CN111784831A - 一种基于倾斜摄影的城区河道洪水三维淹没分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倾斜摄影的城区河道洪水三维淹没分析方法，包括倾斜摄影航飞、地面像控点测量、水文资料和人文经济资料收集和处理、倾斜三维模型和高精度DSM数据生成、三维淹没水面计算生成、多源数据集成和三维淹没效果展示、淹没受灾情况的定量分析等步骤。使用本发明，能够大大提高城区河道洪水淹没的模拟精度，方便决策者快速精准的制定出抗洪救灾策略，提高抗洪救灾的效率，节约时间，减少进一步的损失。

Description

一种基于倾斜摄影的城区河道洪水三维淹没分析方法

技术领域

本发明属于水文专业洪水淹没分析领域，特别是利用测绘专业的倾斜摄影的新技术来进行城区河道洪水精确三维淹没分析的方法。

背景技术

河道洪水是指江河之中水位迅速上涨及水量流速急速增加的现象，他是自然灾害的一种，其发生次数较为频繁，危害结果较为严重。我国幅员辽阔，国土面积约四分之三以上的地区都遭受着不同程度和类型的洪涝灾害。我国每年需要组织大量的人力、物力进行救灾，其中耗费的财力、精力不计其数。随着社会经济的持续发展和进步，为了减少洪灾带给人民的生命财产损失，需要充分研究模拟洪水淹没规律，再现其运动过程，需要有关机构对洪水灾害的发生时间、波及范围、危害强度等重要信息提供直观有力的管理措施，这已经成为了防洪抗灾中必不可少的手段。

传统的洪水淹没分析往往都是以DEM为地形数据进行洪水淹没分析。如长江水利委员会长江科学院申请的发明专利CN102842104A公开了一种面向海量DEM数据的高精度河道洪水淹没区生成方法，其针对海量DEM数据进行条带划分，并将条带中栅格行上连续多个淹没单元进行游程压缩存储，以降低数据量，最后采用压缩单元边界追踪方法提取淹没范围，从而实现了复杂地形条件下的淹没区生成。该方案将传统淹没源种子点填充方法改为栅格压缩存储和栅格边界追踪计算，使得较小的内存配置处理了较大的栅格数据量，同时避免了种子点填充法中的大量递归判断，提升了计算速度。该方案充分运用了数字地形分析和数据压缩存储技术，避免了种子填充法进行海量DEM数据淹没分析产生的问题，较好的解决了河湖复杂地形环境下的连通域分析，实现大范围、高精度河湖洪水淹没区的生成。又如CN104460343A公开了一种基于水位监测数据的河道洪水淹没模拟方法。该方法基于沿河道采集的离散水位监测数据，首先对河道中心线进行分段线性插值，得到沿河道中心线的每一处水位值；然后，在河道DEM上，按照最近邻插值计算每个DEM网格的洪水水位；最后，从河道中按照种子区域生长法计算河道洪水实际淹没范围和淹没水深分布。该方案充分考虑了河道蜿蜒起伏的自然形态变化，将水位监测站点之间的河道水位值按照距离参数进行内插，可以有效避免插值水位失真的问题。同时，该方案可以有效解决由于布设于河道的洪水水位监测站点过于稀少，水位监测数据样本点不足导致常规的基于全局区域的洪水水位空间插值方法难以适用的问题。

以上现有技术对洪水淹没分析方法都提出了很好的解决方案，但该类洪水淹没分析往往使用的是大尺度的DEM，分辨率往往大于5米，虽然能够对大区域的河流河段进行大致的洪水淹没分析，但缩小到局部领域，分析精度误差较大。同时对于现代社会，防洪抗灾的重点区域为往往为人口密集城市区域，而DEM是数字地形模型，无法表达城市中的各种各样的建筑物，但对于城市河道洪水精确淹没分析来说，建筑物信息也至关重要。测绘专业的倾斜摄影的技术刚好可以提供我们理想中的高精度DSM数据。相对于正射影像，倾斜摄影技术带来的倾斜三维模型具有精细化、可量测、真实感、高精度、对象化等特点，倾斜摄影技术通过多角度的航摄城市，能够对城市的建筑物进行高逼真还原，分辨率可达1公分。通过倾斜摄影技术可以得到高精度的城区DSM，是进行高精度洪水三维淹没分析的很好的地形数据。

另外，传统的洪水淹没分析往往分为有源淹没和无源淹没，其中有源淹没要更切合真实情况。但传统的有源洪水淹没往往基于DEM数据，假设一个特定位置的洪水高度，通过种子蔓延算法和八连通的方式进行。这种方式在进行城区洪水淹没分析时，未考虑城区建筑物(如围墙)等挡水情况，同时只设定一个洪水高度，往往与河道洪水来临时候沿着河流流向各个河段的洪水水位不一致的实际情况不吻合。

传统的洪水三维淹没分析往往使用的是DEM叠加DOM进行仿真模拟，由于DOM数据本身的局限性(无法采集建筑物的侧面纹理)，使用经过DEM拉伸后的DOM进行洪水三维漫游演示和分析，往往不能表达局部的高精度淹没情况，不能进行精准的防洪救灾辅助决策。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于倾斜摄影技术进行城区河道洪水三维淹没分析的方法，使用该方法进行洪水三维淹没分析，可以大大提高洪水淹没模拟的精度，更接近真实淹没情况，可以更加直观精确的为决策者提供洪水淹没的范围和定量灾害损失情况，方便进行精准的防洪救灾决策，精确分布救灾资源，提高防洪救灾效率。

本发明的技术方案是这样实现的；

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于倾斜摄影技术进行城区河道洪水三维淹没分析的方法，使用该方法进行洪水三维淹没分析，可以大大提高洪水淹没模拟的精度，更接近真实淹没情况，可以更加直观精确的为决策者提供洪水淹没的范围和定量灾害损失情况，方便进行精准的防洪救灾决策，精确分布救灾资源，提高防洪救灾效率。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于倾斜摄影的城区河道洪水三维淹没分析方法。包括如下步骤：

步骤一，倾斜摄影航飞；

步骤二，地面像控点量测；

步骤三，沿着需要进行洪水淹没分析的河流的某一段，通过获取水文站实时数据等方式得到河流节点的洪水位高程和节点坐标，通过节点间内插生成一条沿着河道中心线的矢量线，矢量线上每一点的高程值即为模拟的河道洪水位该处的高程值，理论上矢量线每一点的高程值处处不等；

步骤四，倾斜三维模型生成和对应高精度DSM成果的生成。对倾斜模型进行单体化，同时收集淹没城区的人文经济数据；

步骤五，基于skyline的GIS平台，将城区的倾斜三维模型和河道中心矢量线进行集成和坐标配准，同时给城区的每一栋建筑物赋予人文经济属性数据；

步骤六，基于skyline和ArcEngine进行二次开发，编程实现基于高精度DSM和河道中心矢量线的三维淹没水面的生成。以外业实测的相邻两个洪水位坐标点之间的河道洪水淹没为例，新建一个ArryList型的二维数组Z(i,j)和用于标记的布尔型数组，两种数组内的元素对应到高精度DSM数据(为geotif格式的栅格数据)的相应栅格点。其中二维数组Z(i,j)的值为该元素对应栅格点到河道中心洪水线垂线垂点的洪水高程值。设定淹没源点，把淹没源点加入二维数组中，并把相应的布尔型数组赋予True,然后从源点开始搜索其周围八邻域栅格，把满足Z(i,j)≤H的点(H为DSM栅格数据对应位置的高程值)加入二维数组中，同时标记对应的布尔型数组赋予True,同时移除第一个栅格点，二维数组中第一个索引点为领域中的一个点，再以第一个索引点为淹没源点进行八邻域搜索循环，直到二维数组为空，则终止循环。最终布尔型数组的True标记就完整记录下洪水的淹没范围。

步骤七：将步骤五生成的三维淹没水面导入到skyline平台中，与倾斜三维模型进行配准，即可得到高精度的洪水三维淹没模拟，所呈现的淹没水面处处高程不等，更符合真实洪水淹没情况，同时淹没区域的每一栋建筑的具体淹没情况(淹没了多少层)全部直观精确的展现。同时，对三维淹没水面和单体化后的倾斜三维模型进行叠置分析，可以快速以图表的形式定量统计出淹没区域的灾害损失情况和分布并展示在三维模型上，方便决策者快速精准的指定出抗洪救灾策略，提高救灾效率，减少经济损失。

上述方案所呈现的淹没水面处处高程不等，更符合真实洪水淹没情况，同时淹没区域的每一栋建筑的具体淹没情况(淹没了多少层)全部直观精确的展现。同时，对三维淹没水面和单体化后的倾斜三维模型进行叠置分析，可以快速以图表的形式定量统计出淹没区域的灾害损失情况和分布并展示在三维模型上，方便决策者快速精准的指定出抗洪救灾策略，提高救灾效率，减少经济损失。

其中，步骤一采用带后差分模块的哈瓦4轴8旋翼双电无人机MEGA-V8III，4轴8旋翼的模式可以提高无人机的稳定性，提高影像清晰度，后差分模块可以提高影像的POS精度，从而最终提高模型的地理精度。步骤四基于倾斜摄影技术生成的高精度DSM用于后续的洪水淹没范围计算，提高了起算数据的地理坐标精度，同时高精度DSM相比于DEM能够表达城区的建筑物，进一步保证起算数据的精度和仿真性。步骤七提出了一种改进八向种子淹没算法，同时考虑城区河道洪水位应处处不等和模拟城区河道洪水一般是由河道向两岸淹没的过程，更加精细的用算法模拟了真实城区河道洪水淹没的过程，保证了算法生成了洪水淹没范围的精度和可靠性。步骤三、步骤四和步骤七选择特定三维GIS平台skyline，将倾斜三维模型数据、洪水淹没范围数据、河道矢量线数据和人文经济数据等多源数据进行了集成分析。步骤七使用倾斜三维模型进行洪水淹没的展示，能够直观清晰的了解洪水淹没区的受灾情况(每一栋建筑物淹没了多少层)。步骤七结合集成的多源数据，定量分析出淹没区域内的受灾情况并反映到倾斜三维模型上。

基于倾斜摄影的城区河道洪水三维淹没分析的可行性：(1)现有的无人机倾斜摄影测量技术能够生产高精度(公分级)、高现势性和纹理丰富的真三维模型，模型精度相对于传统的DEM提高了几个量级，同时对应生成的高精度DSM可以精准的再现城区的建筑物模型；(2)skyline和ArcEngine为倾斜数据、栅格数据、矢量数据等多源数据的集成和空间分析提供了平台和软件支撑。

本发明具有如下有益效果：真实的再现洪水淹没后城区的受灾情况，同时能够基于实时的水文数据，精确地定量分析出洪水的淹没范围、淹没的面积和经济损失情况。从使用的地形数据来说，传统的洪水淹没分析或者三维淹没分析往往基于卫星生成的大尺度的DEM，而本发明采用的测绘专业的先进倾斜摄影技术，可以生成高精度、带侧面纹理的真三维实景模型，真实逼真的再现现实世界，同时可以生成公分级别精度的DSM，相比于传统的大尺度DEM，精度提高至少两个数量级的同时能够保留城区建筑物的形状和地理坐标信息，为后续的精确定量分析洪水淹没范围提供强有力的数据支撑。从洪水淹没算法来说，传统的洪水淹没往往是基于一个起算点给出一个洪水高程然后进行分析，这与实际情况是有一定出入的。本发明则通过算法模拟现实的洪水淹没水流向情况，即洪水来临时，河道洪水位处处不相等，同时洪水往往是以河道为中心线向两岸淹没，本发明通过改进的八向种子淹没算法，完全模拟了这一过程，使得洪水淹没分析的结果更加可靠和精确。从洪水淹没的模拟分析和辅助决策方面，本发明基于特定的三维GIS平台，将三维高精度城区倾斜模型、高精度的洪水淹没范围和城区人文经济数据统一集成在一起，可以精确定量分析出淹没区域的受灾情况，精确到每一栋建筑物。同时基于倾斜模型的淹没效果，可以直观、真实的再现淹没城区内每一栋建筑物的淹没情况，方便决策者对受灾重点区域进行快速定位，有针对性的进行洪水救灾，提高救灾的效率，节约时间，减少进一步的损失。

附图说明

图1是本发明的基于倾斜摄影的城区河道洪水三维淹没分析方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例具体包括下述步骤：

步骤一，倾斜摄影航飞：使用多旋翼无人机从下视和四个侧视共五个不同的方向采集影像，获取城区防洪重点区域内建筑物顶部和侧面的高分辨率纹理信息和无人机自带的高精度POS数据。控制无人机航飞高度和航飞重叠度，保证原始影像的平均分辨率在5cm以内，重叠度满足倾斜三维建模需求。

步骤二，地面像控点量测，根据测区形状，按照500米一个的间距均匀布设像控点，保证测区***布设一圈像控点。像控点的目的是控制后续三维模型和高精度DSM的地理坐标精度。

步骤三，沿着需要进行洪水淹没分析的河流的某一段，通过获取水文站实时数据等方式得到河流节点的洪水位高程和节点坐标，通过节点间内插生成一条沿着河道中心线的矢量线，已知矢量线节点的洪水位高程，通过相邻两个节点内插的方式赋予两个节点之间矢量线上点的高程。矢量线上每一点的高程值即为模拟的河道洪水在该处的高程值，理论上矢量线每一点的高程值处处不等；

步骤四，将外业航飞的倾斜航飞原始影像、高精度POS和地面像控点成果导入倾斜建模软件ContextCapture进行倾斜空中三角测量数据处理，经过多视密集匹配、空三***、刺像控和空三控制网等步骤最终输出倾斜三维模型和对应高精度DSM成果。然后使用DPModeler软件对倾斜模型进行单体化，同时收集淹没城区的人文经济数据。

步骤五，基于skyline的GIS平台TerraExplorerPro，将城区的倾斜三维模型和河道中心矢量线进行集成和坐标配准，统一坐标系和高程基准，同时给三维模型的每一栋建筑物赋予人文经济属性数据；

步骤六，基于skyline和ArcEngine进行二次开发，编程实现基于高精度DSM和河道中心矢量线的三维淹没水面的生成。以外业实测的相邻两个洪水位坐标点之间的河道洪水淹没为例，新建一个用于洪水淹没判断计算的ArryList型的二维数组Z(i,j)和用于标记的布尔型数组，两种数组内的元素对应到高精度DSM数据(为geotif格式的栅格数据)的相应栅格点。其中二维数组Z(i,j)的值为该元素对应栅格点到河道中心洪水线垂线垂点的洪水高程值。设定淹没源点，把淹没源点加入二维数组中，并把其相应的布尔型数组赋予True,然后从源点开始搜索其周围八邻域栅格，把满足Z(i,j)≤H的点(H为DSM栅格数据对应位置的高程值)加入二维数组中，同时标记对应的布尔型数组赋予True,同时移除第一个栅格点，则这时二维数组中第一个索引点为初始淹没源点邻域中的一个点，再以第一个索引点为淹没源点进行八邻域搜索循环，直到二维数组为空，则终止循环。最终布尔型数组的True标记就完整记录下洪水的淹没范围。

步骤七：将步骤五生成的三维淹没水面导入到skyline平台中，与倾斜三维模型进行配准，即可得到高精度的洪水三维淹没模拟，所呈现的淹没水面处处高程不等，更符合真实洪水淹没情况，同时淹没区域的每一栋建筑的具体淹没情况(淹没了多少层)全部直观精确的展现。同时，对三维淹没水面和单体化后的倾斜三维模型进行叠置分析，可以快速以图表的形式定量统计出淹没区域的灾害损失情况和分布并展示在三维模型上，方便决策者快速精准的制定出抗洪救灾策略，提高救灾效率，减少损失。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于倾斜摄影的城区河道洪水三维淹没分析方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，倾斜摄影航飞；

步骤二，地面像控点量测；

步骤三，沿着需要进行洪水淹没分析的河流的某一段，通过获取水文站实时数据的方式得到河流节点的洪水位高程和节点坐标，通过节点间内插生成一条沿着河道中心线的矢量线，矢量线上每一点的高程值即为模拟的河道洪水位该处的高程值，理论上矢量线每一点的高程值处处不等；

步骤四，倾斜三维模型模型生成和对应高精度DSM成果的生成；对倾斜模型进行单体化，同时收集淹没城区的人文经济数据；

步骤五，基于skyline的GIS平台，将城区的倾斜三维模型和河道中心矢量线进行集成和坐标配准，同时给城区的每一栋建筑物赋予人文经济属性数据；

步骤六，基于skyline和ArcEngine进行二次开发，编程实现基于高精度DSM和河道中心矢量线的三维淹没水面的生成；通过模拟城区洪水淹没洪水流动的自然过程，使用改进的八流向种子淹没算法计算淹没水面；

步骤七：将步骤五生成的三维淹没水面导入到skyline平台中，与倾斜三维模型进行配准，即可得到高精度的洪水三维淹没模拟。

2.根据权利要求1所述的基于倾斜摄影的城区河道洪水三维淹没分析方法，其特征在于，步骤一中采用带后差分模块的哈瓦4轴8旋翼双电无人机MEGA-V8III，4轴8旋翼的模式。

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