基于GIS的城市一维水动力模拟基础数据拓扑关系构建和编码方法技术

本发明专利技术公开了一种基于GIS的城市一维水动力模拟基础数据拓扑关系构建和编码方法，该方法首先要获得城市河道和管网的shp文件，并将河道和管网线图层分别合并，然后在ArcGIS软件中进行操作：包括将河道和管网转折点转为节点、将转出的节点去除重复点、去除河道与管网两图层间重复的节点、用折点将河道和管网分别断开、对河道和管网的节点分别进行编码、对河道和管道分别进行编码、分别构建河道、管道的拓扑关系、最后分别合并点图层和线图层得到具有统一编号的一维线段Link对应节点Node图层。本发明专利技术可以提高城市一维水动力学建模的效率和精度。

【技术实现步骤摘要】
基于GIS的城市一维水动力模拟基础数据拓扑关系构建和编码方法
本专利技术涉及水利工程
，尤其涉及城市一维水动力学建模基础数据的处理，具体为城市河道、管网拓扑关系构建和编码方法。
技术介绍
在快速城市化和气候变化的大背景下，城市洪涝灾害频发，已成为我国城市自然灾害中的主要灾害，严重影响城市生产生活秩序。城市洪涝模拟是城市洪涝防治、规划、调度、预警的重要技术手段，主要分为水文模拟、一维（河道、管网）水动力学模拟和二维（地表淹没）水动力学模拟。在城市一维（河道、管网）水动力学模拟中，准确、快速、简便地构建一维基础数据间的拓扑关系并对河道和管网进行编码是其数据准备的重要基础。在传统的流域水文和水动力模拟中，常采用基于数字高程模型（DEM）的河道分级和节点编码方式建立河道的拓扑关系，但由于城市地表一般较为平坦且有许多人工河道，加之管网与河道混接，类似的用于流域河道编码的方式不再适用，而城市河道和管网在空间上的密度更大，要采用人眼识别和手动编码的方式建立其拓扑关系，不仅费时费力，而且极易出错。因此，需要提出一种针对城市河道和管网的拓扑关系构建和编码方法，提高城市一维水动力学建模的效率和精度。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于GIS的城市一维水动力模拟基础数据拓扑关系构建和编码方法，能够基于GIS对一维水动力模拟的基础数据进行管理，构建拓扑关系，实现分类编码，提高城市一维水动力学建模的效率和精度。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于GIS的城市一维水动力模拟基础数据拓扑关系构建和编码方法，获取城市河道和网管的信息后，基于ArcGIS软件进行数据处理获得具有统一编号和拓扑关系的一维线段Link图层，该方法的主要步骤如下：1）获得城市河道和管网的shp文件：河道和管网shp图层分别记为River0和Pipe0。2）将河道和管网线图层分别合并：为防止产生长度过小的线段，先在ArcGIS编辑工具中对多段数据进行合并，分别将河道和管网线图层进行合并，分别记为River1和Pipe1。3）将河道和管网转折点转为节点：分别对River1和Pipe1进行【数据管理工具-要素-要素折点转点】操作，在【点类型（可选）】中应选择“BOTH_ENDS”，分别得到河道和管网的节点，对转出的点分别记为RiverNode1和PipeNode1。4）将转出的节点去除重复点：由于在两段线段的交点处产生的节点既是上一段线段的终点，又是下一段线段的起点，因此存在大量类似的重复点，需要将重复的点去掉，在同一个点位置，只在点图层shp文件中保留一个点。分别对RiverNode1和PipeNode1进行【分析工具-邻域分析-缓冲区】操作，转出的图层分别记为RiverNode1_Buf和PipeNode1_Buf。分别对RiverNode1_Buf和PipeNode1_Buf进行【转换工具-转为Coverage-要素类转-Coverage】操作，将转出的图层分别记为RiverNode1_Co和PipeNode1_Co。分别对RiverNode1_Co和PipeNode1_Co中的polygon要素进行【数据管理工具-要素-要素转点】操作，将转出的图层分别记为RiverNode2和PipeNode2，上述两图层的点中已去除了重点的点，在河道间、管道间的连接处均分别只有一个点。该步骤为本专利技术的一个具有创造性的操作：由于ArcGIS中Coverage文件中无重叠面矢量，故可以利用该特性去除重合的节点。将原重合的节点通过缓冲区操作转换成面矢量，然后将面矢量转换为Coverage文件，这样重合的面矢量将只保留一个，再将Coverage文件中的面矢量转换为点，如此，原节点图层中所有重合的点均被去除，在同一空间位置，只保留了一个点，为后期建立线图层的拓扑关系奠定基础。要素转Coverage操作原本是为了将同一图要素转换成点、线、面三种要素，在此过程中，如果原图层中的面有重合，将认为是异常的输入数据，会自动地将其中重合的面去掉，本操作正是利用了该特性，实现了对不重合点的去除。本操作为非常规操作。5）去除河道与管网两图层间重复的节点对PipeNode2进行【分析工具-邻域分析-近邻分析】操作，其中【邻近要素】选择RiverNode2图层，【搜索半径（可选）】选择适当的距离。操作完成后进入PipeNode2的属性表，找到符合邻近标准的点，即为与河道重复的节点，将河道节点认为是优先级高的节点，管道节点认为是优先级低的节点，因此当管道与河道存在重复的节点时，将管道中对应的节点删除。6）用折点将河道和管网分别断开分别对River1和Pipe1进行【数据管理工具-要素-在点处分割线】操作，其中【点要素】分别采用步骤4）中生成的RiverNode2和PipeNode2，【搜索半径（可选）】根据需要选取，将生成的点图层分别记为River2和Pipe2。在River1和Pipe1图层上进行【符号选择器操作】，将线段的显示样式显式为“箭头在右侧中间”，以显示河道和管网的走向，目视检查其与实际情况是否相符，对于不相符的将线段进行翻转，使之与实际情况相符。7）对河道和管网的节点分别进行编码分别删除RiverNode2和PipeNode2图层中不需要使用的字段，并添加NodeID字段；分别对RiverNode2和PipeNode2中的节点进行编码，将河道节点分别编码为RN1、RN2、RN3……RNn，将管道节点分别编码为PN1、PN2、PN3……PNm，其中n、m分别为河道节点和管道节点的个数。8）对河道和管道分别进行编码分别删除River2和Pipe2图层中不需要使用的字段，添加LinkID、UpNode、DnNode字段，分别表示线段的编码ID、线段对应的上游节点、线段对应的下游节点；分别对River2和Pipe2中的节点进行编码，将河道节点分别编码为river1、river2、river3……riverN，将管道节点分别编码为pipe1、pipe2、pipe3……pipeM，其中N、M分别为河道节点和管道节点的个数。9）分别构建河道、管道的拓扑关系对River2进行【数据管理工具-要素-要素折点转点】操作，【点类型（可选）】选项框中相应的分别选择START、END，对生成的图层文件分别命名为River2_Up、River2_Dn；对Pipe2进行【数据管理工具-要素-要素折点转点】操作，【点类型（可选）】选项框中相应的分别选择START、END，对生成的图层文件分别命名为Pipe2_Up、Pipe2_Dn；对River2_Up、River2_Dn分别进行【分析工具-邻域分析-近邻分析】操作，其中【邻近要素】选择RiverNode2图层；对Pipe2_Up、Pipe_Dn分别进行【分析工具-邻域分析-近邻分析】操作，其中【邻近要素】选择PipeNode2图层；对River2_Up、River2_Dn分别进行【连接和关联-连接】操作，其中【邻近要素】选择RiverNode2图层，在【1.选择该图层中连接将基于的字段（C）】选择NEAR_FID，在【3.选择此表中要作为连接基础的字段（F）】中选择FID，打开River2_Up、River2_Dn的属性表，将“UpNode”字段通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于GIS的城市一维水动力模拟基础数据拓扑关系构建和编码方法，其特征在于：获取城市河道和网管的信息后，基于ArcGIS软件进行数据处理获得具有统一编号和拓扑关系的一维线段Link图层，具体包括以下步骤：1）获取城市河道和管网的shp文件：河道和管网shp图层分别记为River0和Pipe0；2）将河道和管网线图层分别合并：在ArcGIS编辑工具中对多段数据进行合并，分别将河道和管网线图层进行合并，分别记为River1和Pipe1；3）将河道和管网转折点转为节点：在ArcGIS软件中，分别对River1和Pipe1进行【数据管理工具‑要素‑要素折点转点】操作，在【点类型（可选）】中应选择“BOTH_ENDS”，分别得到河道和管网的节点，对转出的点分别记为RiverNode1和PipeNode1；4）将转出的节点去除重复点：分别对RiverNode1和PipeNode1进行【分析工具‑邻域分析‑缓冲区】操作，转出的图层分别记为RiverNode1_Buf和PipeNode1_Buf；分别对RiverNode1_Buf和PipeNode1_Buf进行【转换工具‑转为Coverage‑要素类转‑Coverage】操作，将转出的图层分别记为RiverNode1_Co和PipeNode1_Co；分别对RiverNode1_Co和PipeNode1_Co中的polygon要素进行【数据管理工具‑要素‑要素转点】操作，将转出的图层分别记为RiverNode2和PipeNode2；5）去除河道与管网两图层间重复的节点：对PipeNode2进行【分析工具‑邻域分析‑近邻分析】操作，其中【邻近要素】选择RiverNode2图层，【搜索半径（可选）】选择距离；操作完成后进入PipeNode2的属性表，找到符合邻近标准的点，即为与河道重复的节点，将河道节点认为是优先级高的节点，管道节点认为是优先级低的节点；6）用折点将河道和管网分别断开：分别对River1和Pipe1进行【数据管理工具‑要素‑在点处分割线】操作，其中【点要素】分别采用步骤4）中生成的RiverNode2和PipeNode2，【搜索半径（可选）】根据需要选取，将生成的点图层分别记为River2和Pipe2；在River1和Pipe1图层上进行【符号选择器操作】，将线段的显示样式显式为“箭头在右侧中间”，以显示河道和管网的走向，目视检查其与实际情况是否相符，对于不相符的将线段进行翻转，使之与实际情况相符；7）对河道和管网的节点分别进行编码：分别删除RiverNode2和PipeNode2图层中不需要使用的字段，并添加NodeID字段；分别对RiverNode2和PipeNode2中的节点进行编码，将河道节点分别编码为RN1、RN2、RN3……RNn，将管道节点分别编码为PN1、PN2、PN3……RNm，其中n、m分别为河道节点和管道节点的个数；8）对河道和管道分别进行编码：分别删除River2和Pipe2图层中不需要使用的字段，添加LinkID、UpNode、DnNode字段，分别表示线段的编码ID、线段对应的上游节点、线段对应的下游节点；分别对River2和Pipe2中的节点进行编码，将河道节点分别编码为river1、river2、river3……riverN，将管道节点分别编码为pipe1、pipe2、pipe3……pipeM，其中N、M分别为河道节点和管道节点的个数；9）分别构建河道、管道的拓扑关系：对River2进行【数据管理工具‑要素‑要素折点转点】操作，【点类型（可选）】选项框中相应的分别选择START、END，对生成的图层文件分别命名为River2_Up、River2_Dn；对Pipe2进行【数据管理工具‑要素‑要素折点转点】操作，【点类型（可选）】选项框中相应的分别选择START、END，对生成的图层文件分别命名为Pipe2_Up、Pipe2_Dn；对River2_Up、River2_Dn分别进行【分析工具‑邻域分析‑近邻分析】操作，其中【邻近要素】选择RiverNode2图层；对Pipe2_Up、Pipe_Dn分别进行【分析工具‑邻域分析‑近邻分析】操作，其中【邻近要素】选择PipeNode2图层；对River2_Up、River2_Dn分别进行【连接和关联‑连接】操作，其中【邻近要素】选择RiverNode2图层，在【1.选择该图层中连接将基于的字段（C）】选择NEAR_FID，在【3.选择此表中要作为连接基础的字段（F）】中选择FID，打开River2_Up、River2_Dn的属性表，将“UpNode”字段通过字段计算器计算，使之等于RiverNode2“NodeID”字段中的编号；在此基础上，对River2图层进行【连接和关联‑连接】操作，其中【邻近要素】...

【技术特征摘要】
1.一种基于GIS的城市一维水动力模拟基础数据拓扑关系构建和编码方法，其特征在于：获取城市河道和网管的信息后，基于ArcGIS软件进行数据处理获得具有统一编号和拓扑关系的一维线段Link图层，具体包括以下步骤：1）获取城市河道和管网的shp文件：河道和管网shp图层分别记为River0和Pipe0；2）将河道和管网线图层分别合并：在ArcGIS编辑工具中对多段数据进行合并，分别将河道和管网线图层进行合并，分别记为River1和Pipe1；3）将河道和管网转折点转为节点：在ArcGIS软件中，分别对River1和Pipe1进行【数据管理工具-要素-要素折点转点】操作，在【点类型（可选）】中应选择“BOTH_ENDS”，分别得到河道和管网的节点，对转出的点分别记为RiverNode1和PipeNode1；4）将转出的节点去除重复点：分别对RiverNode1和PipeNode1进行【分析工具-邻域分析-缓冲区】操作，转出的图层分别记为RiverNode1_Buf和PipeNode1_Buf；分别对RiverNode1_Buf和PipeNode1_Buf进行【转换工具-转为Coverage-要素类转-Coverage】操作，将转出的图层分别记为RiverNode1_Co和PipeNode1_Co；分别对RiverNode1_Co和PipeNode1_Co中的polygon要素进行【数据管理工具-要素-要素转点】操作，将转出的图层分别记为RiverNode2和PipeNode2；5）去除河道与管网两图层间重复的节点：对PipeNode2进行【分析工具-邻域分析-近邻分析】操作，其中【邻近要素】选择RiverNode2图层，【搜索半径（可选）】选择距离；操作完成后进入PipeNode2的属性表，找到符合邻近标准的点，即为与河道重复的节点，将河道节点认为是优先级高的节点，管道节点认为是优先级低的节点；6）用折点将河道和管网分别断开：分别对River1和Pipe1进行【数据管理工具-要素-在点处分割线】操作，其中【点要素】分别采用步骤4）中生成的RiverNode2和PipeNode2，【搜索半径（可选）】根据需要选取，将生成的点图层分别记为River2和Pipe2；在River1和Pipe1图层上进行【符号选择器操作】，将线段的显示样式显式为“箭头在右侧中间”，以显示河道和管网的走向，目视检查其与实际情况是否相符，对于不相符的将线段进行翻转，使之与实际情况相符；7）对河道和管网的节点分别进行编码：分别删除RiverNode2和PipeNode2图层中不需要使用的字段，并添加NodeID字段；分别对RiverNode2和PipeNode2中的节点进行编码，将河道节点分别编码为RN1、RN2、RN3……RNn，将管道节点分别编码为PN1、PN2、PN3……RNm，其中n、m分别为河道节点和管道节点的个数；8）对河道和管道分别进行编码：分别删除River2和Pipe2图层中不需要使用的字段，添加LinkID、UpNode、DnNode字段，分别表示线段的编码ID、线段对应的上游节点、线段对应的下游节点；分别对River2和Pipe2中的节点进行编码，将河道节点分别编码为river1、river2、river3……riverN，将管道节点分别编码为pipe1、pipe2、pipe3……pipeM，其中N、M分别为河道节点和管道节点的个数；9）分别构建河道、管道的拓扑关系：对River2进行【数据管理工具-要素-要素折点转点】操作，【点类型（可选）】选项框中相应的分别选择START、END，对生成的图层文件分别命名为River2_Up、River2_Dn；对P...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅超，刘家宏，王浩，张坤，李泽锦，丁相毅，杨志勇，李蒙，王开博，付潇然，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11