本發(fā)明涉及信息領(lǐng)域，尤其涉及一種面向SWMM建模與顧及多要素的城市區(qū)域子流域自動(dòng)劃分方法。

背景技術(shù)：

城市內(nèi)澇災(zāi)害，因其威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全，嚴(yán)重影響社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，已成為全世界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。SWMM(Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型)作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的降水—徑流模擬模型，能夠用來(lái)對(duì)城市某一單一降水事件或長(zhǎng)期的水量和水質(zhì)進(jìn)行模擬，能在一定程度上起到預(yù)測(cè)、預(yù)防以及緩解城市洪水的作用。在進(jìn)行城市水文過(guò)程的模擬中，由于人類活動(dòng)的影響，城市區(qū)域不可避免的要比自然流域面臨更大的挑戰(zhàn)，包括對(duì)輸入數(shù)據(jù)的要求更高，匯流網(wǎng)絡(luò)的模擬更復(fù)雜，以及地表與地下水流的交換更特殊，進(jìn)而帶來(lái)SWMM模建模數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度高，應(yīng)用門檻較高，使得該模型在城市內(nèi)澇、防洪方面較難快速的建模、模擬與運(yùn)用。為提高SWMM建模的數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量與效率，使各種高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源能夠充分利用，高效、準(zhǔn)確的城市地表子流域劃分方法是其關(guān)鍵要素。所謂的城市地表子流域劃分，即將城市區(qū)域劃分成一系列水文響應(yīng)幾何單元，在單元內(nèi)部計(jì)算產(chǎn)流，單元之間計(jì)算匯流。而面向SWMM建模的子流域劃分不僅包含子流域幾何形態(tài)(幾何單元)的確定，高質(zhì)量的子流域?qū)傩孕畔⒌馁x值對(duì)于SWMM模型運(yùn)算精度也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。對(duì)于子流域幾何形態(tài)的確定，主要分為手動(dòng)劃分和自動(dòng)劃分兩種方法。SWMM子流域手動(dòng)劃分其繪制流程有一些常用的規(guī)則，包括：1)將自然子流域作為初始條件；2)同一街區(qū)一般劃分到相同單元；3)以雨水井為基本單位。手動(dòng)劃分方式雖精度較高，但在實(shí)際操作中很容易受人工的干擾，此外，以雨水井為基本單位進(jìn)行子流域的劃分，涉及到較大的城市區(qū)域，雨水井成千上萬(wàn)，劃分效率較低。子流域自動(dòng)劃分方法主要分為三種模式：基于距離、基于地形以及基于多要素的劃分方法?！盎诰嚯x”的地表自動(dòng)劃分主要根據(jù)地表單元與排水管網(wǎng)的距離進(jìn)行劃分，該方法簡(jiǎn)單高效，但沒(méi)有考慮自然的匯流方向以及人工建筑設(shè)施的影響，因此帶來(lái)較大的劃分誤差?！盎诘匦巍钡牡乇碜詣?dòng)劃分，該方法沒(méi)有考慮人工設(shè)施的影響，而城市區(qū)域人工設(shè)施又是影響地表徑流的重要因素之一。第三種模式基于多要素，主要是指同時(shí)考慮地形與人工建筑設(shè)施，這種方法能較為真實(shí)的描述地表水流過(guò)程，部分學(xué)者通過(guò)將道路、建筑物、水系、溝渠、坑塘等影響徑流途徑的地物要素融合進(jìn)DEM進(jìn)行子流域的劃分，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，這種人為的修改DEM缺乏支撐依據(jù)，較低DEM精度的情況下存在較大的誤差。對(duì)于子流域?qū)傩孕畔⒌馁x值，一般都是人為設(shè)定，操作繁瑣而且精度較低。由于人類活動(dòng)造成的城市下墊面的復(fù)雜性，使得城市地表的降水匯流過(guò)程相比自然流域復(fù)雜，雖然從較大尺度來(lái)看雨水仍然遵循從高地形往低地形走向，但局部區(qū)域道路和人工河道對(duì)雨水有一定的疏導(dǎo)作用，凸起地面的人工建筑設(shè)施對(duì)雨水有一定的阻擋作用，而雨水管網(wǎng)在城市地下又形成了新的河道，因此，對(duì)于SWMM建模中子流域的幾何形態(tài)的確定必須綜合考慮地形地勢(shì)、河網(wǎng)水系、道路管網(wǎng)和人工建筑設(shè)施等多種要素。另一方面，城市地表包含多種土地覆蓋類型，如：水泥地、瀝青路面、草地、林地、公園、建筑物等，這些復(fù)雜的土地覆蓋類型帶來(lái)子流域的部分屬性信息(如不滲透率、曼寧系數(shù)、蓄水能力)值的差距，而這些屬性信息是影響SWMM模擬精度的重要因素，因此，對(duì)于SWMM子流域?qū)傩孕畔⒌馁x值必須綜合各種土地覆蓋類型，進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算。綜上所述，目前缺少一種既高效又準(zhǔn)確的且面向SWMM建模的子流域劃分方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種面向SWMM建模與顧及多要素的城市區(qū)域子流域自動(dòng)劃分方法，旨在解決了當(dāng)前存在的子流域手動(dòng)劃分效率低下和自動(dòng)劃分劃分精度低的問(wèn)題；提供SWMM建模所需要的較為精確的子流域空間(幾何形態(tài))與屬性信息，大幅度提高了SWMM模擬的數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量與效率，使得SWMM模擬結(jié)果能夠更為準(zhǔn)確的起到預(yù)測(cè)、預(yù)防以及緩解城市洪水的作用。

本發(fā)明提供了面向SWMM建模與顧及多要素的城市區(qū)域子流域自動(dòng)劃分方法，具體包括以下步驟：

步驟S1：使用待劃分區(qū)域的DEM(Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)以及雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行該區(qū)域的子流域自動(dòng)建模；

步驟S2：對(duì)待劃分區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)做處理，確定水流流向，遵循地形得出河網(wǎng)出水口子流域；

步驟S3：從待劃分區(qū)域的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)中提取得到道路線和河流邊線，與所述河網(wǎng)出水口子流域疊加，做分割處理，得出河網(wǎng)出水口子流域分割單元；

步驟S4：基于所述河網(wǎng)出水口子流域分割單元、DEM數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)以及雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)劃分得到所有河網(wǎng)出水口子流域分割單元內(nèi)的雨水井子流域；

步驟S5：將所述河網(wǎng)出水口子流域分割單元的雨水井子流域合并后進(jìn)行拓?fù)錂z查與局部修正得到待劃分區(qū)域子流域的最終幾何形態(tài)；

步驟S6：基于待劃分區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)設(shè)置待劃分區(qū)域子流域的屬性信息，進(jìn)行面向SWMM建模的子流域?qū)傩孕畔⒌淖詣?dòng)計(jì)算。

進(jìn)一步地，SWMM建模區(qū)域，涉及到大片面積的雨水管網(wǎng)，而鋪設(shè)雨水管網(wǎng)的區(qū)域往往包含各種人工設(shè)施和縱橫交錯(cuò)的道路。這些雨水管網(wǎng)、人工設(shè)施包括道路將疏通或阻隔局部區(qū)域內(nèi)的水流，但大尺度范圍內(nèi)，水流依舊是遵循地形，具有從高到低的走向。因此，河網(wǎng)出水口依舊是城市排水系統(tǒng)水流的最終匯集地，是城市排水網(wǎng)絡(luò)最基本的“骨架”。雖然SWMM的子流域劃分是微觀尺度上的劃分，這里宏觀尺度上河網(wǎng)出水口的子流域劃分雖對(duì)水文模擬的計(jì)算沒(méi)有直接作用，但通過(guò)提取出宏觀匯水網(wǎng)絡(luò)的輪廓，并建立排水系統(tǒng)出水口在河網(wǎng)中位置，確保河網(wǎng)出水口子流域之間不存在水流交換，再與微觀雨水井子流域結(jié)合將形成完整的城市水流匯流過(guò)程。因此，所述步驟S2包括以下步驟：

步驟S21：對(duì)待劃分區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)做填洼處理，得到無(wú)洼地的DEM數(shù)據(jù)；

步驟S22：依照地形地勢(shì)分析區(qū)域內(nèi)的河網(wǎng)分布，確定水流流向，得出河網(wǎng)出水口；

步驟S23：提取各河網(wǎng)出水口對(duì)應(yīng)的子流域外界輪廓；

步驟S24：對(duì)比排水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與河道單元空間位置，建立兩者之間的空間拓?fù)潢P(guān)系，進(jìn)而劃分得到河網(wǎng)出水口子流域。

進(jìn)一步地，為確保微觀尺度上雨水井子流域劃分的準(zhǔn)確性，本發(fā)明充分考慮城市區(qū)域內(nèi)水系(包括天然河道、人工河道、湖泊、小池塘溝渠等)和道路主干道對(duì)雨水的疏導(dǎo)與匯流作用。暴雨時(shí)，水系附近的水將匯流入水系，水系一側(cè)的雨水井必然不會(huì)匯流水系另一側(cè)的雨水。同理而言，對(duì)于道路，道路一側(cè)的水部分流進(jìn)雨水井，部分匯流進(jìn)道路，而城市道路主干道中心線的兩側(cè)通常會(huì)分布有雨水井，進(jìn)入路面的雨水將流入雨水井，或沿道路往地勢(shì)低的區(qū)域匯流，所以在路面中水未溢出之前，主干道一側(cè)的雨水井必然不會(huì)匯流另一側(cè)的雨水。為了避免道路積水，道路設(shè)計(jì)遵循道路中心高度高于兩側(cè)的原則，因此，對(duì)于分布在道路中的雨水井，將分工匯流道路中心線不同側(cè)邊的雨水。因此，所述步驟S3包括以下步驟：

步驟S31：基于步驟S2得到的所述河網(wǎng)出水口子流域，完成河流邊線和道路主干道中心線的自動(dòng)提?。?/p>

步驟S32：利用所述河流邊線和道路主干道中心線對(duì)河網(wǎng)出水口子流域進(jìn)行分割，得到河網(wǎng)出水口子流域的分割單元。

進(jìn)一步地，城市區(qū)域中雨水井分布主要包含兩種情況，一種是雨水井分布在大塊地物上，如大型公園或者操場(chǎng)等，另一種是雨水井分布在建筑物(凸起地面)密集區(qū)域。對(duì)于連續(xù)的大塊地物單元(如公園、操場(chǎng))包含的雨水井受其它人工設(shè)施干擾較小，匯流網(wǎng)絡(luò)基本還是以自然地形和距離而定，流向固定的雨水井，而對(duì)于建筑物密集區(qū)域，匯流網(wǎng)絡(luò)還要充分考慮大片凸起建筑物的阻水作用。

在每個(gè)河網(wǎng)出水口流域分割單元內(nèi)雖地形高差較小，但在劃分精度要求較高的情況下，地形因素對(duì)雨水流向的影響不可忽略。為避免區(qū)域內(nèi)雨水出現(xiàn)爬坡現(xiàn)象，本發(fā)明基于GIS水文分析方法和DEM數(shù)據(jù)，分析出區(qū)域內(nèi)的“山脊”，提取得到地形分水線，并提取出每個(gè)河網(wǎng)出水口子流域分割單元對(duì)應(yīng)地形分水線，進(jìn)而利用其約束整個(gè)劃分過(guò)程。

因此，所述步驟S4包括以下步驟：

步驟S41：基于GIS水文分析方法和DEM數(shù)據(jù)，分析出區(qū)域內(nèi)的“山脊”，提取出每個(gè)河網(wǎng)出水口子流域分割單元對(duì)應(yīng)地形分水線；

步驟S42：提取出每個(gè)河網(wǎng)出水口子流域分割單元對(duì)應(yīng)的建筑分水線；

步驟S43：從雨水管點(diǎn)數(shù)據(jù)中篩選出雨水井并提取出每個(gè)河網(wǎng)出水口子流域分割單元對(duì)應(yīng)的雨水井；

步驟S44：利用S41中得到的地形分水線、S42中得到的建筑分水線、S43中得到的雨水井，劃分得到每個(gè)河網(wǎng)出水口子流域分割單元內(nèi)的雨水井子流域。

進(jìn)一步地，將所有河網(wǎng)出水口子流域分割單元的雨水井子流域合并后進(jìn)行拓?fù)錂z查與局部修正即可得到子流域最終幾何形態(tài)。由于本發(fā)明劃分過(guò)程約束條件較多，將所有河網(wǎng)出水口分割單元的雨水井子流域合并會(huì)出現(xiàn)有少量封閉區(qū)域，所以本發(fā)明著重設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)封閉區(qū)域的局部修正，拓?fù)錂z查則通過(guò)ArcGIS軟件里自帶的拓?fù)錂z查工具完成。封閉區(qū)域是指提取分水線或河網(wǎng)出水口邊線時(shí)的局部誤差所導(dǎo)致的少量區(qū)域內(nèi)的雨水被地形分水線、建筑分水線、河網(wǎng)出水口子流域邊線、河網(wǎng)出水口分割單元邊線中的兩種或兩種以上類型的線所包圍而無(wú)法流向任意雨水井的區(qū)域。具體地，所述步驟S5包括以下步驟：

步驟S51：將雨水井圖層與雨水井子流域圖層疊加作空間相交操作；

步驟S52：篩選出不含雨水井的子流域，將其設(shè)置為封閉區(qū)域；

步驟S53：判斷封閉區(qū)域是否與某水系相鄰，若滿足條件，則該區(qū)域雨水流向水系，否則進(jìn)入步驟S54；

步驟S54：判斷封閉區(qū)域是否與整個(gè)流域邊界區(qū)域相鄰，若滿足條件，則直接刪除該封閉區(qū)域，否則進(jìn)入步驟S55；

步驟S55：判斷封閉區(qū)域是否與道路相交，若滿足條件，則采用定義封閉區(qū)域邊界類型第一優(yōu)先級(jí)別方式進(jìn)行修正；若不滿足條件，則采用定義封閉區(qū)域邊界類型第二優(yōu)先級(jí)別方式進(jìn)行修正。

進(jìn)一步地，面向SWMM建模的子流域?qū)傩孕畔⒆詣?dòng)計(jì)算。目前很多基于GIS的插件都可以實(shí)現(xiàn)GIS格式數(shù)據(jù)向SWMM格式轉(zhuǎn)換，因此建模的關(guān)鍵點(diǎn)在于設(shè)置子流域的屬性信息，保證其提供SWMM模型水文模擬所需要的信息，如子流域不透水率、平均坡度與曼尼系數(shù)等。目前SWMM建模中這些屬性信息一般都是人為設(shè)定，操作繁瑣而且精度較差。因此，本發(fā)明基于DEM數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)，利用GIS中的幾何計(jì)算、空間分析、柵格計(jì)算等方法，設(shè)計(jì)算法，完成雨水井子流域?qū)傩孕畔⒓锤咝?、自?dòng)又準(zhǔn)確、精細(xì)的計(jì)算與賦值。所述步驟S6的面向SWMM建模的子流域?qū)傩孕畔⒌挠?jì)算流程如下：

步驟S601：建立X-Coord、Y-Coord和Area屬性(含義分別為子流域質(zhì)心的水平坐標(biāo)、子流域質(zhì)心的垂直坐標(biāo)和子流域面積)，使用GIS矢量圖形幾何計(jì)算工具循環(huán)完成每一子流域的X-Coord、Y-Coord和Area屬性的自動(dòng)計(jì)算。

步驟S602：建立Width屬性(含義為子流域坡面徑流路徑的特征寬度)，采用計(jì)算公式：Width＝Area/MaxLenth(Area為每一子流域的面積，MaxLenth為每一子流域的最大坡面徑流長(zhǎng)度)循環(huán)完成每一子流域Width屬性值的自動(dòng)計(jì)算。Area在步驟S61中已算出，MaxLenth根據(jù)基于DEM的水文分析工具計(jì)算得出。

步驟S603：建立Slope屬性(含義為子流域平均坡度)，將DEM數(shù)據(jù)與子流域圖層進(jìn)行疊加，利用GIS中坡度提取工具，計(jì)算得出每一子流域的Slope屬性值。

步驟S604：建立Imperv屬性(含義為子流域中不透水區(qū)域面積占整個(gè)子流域面積的比例)，分別將每一土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析，計(jì)算得出每一種地表覆蓋類型在該子流域的所占面積，再將所有地表覆蓋類型根據(jù)其自身的透水性和不透水性劃分為兩類，分別為透水地表覆蓋類型和不透水地表覆蓋類型，最后結(jié)合每一地表覆蓋類型在每一子流域的所占面積，計(jì)算出每一子流域Imperv屬性值，計(jì)算公式如下：

Imperv＝(不透水地表覆蓋類型1所占面積+不透水地表覆蓋類型2所占面積+…+不透水地表覆蓋類型N所占面積)/Area

公式中N為不透水地表覆蓋類型種類數(shù)目，Area為每一子流域的面積。

步驟S605：建立N-Imperv屬性(含義為子流域中不透水區(qū)域的曼寧系數(shù))。計(jì)算步驟如下：(1)分別將每一土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析；(2)計(jì)算出每一子流域不透水區(qū)域面積：n-imperv-area；(3)計(jì)算出每一子流域中的不透水區(qū)域中每種地表覆蓋類型所占面積：cover-area；(4)結(jié)合不透水區(qū)域中每種地表覆蓋類型曼寧系數(shù)：manning，加權(quán)計(jì)算出每一子流域的N-Imperv屬性值，計(jì)算公式：

N-Imperv＝manning1×(cover-area1/n-imperv-area)+manning2×(cover-area2/n-imperv-area)+…+manningN×(cover-areaN/n-imperv-area)

公式中N為不透水區(qū)域中地表覆蓋類型種類數(shù)目。

步驟S606：建立N-Perv屬性(含義為子流域中透水區(qū)域的曼寧系數(shù))。計(jì)算步驟如下：(1)分別將每一土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析；(2)計(jì)算出每一子流域透水區(qū)域面積：n-perv-area；(3)計(jì)算出每一子流域中的透水區(qū)域中每種地表覆蓋類型所占面積：cover-area；(4)結(jié)合透水區(qū)域中每種地表覆蓋類型曼寧系數(shù)：manning，加權(quán)計(jì)算出該子流域的N-Perv屬性值，計(jì)算公式：

N-Perv＝manning1×(cover-area1/n-perv-area)+manning2×(cover-area2/n-perv-area)+…+manningN×(cover-areaN/n-perv-area)

公式中N為透水地表覆蓋類型種類數(shù)目。

步驟S607：建立Dstore-Imperv屬性(含義為子流域不透水部分洼地蓄水深度)，分別將每一土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析，計(jì)算每一子流域中不透水區(qū)域中主要的地表覆蓋類型對(duì)應(yīng)的蓄水能力，即為Dstore-Imperv屬性值。

步驟S608：建立Dstore-Perv屬性(含義為子流域透水部分洼地蓄水深度)，分別將每一土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析，計(jì)算每一子流域中透水區(qū)域中主要的地表覆蓋類型對(duì)應(yīng)的蓄水能力，即為Dstore-Perv屬性值。

步驟S609：建立Zero-Imperv屬性(含義為子流域不透水部分有蓄水能力的區(qū)域比例)，基于土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析，分析出不透水區(qū)域中具有蓄水能力的地表覆蓋類型在該子流域的面積占比，從而計(jì)算得出每一子流域Zero-Imperv屬性值。

步驟S610：建立Subarea Routing屬性(含義為子流域內(nèi)透水與不透水區(qū)域之間路徑方式)，其屬性值為：“IMPERV”、“PERV”或“OUTLET”。IMPERV:水流從透水到不透水；PERV:水流從不透水到透水；OUTLET:水流從兩個(gè)區(qū)域直接流向出口。計(jì)算方法如下：(1)將土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析，將子流域中透水和不透水區(qū)域提取出來(lái)，得到子流域透水區(qū)域圖層和不透水區(qū)域圖層；(2)將DEM數(shù)據(jù)分別與透水區(qū)域圖層、不透水區(qū)域圖層以及雨水井圖層做疊加分析，進(jìn)而得出每一子流域透水區(qū)域平均高程、不透水區(qū)域平均高程以及出口高程；(3)判斷：如果透水區(qū)域平均高程大于不透水區(qū)域平均高程則Subarea Routing取值為：IMPERV，如果不透水區(qū)域平均高程大于透水區(qū)域平均高程則Subarea Routing取值為：PERV，如果不透水區(qū)域平均高程等于透水區(qū)域平均高程則Subarea Routing取值為：OUTLET。

進(jìn)一步地，考慮到城市區(qū)域內(nèi)人工建筑設(shè)施數(shù)量之多，是城市流域中的重要組成部分，因此，人工建筑設(shè)施對(duì)雨水流向的影響則為劃分中更為重要的考慮因素。在城市流域中，雨水如若遇到人工建筑設(shè)施則會(huì)沿建筑物邊線流向兩側(cè)或流向反方向，建筑設(shè)施頂部收集的雨水則以建筑物分水線為界限流向不同側(cè)邊。為均勻分配建筑物頂部收集的雨水和避免雨水出現(xiàn)穿越建筑物現(xiàn)象，所述步驟S42中提取每個(gè)河網(wǎng)出水口子流域分割單元對(duì)應(yīng)的建筑分水線的步驟包括：

步驟一：從所述基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)中篩選出建筑物；

步驟二：將相鄰無(wú)縫隙的建筑物合并為一個(gè)要素；

步驟三：將合并完成的矢量建筑物柵格化，并做二值化處理；

步驟四：從二值化處理后的建筑物柵格圖層中提取得到的建筑物分水線。

進(jìn)一步地，為保證劃分的高度自動(dòng)化，綜合考慮自然地形、距離和人工建筑物對(duì)水流方向的影響，在單個(gè)河網(wǎng)出水口流域分割單元內(nèi)，首先假設(shè)地表較平坦且無(wú)建筑物阻隔，依據(jù)區(qū)域距離雨水井的距離遠(yuǎn)近劃分雨水井子流域，然后利用地形分水線和建筑分水線設(shè)計(jì)算法對(duì)其幾何形態(tài)進(jìn)行修改。具體地，所述步驟S44中劃分雨水井子流域的步驟包括：

步驟一：依據(jù)河網(wǎng)出水口子流域分割單元內(nèi)每一城市地表區(qū)域距離雨水井距離的遠(yuǎn)近劃分雨水井子流域，即以河網(wǎng)出水口子流域分割單元內(nèi)所有雨水井為種子點(diǎn)，利用Voronoi圖將距離每一雨水井最近的城市地表區(qū)域劃分為每一雨水井所匯流的雨水井子流域；

步驟二：利用地形分水線和建筑分水線將每一分割單元對(duì)應(yīng)的雨水井子流域中的不合理區(qū)域分離出來(lái)，若不合理區(qū)域個(gè)數(shù)大于零則進(jìn)入步驟三，否則進(jìn)入步驟五；

步驟三：分配不合理區(qū)域，得到分配完成后的雨水井子流域；對(duì)步驟二中分離出來(lái)的所有不合理區(qū)域執(zhí)行如下操作：a：找出不合理區(qū)域的相鄰區(qū)域；b:判斷該相鄰區(qū)域是否被地形分水線或建筑分水線阻隔，如未被阻隔，則將該區(qū)域加入待分配區(qū)域；c：以地形分水線和建筑分水線和距離為約束條件，將不合理區(qū)域按待分配區(qū)域的個(gè)數(shù)N分割成M(M<＝N，部分不符合條件區(qū)域被剔除)塊；d：將M塊區(qū)域與其對(duì)應(yīng)的待分配相鄰區(qū)域合并；e：得到分配完成后的雨水井子流域。完成對(duì)所有不合理區(qū)域分配后，進(jìn)入步驟四；

步驟四：再次利用地形分水線和建筑分水線檢查步驟三中得到的雨水井子流域是否出現(xiàn)新的不合理區(qū)域，若出現(xiàn)則返回步驟三，否則進(jìn)入步驟五；

步驟五：將每一河網(wǎng)出水口分割單元對(duì)應(yīng)得到的合理雨水井子流域合并到一個(gè)圖層，得到整個(gè)流域中完整的雨水井子流域。

進(jìn)一步地，所述的封閉區(qū)域?yàn)樘崛》炙€或河網(wǎng)出水口邊線時(shí)的局部誤差所導(dǎo)致的少量區(qū)域內(nèi)的雨水被地形分水線、建筑分水線、河網(wǎng)出水口子流域邊線、河網(wǎng)出水口分割單元邊線中的兩種或兩種以上類型的先所包圍而無(wú)法流向任意雨水井的區(qū)域。

進(jìn)一步地，步驟S55中所述的第一優(yōu)先級(jí)別方式為建筑分水線＞地形分水線＞河網(wǎng)出水口分割單元邊線＞河網(wǎng)出水口子流域邊線；第二優(yōu)先級(jí)別方式為建筑分水線＞河網(wǎng)出水口分割單元邊線＞地形分水線＞河網(wǎng)出水口子流域邊線。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的面向SWMM建模與顧及多要素的城市區(qū)域子流域自動(dòng)劃分方法的技術(shù)效果在于：

1.綜合考慮地形、水系、道路、人工建筑設(shè)施和雨水管網(wǎng)等多要素對(duì)城市地表雨水匯流過(guò)程的影響，尤其是城市局部流域中人工建筑設(shè)施和地面起伏對(duì)雨水流向的改變作用，汲取目前存在的子流域手動(dòng)劃分和自動(dòng)劃分的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)城市大面積區(qū)域內(nèi)即準(zhǔn)確、又高效的子流域自動(dòng)劃分。

2.充分考慮城市地表的復(fù)雜性，尤其是人工設(shè)施造成的地形與下墊面覆蓋的突變性，顧及城市地形、水系、道路、人工建筑設(shè)施和雨水管網(wǎng)等多要素，實(shí)現(xiàn)較高程度的子流域劃分(包括幾何形態(tài)的確定和屬性信息的賦值)自動(dòng)化，解決了高質(zhì)量的SWMM模型在城市內(nèi)澇應(yīng)用中建模難度大，應(yīng)用門檻很高，建模效率低等問(wèn)題。

3.提供SWMM建模所需要的較為精確的子流域空間與屬性信息，大幅度提高了SWMM模擬的數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量與效率，使得SWMM模擬結(jié)果能夠更為準(zhǔn)確的起到預(yù)測(cè)、預(yù)防以及緩解城市洪水的作用。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹。在所有附圖中，類似的元件或部分一般由類似的附圖標(biāo)記標(biāo)識(shí)。附圖中，各元件或部分并不一定按照實(shí)際的比例繪制。

圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的面向SWMM建模與顧及多要素的城市區(qū)域子流域自動(dòng)劃分方法的流程圖；

圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的面向SWMM建模與顧及多要素的城市區(qū)域子流域自動(dòng)劃分方法的具體應(yīng)用框圖；

圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的一河網(wǎng)出水口子流域分割單元unit1按距離劃分的雨水井子流域與不合理劃分區(qū)域分布圖；

圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的一河網(wǎng)出水口子流域分割單元unit1劃分得到的合理雨水井子流域分布圖；

圖5示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的面向SWMM建模與顧及多要素的城市區(qū)域子流域自動(dòng)劃分方法的雨水井子流域劃分算法流程圖；

圖6示出了本發(fā)明實(shí)施例所提供的面向SWMM建模與顧及多要素的城市區(qū)域子流域自動(dòng)劃分方法的子流域封閉區(qū)域局部修正算法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，因此只是作為示例，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。需要注意的是，除非另有說(shuō)明，本申請(qǐng)使用的技術(shù)術(shù)語(yǔ)或者科學(xué)術(shù)語(yǔ)應(yīng)當(dāng)為本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的通常意義。下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：

根據(jù)圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了面向SWMM建模與顧及多要素的城市區(qū)域子流域自動(dòng)劃分方法，具體包括以下步驟：

步驟S1：使用待劃分區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)以及雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行該區(qū)域的子流域自動(dòng)建模；

步驟S2：對(duì)待劃分區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)做處理，確定水流流向，遵循地形得出河網(wǎng)出水口子流域；

步驟S3：從待劃分區(qū)域的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)中提取得到道路線和河流邊線，與所述河網(wǎng)出水口子流域疊加，做分割處理，得出河網(wǎng)出水口子流域分割單元；

步驟S4：基于所述河網(wǎng)出水口子流域分割單元、DEM數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)以及雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)劃分得到所有河網(wǎng)出水口子流域分割單元內(nèi)的雨水井子流域；

步驟S5：將所述河網(wǎng)出水口子流域分割單元的雨水井子流域合并后進(jìn)行拓?fù)錂z查與局部修正得到待劃分區(qū)域子流域的最終幾何形態(tài)；

步驟S6：基于待劃分區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)設(shè)置待劃分區(qū)域子流域的屬性信息，進(jìn)行面向SWMM建模的子流域?qū)傩孕畔⒌淖詣?dòng)計(jì)算。

本實(shí)施例中，使用某區(qū)域(面積415.34ha)的DEM數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)以及雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，完成該區(qū)域的子流域自動(dòng)建模。區(qū)域水系面積占比19.19％，人工建筑設(shè)施面積占比26.25％，地表不滲透率約為58％，主干道路長(zhǎng)度23.58km，雨水管網(wǎng)總長(zhǎng)度54.47km。該區(qū)域覆蓋有水系、公園、學(xué)校、廣場(chǎng)、商業(yè)區(qū)、居民區(qū)等，是一個(gè)構(gòu)成完整的城市流域。

實(shí)施步驟如下如圖2所示：

步驟一：對(duì)該區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)做填洼處理，利用無(wú)洼地DEM數(shù)據(jù)，分析該區(qū)域內(nèi)的河網(wǎng)分布，并確定水流流向，得出河網(wǎng)出水口，再提取各河道單元出水口對(duì)應(yīng)的子流域外界輪廓，對(duì)比排水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與河道單元空間位置，建立兩者之間的空間拓?fù)潢P(guān)系，最終劃分得到河網(wǎng)出水口子流域。

步驟二：從該區(qū)域的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)中提取得到道路線和河流邊線，將它們合并為一個(gè)圖層，利用該圖層與步驟一中得到的河網(wǎng)出水口子流域疊加，做分割處理，得到河網(wǎng)出水口子流域分割單元。

步驟三：利用該區(qū)域DEM數(shù)據(jù)、雨水管網(wǎng)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)以及步驟二中得到的河網(wǎng)出水口子流域分割單元?jiǎng)澐值玫接晁恿饔?。詳?xì)步驟如下：

步驟(1)：提取河網(wǎng)出水口子流域分割單元對(duì)應(yīng)地形分水線。利用整個(gè)區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)提取地面的平面曲率、地面正地形以及地面負(fù)地形，取正地形上平面曲率的大值并做矢量化處理即可得到整個(gè)區(qū)域的地形分水線。將整個(gè)區(qū)域地形分水線分割為河網(wǎng)出水口子流域分割單元對(duì)應(yīng)區(qū)域，得到每個(gè)分割單元對(duì)應(yīng)地形分水線圖層。

步驟(2)：提取河網(wǎng)出水口子流域分割單元對(duì)應(yīng)建筑分水線。①?gòu)恼麄€(gè)區(qū)域基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)中篩選出建筑物；②將相鄰且無(wú)縫隙的建筑物合并為一個(gè)要素；③將合并完成的矢量建筑物柵格化，并做二值化處理；④從二值化處理后的建筑物柵格圖層中提取得到建筑物分水線；⑤將整個(gè)區(qū)域地形分水線分割為河網(wǎng)出水口子流域分割單元對(duì)應(yīng)區(qū)域，得到每個(gè)分割單元對(duì)應(yīng)建筑分水線圖層。

步驟(3)：提取河網(wǎng)出水口子流域分割單元對(duì)應(yīng)雨水井。從雨水管點(diǎn)圖層中篩選出所有雨水井要素，導(dǎo)出雨水井要素得到雨水井圖層，并將該圖層分割為河網(wǎng)出水口子流域分割單元對(duì)應(yīng)區(qū)域，得到每個(gè)分割單元對(duì)應(yīng)雨水井圖層。

步驟(4)：劃分雨水井子流域。如圖5所示，對(duì)每個(gè)河網(wǎng)出水口子流域分割單元做如下操作(這里以河網(wǎng)出水口子流域分割單元—unit1為例進(jìn)行說(shuō)明)：

步驟①：基于unit1對(duì)應(yīng)的雨水井圖層，按距離劃分得到雨水井子流域，如圖3上圖所示。

步驟②：利用地形分水線和建筑分水線將步驟①中得到的雨水井子流域中出現(xiàn)雨水爬坡或雨水穿越建筑物現(xiàn)象的不合理區(qū)域分離出來(lái)，得到多個(gè)不合理區(qū)域，如圖3下圖所示：進(jìn)入步驟③

步驟③：分配不合理區(qū)域。對(duì)步驟②中分離出來(lái)的所有不合理區(qū)域執(zhí)行如下步驟：如圖5所示：a：找出不合理區(qū)域的相鄰區(qū)域，進(jìn)入步驟b；b：遍歷判斷每個(gè)相鄰區(qū)域是否被地形分水線或建筑分水線阻隔，如未被阻隔，則將該區(qū)域加入待分配區(qū)域，遍歷完成后進(jìn)入步驟c；c：以地形分水線和建筑分水線和距離為約束條件，將不合理區(qū)域按待分配區(qū)域的個(gè)數(shù)N分割成M(M<＝N，部分不符合條件區(qū)域被剔除)塊，分割完成后進(jìn)入步驟d；d：將M塊區(qū)域與其對(duì)應(yīng)的待分配相鄰區(qū)域合并，合并完成后進(jìn)入步驟e；e：得到分配完成后的雨水井子流域。完成所有不合理區(qū)域的分配后，進(jìn)入步驟④。

步驟④：再次利用地形分水線和建筑分水線檢查步驟③中得到的雨水井子流域是否出現(xiàn)新的不合理區(qū)域，如出現(xiàn)則進(jìn)入步驟③，否則進(jìn)入步驟⑤。

步驟⑤：最終得到unit1合理雨水井子流域，如圖4所示。

步驟(5)：合并每個(gè)河網(wǎng)出水口分割單元對(duì)應(yīng)的雨水井子流域圖層為一個(gè)圖層。

步驟(6)：子流域封閉區(qū)域局部修正與拓?fù)錂z查。最終得到整個(gè)區(qū)域的雨水井子流域幾何形態(tài)。

1)子流域封閉區(qū)域局部修正，步驟如下，如圖6所示：

步驟①：該區(qū)域雨水井圖層與步驟(3)中得到的雨水井子流域所在圖層疊加作空間相交操作，進(jìn)入步驟②。

步驟②：刪選得到封閉區(qū)域，進(jìn)入步驟③。

步驟③：遍歷并修正②中封閉區(qū)域，操作如步驟④～步驟⑦，遍歷修正完成后進(jìn)入步驟⑧。

步驟④：判斷封閉區(qū)域是否與某水系相鄰，若滿足條件，則該區(qū)域雨水流向水系，否則進(jìn)入步驟⑤。

步驟⑤：判斷封閉區(qū)域是否與整個(gè)流域邊界區(qū)域相鄰，若滿足條件，則直接刪除該封閉區(qū)域，否則進(jìn)入步驟⑥。

步驟⑥：判斷該區(qū)域是否出現(xiàn)在道路上，或與道路相交，若滿足條件，則采取定義封閉區(qū)域邊界類型優(yōu)先級(jí)別的方式進(jìn)行修正。優(yōu)先級(jí)別如下：建筑分水線>地形分水線>河網(wǎng)出水口分割單元邊線>河網(wǎng)出水口子流域邊線。若不滿足條件，進(jìn)入步驟⑦。

步驟⑦：采取定義封閉區(qū)域邊界類型優(yōu)先級(jí)別的方式進(jìn)行修正。優(yōu)先級(jí)別如下：建筑分水線>河網(wǎng)出水口分割單元邊線>地形分水線>河網(wǎng)出水口子流域邊線。

步驟⑧：完成子流域封閉區(qū)域局部修正后得到修正后雨水井子流域。

2)通過(guò)ArcGIS軟件里自帶的拓?fù)錂z查工具完成該區(qū)域子流域劃分結(jié)果的拓?fù)錂z查。

步驟(7)：利用該區(qū)域DEM數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)，完成雨水井子流域?qū)傩孕畔⒌挠?jì)算與賦值。計(jì)算步驟如下：

步驟1)：建立X-Coord、Y-Coord和Area屬性，使用GIS矢量圖形幾何計(jì)算工具循環(huán)完成每一子流域的X-Coord、Y-Coord和Area屬性的自動(dòng)計(jì)算。

步驟2)：建立Width屬性，采用計(jì)算公式：Width＝Area/MaxLenth循環(huán)完成每一子流域Width屬性值的自動(dòng)計(jì)算。Area在步驟1)中已算出，MaxLenth根據(jù)基于DEM的水文分析工具計(jì)算得出。

步驟3)：建立Slope屬性，將DEM數(shù)據(jù)與子流域圖層進(jìn)行疊加，利用GIS中坡度提取工具，計(jì)算得出每一子流域的Slope屬性值。

步驟4)：建立Imperv屬性，分別將該區(qū)域每一土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析，計(jì)算得出每一種地表覆蓋類型在該子流域的所占面積，再將所有地表覆蓋類型根據(jù)其自身的透水性和不透水性劃分為兩類，分別為透水地表覆蓋類型和不透水地表覆蓋類型，最后結(jié)合每一地表覆蓋類型在每一子流域的所占面積，計(jì)算出每一子流域Imperv屬性值，計(jì)算公式：

Imperv＝(不透水地表覆蓋類型1所占面積+不透水地表覆蓋類型2所占面積+…+不透水地表覆蓋類型N所占面積)/Area。

步驟5)：建立N-Imperv屬性。計(jì)算步驟如下：①分別將該區(qū)域每一土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析；②計(jì)算出每一子流域不透水區(qū)域面積：n-imperv-area；③計(jì)算出每一子流域中的不透水區(qū)域中每種地表覆蓋類型所占面積：cover-area；④結(jié)合不透水區(qū)域中每種地表覆蓋類型曼寧系數(shù)：manning，加權(quán)計(jì)算出每一子流域的N-Imperv屬性值，計(jì)算公式：

N-Imperv＝manning1×(cover-area1/n-imperv-area)+manning2×(cover-area2/n-imperv-area)+…+manningN×(cover-areaN/n-imperv-area)

步驟6)：建立N-Perv屬性。計(jì)算步驟如下：①分別將每一土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析；②計(jì)算出每一子流域透水區(qū)域面積：n-perv-area；③計(jì)算出每一子流域中的透水區(qū)域中每種地表覆蓋類型所占面積：cover-area；④結(jié)合透水區(qū)域中每種地表覆蓋類型曼寧系數(shù)：manning，加權(quán)計(jì)算出該子流域的N-Perv屬性值，計(jì)算公式：

N-Perv＝manning1×(cover-area1/n-perv-area)+manning2×(cover-area2/n-perv-area)+…+manningN×(cover-areaN/n-perv-area)

步驟7)：建立Dstore-Imperv屬性，分別將該區(qū)域每一土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析，計(jì)算每一子流域中不透水區(qū)域中主要的地表覆蓋類型對(duì)應(yīng)的蓄水能力，即為Dstore-Imperv屬性值。

步驟8)：建立Dstore-Perv屬性，分別將每一土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析，計(jì)算每一子流域中透水區(qū)域中主要的地表覆蓋類型對(duì)應(yīng)的蓄水能力，即為Dstore-Perv屬性值。

步驟9)：建立Zero-Imperv屬性，利用該區(qū)域土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析，分析出不透水區(qū)域中具有蓄水能力的地表覆蓋類型在該子流域的面積占比，從而計(jì)算得出每一子流域Zero-Imperv屬性值。

步驟10)：建立Subarea Routing屬性，計(jì)算方法如下：①將土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)圖層與子流域圖層進(jìn)行疊加分析，將子流域中透水和不透水區(qū)域提取出來(lái)，得到子流域透水區(qū)域圖層和不透水區(qū)域圖層；②將DEM數(shù)據(jù)分別與透水區(qū)域圖層、不通水區(qū)域圖層以及雨水井圖層做疊加分析，進(jìn)而得出每一子流域透水區(qū)域平均高程、不透水區(qū)域平均高程以及出口高程；③判斷：如果透水區(qū)域平均高程大于不透水區(qū)域平均高程則Subarea Routing取值為：IMPERV，如果不透水區(qū)域平均高程大于透水區(qū)域平均高程則Subarea Routing取值為：PERV，如果不透水區(qū)域平均高程等于透水區(qū)域平均高程則Subarea Routing取值為：OUTLET。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說(shuō)明書的范圍當(dāng)中。