基于地表模型的城市易集水區(qū)域普查
——以寧波市為例

葉子偉，趙賽帥，梁寒冬，李璐，吳秀蕓

(寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315040)

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基于地表模型的城市易集水區(qū)域普查
——以寧波市為例

葉子偉*，趙賽帥，梁寒冬，李璐，吳秀蕓

(寧波市測繪設計研究院，浙江 寧波 315040)

城市暴雨內(nèi)澇災害頻發(fā)，嚴重威脅城市正常的生產(chǎn)生活活動。快速有效地確定城市易集水區(qū)的主要分布區(qū)域，能為城市暴雨內(nèi)澇防災減災工作提供直觀的決策參考依據(jù)，同時為后續(xù)風險災害評估研究提供基礎數(shù)據(jù)準備。研究基于精細化城市地表模型，考慮地形因素，結合具有優(yōu)秀空間分析能力的GIS技術，以寧波市為研究區(qū)域，探討城市易集水區(qū)普查的方法可行性，同時生成易集水區(qū)域的積水深度計算工具，以期為后續(xù)災害風險評估提供主要的評判因素，為寧波市城市內(nèi)澇治理及風險防控提供科學參考依據(jù)。

城市內(nèi)澇；地表模型；GIS；地理國情普查；寧波

1 引 言

暴雨內(nèi)澇通常指因經(jīng)歷長時降雨或短時暴雨導致的地面雨量過多，在地勢低洼區(qū)域，積水不能及時排除而造成的積水災害[1]。暴雨內(nèi)澇的發(fā)生往往對城市的建筑、道路、通訊設施等造成巨大破壞，嚴重時甚至造成人員傷亡[2]。近年來，暴雨內(nèi)澇災害在我國多個城市(北京、上海、南京、武漢等)頻繁發(fā)生，造成的生命財產(chǎn)損失逐年增加，給城市正常生產(chǎn)和居民日常生活造成很大影響，逐漸演化為一種嚴重的城市災害，引發(fā)了社會的廣泛關注[3]。

為減輕城市暴雨內(nèi)澇的損失，內(nèi)澇防災減災工作正在逐步開展，防災減災研究也不斷地得到重視與深入[4]。其中，內(nèi)澇風險識別和評估是災害預防的重要手段，目前風險識別主要立足于歷史災情統(tǒng)計數(shù)據(jù)[5]、構建指標體系評估[6]以及根據(jù)數(shù)學模型進行情景模擬[7]等三類方法，來分析城市內(nèi)澇過程中的降水強度、分布情況、積水程度以及排水設施工作能力等情況，實現(xiàn)內(nèi)澇災害風險的評估，進而為城市防洪排澇、市政規(guī)劃提供決策支持[8]。城市內(nèi)澇積水區(qū)域的劃定是內(nèi)澇風險識別和評估的先決條件與核心內(nèi)容，因而如何快速精確地劃定城市內(nèi)澇積水區(qū)域是城市內(nèi)澇防災減災工作中首要解決問題。目前，內(nèi)澇積水區(qū)域劃定主要基于實地高程點采樣，并運用插值方法進行地表模擬，隨后根據(jù)ArcGIS水文分析模塊進行匯水區(qū)域計算[8，9]，此類方法在研究區(qū)域較小、精細化程度要求較高方面具有一定的效果與優(yōu)勢。然而，在推廣到大范圍研究區(qū)域、地表模型精細程度更高的情況下進行內(nèi)澇積水區(qū)域劃定時，此類方法存在著劃分過細，數(shù)據(jù)處理強度大，時間成本高等問題。

隨著機載激光點云以及車載激光點云獲取處理技術的不斷發(fā)展成熟，覆蓋區(qū)域越來越廣、尺度越來越精細化的城市地表模型的獲取逐漸成為可能，為基于地表模型的城市內(nèi)澇積水區(qū)域劃定提供一種新的解決方案[10，11]。因此，本研究以寧波市為例，基于精細城市地表模型，集成多種GIS空間數(shù)據(jù)處理方法，探討了一種城市易集水區(qū)快速準確提取方法，以期為內(nèi)澇災害風險識別與評估工作提供技術支持，同時為城市內(nèi)澇治理及風險防控提供科學參考。

2 城市易積水區(qū)普查內(nèi)容與數(shù)據(jù)

2.1 普查內(nèi)容

浙江省寧波市位于我國東部沿海，頻受臺風帶來的暴雨災害侵擾，加之寧波的城市化水平不斷加速，城市不透水面比例逐漸升高，地表下滲減小，使得寧波城市內(nèi)澇災害頻發(fā)[12]。針對寧波市受臺風暴雨帶來的城市內(nèi)澇使得城市居民遭受重大損失，研究決定對寧波市易集水區(qū)展開普查工作，切實摸排城市集水情況。本次研究的普查范圍為寧波市規(guī)劃六區(qū)(海曙區(qū)、江東區(qū)、江北區(qū)、鄞州區(qū)、北侖區(qū)以及鎮(zhèn)海區(qū))的建成區(qū)范圍，面積共 383.474 km2。本次研究的普查內(nèi)容為根據(jù)精細城市地表模型結合城市澇水位標準高程值提取城市易集水區(qū)，并統(tǒng)計集水區(qū)的積水深度，為后續(xù)城市易集水區(qū)成果推廣應用提供主要參考決策依據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)

(1)地表模型數(shù)據(jù)：地表模型數(shù)據(jù)分為DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)。地表模型數(shù)據(jù)為本研究的核心基礎數(shù)據(jù)，來源于寧波市第一次地理國情普查領導小組辦公室提供的《寧波市地理國情普查高精度地表模型制作》項目成果。DEM成果采用 1∶2 000比例尺分幅，空間分辨率為 0.5 m，研究區(qū)數(shù)據(jù)建設完成時間為2014年，是城市易集水區(qū)提取的主要基礎數(shù)據(jù)；DOM數(shù)據(jù)，采用 1∶2 000比例尺，地面分辨率為 0.2 m，數(shù)據(jù)建成時間為2015年，作為易集水區(qū)檢查的主要依據(jù)。

(2)建成區(qū)數(shù)據(jù)：海曙區(qū)、江東區(qū)、江北區(qū)、鄞州區(qū)、北侖區(qū)以及鎮(zhèn)海區(qū)的建成區(qū)數(shù)據(jù)由寧波市第一次地理國情普查領導小組辦公室提供，數(shù)據(jù)建設完成時間為2014年，作為研究區(qū)的范圍線。

(3)DLG水系圖層：水系圖層來源于寧波市基礎地理信息數(shù)據(jù)(1∶500數(shù)字線化圖)，主要包括寧波市域范圍內(nèi)的主要河流、溝渠、坑塘等，數(shù)據(jù)建設完成時間為2015年，作為研究區(qū)水系面的參考數(shù)據(jù)。

(4)其他參考資料：研究采用的20年一遇澇水位高程值來源于2015年《寧波市中心城排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃》，以規(guī)劃工況20年一遇澇水位(高程加上適當超高 10 cm～15 cm)為標準，低于該標準的區(qū)域為城市易集水區(qū)。除北侖區(qū)分為不同標準高程值以外(根據(jù)各街道分為 2.60 m、2.30 m、2.32 m、2.46 m、2.88 m)，海曙、江東、江北、鄞州以及鎮(zhèn)海各區(qū)均為 2.60 m。

3 方法

通過以城市地表模型數(shù)據(jù)為基礎，結合GIS數(shù)據(jù)處理及空間分析功能，實現(xiàn)城市易集水區(qū)自動化提取，并統(tǒng)計易集水區(qū)平均積水深度，達到寧波市易集水區(qū)普查的目的，技術流程圖如圖1所示：

圖1 技術流程

3.1 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)預處理主要包括點云數(shù)據(jù)處理、DEM數(shù)據(jù)制作、外業(yè)車載激光測量補充DEM、研究區(qū)掩膜以及水系區(qū)域摳除等。具體流程包括將機載激光雷達點云數(shù)據(jù)進行自動分類和人工分類，根據(jù)研究區(qū)情況選取地面點按 0.5 m×0.5 m格網(wǎng)大小進行內(nèi)插，獲取DEM數(shù)據(jù)；對于部分機載雷達點云的“陰影區(qū)域”，如隧道、下穿道路、高架橋下面等區(qū)域，采用車載激光雷達進行補測，最終形成覆蓋全研究區(qū)域的完整精確的城市DEM數(shù)據(jù)；隨后套用規(guī)劃六區(qū)建成區(qū)范圍線進行DEM掩膜；最后根據(jù) 1∶500數(shù)字線劃圖中的水系面數(shù)據(jù)將研究區(qū)內(nèi)部河流、坑塘、溝渠等水系區(qū)域摳除，形成可供提取城市易集水區(qū)的DEM。

3.2 城市易集水區(qū)提取

根據(jù)寧波市規(guī)劃六區(qū)各區(qū)20年一遇的澇水位確定的標準高程值，研究此情境下研究區(qū)內(nèi)易集水區(qū)域分布情況。在預處理后的DEM基礎上，根據(jù)標準高程值確定低于該高程值的區(qū)域為城市易集水區(qū)初始區(qū)域，運用ArcGIS進行初始區(qū)域提取，將城市低洼DEM轉化成易集水區(qū)圖斑。由于柵格數(shù)據(jù)轉換成矢量圖斑之后，存在突起、孔洞、碎斑、毛刺等圖形不規(guī)整現(xiàn)象(如圖2所示)，需要對其進行處理以滿足后續(xù)成果轉化利用的要求。

圖2 易集水區(qū)圖斑處理示意圖

研究利用ArcGIS ModelBuilder進行建模實現(xiàn)上述思路，針對突起、孔洞、碎斑、毛刺等問題，通過集成屬性提取、柵格矢量轉換、孔洞消除、斑塊聚合、邊緣平滑等一系列功能，通過順序安排逐一消除上述圖斑不規(guī)整問題，形成城市易集水區(qū)提取工具集(如圖3所示)。根據(jù)《寧波市城市低洼地段和道路易積水區(qū)普查技術規(guī)程》確定將小于 100 m2孔洞進行填充，相鄰斑塊不超過 5 m的圖斑合并，小于 20 m2凸起進行平滑。根據(jù)上述規(guī)定設置相應的工具集參數(shù)，實現(xiàn)城市易集水區(qū)自動化提取，最后結合研究區(qū)DOM影像數(shù)據(jù)、原始DEM數(shù)據(jù)以及地形圖等資料，對城市易集水區(qū)圖斑進行人工檢查編輯，形成最終的城市易集水區(qū)圖形數(shù)據(jù)。

圖3 城市易集水區(qū)提取工具

3.3 集水區(qū)平均積水深度計算

積水深度是表現(xiàn)城市易集水區(qū)的積水強度的主要因素，也是災害風險評估研究領域中的重要指標。本研究中的平均積水深度是由研究區(qū)內(nèi)標準高程值減去易集水區(qū)塊內(nèi)平均地表高程值計算得出，如下式所示：

h水深=H標準-havg

h水深為平均積水深度，H標準為各區(qū)標準高程值，havg為地表平均高程值。havg通過如下方法求解：

疊加城市DEM和易集水區(qū)圖形數(shù)據(jù)，統(tǒng)計每個易集水區(qū)區(qū)域內(nèi)柵格單元高程的平均值，并將該高程值賦予屬于該集水區(qū)斑塊內(nèi)的所有柵格單元(如圖4所示)，最后通過點數(shù)據(jù)屬性獲取的形式，將該地表平均高程值傳遞給城市易集水區(qū)斑塊。

研究利用ArcGIS ModelBuilder進行建模實現(xiàn)上述思路，通過集成掩膜提取、區(qū)域平均值統(tǒng)計、空間關聯(lián)、屬性計算等功能，形成平均積水深度計算工具(如圖5所示)，以城市DEM和城市易集水區(qū)為輸入項，實現(xiàn)城市易集水區(qū)平均積水深度自動化計算功能。

圖4 平均高程值統(tǒng)計示意圖

圖5 城市易集水區(qū)平均積水深度計算工具

4 普查結果

根據(jù)各區(qū)20年一遇澇水位的標準高程值，基于城市地表模型，運用本方法進行的城市易集水區(qū)普查工作，并將菲特(2013年)、燦鴻(2015年)、杜鵑(2015年)等臺風期間寧波市城管、交警等部門發(fā)布的積水信息作為驗證資料，發(fā)現(xiàn)本研究基于城市地表模型提取的易集水區(qū)對臺風積水點的覆蓋率達到100%，很好的驗證了本方法的可行性與準確性。

統(tǒng)計各區(qū)的城市易集水區(qū)面積分布，如表1所示：

寧波市城市易集水區(qū)普查成果表 表1

5 結 語

基于城市地表模型的易集水區(qū)提取方法具有自動化程度高、速度快、成本低等優(yōu)勢，在城市受水災侵害時，能快速準確地提供易集水區(qū)的分布以及各區(qū)域的積水深度情況，摸清地理現(xiàn)狀，全面排查寧波市內(nèi)澇隱患點，充分發(fā)揮測繪地理信息的監(jiān)測、監(jiān)管作用，可為水利、城管、規(guī)劃等部門開展城市內(nèi)澇排水防治工作提供快速便捷的決策依據(jù)。

[1] 姚春梅，周紀明，雷廷武等. 奧運期間北京內(nèi)洪災害防范問題探討[J]. 北京水利，2004(4)：29～30，60.

[2] 沈東東. 基于GIS的城市積澇災害分析模型研究[D]. 南京：南京信息工程大學，2013.

[3] 孫阿麗. 基于情景模擬的城市暴雨內(nèi)澇風險評估[D]. 上海：華東師范大學，2011.

[4] 尹占娥，許世遠，殷杰等. 基于小尺度的城市暴雨內(nèi)澇災害情景模擬與風險評估[J]. 地理學報，2010(5)：553～562.[5] 張振國. 城市社區(qū)暴雨內(nèi)澇災害風險評估研究[D]. 上海：上海師范大學，2014.

[6] 詹瑋璇. 城市內(nèi)澇風險評估方法探討——以市橋街道為例[J]. 中國水運(下半月)，2016(3)：192～193.

[7] 黃國如，黃維，張靈敏等. 基于GIS和SWMM模型的城市暴雨積水模擬[J]. 水資源與水工程學報，2015(4)：1～6.[8] 薛豐昌，高曉東，錢津等. 基于GIS的城市內(nèi)澇積水數(shù)值模擬[J]. 測繪與空間地理信息，2012(12)：12～14.

[9] 戴晶晶，劉增賢，陸沈鈞. 基于數(shù)值模擬的城市內(nèi)澇風險評估研究——以蘇州市城市中心區(qū)為例[J]. 中國水利，2015(13)：20～23.

[10] 譚敏，洪金益. 基于Terrasolid軟件的車載激光點云數(shù)據(jù)處理初探[J]. 測繪與空間地理信息，2011(5)：195～198.

[11] 黎樹禧，王峰. 機載LiDAR技術在從化市基礎測繪中的應用[J]. 城市勘測，2012(4)：60～62，65.

[12] 曹學禮，曹建明. 基于寧波市地理國情普查方案的研究[J]. 城市勘測，2014(4)：30～33.

The Urban Waterlogging Area Survey Based on the Surface Model——A Case Study of Ningbo City

Ye Ziwei，Zhao Saishuai，Liang Handong，Li lu，Wu Xiuyun

(Ningbo Institute of Surveying and Mapping，Ningbo 315040，China)

The frequent occurrence of urban waterlogging disaster，became a serious threat to the city's normal life and production activities. Accurately and effectively determining the distributed of urban waterlogging area can provide an intuitive decision reference for urban rainstorm waterlogging disaster prevention and mitigation. This research based on the urban surface model，considering topographic factors，combined with the GIS technology of which got an excellent spatial analysis ability，studied on the feasibility of the extraction method of urban waterlogging area with the study area setting in Ningbo City，thus in order to provide scientific reference for the risk prevention and control of the urban waterlogging.

urban waterlogging；surface model；GIS；geographic conditions survey；Ningbo

1672-8262(2016)05-30-05

P208.2

B

2016—07—14

葉子偉(1974—)，男，高級工程師，主要從事攝影測量與遙感，地理國情普查等工作。