一种基于WebGIS的洪水预报服务构建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于WebGIS的洪水预报服务构建方法，充分利用GIS强大的空间分析技术，与传统洪水预报模型的构建方法互补，高效提取洪水模型自然汇流信息，进而提高模型预报精度；同时利用WebGIS空间信息表达优势，使洪水预报更准确、表达更直观。该方法的主要步骤如下：(1)基于地形资料构建数字高程模型；(2)采用GIS空间分析方法对DEM预处理；(3)采用D8算法构建流水网；(4)基于水流方向及土壤含水量构建自然汇流矩阵；(5)利用水流累积值生成流域边界内的水道，并基于Strahler法对河道分级编码；(6)基于三水源新安江模型，对参数进行初定和率定；(7)基于WebGIS模拟洪水预报结果。

A method of building flood forecast service based on WebGIS

The invention discloses a construction method of flood forecasting service based on WebGIS, make full use of GIS spatial analysis technology, and the construction method combining traditional flood forecast model, flood routing information extraction model, and improve the accuracy of model prediction and the advantages of using WebGIS; expression of spatial information, the flood forecasting more accurate and expression more intuitive. The main steps of the method are as follows: (1) construction of digital elevation model based on topographic data; (2) using GIS spatial analysis method of DEM pretreatment; (3) construction of pipeline network using D8 algorithm; (4) the direction of water flow and soil water matrix based on the construction of natural confluence; (5) the cumulative value generating basin boundary the use of flow channel, and based on the classification of river Strahler encoding method; (6) Xin'An river three source model based on the initial calibration of parameters and carried out; (7) flood forecasting results based on WebGIS simulation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于WebGIS的洪水预报服务构建方法
本专利技术涉及一种基于网络地理信息系统(WebGIS)的洪水预报服务构建方法，具体的说，就是利用WebGIS与洪水预报模型构建洪水演变分析服务，实现不同雨强、水情下洪水预报结果的动态模拟与演变分析。
技术介绍
洪水预报是指利用水文、气象等信息模拟洪水形成过程和运动规律，对洪水可能发生的地点、时间、强度、规模、过程等进行预报与模拟。洪水预报作为重要的防洪非工程措施，在防汛抢险、水资源水环境合理开发利用、水生态保护与规划、水利工程规划建设及调度管理等领域具有广泛的应用价值，不仅降低了以往洪水预报繁重的工作量，而且还提供了更加及时、准确的水位流量预报信息，为防洪、规划提供了重要的决策依据，为保护人民生命安全，加强洪水安全提供了重要的信息保障。目前，大多数防汛抗旱决策支持系统主要针对流域范围。此外，由于防洪抗旱决策支持系统涉及复杂地形空间信息管理，不易把握局部细节，导致模型参数率定难度高、预报结果准确度低。将洪水预报模型与WebGIS集成，利用GIS强大的空间分析能力，高效提取洪水模型自然汇流信息，进而提高模型预报精度；利用WebGIS强大的空间表现能力展示模型预报成果，突破模型对平台、用户数量、用户群体的限制，扩大水文模型的应用范围，充分发挥洪水预报的社会效益、经济效益；另外，基于WebGIS技术构建防洪抗旱决策支持系统，可以针对区域防洪抗旱工作的实际需要，有针对性地进行开发定制，利用运行平台实现模型的管理与调用，提高水旱灾害预警等科学水平，因此，这项研究具有广泛的应用前景。近年来，欧洲及日本等许多发达国家已经建立了较为完善的预报系统，包括气象预报系统、洪水监测与预报系统、灾害损失评估系统等。在实时预报监测方面，美国和加拿大采用微波技术来确定雨量，处于世界前列；在洪水预报方面，国内经过长期的发展已经积累了大量的经验。从上世纪60年代开始，引进和学习国际上先进的洪水预报理论与技术。在大量实践和研究的基础上，1955年出版了《洪水预报方法》。在接下来二十年间，不同流域均开展了水文模型研究。随着网络技术、数据库技术、地理信息系统等技术在水文预报领域的深入应用，国内洪水预报技术、方法和水平有了很大的提高。但是目前，洪水预报模型的构建与应用技术发展仍然较为落后，归纳起来主要有以下几点：(1)空间模型数据源单一、精度低传统洪水预报服务地理建模型的数据源一般来自于CAD或由CAD构建的DEM，数据更新周期长。此外，由于数据安全的限制，很难获取精度较高的地形资料，大多采用的是30m、90m甚至精度更低的数字高程模型。基于此类数据源构建的地理空间模型应用于短期内地形地貌变化较大的区域及平原区河道地形时，模型误差较大。(2)土地利用空间差异性考虑不足近几年来，人类生产活动对地表土地利用、植被覆盖类型产生了较大的影响。然而，大部分洪水预报模型未充分考虑地表已变因素，导致预报的稳定性不足，预报误差较大。(3)水雨情数据缺乏有效性检验大多洪水预报模型严重依赖水文气象等资料，但是对于水位、雨量数据的合理性、准确性缺乏有效的检验分析，往往在误差较大时对上万条、几十万条数据进行排查和检验，费时费力。(4)洪水预报应用难度大传统的各类洪水预报系统都需要专业人员进行操作，要求系统应用人员具有较高的水文、气象及计算机等专业知识；另外，这类系统一般基于C/S架构进行设计开发，因此，系统的运行对操作系统及硬件设备都有较高的要求，导致无法进行大规模应用推广。以上所述洪水预报模型构建与应用的不足，对于洪水预报模型的快速构建、预报精度的提高、应用范围的扩大都造成了较大困难。更为重要的是，由于模型参数无法根据快速变化的地理环境进行及时调整，从而导致模型预报误差随时间不断累加，极易造成防洪排涝决策失误，从而给国家和人民造成无法挽回的损失。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，利用GIS空间分析技术，建立适用于水文预报的地理空间模型；在对异构数据处理的基础上，基于DEM完成流域流水网的推求、单元面积划分及地表径流计算。在上述工作的基础上，提出一种基于WebGIS的洪水预报模型服务的构建与应用方法，对洪水演进过程进行仿真模拟。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于WebGIS的洪水预报服务构建方法，包括如下步骤：步骤1，基于地形资料构建数字高程模型；步骤2，采用GIS空间分析方法对数字高程模型进行预处理，利用处理后的数字高程模型进行流向分析和汇流计算，提取河网水系，完成流域划分；步骤3，采用D8算法构建流水网；步骤4，基于水流方向及土壤含水量构建自然汇流矩阵；步骤5，利用水流累积值生成流域边界内的水道，并基于Strahler分级法对河道分级编码；步骤6，基于洪水预报模型，对参数进行初定和率定，得到预报计算结果；步骤7，基于WebGIS模拟洪水预报结果。本专利技术充分利用GIS强大的空间分析技术与方法，与传统洪水预报模型的构建方法互补，高效提取洪水模型自然汇流信息，进而提高模型预报精度；同时，利用WebGIS空间信息表达优势，丰富了洪水预报信息展示内容和表现方法，使洪水预报更准确、表达更直观。本专利技术对提高洪水预报精度、降低应用难度、扩大应用范围、摆脱应用对设备及平台的依赖具有十分重要的意义。附图说明图1：是流向分析图；图2：是方向编码图；图3：是预处理后DEM图；图4：是水流方向矩阵图；图5：是水流累积矩阵图；图6：是地表温度-植被指数特征空间示意图；图7：是洪水预报服务工作流程图；图8：是洪水预报综合过程图；图9：是洪水演进仿真效果图。具体实施方式本实施例中，提供一种基于WebGIS的洪水预报服务构建方法，具体步骤如下：(1)数字高程模型(DEM)的构建以往构建DEM是一项工作量非常巨大的工程。一般采用全站仪、GPS或激光测距仪等设备测量高程信息，或人工读取已有地形图上的网格点高程，或遥感解译航空航天遥感数据，适用性差。另外，在国内外公开的DEM数据精度较低、缺少水下地形，许多洪水预报模型的DEM构建大多基于30m精度DEM，预报准确度低。针对以上情况，本专利技术采用基于已有地形信息的DEM构建方法，主要流程如下：(1.a)高程数据处理准备预报区域不低于30m分辨率的数字高程模型或CAD地形图；若只有CAD地形图，则从CAD地形图中提取高程信息，构建TIN，生成DEM。本实施中采用CAD地形图。高程信息主要包括空间信息和属性信息，空间信息主要从CAD中获取，属性信息主要来源于Excel文件，提取流程如下：①异构数据高程信息提取统一坐标系框架，通过空间校正，从CAD、Excel、DEM(局部)等包含高程信息的各类数据中提取预报区域的高程信息，组织为矢量的高程点、等高线。②空间数据属性定制对于水利工程的地理空间数据来说，不仅要有图形属性，还需要一些业务属性，以监测站为例，图形特性主要有位置(地理坐标或投影坐标)、水文特性、工程特性、管理信息等。从CAD中转换出来的Shapefile文件中带有大量的与系统需要无关的属性字段，需要对Shapefile的字段进行删除、修改、编辑，定制符合系统需要的属性字段。(1.b)DEM构建从CAD中提取的高程点、等高线比较密集，由于生成TIN支持本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于WebGIS的洪水预报服务构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于地形资料构建数字高程模型；步骤2，采用GIS空间分析方法对数字高程模型进行预处理，利用处理后的数字高程模型进行流向分析和汇流计算，提取河网水系，完成流域划分；步骤3，采用D8算法构建流水网；步骤4，基于水流方向及土壤含水量构建自然汇流矩阵；步骤5，利用水流累积值生成流域边界内的水道，并基于Strahler分级法对河道分级编码；步骤6，基于洪水预报模型，对参数进行初定和率定，得到预报计算结果；步骤7，基于WebGIS模拟洪水预报结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于WebGIS的洪水预报服务构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，基于地形资料构建数字高程模型；步骤2，采用GIS空间分析方法对数字高程模型进行预处理，利用处理后的数字高程模型进行流向分析和汇流计算，提取河网水系，完成流域划分；步骤3，采用D8算法构建流水网；步骤4，基于水流方向及土壤含水量构建自然汇流矩阵；步骤5，利用水流累积值生成流域边界内的水道，并基于Strahler分级法对河道分级编码；步骤6，基于洪水预报模型，对参数进行初定和率定，得到预报计算结果；步骤7，基于WebGIS模拟洪水预报结果。2.根据权利要求1所述的一种基于WebGIS的洪水预报服务构建方法，其特征在于，所述步骤2中，预处理包括洼地分析和填洼处理。3.根据权利要求1所述的一种基于WebGIS的洪水预报服务构建方法，其特征在于，所述步骤3中，构建流水网的具体过程为：步骤31，确定格网方向：采用D8算法寻找格网与相邻8个格网间的最大坡度或落差，其中，最大落差＝Z值变化值/相邻格网中心点距离；相邻格网中心点之间的距离有两个值；若某一格网至所有相邻格网的坡度都相同，则向外扩大相邻格网范围，直到找到最大坡度；步骤32，将数字高程模型中所有格网方向连接起来构成流水网。4.根据权利要求1所述的一种基于WebGIS的洪水预报服务构建方法，其特征在于，所述步骤4中，构建自然汇流矩阵的具体过程为：步骤41，确定干边和湿边：根据特征空间的原理，干边和湿边为界定特征空间散点图上下边界的直线；步骤42，温度植被干旱指数TVDI的提取：在植被指数和地表温度构成的三角形特征空间中，将不同植被指数条件下的最高下垫面温度Tmax相连，构成了三角形的干边；干边上，土壤湿度下降到凋萎含水量，地表蒸散发量接近0，TVDI＝1；相应地将不同植被指数下的最低下垫面温度Tmin相连构成了三角形的湿边，表示地表土壤含水量等于田间持水量，蒸散发量达到最大，TVDI＝0；其中，TSmin表示地表温度的最低值；TS是任意像元的地表温度；NDVI是植被覆盖指数；a是湿边上土壤相对含水量，b是干边拟合方程的系数；步骤43，土壤含水量的遥感反演：...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾微波，殷晓飞，王春，江岭，
申请(专利权)人：滁州学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34