面向SWMM建模与顾及多要素的城市区域子流域自动划分方法技术

本发明专利技术涉及面向SWMM建模与顾及多要素的城市区域子流域自动划分方法，包括，步骤S1：使用待划分区域的DEM数据、基础地理数据、土地利用/覆盖数据以及雨水管网数据进行该区域的子流域自动建模；步骤S2：遵循地形得出河网出水口子流域；步骤S3：得出河网出水口子流域分割单元；步骤S4：划分得到雨水井子流域；步骤S5：将河网出水口子流域分割单元的雨水井子流域合并后进行拓扑检查与局部修正得到待划分区域子流域的最终几何形态；步骤S6：设置待划分区域子流域的属性信息，进行面向SWMM建模的子流域属性信息的自动计算。本发明专利技术考虑地形、水系、道路、人工建筑设施和雨水管网等多要素对城市地表雨水汇流过程的影响，实现城市区域内的子流域自动划分。

SWMM oriented modeling and automatic partitioning method of urban sub basins considering multi factors

The present invention relates to SWMM oriented modeling and automatic classification method for city regional, sub basin of many elements including step S1: using DEM data, to divide the region based geographic data, land use data and the data of the regional rainwater pipe network in the automatic modeling; step S2: follow the river basin water hole that terrain step S3: the river; water hole watershed segmentation unit; step S4: divided water wells sub basin; step S5: River Basin water hole segmentation combined water wells sub watershed unit after topology check and partial modification final geometry to be divided regional sub basin; step S6: set the attribute information the regional division of the sub basin, automatic calculation of sub basin attribute information of SWMM oriented modeling. The invention considers the influence of many factors such as topography, water system, road, artificial building facilities and storm water pipe network on the urban surface rainwater confluence process, and realizes the automatic division of the sub basins in the urban area.

【技术实现步骤摘要】
面向SWMM建模与顾及多要素的城市区域子流域自动划分方法
本专利技术涉及信息领域，尤其涉及一种面向SWMM建模与顾及多要素的城市区域子流域自动划分方法。
技术介绍
城市内涝灾害，因其威胁人类生命财产安全，严重影响社会与经济的可持续发展，已成为全世界普遍关注的热点问题。SWMM(StormWaterManagementModel，暴雨洪水管理模型)作为一个动态的降水—径流模拟模型，能够用来对城市某一单一降水事件或长期的水量和水质进行模拟，能在一定程度上起到预测、预防以及缓解城市洪水的作用。在进行城市水文过程的模拟中，由于人类活动的影响，城市区域不可避免的要比自然流域面临更大的挑战，包括对输入数据的要求更高，汇流网络的模拟更复杂，以及地表与地下水流的交换更特殊，进而带来SWMM模建模数据处理复杂度高，应用门槛较高，使得该模型在城市内涝、防洪方面较难快速的建模、模拟与运用。为提高SWMM建模的数据处理的质量与效率，使各种高质量的数据源能够充分利用，高效、准确的城市地表子流域划分方法是其关键要素。所谓的城市地表子流域划分，即将城市区域划分成一系列水文响应几何单元，在单元内部计算产流，单元之间计算汇流。而面向SWMM建模的子流域划分不仅包含子流域几何形态(几何单元)的确定，高质量的子流域属性信息的赋值对于SWMM模型运算精度也发挥着至关重要的作用。对于子流域几何形态的确定，主要分为手动划分和自动划分两种方法。SWMM子流域手动划分其绘制流程有一些常用的规则，包括：1)将自然子流域作为初始条件；2)同一街区一般划分到相同单元；3)以雨水井为基本单位。手动划分方式虽精度较高，但在实际操作中很容易受人工的干扰，此外，以雨水井为基本单位进行子流域的划分，涉及到较大的城市区域，雨水井成千上万，划分效率较低。子流域自动划分方法主要分为三种模式：基于距离、基于地形以及基于多要素的划分方法。“基于距离”的地表自动划分主要根据地表单元与排水管网的距离进行划分，该方法简单高效，但没有考虑自然的汇流方向以及人工建筑设施的影响，因此带来较大的划分误差。“基于地形”的地表自动划分，该方法没有考虑人工设施的影响，而城市区域人工设施又是影响地表径流的重要因素之一。第三种模式基于多要素，主要是指同时考虑地形与人工建筑设施，这种方法能较为真实的描述地表水流过程，部分学者通过将道路、建筑物、水系、沟渠、坑塘等影响径流途径的地物要素融合进DEM进行子流域的划分，但DEM本身就已包含道路、建筑物、水系、等地表要素的高程信息，这种人为的修改DEM缺乏支撑依据，较低DEM精度的情况下存在较大的误差。对于子流域属性信息的赋值，一般都是人为设定，操作繁琐而且精度较低。由于人类活动造成的城市下垫面的复杂性，使得城市地表的降水汇流过程相比自然流域复杂，虽然从较大尺度来看雨水仍然遵循从高地形往低地形走向，但局部区域道路和人工河道对雨水有一定的疏导作用，凸起地面的人工建筑设施对雨水有一定的阻挡作用，而雨水管网在城市地下又形成了新的河道，因此，对于SWMM建模中子流域的几何形态的确定必须综合考虑地形地势、河网水系、道路管网和人工建筑设施等多种要素。另一方面，城市地表包含多种土地覆盖类型，如：水泥地、沥青路面、草地、林地、公园、建筑物等，这些复杂的土地覆盖类型带来子流域的部分属性信息(如不渗透率、曼宁系数、蓄水能力)值的差距，而这些属性信息是影响SWMM模拟精度的重要因素，因此，对于SWMM子流域属性信息的赋值必须综合各种土地覆盖类型，进行精细化计算。综上所述，目前缺少一种既高效又准确的且面向SWMM建模的子流域划分方法。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种面向SWMM建模与顾及多要素的城市区域子流域自动划分方法，旨在解决了当前存在的子流域手动划分效率低下和自动划分划分精度低的问题；提供SWMM建模所需要的较为精确的子流域空间(几何形态)与属性信息，大幅度提高了SWMM模拟的数据处理的质量与效率，使得SWMM模拟结果能够更为准确的起到预测、预防以及缓解城市洪水的作用。本专利技术提供了面向SWMM建模与顾及多要素的城市区域子流域自动划分方法，具体包括以下步骤：步骤S1：使用待划分区域的DEM(DigitalElevationModel，数字高程模型)数据、基础地理数据、土地利用/覆盖数据以及雨水管网数据进行该区域的子流域自动建模；步骤S2：对待划分区域的DEM数据做处理，确定水流流向，遵循地形得出河网出水口子流域；步骤S3：从待划分区域的基础地理数据中提取得到道路线和河流边线，与所述河网出水口子流域叠加，做分割处理，得出河网出水口子流域分割单元；步骤S4：基于所述河网出水口子流域分割单元、DEM数据、基础地理数据以及雨水管网数据划分得到所有河网出水口子流域分割单元内的雨水井子流域；步骤S5：将所述河网出水口子流域分割单元的雨水井子流域合并后进行拓扑检查与局部修正得到待划分区域子流域的最终几何形态；步骤S6：基于待划分区域的DEM数据、基础地理数据、土地利用/覆盖数据设置待划分区域子流域的属性信息，进行面向SWMM建模的子流域属性信息的自动计算。进一步地，SWMM建模区域，涉及到大片面积的雨水管网，而铺设雨水管网的区域往往包含各种人工设施和纵横交错的道路。这些雨水管网、人工设施包括道路将疏通或阻隔局部区域内的水流，但大尺度范围内，水流依旧是遵循地形，具有从高到低的走向。因此，河网出水口依旧是城市排水系统水流的最终汇集地，是城市排水网络最基本的“骨架”。虽然SWMM的子流域划分是微观尺度上的划分，这里宏观尺度上河网出水口的子流域划分虽对水文模拟的计算没有直接作用，但通过提取出宏观汇水网络的轮廓，并建立排水系统出水口在河网中位置，确保河网出水口子流域之间不存在水流交换，再与微观雨水井子流域结合将形成完整的城市水流汇流过程。因此，所述步骤S2包括以下步骤：步骤S21：对待划分区域的DEM数据做填洼处理，得到无洼地的DEM数据；步骤S22：依照地形地势分析区域内的河网分布，确定水流流向，得出河网出水口；步骤S23：提取各河网出水口对应的子流域外界轮廓；步骤S24：对比排水管网节点与河道单元空间位置，建立两者之间的空间拓扑关系，进而划分得到河网出水口子流域。进一步地，为确保微观尺度上雨水井子流域划分的准确性，本专利技术充分考虑城市区域内水系(包括天然河道、人工河道、湖泊、小池塘沟渠等)和道路主干道对雨水的疏导与汇流作用。暴雨时，水系附近的水将汇流入水系，水系一侧的雨水井必然不会汇流水系另一侧的雨水。同理而言，对于道路，道路一侧的水部分流进雨水井，部分汇流进道路，而城市道路主干道中心线的两侧通常会分布有雨水井，进入路面的雨水将流入雨水井，或沿道路往地势低的区域汇流，所以在路面中水未溢出之前，主干道一侧的雨水井必然不会汇流另一侧的雨水。为了避免道路积水，道路设计遵循道路中心高度高于两侧的原则，因此，对于分布在道路中的雨水井，将分工汇流道路中心线不同侧边的雨水。因此，所述步骤S3包括以下步骤：步骤S31：基于步骤S2得到的所述河网出水口子流域，完成河流边线和道路主干道中心线的自动提取；步骤S32：利用所述河流边线和道路主干道中心线对河网出水口子流域进行分割，得到河网出水口子流本文档来自技高网...

【技术保护点】
面向SWMM建模与顾及多要素的城市区域子流域自动划分方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：使用待划分区域的DEM数据、基础地理数据、土地利用/覆盖数据以及雨水管网数据进行该区域的子流域自动建模；步骤S2：对待划分区域的DEM数据做处理，确定水流流向，遵循地形得出河网出水口子流域；步骤S3：从待划分区域的基础地理数据中提取得到道路线和河流边线，与所述河网出水口子流域叠加，做分割处理，得出河网出水口子流域分割单元；步骤S4：基于所述河网出水口子流域分割单元、DEM数据、基础地理数据以及雨水管网数据划分得到所有河网出水口子流域分割单元内的雨水井子流域；步骤S5：将所述河网出水口子流域分割单元的雨水井子流域合并后进行拓扑检查与局部修正得到待划分区域子流域的最终几何形态；步骤S6：基于待划分区域的DEM数据、基础地理数据、土地利用/覆盖数据设置待划分区域子流域的属性信息，进行面向SWMM建模的子流域属性信息的自动计算。

【技术特征摘要】
1.面向SWMM建模与顾及多要素的城市区域子流域自动划分方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：使用待划分区域的DEM数据、基础地理数据、土地利用/覆盖数据以及雨水管网数据进行该区域的子流域自动建模；步骤S2：对待划分区域的DEM数据做处理，确定水流流向，遵循地形得出河网出水口子流域；步骤S3：从待划分区域的基础地理数据中提取得到道路线和河流边线，与所述河网出水口子流域叠加，做分割处理，得出河网出水口子流域分割单元；步骤S4：基于所述河网出水口子流域分割单元、DEM数据、基础地理数据以及雨水管网数据划分得到所有河网出水口子流域分割单元内的雨水井子流域；步骤S5：将所述河网出水口子流域分割单元的雨水井子流域合并后进行拓扑检查与局部修正得到待划分区域子流域的最终几何形态；步骤S6：基于待划分区域的DEM数据、基础地理数据、土地利用/覆盖数据设置待划分区域子流域的属性信息，进行面向SWMM建模的子流域属性信息的自动计算。2.根据权利要求1所述的面向SWMM建模与顾及多要素的城市区域子流域自动划分方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：步骤S21：对待划分区域的DEM数据做填洼处理，得到无洼地的DEM数据；步骤S22：依照地形地势分析区域内的河网分布，确定水流流向，得出河网出水口；步骤S23：提取各河网出水口对应子流域的外界轮廓；步骤S24：对比排水管网节点与河道单元空间位置，建立两者之间的空间拓扑关系，进而划分得到河网出水口子流域。3.根据权利要求1所述的面向SWMM建模与顾及多要素的城市区域子流域自动划分方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：步骤S31：基于步骤S2得到的所述河网出水口子流域，完成河流边线和道路主干道中心线的自动提取；步骤S32：利用所述河流边线和道路主干道中心线对河网出水口子流域进行分割，得到河网出水口子流域的分割单元。4.根据权利要求1所述的面向SWMM建模与顾及多要素的城市区域子流域自动划分方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：步骤S41：提取出每个河网出水口子流域分割单元对应的地形分水线；步骤S42：提取出每个河网出水口子流域分割单元对应的建筑分水线；步骤S43：从雨水管点数据中筛选出雨水井并提取出每个河网出水口子流域分割单元对应的雨水井；步骤S44：利用所述地形分水线、所述建筑分水线以及所述雨水井，划分得到每个河网出水口子流域分割单元内的雨水井子流域。5.根据权利要求1所述的面向SWMM建模与顾及多要素的城市区域子流域自动划分方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：步骤S51：将雨水井图层与雨水井子流域图层叠加作空间相交操作；步骤S52：筛选出不含雨水井的子流域，将其设置为封闭区域；步骤S53：判断封闭区域是否与某水系相邻，若满足条件，则该区域雨水流向水系，否则进入步骤S54；步骤S54：判断封闭区域是否与整个流域边界区域相邻，若满足条件，则直接删除该封闭区域，否则进入步骤S55；步骤S55：判断封闭区域是否与道路相交，若满足条件，则采用定义封闭区域边界类型第一优先级别方式进行修正；若不满足条件，则采用定义封闭区域边界类型第二优先级别方式进行修正。6.根据权利要求1所述的面向SWMM建模与顾及多要素的城市区域子流域自动划分方法，其特征在于，所述步骤S6的面向SWMM建模的子流域属性信息的计算流程如下：步骤S601：建立X-Coord、Y-Coord和Area属性，使用GIS矢量图形几何计算工具循环完成每一子流域的X-Coord、Y-Coord和Area属性的自动计算；步骤S602：建立Width属性，采用计算公式：Width＝Area/MaxLenth循环完成每一子流域Width属性值的自动计算；所述MaxLenth的值根据基于DEM的水文分析工具计算得出；步骤S603：建立Slope属性，将DEM数据与子流域图层进行叠加，利用GIS矢量图形几何计算工具中坡度提取工具，计算得出每一子流域的slope属性值；步骤S604：建立Imperv...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨祺琪，张书亮，王一梅，戴强，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32