基于ArcScene的洪水淹沒三維模型的建立——以廣州大學城南亭村為例

（1湖南省第一測繪院 湖南衡陽421001；2廣州大學地理科學學院 廣東廣州510006）

（1湖南省第一測繪院 湖南衡陽421001；2廣州大學地理科學學院 廣東廣州510006）

近年來洪水在我國的頻發，使得耕抗洪救災的重要性日益上升。隨著三維技術的不斷發展，基于地理信息系統的三維建模研究日漸成為研究的難點與熱點。本文根據南亭村各建筑的門牌號、層數、結構、面積和用途等信息利用ArcMap建立數據庫。收集南亭村1250個高程點，利用ArcGIS軟件建立起南亭村的三維DEM模型，并實現可視化?；贏rcScene平臺的地形三維可視化的技術流程和三維模型的制作方法，開發南亭村洪水淹沒三維模型。模型的主要作用是對淹沒區域的建筑損失進行查詢、統計及洪水淹沒動態分析等。結果表明，南亭村主要商服用地、公共設施用地都布局在地勢較低的村西地區，若發生洪水災害，對南亭村的破壞性極大。本實驗模型可以為洪災評估和防洪決策提供科學、準確的依據。

ArcScene三維模型洪水淹沒南亭

1 引言

伴隨全球變暖的加劇，極端天氣的增加，洪澇災害的風險在近幾年呈現上升勢頭。

我國是水害頻發的國度，快速、準確、科學模擬、預測和顯示洪水淹沒范圍，特別是對被淹沒的建筑進行財產損失估計，為防洪、抗洪、洪災評估及災后重建等工作提供決策支持具有重要意義[1]。

20世紀70年代，美國首先提出采用非工程措施的概念，即通過洪水預報、防洪調度、分洪、滯洪、立法、洪水保險、洪泛區管理以及造林、水土保持等非工程措施來減緩洪澇災害，改變損失分攤方法，加強防洪管理，順應洪水的天然特性，因勢利導，以達到防洪減災的目的[2-4]。

目前，可視化技術使人能夠在三維虛擬世界中對洪水演進的現象和規律進行觀察、操作和分析，更好的了解洪水發生的過程[5]。諸如天津氣象科研所與中國水利水電科學研究院減災中心天津大學建工學院合作，研制了天津市城區瀝澇仿真模型[6-8]就對城市的洪澇災害有深入研究。

本文利用ArcGIS中的ArcScene工具以廣州大學城南亭村為例開發洪水淹沒三維動畫模型，可以進行洽定條件下的洪水淹沒模擬及分析，確定淹沒范圍，以逼真、直觀、多角度、多層次的模擬呈現出三維地形的二維圖像。再根據數據庫的信息，為進行各類被淹建筑的財產損失統計和評估搭建基礎平臺。

2 研究區域

小谷圍島總面積20.15平方公里，分布南亭村、北亭村、穗石村、貝崗村、郭朗村、練溪村6個行政村，因廣州大學城建設，其中郭朗、練溪兩村村民全部搬遷，現島內有南亭村、北亭村、穗石村、貝崗村4個保留區，面積1.12平方公里，常住居民1802戶、5954人。南亭村位于番禺縣城東北11.7公里處，地處低緯，屬南亞熱帶季風氣候區。地表接受太陽輻射量較多，同時受季風的影響，夏季海洋暖氣流形成高溫、高濕、多雨的氣候；冬季北方大陸冷風形成低溫、干燥、少雨的氣候。

年平均氣溫為 21.4-21.9度，年降雨量平均為1623.6-1899.8mm。近年來，洪、澇、咸災害等造成珠三角脆弱性的迅速加劇[16]。

小谷圍地處珠江下游，其洪澇災害危險性也在加大。

3 數據收集及地形三維場景可視化

3.1.1 南亭村房屋信息數據

根據2010年南亭村1:500地形圖進行外業調查工作，實地走訪廣州大學城南亭村。

工作為根據地形圖提供圖斑到現場調查并更新房屋的基本狀況，包括房屋的門牌號、層數、結構、面積和用途等。完成外業調查后在室內進行數據整理，矢量化、數據統計分析，最后利用ArcGIS建成南亭村房屋數據庫。

3.1.2 南亭村DEM模型的數據

南亭村1:500地形圖是制作DEM的重要數據源，從地形圖上采集DEM數據，首先是對地形圖的1250個高程點進行提取，導入ArcMap中，利用ArcMap中的3D Analyze工具建立南亭村的TIN模型。并以此為南亭村DEM模型的原始數據。

3.2 三維模型建立的步驟

3.2.1 南亭村TIN模型及其柵格表面的生成

（1）將南亭村1250個高程點在Arcmap中數字化為點狀圖層。

（2）選擇Arcmap中的三維分析模塊下選的Create TIN From Features（由要素創建TIN）命令，在彈出的對話框中設置，單擊ok.完成的南亭村TIN模型。

3.2.2 南亭村房屋數據的面狀圖形的生成

將掃描后的南亭村地圖導入Arcmap中，利用更新后房屋的基本信息對地圖進行數字化處理，建立房屋數據庫，生成南亭村的shp文件。

在對不同的用地類型和房屋用途上色后得到的《南亭村房屋與建筑類型分布圖》。

4 洪水淹沒的三維可視化模擬的實現

4.1 洪水淹沒矢量圖層的建立

鑒于南亭村的地基高程為5.6m，所以本文中的洪水淹沒模擬從5.8m開始淹沒深度為4米，到達9.2m止。期間以0.2m為一段，共需繪制17個shp圖層。

在ArcMap中繪制南亭村遭遇洪水淹沒的不同時刻水深圖層。并通過AddData加載到ArcScene中。

在Scene Layers中選擇所有17個圖層，單擊右鍵選擇Group，將17個圖層合并為一個圖層組。

4.2 南亭村遭遇洪水淹沒演進過程模擬

在ArcScene中，利用Animation工具中的Creat Group Animation功能，選中Select a group layer中剛剛命名的圖層組。

然后，利用Animation Manager功能模塊中的Time View功能，調整洪水的淹沒時間以及圖層顯示順序。

點擊Animation Controls中的播放按鈕可播放南亭村遭遇洪水淹沒不同時刻的三維模擬仿真。

5 實驗分析

經過模型的分析可統計出南亭村不同時刻受淹沒的不同房屋數量。根據數據庫的資料統計，南亭村的住宅房屋數量總數為641間（包括在建），商業屬性的房屋數量為249間。洪水淹沒深度在0.7m時住宅屬性的房屋尚未受到淹沒危險。但隨洪水淹沒深度的增加，受到淹沒災害的房屋就開始增加。

看到住宅的淹沒情況，洪水淹沒深度再1.7m-2.2m之間是，受災的房屋數上升速度在最快，達到了191間。

當洪水淹沒深度達到3.2m時受災的總住宅數量是371間，占總住宅屬性房屋數量的57.87%，證明大多數房屋都布局在村東地勢較高的地方?？梢娔贤ご宓呐f村選址時在村西的山丘上，可見其立村之時也考慮到可能受到的洪水災害。再看到商鋪的淹沒情況，而洪水淹沒深度達到0.7m時受災的商鋪有5家。

對模型的分析得出洪水淹沒深度從1.2m上升到1.7m時商鋪的受災數量上升最快，可見布局在該高程位置的商鋪較多，達到78家，占總商鋪數的31.33%。而洪水淹沒深度從1.7m上升到3.2m時，商鋪的受災數量增加了84間。當淹沒深度達到3.2m時，總受災商鋪數量為218間，占總商鋪數量的87.55%。證明大多商鋪都布局在村西地勢較低的地方。

可見，洪水淹沒對南亭村的商業的打擊是破壞性的。

同時，考慮到南亭村位于廣州大學城內部，在村內有大量的出租屋的存在。而且，大學城內的學生存在著大量學生在村內租住房屋的現象。

本文在統計時特別將不同淹沒深度時的出租屋數量進行統計分析。

調查統計的南亭村有出租許可的出租屋總數量為372間，可見其出租規模的宏大?？吹侥M淹沒深度達到最大值時，其出租屋受災數量是135間，占總數的36.29%，接近出租屋的三分之一。

通過模擬實驗中不同淹沒深度的出租屋數量分析，南亭村接近半數的出租屋都布局在地勢較低的村西地區。若洪水災害發生，大多出租屋也將受到威脅，出租屋內的人員，特別是大學生的安全不容忽視。

5.1 實驗總結

本實驗利用ArcGIS中的ArcScene模塊以廣州大學城南亭村為例開發洪水淹沒三維模型，可以進行洽定條件下的洪水淹沒模擬及分析，確定淹沒范圍，以逼真、直觀、多角度、多層次的模擬呈現出三維地形的二維圖像。再根據數據庫的信息，為進行各類被淹建筑的財產損失統計和評估搭建基礎平臺。

其中，對南亭村的住宅、商鋪、出租屋不同時刻的淹沒數量的統計也有利于識別南亭村的這些主要用地類型、主要建筑物在不同高程的布局情況以及對遭受洪水災害的受災情況進行統計分析。

5.2 待改進之處

（1）鑒于本實驗的DEM模型的建立是基于南亭村2010年1: 500地形圖上的1250個高程點。經過5年村的發展，土地的利用結構改變，難免會出現不同地點高程值的改變；

（2）由通過最新的調查數據生成的南亭村三維模型在形態結構上沒有達到逼真的效果，只是以不同高度的長方體代替。在視覺上沒有達到很好的客觀性。

[1]葛小平,許有鵬，等.GIS支持下的洪水淹沒范圍模擬 [J].水科學進展,2002,13 (4):456-460.

[2]Dushmanta Dutta,Srikantha Herath,Katumi Musiake.A mathematical model for flood loss estimation[J].Journal of Hydrology,2003,(277):24-49

[3]Ezio Todini.An operational decision support system for flood risk mapping,foreasting and managemem[J].Urban Water,1999(1):13l-143

[4]Robert J.Moore,Victoria A.Bell,David A.Jones.Forecasting for flood warning[J].C Rgeoscience,2005,(337):203-217.

[5]袁艷斌,王乘,杜迎澤,等.洪水演進模擬仿真系統研制的技術和目標分析 [J].水電能源科學,2001,19(3):30-33.

[6]仇勁衛,李娜,程曉陶,等.天津市城區暴雨瀝澇仿真模擬系統 [J].水利學報,2000 (11):34-42.

[7]李娜,仇勁衛,程曉陶,等.天津市城區暴雨瀝澇仿真模擬系統的研究 [J].自然災害學報,2002,11(2):112-118.

[8]解以揚,李大鳴,李培彥,等.城市暴雨內澇數學模型的研究與應用 [J].水科學進展, 2005,16(3):384-390.

[9]孫紹騁.災害評估研究內容與方法探討 [J].地理科學進展,2001,(2):122-130.

[10]史培軍.三論災害研究的理論與實踐 [J].自然災害學報,2002,11(3):1-9.

[11]楚敬龍,杜加強,滕彥國,等.基于GIS的重慶市萬州區滑坡災害危險性評價 [J].地質通報,2008,27(11):1875-1881.

[12]唐川,朱大奎.基于GIS技術的泥石流風險評價研究 [J].地理科學,2002,22(3): 300-304.

基于ArcScene的洪水淹沒三維模型的建立
——以廣州大學城南亭村為例

■劉天清1吳大放2

P2[文獻碼]B

1000-405X（2016）-10-322-2

"十二五"國家科技支撐計劃項目(2013BAJ13B01)、廣東省教育廳特色創新項目(2014KTSCX090)、廣東省教育科研

"十二五"規劃2013年度研究項目(2013JK134)、廣州市哲學社會科學"十二五"規劃課題（15Q28）、廣州大學示范性實驗建設

項目（地理信息系統在土地利用規劃中的應用）、廣東省教育廳省級大學生創新訓練項目(201511078019、CX2015025)資助。