基於gis平臺的城市水系構建規劃方法

2023-05-12 23:49:16 3

基於gis平臺的城市水系構建規劃方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於GIS平臺的城市水系構建規劃方法，對ArcGIS平臺下自有的空間分析工具（Spatial?Analyst工具）進行整合，形成一套完整的適用於水系規劃的分析方法。主要包括以下三個部分：1.現狀水系的篩選分析工具：根據現有的水系分布及其徑流量，篩選出達到一定-積及累積徑流量的水系；2.洪水淹沒分析工具：進行提取分析，計算可能的洪泛區；與篩選後的現狀水系進行迭代，計算現有水系範圍之外的洪泛區；3.水系連通性分析工具：根據成本數據，同時對圖層內的多對面狀水系連通進行最優路徑分析。三個部分結合在一起很好的解決了城市規劃工作中現狀水系梳理、新水域建設及水系間連通的問題，最終形成一套完整的高效率的適用於水系規劃的分析工具。
【專利說明】基於GIS平臺的城市水系構建規劃方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種城市水系構建規劃方法，尤其涉及一種基於GIS平臺的城市水系構建規劃方法。
【背景技術】
[0002]目前GIS空間分析技術已部分開展應用於城市水系規劃及管理領域中，利用ArcGIS平臺下的空間分析工具(Spatial Analyst工具)中的部分工具可提供較為粗淺的地表水文分析技術支撐，現階段僅局限於流域劃分管理、地表徑流分析等單一功能，在城市規劃領域的水系規劃設計層面缺乏深入的研究和相關工具整合。
[0003]國內外基於ArcGIS平臺研發出了諸多水文分析水資源配置模型，但大多過於專業，主要應用於在流域或區域尺度上解決水資源的優化配置、用水戶供水、水庫調度規則，及水質模擬等問題，與水系規劃工作所需的相關分析不易結合。
[0004]如今水系規劃工作過程中急切需要一個對ArcGIS內現有工具進行二次開發重新整合的專門適用於水系規劃的軟體以解決水系規劃中存在的部分問題。

【發明內容】

[0005]針對上述現有技術，本發明依據地表水文學，從地表水文分析、成本距離分析、ArcGIS工具箱下的模型構建器與Python語言進行二次開發等方面入手，旨在提供一種基於GIS平臺的城市水系規劃的方法，該方法結合場地地形、水文、植被、道路交通等現狀數位化信息，利用GIS平臺對規劃建設過程中水系的規劃梳理提供科學合理的規劃建議。相較於其他基於GIS平臺的水系相關軟體，本發明集成ArcGIS空間分析工具(SpatialAnalyst工具)與地表水文學技術，現狀水系篩選工具、洪水淹沒分析工具以及水系連通性分析工具三個功能工具在內的水系模型工具集，從而達到固化計算流程，提高軟體運行速度和規劃效率的目的。本發明具有針對性強、效率高、分析成果可實施性強等優點，在城市規劃領域中具有廣闊的應用前景。
[0006]如圖1所示，本發明一種基於GIS平臺的城市水系構建規劃方法，是利用ArcGISl0.0工具箱下的模型構建器建立現狀水系篩選工具、洪水淹沒分析工具以及水系連通性分析工具；上述分析工具通過結合ArcGIS平臺下已有的部分分析工具形成一套完整的高效率的基於GIS平臺的城市水系構建規劃方法，並包括如下步驟:
[0007]步驟1、預規劃區域的現狀測繪數據預處理:
[0008]將預規劃區域的CAD地形圖文件中的水系和高程要素分圖層元素導入ArcGIS後轉換為.shp格式文件,其中,將現狀水系要素保存為面文件,將高程要素保存為點文件和/或線文件；
[0009]應用ArcGISl0.0工具箱下的3D分析工具，根據上述的點文件和/或線文件生成該區域DEM柵格數據；
[0010]步驟2、通過現狀水系篩選工具對現狀水系篩選後得出規劃保留的水系:[0011]利用步驟I得到的DEM柵格數據，應用ArcGIS水文分析工具進行地表雨水徑流分析，計算得到柵格格式的區域匯流累積量；
[0012]將區域匯流累積量以及步驟I獲得的面文件輸入到所述的現狀水系篩選工具，所述現狀水系篩選工具從中提取出規劃保留的水系，所述規劃保留的水系大於設定流量閾值與面積閾值的現狀水系；提取出規劃保留的水系包括以下步驟:
[0013]對區域匯流累積量進行重採樣處理，設定柵格大小為0.5X0.5 ;
[0014]利用ArcGISl0.0工具箱下的矢柵轉換工具，把柵格格式的區域匯流累積量轉換成矢量面狀的區域匯流累積量；
[0015]利用ArcGISl0.0工具箱下的空間連接工具，將區域匯流累積量屬性賦予保存有現狀水系要素的面文件；
[0016]利用ArcGISl0.0工具箱下的計算欄位工具，計算出所述面文件中所有現狀水系的面積；
[0017]利用ArcGISl0.0工具箱下的選擇工具選擇屬性腳本，設定面文件中所有現狀水系的面積閾值和累積量閾值，將大於等於面積閾值和累積量閾值的現狀水系保留下來作為規劃保留的水系；
[0018]步驟3、根據預規劃區域的防洪標準，利用洪水淹沒分析工具得出規劃可新增的水面:
[0019]將DEM柵格數據與步驟I得到的保存有現狀水系要素的面文件輸入到洪水淹沒分析工具，根據預規劃區域的防洪標準設定高程閾值，提取出洪水易淹沒區域，得出規劃可新增的水面，其步驟如下:
[0020]步驟3-1、利用ArcGISl0.0工具箱下的柵格計算器，對預規劃區域DEM柵格數據進行分析，提取出小於高程閾值的區域，即洪泛區；
[0021]步驟3-2、利用ArcGISl0.0工具箱下的矢柵轉換工具，把提取出的柵格格式的洪泛區轉換成矢量格式數據；
[0022]步驟3-3、利用ArcGISl0.0工具箱下的擦除工具，將洪泛區內的現狀水系擦除後得到洪水淹沒區域，即規劃可新增水面；
[0023]步驟4、利用水系連通性分析工具得出預規劃區域的水系連通的最優路徑:
[0024]將步驟2和步驟3得到的規劃保留的水系和規劃可新增水面進行整合得到規划水系雛形；將該規劃雛形輸入到水系連通性分析工具，利用ArcGISl0.0工具箱下的疊加分析工具得到水系建設阻力成本文件，針對規劃雛形中的水面得出水系連通的最優路徑，其步驟如下:
[0025]步驟4-1、利用ArcGISl0.0工具箱下的篩選工具，通過水系ID號對所要分析的水系進行篩選，分別得到目標水系和源水系；
[0026]步驟4-2、利用ArcGISl0.0工具箱下的成本距離工具，結合水系建設阻力成本文件，對步驟4-1得到的源水系進行成本距離分析，得到源水繫到目標水系的距離柵格和方向柵格數據；
[0027]步驟4-3、利用ArcGISl0.0工具箱下的成本路徑工具，對步驟4_1和步驟4_2得到的數據進行成本路徑分析，並把成本路徑分析的結果轉換為矢量數據，得到水系連通的最優路徑；[0028]步驟5、將上述步驟2、步驟3和步驟4分別得到的規劃保留水系、規劃可新增水面和水系連通的最優路徑進行疊加，最終得到水系規劃方案。
[0029]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0030]首先,本發明通過對ArcGIS平臺下的空間分析工具(Spatial Analyst工具)中已有的部分分析工具進行二次開發形成了具有現狀水系篩選、洪水淹沒分析以及水系連通性分析功能的電腦程式，將原先的人為的對水系增減的判讀轉化計算機語言，促使ArcGIS平臺依據人為設置的水系面積、徑流強度、淹沒強度、水系連通困難程度等主要數據，自行確定需要保留的現狀水系及需要新增的水系。
[0031]其次，本發明通過將ArcToolbox中的部分工具進行了整合，省略了很多繁雜的操作過程，並在整合過程中進行了部分優化，解決了過往數據轉換和精度控制的問題。
[0032]最後，二次開發所形成的應用環境相較於ArcGIS自身的空間工具工具易於上手，針對水系規劃所形成的分析成果更為直觀，且相較於專業水文分析管理軟體目的性更強，可大面積推廣應用於城市水系規劃工作中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是本發明基於GIS平臺的城市水系構建規劃方法主流程圖；
[0034]圖2是現狀水系篩選工具設計模型圖；
[0035]圖3是洪水淹沒分析工具設計模型圖；
[0036]圖4是水系連通性分析工具設計模型圖；
[0037]圖5為本發明中現狀水系篩選工具在ArcToolbox中的位置；
[0038]圖6為本發明現狀水系篩選工具；
[0039]圖7為本發明洪水淹沒分析工具；
[0040]圖8為本發明水系連通性分析工具；
[0041]圖9-1為實施例中現狀水系篩選工具操作內容列表截圖；
[0042]圖9-2為實施例中現狀水系篩選工具分析得出擬保留的現狀水系區域截圖；
[0043]圖10-1為實施例中洪水淹沒分析工具操作內容列表截圖；
[0044]圖10-2為實施例中分析得出易遭受洪澇淹沒的低洼區域；
[0045]圖11-1為實施例中水系連通性分析工具操作內容列表截圖；
[0046]圖11-2為實施例中得出的局部需連通水系的連通分析結果。
【具體實施方式】
[0047]下面結合【具體實施方式】對本發明作進一步詳細地描述。
[0048]依託ArcGISl0.0 二次開發平臺，結合現有的區域水系規劃方法，利用ArcGIS工具箱下的模型構建器與Python語言針對水系規劃前期分析工具進行了二次開發，構建了現狀水系篩選工具(如圖2所示)、洪水淹沒分析工具(如圖3所示)以及水系連通性分析工具(如圖4所示)，從而形成一套完整的高效率的適用於水系規劃的基於GIS平臺的城市水系構建規劃方法，如圖1所示，包括如下步驟:
[0049]步驟1、預規劃區域的現狀測繪數據預處理:
[0050]將預規劃區域的CAD地形圖文件中的水系和高程要素分圖層元素導入ArcGIS後轉換為.shp格式文件,其中,將現狀水系要素保存為面文件,將高程要素保存為點文件和/或線文件；
[0051]將預規劃區域現狀水系、道路、植被、已建設用地及諸如高壓走廊、水源地及其他限制因素信息(CAD格式文件)分圖層元素導入ArcGIS後轉換為.shp格式的限制因子文件；
[0052]應用ArcGISl0.0工具箱下3D Analyst工具中的TIN管理工具下的創建TIN功能，由上述的點文件和/或線文件生成不規則三角網(TIN)，然後利用由TIN轉出工具將TIN文件轉換為生成該區域DEM柵格數據；
[0053]步驟2、通過現狀水系篩選工具對現狀水系篩選後得出規劃保留的水系:
[0054]利用步驟I得到的DEM柵格數據，利用Ar cGI S軟體的空間分析工具(Spat i a IAnalyst工具)下的水文分析工具，依次應用填窪、流向、流量工具進行操作，最終生成區域的地表雨水徑流文件，得到柵格格式的區域匯流累積量；
[0055]將區域匯流累積量以及步驟I獲得的面文件輸入到所述的現狀水系篩選工具，所述現狀水系篩選工具從中提取出規劃保留的水系，所述規劃保留的水系大於設定流量閾值與面積閾值的現狀水系；提取出規劃保留的水系。包括以下步驟:
[0056]對區域匯流累積量進行重採樣處理，設定柵格大小為0.5X0.5 ;
[0057]利用ArcGISl0.0工具箱下的矢柵轉換工具，把柵格格式的區域匯流累積量轉換成矢量面狀的區域匯流累積量；
[0058]利用ArcGISl0.0工具箱下的空間連接工具，將區域匯流累積量屬性賦予保存有現狀水系要素的面文件；
[0059]利用ArcGISl0.0工具箱下的計算欄位工具，計算出所述面文件中所有現狀水系的面積；
[0060]通過查閱當地相關資料，對項目的區位、土壤、地質、植被、氣候條件進行分析，依據當地降水量、蒸發量、年來水量設定最小徑流匯流累積量閾值、最小保留面狀水系面積閾值。利用ArcGISl0.0工具箱下的選擇工具選擇屬性腳本，將面文件中大於等於面積閾值和累積量閾值的現狀水系保留下來作為規劃保留的水系；
[0061]步驟3、根據預規劃區域的防洪標準，利用洪水淹沒分析工具得出規劃可新增的水面:
[0062]將DEM柵格數據與步驟I得到的保存有現狀水系要素的面文件輸入到洪水淹沒分析工具，根據預規劃區域的防洪標準設定高程閾值，提取出洪水易淹沒區域，得出規劃可新增的水面，其步驟如下:
[0063]步驟3-1、結合地形地貌分析、歷史洪澇災害的記錄及現狀水系常水位的信息，確定二十年一遇、五十年一遇、百年一遇設定區域易被淹沒的高程閾值；利用ArcGISl0.0工具箱下的柵格計算器，對規劃區域DEM柵格數據進行分析，提取出小於高程閾值的區域，即洪泛區；
[0064]步驟3-2、利用ArcGISl0.0工具箱下的矢柵轉換工具，把提取出的柵格格式的洪泛區轉換成矢量格式數據；
[0065]步驟3-3、利用ArcGISl0.0工具箱下的擦除工具，將洪泛區內的現狀水系擦除後得到洪水淹沒區域，即規劃可新增水面；[0066]步驟4、利用水系連通性分析工具得出預規劃區域的水系連通的最優路徑:
[0067]將步驟2和步驟3得到的規劃保留的水系和規劃可新增水面進行整合得到規划水系雛形；將該規劃雛形輸入到水系連通性分析工具，利用ArcGISl0.0工具箱下的疊加分析工具得到水系建設阻力成本文件，針對規劃雛形中的水面得出水系連通的最優路徑，其步驟如下:
[0068]步驟4-1、利用ArcGISl0.0工具箱下的篩選工具，通過水系ID號對所要分析的水系進行篩選，分別得到目標水系和源水系；
[0069]步驟4-2、將步驟I中shape格式的各項限制因素文件，依據國內外經驗及項目具體情況劃定四個等級影響範圍，利用ArcGISl0.0工具箱下的距離分析工具集中的歐式距離工具對其進行緩衝分析；利用ArcGISl0.0工具箱下的重分類工具將緩衝分析得出的結果按照I一 10的評分標準(按照I代表對水系改造建設阻礙小，10代表對水系改造建設阻礙大)進行重新劃分，最終將各項限制因素結合不同權重，利用ArcGISl0.0工具箱下的柵格計算器進行疊加分析得出水系連通的阻力成本文件；
[0070]步驟4-3、利用ArcGISl0.0工具箱下的成本距離工具，結合步驟4-2建立的阻力成本文件，對步驟4-1得到的源水系進行成本距離分析，得到源水繫到目標水系的距離柵格和方向柵格數據；
[0071]步驟4-4、利用ArcGISl0.0工具箱下的成本路徑工具，對步驟4_1和步驟4_3得到的數據進行成本路徑分析，並把成本路徑分析的結果轉換為矢量數據，得到水系連通的最優路徑；
[0072]步驟5、將上述步驟2、步驟3和步驟4分別得到的規劃保留水系、規劃可新增水面和水系連通的最優路徑進行疊加，最終得到水系規劃方案。
[0073]實施例:
[0074](I)分圖層提取區域CAD地形圖中的等高線與高程點要素，利用ArcGISl0.0將其轉換為shape格式文件；分圖層提取區域CAD地形圖中的限制因子要素，包括道路、植被、已建設用地及諸如高壓走廊、水源地(兩座水庫)要素，利用ArcGISl0.0分別轉換為shape格式文件。
[0075](2)利用ArcGISl0.0軟體中3D Analyst工具創建TIN (不規則三角網)，最終轉換生成柵格格式的高程數據文件(DEM)。
[0076](3)將區域CAD地形圖中的現狀水系曲線閉合，導入ArcGIS形成shape格式的面狀水系文件，結合現狀植被、人類活動等情況，將三者分別利用歐式距離分析工具進行緩衝分析，然後按照I一 10的評分標準(I代表對水系改造建設阻礙小，10代表對水系改造建設阻礙大)進行重分類，最後通過層次分析法確定三者的權重關係。依據水系3/10、人類活動3/10、現狀植被4/10的標準,利用ArcGIS空間分析工具(Spatial Analyst工具)中的加權疊加分析工具得出區域水系連通阻力文件。
[0077](4)將步驟(I)中形成的柵格地形文件，利用水文分析工具集中的填窪、流向、流量一系列工具，依次進行填窪分析、流向分析、流量分析，最終形成地表徑流分析柵格文件(圖5中計算水系徑流量)。
[0078](5)將步驟(4)得出的地表徑流分析文件及現狀面狀水系文件導入現狀水系篩選工具(圖6中輸入匯流累積量、輸入面狀水系選項)。項目區位於廣東省北部山區，項目區內現狀水系佔地比例約為5%，年均降水量1，528.6mm，區域防洪排澇標準為二十年一遇，依據上述項目當地情況和對項目的認知合理設置累積徑流量閾值10080及水系面積閾值為30公頃(圖6中累積量閾值、面積閾值輸入框),利用ArcGISl0.0工具箱下的選擇工具選擇屬性腳本，將匯流量小於設定的累積徑流量閾值的現狀水系及面積小於水面面積閾值的水系自動去除，形成擬保留的現狀水系文件(圖6中輸出要素集、圖9-1在內容列表內顯示及圖9-2中分析圖成果顯示)。
[0079](6)將步驟(I)形成的柵格DEM文件導入研發的新建大型水域分析工具(圖5中淹沒分析)，通過結合地形地貌分析、歷史洪澇災害的記錄及現狀水系常水位的信息，結合項目二十年一遇的防洪排澇要求定位，設定區域易被淹沒的高程閾值為海拔75米(圖7高程閾值輸入框)，得出區域易遭受洪水淹沒的部分(圖10-1在內容列表內顯示及圖10-2中分析圖成果顯示)，繼而得出可能形成大水面的區域。結合項目實際情況及方案總體考慮，確定新增大型水面的位置及邊界範圍，既在項目區東北側可新增一處大型水域。
[0080](7)結合項目區定位和設計要求，將步驟(5)與步驟(6)分析得出的需保留的水系及易遭淹沒可形成大水面的區域，人工修正形成一個規划水系雛形，依據所有水系都可以流動無死水的原則，找出水系之間需要連通的點。
[0081](8)依據國內外經驗及項目具體情況，對地形、道路、植被、建築4類限制性因子劃定四個等級影響範圍，利用距離分析工具中的歐式距離工具對各限制因子文件進行緩衝分析；利用重分類工具，將緩衝分析結果按照I一 10的評分標準(I代表對水系改造建設阻礙小，10代表對水系改造建設阻礙大)進行重新劃分；採用層次分析法，按照地形4/10、現狀建築2/10、現狀植被2/10、現狀道路2/10的權重分配，利用ArcGISl0.0中柵格計算器工具對其進行分權重疊加分析，形成一個基於上述因素的徑流阻力面文件。
[0082](9)通過步驟(8)中形成的徑流阻力面文件，對需進行水系連通分析的面狀水系進行成本距離分析，形成該面狀水系的成本柵格文件，利用發明形成的最優路徑分析工具，將成本柵格數據文件及需與其連通的面狀水系文件導入工具進行一一對應(圖8左側輸入成本柵格分別為以I號、2號水域形成的成本文件cost和cost2,右側為對應的需要與I號和2號水域連通的面狀水域。如圖8所示從上至下為I號2號間連通，I號3號間連通，I號4號間連通，2號3號間連通，2號4號間連通。)通過最優路徑分析工具得出水面間的最優連通方式(圖11-1在內容列表內顯示及圖11-2分析圖成果顯示)，最終形成一個科學的完整的水系規劃預案。
[0083]儘管上述發明方法步驟結合圖示對本發明進行了描述，但是本發明並不局限於上述的【具體實施方式】，上述的【具體實施方式】僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨的情況下，還可以衍生出很多變形，這些均屬於本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於Gis平臺的城市水系構建規劃方法，其特徵在於，利用ArcGISl0.0工具箱下的模型構建器建立現狀水系篩選工具、洪水淹沒分析工具以及水系連通性分析工具；並包括如下步驟: 步驟1、預規劃區域的現狀測繪數據預處理: 將預規劃區域的CAD地形圖文件中的水系和高程要素分圖層元素導入ArcGIS後轉換為.shp格式文件，其中，將現狀水系要素保存為面文件，將高程要素保存為點文件和/或線文件； 應用ArcGISl0.0工具箱下的3D分析工具，根據上述的點文件和/或線文件生成該區域DEM柵格數據； 步驟2、通過現狀水系篩選工具對現狀水系篩選後得出規劃保留的水系: 利用步驟I得到的DEM柵格數據，應用ArcGIS水文分析工具進行地表雨水徑流分析，計算得到柵格格式的區域匯流累積量； 將區域匯流累積量以及步驟I獲得的面文件輸入到所述的現狀水系篩選工具，所述現狀水系篩選工具從中提取出規劃保留的水系，所述規劃保留的水系大於設定流量閾值與面積閾值的現狀水系；提取出規劃保留的水系包括以下步驟: 對區域匯流累積量進行重採樣處理，設定柵格大小為0.5X0.5 ; 利用ArcGISl0.0工具箱下的矢柵轉換工具，把柵格格式的區域匯流累積量轉換成矢量面狀的區域匯流累積量； 利用ArcGISl0.0工具箱下的空間連接工具，將區域匯流累積量屬性賦予保存有現狀水系要素的面文件； 利用ArcGISl0.0工具箱下的計算欄位工具，計算出所述面文件中所有現狀水系的面積； 利用ArcGISl0.0工具箱下的選擇工具選擇屬性腳本，設定面文件中所有現狀水系的面積閾值和累積量閾值，將大於等於面積閾值和累積量閾值的現狀水系保留下來作為規劃保留的水系； 步驟3、根據預規劃區域的防洪標準，利用洪水淹沒分析工具得出規劃可新增的水面:將DEM柵格數據與步驟I得到的保存有現狀水系要素的面文件輸入到洪水淹沒分析工具，根據預規劃區域的防洪標準設定高程閾值，提取出洪水易淹沒區域，得出規劃可新增的水面，其步驟如下: 步驟3-1、利用ArcGlSl0.0工具箱下的柵格計算器，對預規劃區域DEM柵格數據進行分析，提取出小於高程閾值的區域，即洪泛區； 步驟3-2、利用ArcGISl0.0工具箱下的矢柵轉換工具，把提取出的柵格格式的洪泛區轉換成矢量格式數據； 步驟3-3、利用ArcGISl0.0工具箱下的擦除工具，將洪泛區內的現狀水系擦除後得到洪水淹沒區域，即規劃可新增水面； 步驟4、利用水系連通性分析工具得出預規劃區域的水系連通的最優路徑: 將步驟2和步驟3得到的規劃保留的水系和規劃可新增水面進行整合得到規划水系雛形；將該規劃雛形輸入到水系連通性分析工具，利用ArcGISl0.0工具箱下的疊加分析工具得到水系建設阻力成本文件，針對規劃雛形中的水面得出水系連通的最優路徑，其步驟如下: 步驟4-1、利用ArcGISl0.0工具箱下的篩選工具，通過水系ID號對所要分析的水系進行篩選，分別得到目標水系和源水系； 步驟4-2、利用ArcGISl0.0工具箱下的成本距離工具，結合水系建設阻力成本文件，對步驟4-1得到的源水系進行成本距離分析，得到源水繫到目標水系的距離柵格和方向柵格數據； 步驟4-3、利用ArcGISl0.0工具箱下的成本路徑工具，對步驟4_1和步驟4_2得到的數據進行成本路徑分析，並把成本路徑分析的結果轉換為矢量數據，得到水系連通的最優路徑; 步驟5、將上述步驟2、步驟3和步驟4分別得到的規劃保留水系、規劃可新增水面和水系連通的最優路徑進行疊加，最終得到水系規劃方案。
【文檔編號】G06F17/50GK103955565SQ201410137920
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月8日 優先權日:2014年4月8日
【發明者】王衛紅, 洪再生, 潘睿智, 雷璇, 杜津 申請人:天津大學城市規劃設計研究院