基于ArcScene的洪水淹没三维模型的建立——以广州大学城南亭村为例

（1湖南省第一测绘院 湖南衡阳421001；2广州大学地理科学学院 广东广州510006）

（1湖南省第一测绘院 湖南衡阳421001；2广州大学地理科学学院 广东广州510006）

近年来洪水在我国的频发，使得耕抗洪救灾的重要性日益上升。随着三维技术的不断发展，基于地理信息系统的三维建模研究日渐成为研究的难点与热点。本文根据南亭村各建筑的门牌号、层数、结构、面积和用途等信息利用ArcMap建立数据库。收集南亭村1250个高程点，利用ArcGIS软件建立起南亭村的三维DEM模型，并实现可视化。基于ArcScene平台的地形三维可视化的技术流程和三维模型的制作方法，开发南亭村洪水淹没三维模型。模型的主要作用是对淹没区域的建筑损失进行查询、统计及洪水淹没动态分析等。结果表明，南亭村主要商服用地、公共设施用地都布局在地势较低的村西地区，若发生洪水灾害，对南亭村的破坏性极大。本实验模型可以为洪灾评估和防洪决策提供科学、准确的依据。

ArcScene三维模型洪水淹没南亭

1 引言

伴随全球变暖的加剧，极端天气的增加，洪涝灾害的风险在近几年呈现上升势头。

我国是水害频发的国度，快速、准确、科学模拟、预测和显示洪水淹没范围，特别是对被淹没的建筑进行财产损失估计，为防洪、抗洪、洪灾评估及灾后重建等工作提供决策支持具有重要意义[1]。

20世纪70年代，美国首先提出采用非工程措施的概念，即通过洪水预报、防洪调度、分洪、滞洪、立法、洪水保险、洪泛区管理以及造林、水土保持等非工程措施来减缓洪涝灾害，改变损失分摊方法，加强防洪管理，顺应洪水的天然特性，因势利导，以达到防洪减灾的目的[2-4]。

目前，可视化技术使人能够在三维虚拟世界中对洪水演进的现象和规律进行观察、操作和分析，更好的了解洪水发生的过程[5]。诸如天津气象科研所与中国水利水电科学研究院减灾中心天津大学建工学院合作，研制了天津市城区沥涝仿真模型[6-8]就对城市的洪涝灾害有深入研究。

本文利用ArcGIS中的ArcScene工具以广州大学城南亭村为例开发洪水淹没三维动画模型，可以进行洽定条件下的洪水淹没模拟及分析，确定淹没范围，以逼真、直观、多角度、多层次的模拟呈现出三维地形的二维图像。再根据数据库的信息，为进行各类被淹建筑的财产损失统计和评估搭建基础平台。

2 研究区域

小谷围岛总面积20.15平方公里，分布南亭村、北亭村、穗石村、贝岗村、郭朗村、练溪村6个行政村，因广州大学城建设，其中郭朗、练溪两村村民全部搬迁，现岛内有南亭村、北亭村、穗石村、贝岗村4个保留区，面积1.12平方公里，常住居民1802户、5954人。南亭村位于番禺县城东北11.7公里处，地处低纬，属南亚热带季风气候区。地表接受太阳辐射量较多，同时受季风的影响，夏季海洋暖气流形成高温、高湿、多雨的气候；冬季北方大陆冷风形成低温、干燥、少雨的气候。

年平均气温为 21.4-21.9度，年降雨量平均为1623.6-1899.8mm。近年来，洪、涝、咸灾害等造成珠三角脆弱性的迅速加剧[16]。

小谷围地处珠江下游，其洪涝灾害危险性也在加大。

3 数据收集及地形三维场景可视化

3.1.1 南亭村房屋信息数据

根据2010年南亭村1:500地形图进行外业调查工作，实地走访广州大学城南亭村。

工作为根据地形图提供图斑到现场调查并更新房屋的基本状况，包括房屋的门牌号、层数、结构、面积和用途等。完成外业调查后在室内进行数据整理，矢量化、数据统计分析，最后利用ArcGIS建成南亭村房屋数据库。

3.1.2 南亭村DEM模型的数据

南亭村1:500地形图是制作DEM的重要数据源，从地形图上采集DEM数据，首先是对地形图的1250个高程点进行提取，导入ArcMap中，利用ArcMap中的3D Analyze工具建立南亭村的TIN模型。并以此为南亭村DEM模型的原始数据。

3.2 三维模型建立的步骤

3.2.1 南亭村TIN模型及其栅格表面的生成

（1）将南亭村1250个高程点在Arcmap中数字化为点状图层。

（2）选择Arcmap中的三维分析模块下选的Create TIN From Features（由要素创建TIN）命令，在弹出的对话框中设置，单击ok.完成的南亭村TIN模型。

3.2.2 南亭村房屋数据的面状图形的生成

将扫描后的南亭村地图导入Arcmap中，利用更新后房屋的基本信息对地图进行数字化处理，建立房屋数据库，生成南亭村的shp文件。

在对不同的用地类型和房屋用途上色后得到的《南亭村房屋与建筑类型分布图》。

4 洪水淹没的三维可视化模拟的实现

4.1 洪水淹没矢量图层的建立

鉴于南亭村的地基高程为5.6m，所以本文中的洪水淹没模拟从5.8m开始淹没深度为4米，到达9.2m止。期间以0.2m为一段，共需绘制17个shp图层。

在ArcMap中绘制南亭村遭遇洪水淹没的不同时刻水深图层。并通过AddData加载到ArcScene中。

在Scene Layers中选择所有17个图层，单击右键选择Group，将17个图层合并为一个图层组。

4.2 南亭村遭遇洪水淹没演进过程模拟

在ArcScene中，利用Animation工具中的Creat Group Animation功能，选中Select a group layer中刚刚命名的图层组。

然后，利用Animation Manager功能模块中的Time View功能，调整洪水的淹没时间以及图层显示顺序。

点击Animation Controls中的播放按钮可播放南亭村遭遇洪水淹没不同时刻的三维模拟仿真。

5 实验分析

经过模型的分析可统计出南亭村不同时刻受淹没的不同房屋数量。根据数据库的资料统计，南亭村的住宅房屋数量总数为641间（包括在建），商业属性的房屋数量为249间。洪水淹没深度在0.7m时住宅属性的房屋尚未受到淹没危险。但随洪水淹没深度的增加，受到淹没灾害的房屋就开始增加。

看到住宅的淹没情况，洪水淹没深度再1.7m-2.2m之间是，受灾的房屋数上升速度在最快，达到了191间。

当洪水淹没深度达到3.2m时受灾的总住宅数量是371间，占总住宅属性房屋数量的57.87%，证明大多数房屋都布局在村东地势较高的地方。可见南亭村的旧村选址时在村西的山丘上，可见其立村之时也考虑到可能受到的洪水灾害。再看到商铺的淹没情况，而洪水淹没深度达到0.7m时受灾的商铺有5家。

对模型的分析得出洪水淹没深度从1.2m上升到1.7m时商铺的受灾数量上升最快，可见布局在该高程位置的商铺较多，达到78家，占总商铺数的31.33%。而洪水淹没深度从1.7m上升到3.2m时，商铺的受灾数量增加了84间。当淹没深度达到3.2m时，总受灾商铺数量为218间，占总商铺数量的87.55%。证明大多商铺都布局在村西地势较低的地方。

可见，洪水淹没对南亭村的商业的打击是破坏性的。

同时，考虑到南亭村位于广州大学城内部，在村内有大量的出租屋的存在。而且，大学城内的学生存在着大量学生在村内租住房屋的现象。

本文在统计时特别将不同淹没深度时的出租屋数量进行统计分析。

调查统计的南亭村有出租许可的出租屋总数量为372间，可见其出租规模的宏大。看到模拟淹没深度达到最大值时，其出租屋受灾数量是135间，占总数的36.29%，接近出租屋的三分之一。

通过模拟实验中不同淹没深度的出租屋数量分析，南亭村接近半数的出租屋都布局在地势较低的村西地区。若洪水灾害发生，大多出租屋也将受到威胁，出租屋内的人员，特别是大学生的安全不容忽视。

5.1 实验总结

本实验利用ArcGIS中的ArcScene模块以广州大学城南亭村为例开发洪水淹没三维模型，可以进行洽定条件下的洪水淹没模拟及分析，确定淹没范围，以逼真、直观、多角度、多层次的模拟呈现出三维地形的二维图像。再根据数据库的信息，为进行各类被淹建筑的财产损失统计和评估搭建基础平台。

其中，对南亭村的住宅、商铺、出租屋不同时刻的淹没数量的统计也有利于识别南亭村的这些主要用地类型、主要建筑物在不同高程的布局情况以及对遭受洪水灾害的受灾情况进行统计分析。

5.2 待改进之处

（1）鉴于本实验的DEM模型的建立是基于南亭村2010年1: 500地形图上的1250个高程点。经过5年村的发展，土地的利用结构改变，难免会出现不同地点高程值的改变；

（2）由通过最新的调查数据生成的南亭村三维模型在形态结构上没有达到逼真的效果，只是以不同高度的长方体代替。在视觉上没有达到很好的客观性。

[1]葛小平,许有鹏，等.GIS支持下的洪水淹没范围模拟 [J].水科学进展,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]袁艳斌,王乘,杜迎泽,等.洪水演进模拟仿真系统研制的技术和目标分析 [J].水电能源科学,2001,19(3):30-33.

[6]仇劲卫,李娜,程晓陶,等.天津市城区暴雨沥涝仿真模拟系统 [J].水利学报,2000 (11):34-42.

[7]李娜,仇劲卫,程晓陶,等.天津市城区暴雨沥涝仿真模拟系统的研究 [J].自然灾害学报,2002,11(2):112-118.

[8]解以扬,李大鸣,李培彦,等.城市暴雨内涝数学模型的研究与应用 [J].水科学进展, 2005,16(3):384-390.

[9]孙绍骋.灾害评估研究内容与方法探讨 [J].地理科学进展,2001,(2):122-130.

[10]史培军.三论灾害研究的理论与实践 [J].自然灾害学报,2002,11(3):1-9.

[11]楚敬龙,杜加强,滕彦国,等.基于GIS的重庆市万州区滑坡灾害危险性评价 [J].地质通报,2008,27(11):1875-1881.

[12]唐川,朱大奎.基于GIS技术的泥石流风险评价研究 [J].地理科学,2002,22(3): 300-304.

基于ArcScene的洪水淹没三维模型的建立
——以广州大学城南亭村为例

■刘天清1吴大放2

P2[文献码]B

1000-405X（2016）-10-322-2

"十二五"国家科技支撑计划项目(2013BAJ13B01)、广东省教育厅特色创新项目(2014KTSCX090)、广东省教育科研

"十二五"规划2013年度研究项目(2013JK134)、广州市哲学社会科学"十二五"规划课题（15Q28）、广州大学示范性实验建设

项目（地理信息系统在土地利用规划中的应用）、广东省教育厅省级大学生创新训练项目(201511078019、CX2015025)资助。