刘 斌，唐雅玲，马晨燕，白少云

(1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021；2.武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079)

在日益复杂的全球气候变化、海平面上升与不断深入的城镇化过程的耦合作用下，城市的防洪安全正面临着严重的威胁。在分析国内外城市洪涝灾害研究过程中发现，基于情景模拟分析的灾情模拟、动态显示及预警研究将成为今后灾害风险评估研究的必然趋势[1]。总的来说，基于情景模拟分析的洪涝风险评估方法至今已形成了较为完善的模型体系[2-6]。但该方法对研究区地理数据的完整性及精度要求较高，包括地形图、河网数据、地下管网数据、高精度DEM、地表覆盖数据等，若要进一步提高风险评估的准确性，从提高城市雨洪模型的精度出发是一个很好的思路。

目前，数字城市三维建模的数据主要来源于航空影像、卫星影像和近景影像3种类型。建模的方法主要为测量建模，而无论是基于传统的航空摄影测量还是机载LiDAR的三维建模都需要耗费大量的生产成本，且构建的三维模型存在建筑物侧面纹理信息不足、遮挡严重或覆盖范围有限的问题，均难以生成满足精度需求的城市三维模型[7-10]。利用倾斜摄影方式，获取更高分辨率更丰富细节表现的多视影像，制作实景三维模型，既可以为城市洪涝模型提供高精度地理信息支持，又能增强情景模拟分析的动态演示[11-15]。本文提出基于无人机倾斜摄影测量技术，结合GIS空间分析能力及情景模拟分析方法，从提高城市实景模型精度方面对城市雨洪进行模拟分析。

1 倾斜摄影测量技术辅助雨涝灾情模拟

倾斜摄影测量技术是充分吸收了近几年来视觉测量领域的最新成果而逐步发展起来的一项新的数据采集技术，倾斜方式可获取到丰富的地物顶部及侧面的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物现状，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的地表三维模型[9]。与传统摄影测量产生的数字地表模型不同，倾斜摄影测量获得的真三维模型采用空间三角网的方式描述，能描述地表复杂的地物，如房屋、街道、桥梁、陡坡、沟壑、公园、施工现场等。无人机搭载轻型倾斜摄影测量系统可在城市低空200～500 m的高度进行快速的多视角影像采集，一架无人机可在几天之内完成几十平方千米的城市多视角影像采集。使用地面控制点，通过软件大规模并行计算，实现基于海量影像的区域网平差解算，获取影像外方位元素，进而以多机GPU并行加速为核心，实现城市三维模型的重建。重建的实景模型结构完整，纹理清晰，在准确性和效率上都优于人工建模。

基于无人机倾斜摄影测量的方式已经逐渐成为数字城市三维建模的主要技术手段，带有地理信息的实景模型为城市洪涝分析提供重要的基础信息，很好地弥补了传统建模手段受限于数据分辨率过低而导致三维模型的精度较低的不足。基于重建三维模型，结合GIS空间分析及情景模拟，能够增强灾情模拟动态展示，为雨涝灾害防治提供服务。无人机倾斜摄影辅助雨涝灾害分析技术路线如图1所示。

2 基于Smart3D的城市三维重建

(1)工程准备。将外业采集回来的原始数据根据不同视角的相机分别存储，完成Smart3D工作集群建立后新建Smart3D工程，将准备好的影像文件、相机文件和POS文件导入Smart3D。

(2)空中三角测量。准确的相机外方位元素是三维重建的必要条件，通过自动连接点提取和地面控制点控制，完成空中三角测量。

(3)三维重建。在本文的试验环境下，虑及计算器集群的硬件设置及处理效率，进行了分块处理。对若干个瓦片进行单独的重建，按照密集点云生成、TIN模型构建和纹理自动映射3个步骤完成带有LOD金字塔结构的三维模型的构建，得到如图2所示的三维实景模型。

通过建立的三维实景模型可实现研究区的量测，包括任意点的三维坐标信息、建筑高度面积信息等。然而，仅仅进行简单的量测并不能实现城市雨洪的风险分析，借助于Smart3D强大的数据生产功能，生成0.1 m精度的DSM和DOM数据产品。通过无人机倾斜实景建模手段生产的数据产品在影像色彩、纹理精细程度上都优于常规方式生产的产品效果，更有利于进一步的研究分析。

3 基于情景模拟的城市雨洪风险评估

3.1 研究区处理

由于原始数据产品为分块影像，处理前先进行影像镶嵌，大致勾画出研究区边界，得到矢量面数据，然后利用研究区边界裁剪DOM、DSM，剔除不相关的数据。

结合高精度正射影像及Acute3D Viewer，对研究区域内的房屋屋顶轮廓进行矢量化处理。尽管结合Acute3D Viewer的三维观察，可以尽可能地提高轮廓的精度，但是由于是人工手动矢量化处理，加上在三维视角下不可避免的房屋遮挡的因素，仍会存在一定的误差。图3分别为研究区域DOM、DSM及矢量化图。

3.2 城市降雨情景模拟

3.2.1 城市暴雨模型

降雨是内涝灾害发生的主要致灾源，降雨量是风险评估中的主要驱动变量。城市的降雨表现出在时间和空间分布上的不均匀性。本文城市暴雨模型利用研究区本地的暴雨强度公式，计算出降雨过程中任意时间段内的平均降雨强度，模拟暴雨在时间上的变化特征。因为本文选取的研究区域较小，且地理环境特征较为一致，在本文中假设研究区是一个封闭的区域，不考虑与相邻区域的连通性，并假设降雨在空间上均匀分布，根据研究区现行的暴雨强度公式，按不同历时，计算不同重现期内的暴雨强度，该暴雨强度乘以降雨历时即可得到整个研究区内的降雨总量，然后将降雨量均匀分布于整个研究区范围内，根据暴雨强度公式求出的暴雨强度单位为L/(S·ha)，为了统一量纲(暴雨强度单位为mm/h)，对原公式进行修正后，其表达式为

(1)

式中，T表示暴雨重现期,单位为a；q表示暴雨强度；t表示降雨历时。

在城市降雨过程中，会产生各种不同程度的径流损失，如由于城市地表的不平整产生的植被截留、蒸散发、下渗、地下径流等，实际应用中不可忽略这些因素对径流量的影响。而在本文中，由于数据的缺失，则不考虑这些径流损失的影响，将研究区内的降雨总量作为径流量。在城市产汇流过程中，还需要考虑城市的排水能力，在本文中，研究区域的排水标准按照一年一遇(48 mm/h)的降雨强度设计，在排水管网数据无法获取的情况下，假设研究区内排水管网的空间分布与排水能力一致。因此，最终研究区内的内涝积水量通过径流量与排水量的差，乘以研究区面积计算得出。其公式表示为

W=(Q-V)×S

(2)

式中，W表示内涝积水量；Q表示径流量；V表示排水量(48 mm/h)；S表示研究区面积。

3.2.2 城市暴雨内涝情景模拟

城市暴雨降水往往集中在前1～2 h内，且气象和市政工程暴雨计算标准也多参考1 h降雨量，因此，本文模拟了研究区内1 h降雨历时下重现期为5、10、20、50、200、500和1000 a的城市暴雨内涝情景。根据计算得出研究区的总积水量，假设积水处于相对静止状态，采用简化的处理方式，基于研究区高精度DSM，模拟内涝淹没区域和淹没深度。将暴雨内涝看作一种无源淹没状态，凡是高程值低于水位值的区域均计入淹没区，借助Python的Arcpy模块实现一定积水量下研究区域的淹没面积和淹没水面的高程值的计算，注意该淹没水位高程为水准高程。其编程思想为：假设洪水的淹没水面永远是一个水平面，首先设定一个水位值，用该水位值作为高程属性值的一个水平面，去切研究区DSM，得到该水位值对应的水平面与DSM之间的库容量；然后比较库容量与积水量，若积水量小于库容量，则减小设定的水位值，若积水量大于库容量，则增加水位值，通过不断调整水位值，让库容量渐渐逼近积水量，若库容量等于积水量，则对应的水位值就是洪水最终淹没水面的高程值；最后根据上述方法，计算出研究区内不同降雨情景下的淹没水位、淹没水位以及淹没区面积，由于在重现期为5、10时，研究区内除了低洼的水塘外几乎没有淹没情况，则最终显示重现期分别为20、50、200、500和1000 a的淹没情况。

在实际应用时，要分布式地考虑地物的蓄滞属性和透水性，特别是在本次试验中，在影像图上，可以看到研究区内分布着较多植被，在每个栅格点的高程值里，每个植被都有其高程属性，对研究区进行淹没分析时，会发现在一定高程下，植被会被归为未被淹没的区域，因此，在作实际淹没分析时需要剔除掉植被对淹没分布的影响。在本次试验中，结合正射影像将研究区内的植被勾画出来，并利用三维模型对植被高程进行量测，给植被赋予高度值，以近似地剔除掉植被对淹没结果的影响，修正公式为

Vij=Dij-Hij(i=1,2，…,n;j=1,2，…,m)

(3)

式中，i表示行数；j表示列数；Vij表示修改后的栅格单元的值；Dij代表原地形栅格单元值；Hij表示植被高度栅格单元值。根据经植被修正后的研究区进行计算分析，分别统计不同降雨情景下的研究区淹没情况(见表1)。

表1 不同重现期下的淹没情况

3.3 城市雨洪风险等级评估

根据3.2节通过模拟不同重现期下研究区的淹没情况，用不同的淹没水位裁切淹没区域则可以得到淹没区不同的淹没深度，以淹没深度作为风险评估的关键指标，借鉴其他文献的风险评价方法，将本文研究区暴雨洪涝灾害风险程度划分为6个等级，见表2。

表2 城市雨洪风险等级

不同重现期下研究区的淹没深度分布如图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进行淹没场景的三维展示，可以很直观地观测到研究区在不同降雨情景下各个区域的淹没情况，包括淹没范围、淹没深度情况等。

通过模拟研究区域不同重现期下的暴雨情况，可以得到不同重现期下研究区的淹没情况，通过对淹没水深的提取及不同淹没水深下研究区淹没情况的三维显示，可以很直观地看到研究区内每个地方的淹没情况，为城市建筑的规划布局提供一定的参考价值。

4 结 语

倾斜摄影技术基于多视影像，有效解决了传统航测建模方式建筑物侧面信息缺失的问题，且其产品更加丰富，在生产实景三维模型的同时也能生产DOM、DSM等多种产品，大大增强了产品使用范围，满足不同工程需求。本文以淹没深度为关键指标进行研究区洪涝风险的评估，基于Terra Explorer Pro的不同降雨情景下的淹没三维模拟，直观表达了淹没区的分布随淹没水位的抬升的变化情况，为城市防洪减灾决策、制定城市发展规划和土地利用规划，提高城市对洪涝灾害的适应能力提供了可借鉴的方法。