劉 斌，唐雅玲，馬晨燕，白少云

(1.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021；2.武漢大學資源與環(huán)境科學學院，湖北 武漢 430079)

在日益復(fù)雜的全球氣候變化、海平面上升與不斷深入的城鎮(zhèn)化過程的耦合作用下，城市的防洪安全正面臨著嚴重的威脅。在分析國內(nèi)外城市洪澇災(zāi)害研究過程中發(fā)現(xiàn)，基于情景模擬分析的災(zāi)情模擬、動態(tài)顯示及預(yù)警研究將成為今后災(zāi)害風險評估研究的必然趨勢[1]?？偟膩碚f，基于情景模擬分析的洪澇風險評估方法至今已形成了較為完善的模型體系[2-6]。但該方法對研究區(qū)地理數(shù)據(jù)的完整性及精度要求較高，包括地形圖、河網(wǎng)數(shù)據(jù)、地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)、高精度DEM、地表覆蓋數(shù)據(jù)等，若要進一步提高風險評估的準確性，從提高城市雨洪模型的精度出發(fā)是一個很好的思路。

目前，數(shù)字城市三維建模的數(shù)據(jù)主要來源于航空影像、衛(wèi)星影像和近景影像3種類型。建模的方法主要為測量建模，而無論是基于傳統(tǒng)的航空攝影測量還是機載LiDAR的三維建模都需要耗費大量的生產(chǎn)成本，且構(gòu)建的三維模型存在建筑物側(cè)面紋理信息不足、遮擋嚴重或覆蓋范圍有限的問題，均難以生成滿足精度需求的城市三維模型[7-10]。利用傾斜攝影方式，獲取更高分辨率更豐富細節(jié)表現(xiàn)的多視影像，制作實景三維模型，既可以為城市洪澇模型提供高精度地理信息支持，又能增強情景模擬分析的動態(tài)演示[11-15]。本文提出基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)，結(jié)合GIS空間分析能力及情景模擬分析方法，從提高城市實景模型精度方面對城市雨洪進行模擬分析。

1 傾斜攝影測量技術(shù)輔助雨澇災(zāi)情模擬

傾斜攝影測量技術(shù)是充分吸收了近幾年來視覺測量領(lǐng)域的最新成果而逐步發(fā)展起來的一項新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，傾斜方式可獲取到豐富的地物頂部及側(cè)面的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物現(xiàn)狀，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的地表三維模型[9]。與傳統(tǒng)攝影測量產(chǎn)生的數(shù)字地表模型不同，傾斜攝影測量獲得的真三維模型采用空間三角網(wǎng)的方式描述，能描述地表復(fù)雜的地物，如房屋、街道、橋梁、陡坡、溝壑、公園、施工現(xiàn)場等。無人機搭載輕型傾斜攝影測量系統(tǒng)可在城市低空200～500 m的高度進行快速的多視角影像采集，一架無人機可在幾天之內(nèi)完成幾十平方千米的城市多視角影像采集。使用地面控制點，通過軟件大規(guī)模并行計算，實現(xiàn)基于海量影像的區(qū)域網(wǎng)平差解算，獲取影像外方位元素，進而以多機GPU并行加速為核心，實現(xiàn)城市三維模型的重建。重建的實景模型結(jié)構(gòu)完整，紋理清晰，在準確性和效率上都優(yōu)于人工建模。

基于無人機傾斜攝影測量的方式已經(jīng)逐漸成為數(shù)字城市三維建模的主要技術(shù)手段，帶有地理信息的實景模型為城市洪澇分析提供重要的基礎(chǔ)信息，很好地彌補了傳統(tǒng)建模手段受限于數(shù)據(jù)分辨率過低而導致三維模型的精度較低的不足?；谥亟ㄈS模型，結(jié)合GIS空間分析及情景模擬，能夠增強災(zāi)情模擬動態(tài)展示，為雨澇災(zāi)害防治提供服務(wù)。無人機傾斜攝影輔助雨澇災(zāi)害分析技術(shù)路線如圖1所示。

2 基于Smart3D的城市三維重建

(1)工程準備。將外業(yè)采集回來的原始數(shù)據(jù)根據(jù)不同視角的相機分別存儲，完成Smart3D工作集群建立后新建Smart3D工程，將準備好的影像文件、相機文件和POS文件導入Smart3D。

(2)空中三角測量。準確的相機外方位元素是三維重建的必要條件，通過自動連接點提取和地面控制點控制，完成空中三角測量。

(3)三維重建。在本文的試驗環(huán)境下，慮及計算器集群的硬件設(shè)置及處理效率，進行了分塊處理。對若干個瓦片進行單獨的重建，按照密集點云生成、TIN模型構(gòu)建和紋理自動映射3個步驟完成帶有LOD金字塔結(jié)構(gòu)的三維模型的構(gòu)建，得到如圖2所示的三維實景模型。

通過建立的三維實景模型可實現(xiàn)研究區(qū)的量測，包括任意點的三維坐標信息、建筑高度面積信息等。然而，僅僅進行簡單的量測并不能實現(xiàn)城市雨洪的風險分析，借助于Smart3D強大的數(shù)據(jù)生產(chǎn)功能，生成0.1 m精度的DSM和DOM數(shù)據(jù)產(chǎn)品。通過無人機傾斜實景建模手段生產(chǎn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品在影像色彩、紋理精細程度上都優(yōu)于常規(guī)方式生產(chǎn)的產(chǎn)品效果，更有利于進一步的研究分析。

3 基于情景模擬的城市雨洪風險評估

3.1 研究區(qū)處理

由于原始數(shù)據(jù)產(chǎn)品為分塊影像，處理前先進行影像鑲嵌，大致勾畫出研究區(qū)邊界，得到矢量面數(shù)據(jù)，然后利用研究區(qū)邊界裁剪DOM、DSM，剔除不相關(guān)的數(shù)據(jù)。

結(jié)合高精度正射影像及Acute3D Viewer，對研究區(qū)域內(nèi)的房屋屋頂輪廓進行矢量化處理。盡管結(jié)合Acute3D Viewer的三維觀察，可以盡可能地提高輪廓的精度，但是由于是人工手動矢量化處理，加上在三維視角下不可避免的房屋遮擋的因素，仍會存在一定的誤差。圖3分別為研究區(qū)域DOM、DSM及矢量化圖。

3.2 城市降雨情景模擬

3.2.1 城市暴雨模型

降雨是內(nèi)澇災(zāi)害發(fā)生的主要致災(zāi)源，降雨量是風險評估中的主要驅(qū)動變量。城市的降雨表現(xiàn)出在時間和空間分布上的不均勻性。本文城市暴雨模型利用研究區(qū)本地的暴雨強度公式，計算出降雨過程中任意時間段內(nèi)的平均降雨強度，模擬暴雨在時間上的變化特征。因為本文選取的研究區(qū)域較小，且地理環(huán)境特征較為一致，在本文中假設(shè)研究區(qū)是一個封閉的區(qū)域，不考慮與相鄰區(qū)域的連通性，并假設(shè)降雨在空間上均勻分布，根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)行的暴雨強度公式，按不同歷時，計算不同重現(xiàn)期內(nèi)的暴雨強度，該暴雨強度乘以降雨歷時即可得到整個研究區(qū)內(nèi)的降雨總量，然后將降雨量均勻分布于整個研究區(qū)范圍內(nèi)，根據(jù)暴雨強度公式求出的暴雨強度單位為L/(S·ha)，為了統(tǒng)一量綱(暴雨強度單位為mm/h)，對原公式進行修正后，其表達式為

(1)

式中，T表示暴雨重現(xiàn)期,單位為a；q表示暴雨強度；t表示降雨歷時。

在城市降雨過程中，會產(chǎn)生各種不同程度的徑流損失，如由于城市地表的不平整產(chǎn)生的植被截留、蒸散發(fā)、下滲、地下徑流等，實際應(yīng)用中不可忽略這些因素對徑流量的影響。而在本文中，由于數(shù)據(jù)的缺失，則不考慮這些徑流損失的影響，將研究區(qū)內(nèi)的降雨總量作為徑流量。在城市產(chǎn)匯流過程中，還需要考慮城市的排水能力，在本文中，研究區(qū)域的排水標準按照一年一遇(48 mm/h)的降雨強度設(shè)計，在排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)無法獲取的情況下，假設(shè)研究區(qū)內(nèi)排水管網(wǎng)的空間分布與排水能力一致。因此，最終研究區(qū)內(nèi)的內(nèi)澇積水量通過徑流量與排水量的差，乘以研究區(qū)面積計算得出。其公式表示為

W=(Q-V)×S

(2)

式中，W表示內(nèi)澇積水量；Q表示徑流量；V表示排水量(48 mm/h)；S表示研究區(qū)面積。

3.2.2 城市暴雨內(nèi)澇情景模擬

城市暴雨降水往往集中在前1～2 h內(nèi)，且氣象和市政工程暴雨計算標準也多參考1 h降雨量，因此，本文模擬了研究區(qū)內(nèi)1 h降雨歷時下重現(xiàn)期為5、10、20、50、200、500和1000 a的城市暴雨內(nèi)澇情景。根據(jù)計算得出研究區(qū)的總積水量，假設(shè)積水處于相對靜止狀態(tài)，采用簡化的處理方式，基于研究區(qū)高精度DSM，模擬內(nèi)澇淹沒區(qū)域和淹沒深度。將暴雨內(nèi)澇看作一種無源淹沒狀態(tài)，凡是高程值低于水位值的區(qū)域均計入淹沒區(qū)，借助Python的Arcpy模塊實現(xiàn)一定積水量下研究區(qū)域的淹沒面積和淹沒水面的高程值的計算，注意該淹沒水位高程為水準高程。其編程思想為：假設(shè)洪水的淹沒水面永遠是一個水平面，首先設(shè)定一個水位值，用該水位值作為高程屬性值的一個水平面，去切研究區(qū)DSM，得到該水位值對應(yīng)的水平面與DSM之間的庫容量；然后比較庫容量與積水量，若積水量小于庫容量，則減小設(shè)定的水位值，若積水量大于庫容量，則增加水位值，通過不斷調(diào)整水位值，讓庫容量漸漸逼近積水量，若庫容量等于積水量，則對應(yīng)的水位值就是洪水最終淹沒水面的高程值；最后根據(jù)上述方法，計算出研究區(qū)內(nèi)不同降雨情景下的淹沒水位、淹沒水位以及淹沒區(qū)面積，由于在重現(xiàn)期為5、10時，研究區(qū)內(nèi)除了低洼的水塘外幾乎沒有淹沒情況，則最終顯示重現(xiàn)期分別為20、50、200、500和1000 a的淹沒情況。

在實際應(yīng)用時，要分布式地考慮地物的蓄滯屬性和透水性，特別是在本次試驗中，在影像圖上，可以看到研究區(qū)內(nèi)分布著較多植被，在每個柵格點的高程值里，每個植被都有其高程屬性，對研究區(qū)進行淹沒分析時，會發(fā)現(xiàn)在一定高程下，植被會被歸為未被淹沒的區(qū)域，因此，在作實際淹沒分析時需要剔除掉植被對淹沒分布的影響。在本次試驗中，結(jié)合正射影像將研究區(qū)內(nèi)的植被勾畫出來，并利用三維模型對植被高程進行量測，給植被賦予高度值，以近似地剔除掉植被對淹沒結(jié)果的影響，修正公式為

Vij=Dij-Hij(i=1,2，…,n;j=1,2，…,m)

(3)

式中，i表示行數(shù)；j表示列數(shù)；Vij表示修改后的柵格單元的值；Dij代表原地形柵格單元值；Hij表示植被高度柵格單元值。根據(jù)經(jīng)植被修正后的研究區(qū)進行計算分析，分別統(tǒng)計不同降雨情景下的研究區(qū)淹沒情況(見表1)。

表1 不同重現(xiàn)期下的淹沒情況

3.3 城市雨洪風險等級評估

根據(jù)3.2節(jié)通過模擬不同重現(xiàn)期下研究區(qū)的淹沒情況，用不同的淹沒水位裁切淹沒區(qū)域則可以得到淹沒區(qū)不同的淹沒深度，以淹沒深度作為風險評估的關(guān)鍵指標，借鑒其他文獻的風險評價方法，將本文研究區(qū)暴雨洪澇災(zāi)害風險程度劃分為6個等級，見表2。

表2 城市雨洪風險等級

不同重現(xiàn)期下研究區(qū)的淹沒深度分布如圖4所示，并利用高精度的影像和高程信息，使用Terra Builder制作MPT文件，然后使用Terra Explorer Pro進行淹沒場景的三維展示，可以很直觀地觀測到研究區(qū)在不同降雨情景下各個區(qū)域的淹沒情況，包括淹沒范圍、淹沒深度情況等。

通過模擬研究區(qū)域不同重現(xiàn)期下的暴雨情況，可以得到不同重現(xiàn)期下研究區(qū)的淹沒情況，通過對淹沒水深的提取及不同淹沒水深下研究區(qū)淹沒情況的三維顯示，可以很直觀地看到研究區(qū)內(nèi)每個地方的淹沒情況，為城市建筑的規(guī)劃布局提供一定的參考價值。

4 結(jié) 語

傾斜攝影技術(shù)基于多視影像，有效解決了傳統(tǒng)航測建模方式建筑物側(cè)面信息缺失的問題，且其產(chǎn)品更加豐富，在生產(chǎn)實景三維模型的同時也能生產(chǎn)DOM、DSM等多種產(chǎn)品，大大增強了產(chǎn)品使用范圍，滿足不同工程需求。本文以淹沒深度為關(guān)鍵指標進行研究區(qū)洪澇風險的評估，基于Terra Explorer Pro的不同降雨情景下的淹沒三維模擬，直觀表達了淹沒區(qū)的分布隨淹沒水位的抬升的變化情況，為城市防洪減災(zāi)決策、制定城市發(fā)展規(guī)劃和土地利用規(guī)劃，提高城市對洪澇災(zāi)害的適應(yīng)能力提供了可借鑒的方法。