GIS水文模型應(yīng)用

任柯瑋　馬立山　楊國麗　張海平　郭林虎

摘要：GIS技術(shù)是多技術(shù)交叉結(jié)合的地理空間信息技術(shù)，為了準(zhǔn)確地認(rèn)識城市的自然地理信息和水文信息，需要利用GIS多學(xué)科結(jié)合能力建立水文模型，本文通過CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，再利用GIS的地理信息處理能力和水文分析能力，建立謝崗鎮(zhèn)北區(qū)GIS的水文模型，對其進(jìn)行水文分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;CAD;GIS

中圖分類號：TU992?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿時(shí)間：2020-05-08

作者簡介：任柯瑋（1992- ），男，碩士研究生，研究方向：水信息技術(shù)研究與應(yīng)用

由于水文現(xiàn)象的復(fù)雜性，人們對其進(jìn)行數(shù)理抽象，通過模型認(rèn)識和理解它[1]，所以建立水文模型是認(rèn)識和改造水文條件的基礎(chǔ)。隨著3S技術(shù)和計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，將資料信息以模型的形式呈現(xiàn)越來越多，在大數(shù)據(jù)的背景下，模型數(shù)據(jù)共享也得到了大力發(fā)展。目前GIS的應(yīng)用非常廣泛，GIS能將收集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和存儲(chǔ)到空間數(shù)據(jù)庫中。但由于CAD有很強(qiáng)的圖形編輯能力，所以很多城市都以CAD的數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。CAD和GIS的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)格式不相同，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，此過程中就會(huì)出現(xiàn)信息的丟失和錯(cuò)誤，如何減少數(shù)據(jù)的丟失和提高其利用是目前GIS數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)建設(shè)的重要問題。

1 ?數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)高速的發(fā)展下，將數(shù)據(jù)信息從CAD轉(zhuǎn)換到GIS的方法有很多，主要有3類：①用數(shù)據(jù)處理軟件來實(shí)現(xiàn)，可以通過中間格式的語義轉(zhuǎn)換進(jìn)行[2];②采用轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行：GIS可以利用轉(zhuǎn)換模塊和屬性分析將CAD格式的數(shù)據(jù)提取并轉(zhuǎn)換為Shapefile數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理[3];③采用編程的方法進(jìn)行，此方法對技術(shù)人員要求高，需要掌握足夠的專業(yè)知識。本文結(jié)合謝崗鎮(zhèn)北部的工業(yè)園區(qū)實(shí)際情況和收集的資料數(shù)據(jù)，采用第二種方式對CAD和GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和匹配。

1.1 ?CAD和GIS數(shù)據(jù)

CAD中每一種圖形要素對應(yīng)一種編碼和名稱，在CAD數(shù)據(jù)中屬性信息一般不直接存儲(chǔ)，而是以擴(kuò)展實(shí)體數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)。圖形信息中用塊儲(chǔ)存點(diǎn)要素，用線儲(chǔ)存線狀要素，同時(shí)CAD是以圖層來區(qū)分每一類專題要素。雖然GIS可以直接讀取dwg文件，但不能直接使用，數(shù)據(jù)之間缺少聯(lián)系，需要對CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，匹配提取的圖形和屬性信息。GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與管理的能力很強(qiáng)，同時(shí)GIS數(shù)據(jù)可以以文件和關(guān)系數(shù)據(jù)庫的形式存儲(chǔ)，使得GIS數(shù)據(jù)發(fā)布與共享能力也很強(qiáng)[4]。因此將城市CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和利用對信息化建設(shè)很重要。

GIS 中對空間信息的管理是通過將其物理特性抽象為點(diǎn)、線、面的要素類來實(shí)現(xiàn)的，把特征相同的信息放在同一個(gè)要素集中，使之相互聯(lián)系。謝崗鎮(zhèn)北部工業(yè)區(qū)的地形復(fù)雜，信息量較大，在將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GIS數(shù)據(jù)時(shí)需要存儲(chǔ)到Geodatabase數(shù)據(jù)庫中，用點(diǎn)、線、面三種空間數(shù)據(jù)儲(chǔ)存CAD數(shù)據(jù)中的圖形和文字信息。

1.2 ?CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為GIS數(shù)據(jù)

由于在地理數(shù)據(jù)庫Geodatabase中GIS數(shù)據(jù)的信息格式和幾何屬性與CAD數(shù)據(jù)都不同，當(dāng)CAD數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到GIS中，會(huì)被按點(diǎn)、線、面的形式被分類，轉(zhuǎn)化為GIS數(shù)據(jù)時(shí)需要將屬性和圖形進(jìn)行匹配，因此需要使用分析工具對CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。建立謝崗鎮(zhèn)北部工業(yè)區(qū)的GIS水文模型先創(chuàng)建DEM數(shù)字高程模型，一般的方法是先利用Shapefile中的圖形和高程數(shù)據(jù)生成TIN三角模型，再通過轉(zhuǎn)換工具將TIN轉(zhuǎn)換為DEM柵格文件。謝崗鎮(zhèn)DEM建立首先利用篩選工具提取CAD數(shù)據(jù)中的高程點(diǎn)和等高線，生成高程點(diǎn)和等高線的Shapefile文件，并用SQL表達(dá)式將相應(yīng)的高程值導(dǎo)入Shapefile中。檢查生成文件的屬性表，比較Text中CAD存儲(chǔ)的高程數(shù)據(jù)和Elevation中提取的GIS高程值，結(jié)合實(shí)際情況將有錯(cuò)誤的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

生成TIN時(shí)由于CAD數(shù)據(jù)包含的謝崗鎮(zhèn)區(qū)域較大，有河流湖泊等重要信息，在研究工業(yè)區(qū)時(shí)需要準(zhǔn)確提取相應(yīng)的信息。提取CAD數(shù)據(jù)中的邊界線，同時(shí)提取出湖泊信息，生成不同地形的Shapefile文件。利用創(chuàng)建TIN工具，將高程點(diǎn)，等高線，研究區(qū)域邊界和湖泊信息導(dǎo)入，生成TIN三角模型，再轉(zhuǎn)換為DEM數(shù)字高程，生成的謝崗鎮(zhèn)北部工業(yè)園區(qū)的TIN和DEM如圖1所示：

2 ?水文分析

利用GIS分析謝崗鎮(zhèn)北部工業(yè)區(qū)表面水文特征的關(guān)鍵是確定地表降雨的水流方向[5]，GIS水文分析利用D8單向流算法對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行降雨水流方向計(jì)算，取落差最大的柵格為流出柵格，當(dāng)最大下降方向相同時(shí)，擴(kuò)大相鄰的計(jì)算柵格找到最陡的下降方向。按流向?qū)藗€(gè)方向的柵格用2的n次方逆時(shí)針編碼，對流向不確定的柵格用其他數(shù)字編碼。

D8單向流算法能快速計(jì)算出降雨水流方向，且能夠反映出地形對地表徑流形成的作用，但由于假定水流只有一個(gè)方向，導(dǎo)致水流在遇到洼地時(shí)周邊都會(huì)流向洼地從而導(dǎo)致斷流，現(xiàn)實(shí)中流向洼地處的水會(huì)向多個(gè)方位流動(dòng)，不會(huì)輕易導(dǎo)致斷流。DEM數(shù)據(jù)由于誤差或者真實(shí)地形存在凹陷區(qū)域，在用GIS進(jìn)行分析時(shí)就很難得到正確的水流方向，因此需要對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填充洼地處理以確保水流能從洼地流出。通過GIS計(jì)算出洼地深度，設(shè)置合理的填充深度閾值才能精準(zhǔn)填洼，使用模型編輯器進(jìn)行建模求出填充的閾值，進(jìn)行精確的填洼得到合理的流向，模型編輯器建模過程如圖3所示。

模型編輯器建模求出閾值后，GIS填洼工具將大于這個(gè)閾值的地形保留，一個(gè)洼地被填平后與附近區(qū)域再計(jì)算可能還會(huì)形成新的洼地，所以需要反復(fù)填充，直到不再產(chǎn)生新的洼地。這樣就得到了無洼地DEM，通過對無洼地DEM計(jì)算出地表水流流向。

GIS利用洼地填充后的謝崗鎮(zhèn)北部工業(yè)區(qū)DEM數(shù)據(jù)生成流向數(shù)據(jù)，將流向分析結(jié)果進(jìn)行柵格累積計(jì)算，將流向該點(diǎn)的柵格總數(shù)記錄在每一個(gè)柵格中，記錄的數(shù)值越大表示水流的匯流量越大。謝崗鎮(zhèn)北部工業(yè)園區(qū)的無洼地DEM進(jìn)行分析得到的流向數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)如圖4。

匯水區(qū)劃分的準(zhǔn)確性主要取決于河網(wǎng)提取的準(zhǔn)確性[6]，利用無洼地DEM數(shù)據(jù)生成的流量柵格數(shù)據(jù)和流向柵格數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際地理情況設(shè)置匯水值，提取出符合實(shí)際匯水情況的河流匯水情況。根據(jù)謝崗鎮(zhèn)北部工業(yè)園區(qū)的實(shí)際情況，用柵格計(jì)算器將柵格流量數(shù)據(jù)中大于降雨匯水的數(shù)據(jù)賦值為1，其余賦值為0，統(tǒng)計(jì)出河流匯水線。使用河流連接工具連接統(tǒng)計(jì)后的柵格數(shù)據(jù)和流向數(shù)據(jù)，利用流向數(shù)據(jù)判斷出河流的方向得到河網(wǎng)。通過GIS的柵格河網(wǎng)矢量化工具可以得到河網(wǎng)的矢量圖形文件，河流信息中包含有流向信息，可以直接觀察河網(wǎng)的流向，生成的河流矢量圖如圖5。

通過STRAHLER河流分級法將河流劃分成3級，沒有支流水系定為1級，當(dāng)相同級別水系匯入時(shí)等級增加1級，將通過全流域水量的水系作為第3級的河流，通過河流的分級可以清楚看出流域內(nèi)河流的干流和支流。通過GIS的要素折點(diǎn)轉(zhuǎn)點(diǎn)工具對出水口進(jìn)行轉(zhuǎn)化，再利用捕捉傾瀉點(diǎn)工具將這些出水口的數(shù)據(jù)進(jìn)行捕捉，這樣就讓出水口和原始DEM相聯(lián)系，利用分水嶺工具將降雨的匯水區(qū)提取出來，通過和實(shí)際的匯水情況進(jìn)行比較，利用GIS的水文分析工具進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整就得到謝崗鎮(zhèn)北部工業(yè)區(qū)的匯水區(qū)。通過與實(shí)際地形的對比，手動(dòng)調(diào)整匯水區(qū)得到降雨匯水區(qū)如圖6所示。

3 ?結(jié)論

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，CAD與GIS逐漸取代傳統(tǒng)信息管理方式被廣泛用于地理信息分析與管理[7]。本文通過對謝崗鎮(zhèn)北部工業(yè)園區(qū)的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在地理信息數(shù)據(jù)庫Geodatabase中。利用GIS的水文分析工具分析DEM數(shù)據(jù)與水文數(shù)據(jù)的相關(guān)性，結(jié)合空間位置的地理要素和實(shí)際的地理情況提取出水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將河網(wǎng)的流向、流量和匯水區(qū)直觀的表現(xiàn)，為謝崗鎮(zhèn)的水文現(xiàn)象分析提供依據(jù)，加強(qiáng)城市信息的處理和分析能力。

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Abstract：GIS technology is more cross combination of geographic space information technology， the natural geographic information in order to accurately know the city and hydrological information， need to be established by the multidisciplinary combination ability of GIS hydrological models， based on the CAD data to GIS data transformation， the reuse of GIS geographic information processing ability and the hydrological analysis ability， to establish a GIS hydrological models， to provide technical support for hydrologic analysis.

Key?words：Data conversion; AutoCAD; ArcGIS