浅谈DEM在洪水灾害中的运用.doc

1浅谈浅谈 DEM 在洪水灾害中的运用在洪水灾害中的运用王永飞 张 娟（郑州大学地理信息系统实验室，郑州市科学大道 100 号，450001）摘摘 要要 DEM 是国家基础空间数据中的一个重要组成部分，随着当代信息技术和计算 机技术的快速发展，DEM 在国民经济和国防建设以及人文、自然科学领域的应用越来越广 泛运用 DEM 进行流域水文分析和淹没面积分析，可以对洪水淹没范围模拟和洪水灾害 评估，为防洪减灾工作提供辅助决策 关键词关键词 数字高程模型（DEM） ；水淹分析；4D 产品；GIS 0引言引言我国是一个洪涝灾害频繁的国家，每年都给国家和人民生命财产造成巨大损失，同时 影响社会的稳定和发展另外洪水灾害危害严重且具有突发性，因此快速、准确、科学的 对洪水灾害进行模拟、预测对防洪减灾和实施救援意义重大 数字高程模型（Digital Elevation Model，简称 DEM）是基础地理信息 4D 产品之一， 在国民经济建设及规划等各部门有泛的应用DEM 是进行水文分析（如汇水区分析、河网 水系分析、降雨分析等） 、淹没面积分析、洪水灾害评估等的基础，DEM 在防洪减灾中也 发挥着越来越重要的作用。

1 DEM 的定义及特点的定义及特点1.1 DEM 定义定义 DEM 是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型 (Digital Terrain Model，简称 DTM)的一个分支，是 DTM 中最基本的部分，它是对地球表 面地形地貌的一种离散的数字表达[1]数字高程模型 DEM 是表示特定区域 D 上的三维向 量有限序列，用表达式可以表示为：=X Y Z( =1 2 3n)Viiiii（） ,,, , ,,式中：XYii、是地面点的平面坐标；Zi是对应点的高程值 当 DEM 表示为规则格网时，将高程值按每行网格顺序存储，则地面点的坐标值可以 省略，这样 DEM 表示为一维的有序序列，节省了大量的存储空间 1.2 DEM 的特点的特点 通过对原始数据（DWG 等）的验证和重建可以生成 DEM 表面，结合具体的应用生 成 DEM 产品，生成的 DEM 产品以数字形式存储在磁盘等存储介质上DEM 较传统地形 图有以下优点： （1）DEM 能以多种比例尺的地形图、纵横断面图和立体图等多种形式显示特定区 域的地形信息 （2）DEM 数据能实现多幅地形信息的无缝接边镶嵌。

对于较大区域的地形信息可 以分割成若干的小区域分别进行地形信息的采集和处理，最后进行接边镶嵌 （3）数据便于存储、传输和共享且精度不会损失DEM 以数字形式存储，数据可 以长时间存储而精度不会损失，随着计算机技术和网络技术的发展使得 DEM 数据的存储、 传输和共享更加便捷2（4）DEM 数据更新代价小，自动化、实时化程度高[1]DEM 由于是数字形式的地 形数据的更新只需将信息输入到计算机，经过软件处理即可产生实时化的地形图，数据更 新代价小，自动化、实时化程度高 2 DEM 在洪水灾害中的应用在洪水灾害中的应用 2.1 基于基于 DEM 的流域水文分析的流域水文分析 DEM 是流域水文分析的主要数据，其中栅格 DEM 最为普遍，其计算处理方法简单有 效，且易与遥感数据匹配，在流域水文模拟中得到广泛应用[ 2 ] 基于 DEM 的水流流向的 确定是利用 D8 算法[ 3 ]，就是比较栅格点与周围八个网点高程的大小，高程下降最大的方 向就是该点的流向汇流累积量是假定规则格网 DEM 中的每个栅格处有一个单位水量，按 照水从高处流向低处的自然规律，根据区域地形的水流方向矩阵计算每个栅格处所流过的 水量数值，便可以得到该区域水量累计数字矩阵。

基于 DEM 流域河网水系提取主要用坡面流模拟方法，根据水文学汇流的概念，水总 是沿斜坡最陡方向流动，逐一确定 DEM 中每一个栅格单元的水流方向后，由水流方向计 算每一个栅格单元的上游给水区，再选择合适的集流阈值来确定河网[4] 2.2 基于基于 DEM 的洪水淹没分析的洪水淹没分析 洪水淹没是个复杂的过程，受到诸多因素的影响，其中洪水特性和受淹区的地形地貌 是影响洪水淹没的主要因素[5]在洪水淹没分析中，洪水首先从水源处开始向外扩散淹没， 只有区域地势低洼且与水源连通的区域才能被淹没，所以在进行洪水淹没分析时要进行区 域的连通性分析 洪水淹没分析可以概括为两种情况，一是在给定洪水水位分析洪水造成的淹没范围和 水深分布；二是给定洪量分析洪水造成的淹没范围和水深分布 在洪水灾害中我们常常会先给定一个假定的淹没水位，分析被淹没区的范围从而进行 防洪决策在给定水位 H 的条件下，只有地势低于 H 且与水源连通的区域才能被淹没由 DEM 数据可得地面各点的高程 h，则对应各点的水深 W=H-h，淹没区域的水深分布也就能 很快的得到我们可以将 W 值代替 DEM 中的高程值，这样我们就能像显示 DEM 数据那 样以多种形式显示淹没区域的水深分布。

由流域降水等数据可以得到流域的洪量，即该区域的洪量已知某一区域所容纳水的 体积和水位是成函数关系的，这里可表示为：m•i 1V =H =()iifAHh（）式中： V 表示某一区域对应某一水位 H 的洪量； H 表示水位； 表示 DEM 单元的面积；iA 表示对应 DEM 单元的高程值ih 在洪量已知的情况下即 V 已知，则利用函数关系可以求得对应的淹没水位 H，继而可 以确定淹没区的范围及淹没区的水深分布 2.3 基于基于 DEM 的洪水淹没范围模拟的洪水淹没范围模拟 根据 DEM 求取给定水位下的淹没区，分为两种情况，一是无源淹没，凡是高程值低 于给定水位的点皆计入淹没区，相当于整个地区大面积均匀降水，所有低洼处都可能积水 成灾；二是有源淹没，即洪水只淹没它能流到的地方， 相当于高处洪水向邻域泛滥，例如 洪水决堤，或局部暴雨引起的暴涨洪水向四周扩散[6]3无源淹没处理相对简单只要沿着由左至右、由上至下的方向遍寻所有网格，将满足条 件的网格找出即可 有源淹没需处理迂回连通问题，其算法实现复杂一些，基本思想是从 给定的源点出发，在平面区域上沿 8 个方向游动扩散，求取既满足水位条件又与源点连通 的网格集合。

洪水淹没的动态模拟可以在无源淹没中设计淹没步数，这样就实现了雨量由小至大所 造成的淹没演示过程；有源淹没中淹没的演进是从源点逐渐扩散的， 因此也是水源流动的 动态模拟[7]模拟过程的实质是按计算顺序将符合条件的网格计入缓冲区， 再以同样顺序 将其提取并赋予其他颜色显示，这样一个顺序显示的过程也就是一个动态显示的过程 2.4 基于基于 DEM 的洪水灾害评估的洪水灾害评估 洪水灾害损失与淹没的范围、水深、历时及淹没区的财产分布、开发程度和利用方式 等诸多因素有关通过上述方法确定淹没区的范围以及淹没区的水深分布，再将环境背景、 社会经济等地面模型与之叠加融合，通过建立相应的评估模型，可以得到受灾的范围、受 灾人口 、损坏建筑物、农牧业受灾面积通过这些数据的统计可以计算出洪水灾害造成的 直接经济损失，这为灾后的重建提供了重要依据3结束语结束语在国家防汛指挥系统总体设计框架下，目前许多流域或省、市都在实施防汛决策支持 系统或防汛信息管理系统的开发与建设，这些系统大都以 GIS 为平台，以 DEM 数据为基 础利用 GIS 构建防洪区的决策专家系统，结合 GIS 强大的数据存储、管理、分析功能， 能为防汛指挥决策提供辅助支持，能够快速的对灾情进行预测、防汛信息及决策方案的可 视化表达，并能快速准确的进行灾情评估。

随着 DEM 技术、GIS 技术以及计算机技术的 快速发展，它们在洪水灾害中的应用将更加深入与成熟参考文献[1] 李志林，朱庆·《数字高程模型》·武汉测绘科技大学出版社·2000，3[2] 唐从国，刘丛强·基于 Arc Hydro Tools 的流域特征自动提取——以贵州省内乌江流域为例[ J ] ·地球与环境·2006[3] 张超，郑钧，张尚弘等·ArcGIS9. 0 中基于 DEM 的水文信息提取方法[ J ] ·水利水电技术·2005[4] 孙艳玲，刘洪斌，谢德体等·基于 DEM 流域河网水系的提取研究[ J ] ·资源调查与环境·2004[5] 丁志雄，李纪人，李琳等·对洪水淹没分析的若干思考·中国水利学会 2003 学术年会论文集·2003[6] 葛守西·现代洪水预报技术[M] ·中国水利水电出版社·1999[7] 李春红，任立良，左振鲁等·基于 DEM 的三峡区间洪水淹没范围模拟·2005。