设计初期ArcGIS地形分析的应用初探

陈雯

摘要：随着排水管网设计中数学模型的广泛应用，GIS在城市基础设施建设方面的应用前景更加广阔。本文主要针对排水管网设计初期确定排水口位置和管道布置方式时ArcGIS的应用可能进行初步的讨论，为日后的一些管网工程的建设提供应用的可能。

关键词：ArcGIS；排水管网

一、排水管网设计中地形要素的作用

在排水管网设计中，地形图可以作为确定排水区界、划分排水区域；选择污水厂和出水口的位置；拟定管道系统的路线的依据，在设计初期资料中具有重要作用。

排水区界是排水系统敷设的界限。在每隔拍失去内因根据地形及城市和工业企业的竖向规划划分排水流域。一般说来，流域边界应与分水线相符合。如在地形起伏及丘陵地区，流域分界线与分水线基本一致。在地形平坦无显著分水线的地区，应使排水干管在最大合理埋深的情况下，尽量使绝大部分水量能以自流排水为原则。如有河流或铁路等障碍物贯穿，应根据地形情况，周围水体情况及倒虹管的设置情况等，通过方案比较，决定是否分为几个排水流域。每一个排水流域应有一条或一条以上的干管，根据流域高程情况就能查明水流方向和汇水后需要泵站抽升的地区。

随着近几年排水设计规范的不断改版，地理信息技术和数学模型在设计工作中的作用越来越突出。根据《室外排水设计规范》GB50014-2006（2016年版）的规定，当汇水面积超过2km2时，宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量。

本文以平泉县某区的地形图为例，建立地面线模型、进行坡度分析并根据TIN存储和显示的方式，讨论在实际设计初期应用GISMAP进行地形分析和确定收水范围的可能。

二、工程概况

本工程位于河北省承德市平泉县，平面坐标系统采用1954年北京坐标系，1985年国家高程基准。平泉县处冀北燕山丘陵区，全境皆山。蜿蜒起伏的层层山峦之间是形状各异、大小不同的沟谷盆地。中生代燕山运动奠定了本区地貌格局，新生代喜马拉雅运动形成了现代地貌形态。全境总面积3296平方公里，南北最长77.4公里，东西最宽74公里，海拔高度500米。耕地4.13万公顷，是个“七山一水二分田”的山区县。

气候条件为大陆性季风气候，受地形、纬度等因素影响，具有如下特点：四季分明。春季，风大干旱，回暖较快。夏季，暖热多雨，雨量集中，占全年68-74%，7月气温最高，平均22-32C。秋季，雨量骤减，气候干燥。

三、文件处理

1、处理CAD地形图

在CAD中把地形标高保留，其余删除。利用软件将图纸上的高程数字转化为高程点。将高程点导入GISMAP后导入的内容包括每个高程点的位置和属性。

2、新建TIN

打开3DAnalyst工具箱，创建TIN。输出TIN一栏里新建TIN生成后存放的位置和名称，这里选取的是存放原图纸的DX文件夹，取名为TIN1，保存。最终显示创建TIN成功，并生成了高程图。新生成的地形图采用了默认的色彩模式，可以再左侧内容列表中在TIN1图层属性中选择符号系统，在色带里选择合适的颜色。本次选取的地形图高程在500m-600m之间，在图层属性的符号系统中，手动调节高程至合适的范围，并可以同时选择色彩分级精度。

3、TIN转栅格

将TIN文件转为栅格，并保存文件为tin1_TinRast。

4、TIN表面

现在TIN和DEM都创建完成，可通过TIN的显示，看到TIN的存储模式和显示方式。

在上一步操作的基础上进行，关闭TIN之外的所有图层的显示，编辑图层tin的属性，在图层属性对话框中，点击符号系统选项页，取消选择边类型和高程，点击添加按钮，将具有相同符号的边和具有相同符号的节点这两项添加到TIN的显示列表中得到图像显示后，分别选择显示边和节点，并将TIN图层局部放大，可以直观的看到TIN的存储模式和显示方式。

可见TIN图层的生成，是基于TIN的表面概念。TIN表面数据模型的主要组成部分有节点、边、三角形、包面和拓扑。在TIN的地域范围中，任何点的高程值都可以内插获得，将CAD底图中的离散高程点转化地标性状或其他类型的空间连续分布特征。

结点是TIN的基本结构单元，它来自输入的数据源中的点和线折点，每个结点都参与构成TIN三角形。TIN表面模型中的每个结点都必须包含一个z值，因此在由CAD中地形底图加载入GISMAP前，应将底图中数字标高的属性加入到文字的Z坐标中。在变化量大的区域，需要叫多点来描述。

每个结点与其最近的结点连接起来，形成TIN表面模型的边。各边相连从而形成符合Delaunay准则的三角形。每条边有两个结点，但每个结点可包含两条或多条边。因为每条边的两个端点都有z值，从而可以计算坡度。

每隔三角形表示一个面，每个三角面描述部分TIN表面的行为。三角形三个结点的x、y和z坐标值可用于获取面的信息，例如坡度、坡向、表面积和表面长度。将整组三角形作为整体考虑，可以获取表面的其他信息，包括体积、表面轮廓和可见性分析。

5、划分排水区域

由于TIN较适合对表面要素的位置和形状有很高精度要求的大比例尺制图，因此在生成排水区域数字高程模型时选择生成TIN表面。当排水区域中有河流时，可以再生成TIN

表面时，将河流等天然高程变化处设为隔断线。在排水系统设计中，一些常用微观观地形因子入坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率等可以通过软件直接读取。

在本研究区域内使用GISMAP中的坡度分析功能。

空间分析工具箱中的坡向计算工具获取地表的坡向数据。根据空间分析计算得出的坡向数据可以用于验证汇水区域划分的可行性，并确定汇水区域的出水口。

由以上分析图，可以直观的确定区域自然水流方向，在设计管网之初可以以此为依据布置系统排水口和泵站的位置、主干管布置方向等。

由上图可知，本地形图所示的范围，大致可以分为三个色块，例如绿色部分表示地形坡向东南方向，洋红色区域表示地形坡向西北方向。划分排水系统时，自然分为两个系统。由于TIN是由各要素类组成，因此可以通过添加和删除要素、添加隔断线等方式修改数据，使模型结果更贴近实测地形。

四、结论

在地形资料正确完整的前提下，设计底图中的地形要素经转化后，采用ArcGIS可以较准确直观的反映地形特征，并通过软件自带的坡度分析、水文分析功能为后续的设计工作做准备，如添加山脊线、划分汇水面积等，为设计工作带来方便。还可以与其他设计软件结合，共同完成大片区排水管网的数学建模，从而使设计结果更加贴近现实，管网运行更加可靠。

参考文献：

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[2]孙慧修，郝以琼，龙腾锐.排水工程（上册）.北京：中国建筑工业出版社，1999

[3]谢莹莹.城市排水管网系统模拟方法和应用.上海：同济大学，2007

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[5]晋蓓，刘学军，甄艳，李灏书.ArcGIS环境下DEM坡长计算与误差分析.[J]地球信息科学学报，2010，12（5）：700-705