水分区_ID”范围重叠的“TS”图层范围，其中“输入要素”选择“TS”，“裁剪要素”选择“I_三级排水分区_ID”，“输出要素类”命名为“TS_Clip”。
(5.4)通过步骤(4)、(5.1)、(5.2)、(5.3)依次生成了各三级排水分区内的泰森多边形数据，但在迭代过程中生成的“TS_Clip”数据将替换上一次生成的数据，因此需将每次生成的数据自动保存在固定的文件中。
在ArcGIS中通过创建要素功能，创建新的Shapefile格式文件，命名为“点服务分区”，要素类型设置为“POLYGON”，通过“Add Field”即添加字段工具，添加“节点编号”字段，字段类型为字符串。
(5.5)在ArcGIS的模型构建器中，通过“Append”即追加工具，将步骤(5.3)生成的“TS_Clip”数据添加至步骤(5.4)创建的“点服务分区”图层中，其中“输入数据集”选择“TS_Clip”，“目标数据集”选择“点服务分区”，“方案类型”选择“NO_TEST”。通过本步骤可将各三级排水分区内的泰森多边形数据依次保存至“点服务分区”中，其中“TS_Clip”中“节点编号”字段的属性信息也将自动存储于“点服务分区”的“节点编号”字段中。
(6)融合相同属性的点服务分区
通过步骤(5)在各三级排水分区内生成了基于管道数据生成的点数据以及检查井节点数据的泰森多边形数据，并存储于“点服务分区”中，其“节点编号”属性字段与检查井节点的“节点编号”字段相对应。因此将“点服务分区”数据按“节点编号”字段合并后即可得到排水管网模型的汇水分区。
在ArcGIS中通过Dissolve即融合工具，将步骤(5)的“点服务分区”数据按照“节点编号”字段进行合并，其中“输入要素”选择“点服务分区”，“输出要素类”命名为“汇水分区”，“融合_字段”选择“节点编号”，勾选“创建多部件要素”。通过本步骤即可生成与模型中管网和管网上游检查井节点对应的汇水分区数据，汇水分区的“节点编号”字段与检查井的“节点编号”字段一一对应，可直接应用于模型中。
本发明所述一种基于管网位置和拓扑关系的排水管网模型汇水分区划定方法的有益效果主要体现在：
1.采用本发明所述的方法，能够根据排水管网模型中管网拓扑关系特点和三级排水分区范围，基于排水管网位置信息和拓扑关系有效划定模型汇水分区，避免了传统基于检查井节点位置的泰森多边形法划定汇水分区存在的弊端，无需进行大量的人工修正工作，主要数据处理过程均通过计算机自动化和批量化的实现，即可提高汇水区划定的工作效率，保证排水管网模型数据的质量，又可实现与工程规划设计等条件的等价，从而为排水管网模型的质量提供保障。
2.本发明所述方法具有可操作性，无需进行复杂的程序编写，只需借助现有的软件工具即可完成各个步骤，操作简易，容易实现，保证了本发明的可实施性。
附图说明：
图1为本发明方法的流程示意图。
图2为实施方式中集成迭代方法自动划分各三级排水分区内点服务分区主要过程的ArcGIS模型工具操作界面。
具体实施方式：
本发明的具体实施流程如图1所示，包括以下步骤：
(1)排水管网模型数据的导出
(1.1)将排水管网模型中检查井节点数据导出为Shapefile格式文件，命名为“NODE”，其属性字段需包括“节点编号”。如InfoWorks ICM中节点编号为“node_id”，MIKEURBAN中节点编号为“MUID”。
(1.2)将排水管网模型中管网数据导出为Shapefile格式文件，命名为“LINK”，其属性字段需包括“上游节点编号”。如InfoWorks ICM中上游节点编号为“us_node_id”，MIKEURBAN中上游节点编号为“FROMNODE”。
(2)排水管网模型数据的预处理
(2.1)在ArcGIS中加载步骤(1)的“LINK”文件，通过“Add Field”即添加字段工具，添加“节点编号”字段，字段类型为字符串。通过“Field Calculator”即字段计算器工具，设置“节点编号＝上游节点编号”，使“节点编号”字段的属性信息与“上游节点编号”字段相同。
(2.2)在ArcGIS中通过“Generate Points Along Lines”即沿线生成点工具，将管网线层数据转为点层数据，其中“输入要素”选择步骤(2.1)的“LINK”，“输出要素类”命名为“LINKPOINTS”，点放置参数设置为DISTANCE，即按固定间隔距离沿管线位置生成点，距离设置为1，不选择“包括端点”，即不在管线两端点处生成点。
(2.3)在ArcGIS中通过“Append”即追加工具，将检查井节点数据合并至步骤(2.2)生成的“LINKPOINTS”数据中，其中“输入数据集”选择“NODE”，“目标数据集”选择“LINKPOINTS”，“方案类型”选择“NO_TEST”。
(3)三级排水分区的预处理
在ArcGIS中通过数据转换功能将三级排水分区数据转为Shapefile格式的面层数据，命名为“三级排水分区”，然后通过“Add Field”即添加字段工具，添加“ID”字段，字段属性为字符串，最后通过“Field Calculator”即字段计算器工具，设置“ID＝[FID]+1”，为各三级排水分区自动增加唯一标识码。
(4)迭代要素设置
在ArcGIS的“Model Builder”即模型构建器中，插入“迭代要素选择”迭代器，通过迭代器按照“三级排水分区”文件的ID字段逐个选择各三级排水分区，其中在“迭代要素选择”迭代器的“输入要素”中选择步骤(3)的“三级排水分区”，“按字段分组”选择“ID”。通过本步骤依次选择的各三级排水分区将自动命名为“I_三级排水分区_ID”。
(5)各三级排水分区内点服务分区的自动划分
(5.1)在ArcGIS的模型构建器中，通过“Select Layer By Location”即按位置选择图层工具，按照步骤(4)迭代选择三级排水分区的次序，依次自动在“I_三级排水分区_ID”范围内选择步骤(2.3)的“LINKPOINTS”数据，其中“输入要素图层”选择步骤(2.3)的“LINKPOINTS”，“关系”选择“WITHIN”，“选择要素”选择步骤(4)的“I_三级排水分区_ID”，“选择类型”选择“NEW_SELECTION”。通过本步骤选择的各三级排水分区内的“LINKPOINTS”数据将自动命名为“LINKPOINTS(2)”。
(5.2)在ArcGIS的模型构建器中，通过“Create Thiessen Polygons”即创建泰森多边形工具，创建基于步骤5.1中“LINKPOINTS(2)”数据的泰森多边形，其中“输入要素”选择“LINKPOINTS(2)”，“输出要素类”命名为“TS”，“输出字段”选择“ALL”，将环境变量中的处理范围即“范围”设置为“与图层三级排水分区相同”。通过本步骤生成的泰森多边形即“TS”图层的属性字段中将包含与“LINKPOINTS(2)”对应的“节点编号”字段。
(5.3)在ArcGIS的模型构建器中，通过“Clip”即裁剪工具，提取与步骤(5.1)、(5.2)中“I_三级排水分区_ID”范围重叠的“TS”图层范围，其中“输入要素”选择“TS”，“裁剪要素”选择“I_三级排水分区_ID”，“输出要素类”命名为“TS_Clip”。
(5.4)在ArcGIS中通过创建要素功能，创建新的Shapefile格式文件，命名为“点服务分区”，要素类型设置为“POLYGON”，通过“Add Field”即添加字段工具，添加“节点编号”字段，字段类型为字符串。
(5.5)在ArcGIS的模型构建器中，通过“Append”即追加工具，将步骤(5.3)生成的“TS_Clip”数据添加至步骤(5.4)创建的“点服务分区”图层中，其中“输入数据集”选择“TS_Clip”，“目标数据集”选择“点服务分区”，“方案类型”选择“NO_TEST”。通过本步骤可将各三级排水分区内的泰森多边形数据依次保存至“点服务分区”中，其中“TS_Clip”中“节点编号”字段的属性信息也将自动存储于“点服务分区”的“节点编号”字段中。
(5.6)步骤(4)和(5.1)-(5.5)的主要过程均在ArcGIS的模型构建器中完成，在步骤(4)和(5.1)-(5.5)的基础上，在ArcGIS的模型构建器中将步骤(4)和(5.1)-(5.5)中的“三级排水分区”、“按字段分组”、“LINKPOINTS”、“范围”、“TS”、“TS_Clip”设置为“模型参数”，保存于ArcGIS的工具箱中即可形成模型工具，保存后的模型工具操作界面如附图2所示，仅需在该界面指定对应的参数文件后，即可进行各三级排水分区内点服务分区的自动划分。
(6)融合相同属性的点服务分区
在ArcGIS中通过Dissolve即融合工具，将步骤(5)的“点服务分区”数据按照“节点编号”字段进行合并，其中“输入要素”选择“点服务分区”，“输出要素类”命名为“汇水分区”，“融合_字段”选择“节点编号”，勾选“创建多部件要素”。通过本步骤即可生成与模型中管网和管网上游检查井节点对应的汇水分区数据，汇水分区的“节点编号”字段与检查井的“节点编号”字段一一对应，可直接应用于模型中。
Claims (1)
1.一种基于管网位置和拓扑关系的排水管网模型汇水分区划定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)排水管网模型数据的导出
(1.1)将排水管网模型中检查井节点数据导出为Shapefile格式文件，命名为“NODE”，其属性字段需包括“节点编号”；
(1.2)将排水管网模型中管网数据导出为Shapefile格式文件，命名为“LINK”，其属性字段需包括“上游节点编号”；
(2)排水管网模型数据的预处理
(2.1)在ArcGIS中加载步骤(1)的“LINK”文件，通过“Add Field”，即添加字段工具，添加“节点编号”字段，字段类型为字符串；通过“Field Calculator”，即字段计算器工具，设置“节点编号＝上游节点编号”，使“节点编号”字段的属性信息与“上游节点编号”字段相同；
(2.2)在ArcGIS中通过“Generate Points Along Lines”，即沿线生成点工具，在管线两端点的内部沿管线位置按固定间隔距离将管网线层数据转为点层数据，其中“输入要素”选择步骤(2.1)的“LINK”，“输出要素类”命名为“LINKPOINTS”，点放置参数设置为DISTANCE，距离设置为1，不选择“包括端点”；
(2.3)在ArcGIS中通过“Append”，即追加工具，将检查井节点数据合并至步骤(2.2)生成的“LINKPOINTS”数据中，其中“输入数据集”选择“NODE”，“目标数据集”选择“LINKPOINTS”，“方案类型”选择“NO_TEST”；
(3)三级排水分区的预处理
在ArcGIS中通过数据转换功能将三级排水分区数据转为Shapefile格式的面层数据，命名为“三级排水分区”；通过“Add Field”，即添加字段工具，添加“ID”字段，字段属性为字符串；通过“Field Calculator”，即字段计算器工具，设置“ID＝[FID]+1”，为各三级排水分区自动增加唯一标识码；
(4)迭代要素设置
在ArcGIS的“Model Builder”，即模型构建器中，插入“迭代要素选择”迭代器，通过迭代器按照“三级排水分区”文件的ID字段逐个选择各三级排水分区，其中在“迭代要素选择”迭代器的“输入要素”中选择步骤(3)的“三级排水分区”，“按字段分组”选择“ID”；通过本步骤依次选择的各三级排水分区将自动命名为“I_三级排水分区_ID”；
(5)各三级排水分区内点服务分区的自动划分
(5.1)在ArcGIS的模型构建器中，通过“Select Layer By Location”，即按位置选择图层工具，按照步骤(4)迭代选择三级排水分区的次序，依次自动在“I_三级排水分区_ID”范围内选择步骤(2.3)的“LINKPOINTS”数据，其中“输入要素图层”选择步骤(2.3)的“LINKPOINTS”，“关系”选择“WITHIN”，“选择要素”选择步骤(4)的“I_三级排水分区_ID”，“选择类型”选择“NEW_SELECTION”；通过本步骤选择的各三级排水分区内的“LINKPOINTS”数据将自动命名为“LINKPOINTS(2)”；
(5.2)在ArcGIS的模型构建器中，通过“Create Thiessen Polygons”，即创建泰森多边形工具，创建基于步骤5.1中“LINKPOINTS(2)”数据的泰森多边形，其中“输入要素”选择“LINKPOINTS(2)”，“输出要素类”命名为“TS”，“输出字段”选择“ALL”，将环境变量中的处理范围即“范围”设置为“与图层三级排水分区相同”；通过本步骤生成的泰森多边形即“TS”图层的属性字段中将包含与“LINKPOINTS(2)”对应的“节点编号”字段；
(5.3)在ArcGIS的模型构建器中，通过“Clip”，即裁剪工具，提取与步骤(5.1)、(5.2)中“I_三级排水分区_ID”范围重叠的“TS”图层范围，其中“输入要素”选择“TS”，“裁剪要素”选择“I_三级排水分区_ID”，“输出要素类”命名为“TS_Clip”；
(5.4)在ArcGIS中通过创建要素功能，创建新的Shapefile格式文件，命名为“点服务分区”，要素类型设置为“POLYGON”，通过“Add Field”，即添加字段工具，添加“节点编号”字段，字段类型为字符串；
(5.5)在ArcGIS的模型构建器中，通过“Append”，即追加工具，将步骤(5.3)生成的“TS_Clip”数据添加至步骤(5.4)创建的“点服务分区”图层中，其中“输入数据集”选择“TS_Clip”，“目标数据集”选择“点服务分区”，“方案类型”选择“NO_TEST”；通过本步骤将各三级排水分区内的泰森多边形数据依次保存至“点服务分区”中，其中“TS_Clip”中“节点编号”字段的属性信息也将自动存储于“点服务分区”的“节点编号”字段中；
(6)融合相同属性的点服务分区
在ArcGIS中通过Dissolve，即融合工具，将步骤(5)的“点服务分区”数据按照“节点编号”字段进行合并，其中“输入要素”选择“点服务分区”，“输出要素类”命名为“汇水分区”，“融合_字段”选择“节点编号”，勾选“创建多部件要素”；通过本步骤即可生成与模型中管网和管网上游检查井节点对应的汇水分区数据，汇水分区的“节点编号”字段与检查井的“节点编号”字段一一对应，可直接应用于模型中。
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| CN202310529975.2A Pending CN117852218A (zh) | 2023-05-11 | 2023-05-11 | 一种基于管网位置和拓扑关系的排水管网模型汇水分区划定方法 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN117852218A (zh) |
-
2023
- 2023-05-11 CN CN202310529975.2A patent/CN117852218A/zh active Pending
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