一种基于BIM和GIS的洪水淹没范围动态展示的技术

张李荪 刘杨 张国文 卢聪飞

1江西武大扬帆科技有限公司 南昌市 330029

2中铁水利水电规划设计集团有限公司 江西省南昌市 330029

3南昌市水利安全监测与预测预警工程技术研究中心 江西省南昌市 330029

0 概述

近年来，云计算、大数据、物联网等新信息技术的快速地发展，信息数据获取和分析的智能化水平得到了很大的提升。随着水利信息化应用水平的持续提升，水利行业正从工程水利向现代水利转变。在这个进程中，数字模拟仿真、BIM技术、GIS技术、物联网、数据库等信息技术不断融入水利行业的各项工作中，在水利工程建设管理、防洪减灾等许多方面发挥了重要的作用［1］。

随着我国社会经济的从而高速发展，防洪安全保障的水平也不断提高。从“控制洪水”到“管理洪水”，是从工程水利向现代水利转变的重要标志。数字流域是以地理空间数据、水利工程三维模型等为基础，具有三维可视化显示和应用新信息技术模拟流域的虚拟流域。具体地说，数字流域是采用新信息技术（GIS、物联网、VR和云计算等）把流域及相关的所有信息进行数字化处理，同时和时空信息数据组织成一个有机的数字整体，从而有效地反映整个流域的完整的、真实的情况，并对所需的信息进行分析处理，为用户决策提供技术支撑。

1 基于BIM和GIS的洪水淹没范围动态展示

GIS技术以地理空间信息数据为核心，完成对地形地貌、建筑工程和社会经济情况等信息数据进行管理和分析，为工程规划设计、施工、运营管理等方面提供海量数据存储及分析的需求；BIM技术能够对建筑物细部结构等信息进行三维精细化管理，并且通过对三维模型信息的分析处理，能够在工程的全生命周期过程中持续应用。但是BIM技术对于大范围地理空间数据处理分析的能力略显不足。而BIM和GIS融合应用于洪水淹没范围动态展示技术和可视化表现形式，可以为决策者提供便捷准确的技术支持［2］。

将BIM和GIS整合在一起，直观、精确地反映洪水淹没范围，为水利工程的防汛决策提供有力的支撑，达到减少损失、保护人民生命财产安全的目的。

1.1 工程BIM模型的建立

采用Bentley MicroStation软件建立整个水利枢纽工程的BIM模型，利用Bentley Geopak site软件在测量资料基础上，提取带数据的等高线、高程点数据、河岸等特征线生成不规则三角网格TIN（Triangulated Ir‐regular Network）文件，进而得到DEM数字地面模型［3］。水利枢纽工程的BIM模型，与生成的地形的数字地面模型进行组装，生成BIM和GIS融合的三维模型。

1.2 淹没范围数据处理

利用工程所在区域的DEM数据，由水位控制线对各栅格进行插值，比较栅格插值出的水位与其高程之间的大小关系，若水位大于地形高程，则该栅格属于淹没范围，记录其水位或水深，若水位小于地形高程，则不属于淹没范围，将该栅格改为无效值。

1.2.1 DEM数据转换

从ArcGIS中将30*30的DEM直接转换成文本格式。是将淹没分析区DEM数据中高程值低于设定水位的视为淹没点；有源淹没是将淹没分析区DEM数据中心高程值低于设定水位并且与指定位置有联通的栅格视为淹没点。

（1）水位控制线

类似于水文断面，是淹没分析中插值计算中基准线，其存储了直线左右断点的XY坐标，其形式如图2所示。

图1 DEM数据

图2 分位控制线

1.2.2 简化的DEM数据

去除部分连续无效值的DEM数据，目的是为了提高运算速度。

1.2.3 淹没范围分析

对洪水淹没范围进行分析时，通过静态水面法分析淹没范围，分为无源淹没和有源淹没两种［4］。无源淹没

（2）现有栅格分区数据

现有栅格分区数据是对各栅格进行所属分区的结果，其形式如图3所示。

图3 现有分区数据

（3）水面线数据

各水位控制线的相应水位，其形式如图4所示。

图4 水面线数据

1.2.4 淹没范围可视化

淹没范围分析最终得到的是被淹没地区的栅格数据，但是还达不到最终网页展示的要求，仍然需要对此数据进行处理［5］。

（1）栅格数据处理

将不同水位—流量组合工况下的栅格数据进行处理，使其能够统一颜色显示。使用ArcGIS 10.5平台中的“模型构建器”工具，其功能模块和流程见图5。

图5 栅格数据处理模型结构图

栅格数据经过处理，得到png格式的图片，为更直观的展示洪水淹没的严重程度，对不同工况下的图片显示进行了色彩统一，如图6所示，其中值得注意的是从某一水位（例如：汛限水位49m）开始颜色变得更为醒目。

图6 栅格数据重分类色彩图例

（2）数据映射

淹没范围的栅格数据转换成图片之后，再叠加到GIS中。

以此类推，可以计算并显示出不同水位的淹没范围，达到动态显示洪水淹没范围的动态展示［6］。

2 结束语

基于BIM和GIS的洪水淹没范围动态展示是“数字流域”技术在洪水淹没分析的关键应用体现，可以为水利工程洪水淹没提供基础信息资源，为防止洪水淹没产生的灾害提供技术支持。为防洪调度、洪水预报、灾情评估等提供现代化的决策支撑手段，用信息化技术提升水利防洪减灾的精确决策，从而保障社会经济的持续发展。