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实景三维在城市内涝灾害解决方案中的应用

日期: 2022-06-10
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极端暴雨频发,我国是洪涝灾害最为频发的地区之一,每年汛期暴雨及其引发的洪涝灾害给社会经济发展和人民生命财产安全造成了严重的损失。2021年的河南7.20特大暴雨由于降雨强度大、历时长、洪灾多发引起了广泛关注,特大暴雨导致郑州、新乡等多个城市出现严重内涝。


4月1日,住房和城乡建设部召开2022年城市排水防涝工作部署暨城市内涝治理培训视频会议。会议强调,城市内涝治理是个综合问题,各级党委、政府要高度重视。一方面,要深刻汲取郑州“7·20”特大暴雨灾害教训,始终对城市内涝灾害保持高度的警惕性;另一方面,要充分借鉴武汉等地经验做法,主动适应和把握排水防涝的新特点、新规律,提高防灾减灾救灾和防范化解风险挑战的能力和水平。抓早抓实城市防汛应对各项准备工作,切实担负起保护人民群众生命财产安全的整治责任,为党的二十大胜利召开营造安全稳定环境。




01

基于实景三维的城市内涝治理研究方法


随着我国人口的大幅增长、城镇规模的不断扩大、不透水面积的大幅增加以及人类对自然资源的过度开采,伴随而来的是一系列诸如城市内涝、水环境污染和山洪等城市和流域水问题,水安全形式十分严峻,这就需要利用高效高精度的雨洪模型研究洪灾产生、演进及消退过程为政府部门及时决策提供行之有效的科学依据,从而最大程度减少洪灾造成的损失


随着计算机技术的发展及GIS数据的丰富,雨洪模型也都在向精细化发展,而高精度的雨洪模型研究对于三维场景的精细程度有很高的要求。城市洪涝模拟方面的水文学方法、流域洪水演进方面的水动力方法对洪水进行模拟计算,对于区域高分辨率真实地形的模拟,稳定性、精度有很高的要求。


此外,在洪水风险管理中,降低风险的主要瓶颈一般不是缺乏信息,而是如何沟通和感知信息。高精度洪水灾害模拟的同时应该促进受影响区域的决策人员、相关专业人员等积极参与到防洪决策之中,从而减少洪灾造成的损失。而实景三维可视化技术能动态逼真地展示各类场景,实时展示各种信息,是解决这一问题的有效技术手段而且实景三维技术在应用于城市内涝及洪水演进等自然灾害模拟的后期展示也有较广泛的使用场景。


实景三维在城市内涝灾害解决方案中的应用


实景三维中国建设把现实世界的山、水、林、田、湖、草、沙等自然环境,城市的建筑、道路、场地设施、地下管道等城市基础设施,以及城市运管服的各项信息以数字化的形式映射到数字空间结合地理实体进行表达,构建对人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化反映和表达的三维数字虚拟空间。这个三维数字虚拟空间是具有可视性、分析性、智能性的分级全量三维信息视图通过三维数字虚拟空间,能够实现城市全面透彻的动态感知、信息互联和智能融合


实景三维中的场景效果更加逼真,可模拟阴、晴、雨、雪等自然天气环境变化,实现地形地貌景观的三维实景表达,便于建筑物、树木等场景元素的导入,实现模型与地形之间的完美衔接。实景三维场景可以在保证准确度的基础上可更加直观地反映该区域内涝点分布位置及对应的积水范围等情况即通过视觉效果来直观获取及判断研究区的内涝情况,更具真实感,同时又具备易于机器识别的特点,便于进行机器自动识别的智能化管理,从而提供更良好的用户体验。


实景三维在城市内涝灾害解决方案中的应用


模拟城市内涝和洪水演进等洪涝灾害过程,模拟水文与水动力过程,对降水汇聚产生水流的过程应用相关的水流运动的相关数学模型及相关专业的研究方法,可深入研究洪水演进过程中的演进时间、淹没范围等水力特性,得到城市易涝点分布、淹没面积及洪水演进过程等信息,并与实测数据对比验证较准确评估城市中的内涝易发区域及淹没情况。为使显示效果更加直观,将数值模拟结果通过实景三维平台对洪涝灾害过程进行可视化展示。实现将高分辨率数值模型与实景三维技术结合,通过将数字化模拟结果在实景三维应用场景进行三维表达实现洪涝灾害三维模拟应用


实景三维在城市内涝灾害解决方案中的应用



02

实景三维构建城市三维数字化研究场景


将实景三维技术应用到水利领域的处理展示方面,关键在于将高分辨率数值模型与三维场景准确耦合,从而在保证准确度的前提下,对洪涝灾害过程进行可视化分析展示。洪涝过程模拟是基于区域内网格实现对洪涝过程中淹没面积、积水深度、演进时间等因素的分析,基于共同的网格编号、网格上的属性信息及定位处理等理论上可以实现三维可视化和高分辨率数值模型之间的耦合。因此,网格划分的越详细,属性越丰富,城市内涝模拟效果越好。围绕不同时刻网格中心点水面高程不同,但网格编号始终不变的特点,实时进行洪水过程模型数值模拟结果的三维可视化展示。这样在真正的应用中,对于三维场景中的各项数据的三维计算与表达,以及高分辨率数值模型的计算都有很高的要求。


采用高分辨率数值模型对内涝过程进行精细化模拟,模型需要输入条件包括地形数据影像数据、降雨数据、土地利用数据、曼宁系数及下渗数据、城市管网排水数据物联感知数据等多源、高精度、时序化数据。这些数据都可基于实景三维平台进行三维一体化表达


实景三维在城市内涝灾害解决方案中的应用



03

城市内涝模型的模拟运行与三维表达


采用经过验证的高分辨率城市内涝模拟数值模型模拟研究区域从开始降雨到结束的积水过程,可以实时显示每分钟的城区积水情况模型输出结果为不同时刻下该区域所有网格的属性信息包。模拟积水程度与实际情况对比坐标信息、地形高程、水面高程、水深,根据网格上的属性信息可获取到该区域不同时刻的内涝点位置分布、积水面积、积水深度等内涝情况。由模拟结果可知,该区域内涝积水量,实时显示标记出内涝积水量较大的积水区,显示内涝影响的严重程度。


在实际降雨发生时,利用实时气象数据进行模拟降水过程,模拟积水程度与实测情况对比,通过模拟效果与实际降水积水情况的差距进行相关系数的修正相关模型与参数模拟效果与实际降水积水情况对比的误差在允许范围内就可以用来进行城市内涝管理分析。


实景三维在城市内涝灾害解决方案中的应用



04

城市三维场景下的排水能力检测与提升


应用测试好的城市内涝模型进行城市最大可接受降水量模拟,预测城市排水设施能承受的极限降水量。

根据预测结果进行下水设施改造,提高排水系统可承受的极限降水量。

改造后排水设施的排水能力已经改变,继续根据利用实际降水数据进行进一步修正城市内涝模型的参数。形成新的与城市下水能力匹配的城市内涝模型参数。


实景三维在城市内涝灾害解决方案中的应用


实景三维在城市内涝灾害解决方案中的应用



05

雨季城市内涝分析与应急管理


在实际的雨季到来时,根据实时的气象水文数据,进行区域内降水监测和内涝情况的预测,根据降水发展预测的结果进行内涝灾害的应急管理。城市气象部门的能够对于区域内的气象条件的变化进行预测,城市内涝模型根据气象部门的数据对城市内涝点的出现与内涝区域发展的情况进行预测,提供精确的内涝点三维场景展示,提前有针对性布置防涝措施,组织防涝巡查人员排查风险区域,及时疏散有内涝风险区域居民,尽可能的减少内涝的影响,对内涝灾害风险等级高的区域,根据实时气象水文数据进行灾害风险评估,以及对于洪涝灾害较严重区域进行泄洪方案模拟


实景三维在城市内涝灾害解决方案中的应用


实景三维在城市内涝灾害解决方案中的应用


在内涝发生时对于内涝发生的地点进行实时监控分析,实景三维平台能够提供城市内涝发生前后的地形场景,结合实时的内涝数据能够计算内涝区域的水深,分析内涝对于区域交通的的影响范围,及时进行交通管控。通过物联网数据进行全市内涝情况快速汇总,一屏展示,三维可视化表达,实时统计内涝区域群众数量统计,对于周边医疗、公安、消防等救援力量的实时感知,实现救援力量的统一调配救援方案的科学制定与高效实施


实景三维在城市内涝灾害解决方案中的应用


实景三维在城市内涝灾害解决方案中的应用


实景三维在城市内涝灾害过去后的城市重建工作中也有着巨大的应用场景,根据降雨过程的记录,在实景三维场景中能够全面的还原内涝发生的过程,为城市面貌的复原城市基础设施的改造内涝灾害带来的损失评估保险理赔等灾后重建工作提供有力的支持。


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