三维洪水风险图展现平台三维洪水风险图展现平台1.项目需求1.1.区域概况天津是环渤海地区的经济中心，要逐步建设成为国际港口城市、北方经济中心和生态城市。
行政区下辖16个区县。
天津地势低洼，极易发生内涝，尤其对中心城区造成危害更为严重；天津滨海地区常受风暴潮的袭击，且常与暴雨洪水相遇，加大了洪水对滨海地区的灾害程度；北部山丘地区山高坡陡、水土流失较重，遇大暴雨，容易引发山洪灾害。
特殊的地理位置、地形特点和水文气象条件，决定了天津市必须承担“上防洪水、中排沥涝、下挡海潮”的多重任务。
加强防洪体系构建，增强调节控制洪水能力，是洪水风险管理的重要手段，而另一方面，无论多高标准的防洪设施，对洪水的调控能力还是有限，只能在一定范围内控制洪水。
因此，在防洪工程建设的同时，还要加强非工程措施的建设，加强对主要河道、蓄滞洪区等的风险管理，有的放矢的采取各种防洪减灾及洪水调控措施，构建综合性洪水风险管理框架，三维洪水风险展现，为洪水风险管理提供了直观、立体、准确的风险管理数据和依据。
1.2.洪水风险图洪水风险图是“洪水管理”的重要基础，洪水风险图制作是防洪减灾的重要基础性工作，为防洪规划、建设防洪工程、制定防洪减灾非工程措施、部署防汛抢险措施、合理确定避灾对象、避灾目的和路线、合理评估防洪措施的经济效益、洪灾损失等工作中有十分重要的作用，同时在规范国土的开发与管理、保险理赔评估、加强水行政主管部门依法行政、增强全民的防洪减灾意识等方面也有非常重要的意义。
1.2.1.三维洪水风险图需求洪水风险图对可能发生的超标准洪水的洪水演进路线、到达时间、淹没水深、淹没范围及流速大小等过程特征进行预测，通过流量、洪量或水位等特征值明确量级，不同的淹没水深决定不同的受损程度，如农田淹没水深决定作物的减产程度甚至绝产；居民区淹没水深决定了房屋和财产的受损率甚至人员伤亡。
不同深度不同淹没时长，灾情不同。
洪水风险图并结合泛红区社会经济的发展状况，并基于三维GIS和数据库技术，建设风险图展现平台，不仅反映洪水风险区域，还能够准确反映灾害大小，能直观展现水深的影响，准确反映同一区域不同高度的房屋、作物等受灾害损失的差异，洪水演进时洪峰到达的时间、程度、真实准确的破坏程度，洪水演变过程中，可以避灾的路线、高地和场所，实现对风险图的高效管理，为防洪减灾决策提供支持。
2.洪水风险图国内外状况从国际国内的实际来看，洪水风险图可以广泛使用于洪水保险、洪泛区管理、洪水避难、灾害预警、灾情评估、洪水影响评价，提高公众的洪水风险意识，是进行洪水管理的科学依据之一。
2.1.国内外风险图制作国外很多国家在风险图制作有丰富的经验，美国从上世纪五十年代开始制作风险图，至今已有几万个社区、几十万平方公里的洪泛区洪水风险图。
日本多年前，根据历史上的洪水灾害，公布了他们管辖范围内的500条河流的历史淹没图，当洪水发生时，为了指导居民快速、安全的避难，日本各级政府开始制作洪水风险图，日本的洪水风险图即包含淹没信息（淹没区域、淹没水深），也包含避难信息（避难位置、避难路线、避难路途中的危险场所等）。
德国开展了三维城市建模，并结合模型数据和社会经济数据，借助数学分析软件，对河流两岸洪泛区的淹没情况进行了分析，以此为依据对损失情况进行了评估。
该数据不仅为政府防洪疏散提供了科学支持，也为商用比如保险公司评估确定洪水保险费率提供了依据。
图1. 德国洪水风险三维分析和展现我国从1997年初，组织全国绘制洪水风险图，并制定相关标准，通过对历史洪水资料的初步分析，了解受淹范围中的人口、资产分布；进一步，通过分析，确定区域洪水风险分布特点，为防洪规划和防汛预案服务；现阶段，采用仿真、大数据、GIS等新技术，建立地理、社会经济、工情、水情、灾情大量信息的可视化分析、展现和管理查询。
2.2.洪水风险图的社会经济效益有文章介绍，美国的国家洪水保险计划通过社区、金融、保险业的参与，每年减少洪灾损失大约8亿美元。
此外，按照洪水风险制定的建筑标准，可减少损失77%。
日本居民根据洪水风险图中的避难所指示进行了正确的避难；参看了洪水风险图进行避难的居民比没有参看洪水风险图进行避难的居民快1个小时。
3.建设目标洪水风险图可分为基本风险图、专题风险图和综合风险图。
洪水风险图的制作和应用包括：基础资料收集处理、洪水仿真分析、洪水损失评估和影响评价、避洪转移分析、洪水风险图编制出版以及在洪水风险图管理平台中的应用等。
我国洪水风险研究的重点将洪水数值模拟技术应用于洪水风险分析计算，及对洪水风险图的研究，随着物联网手段和对地观测手段的丰富和水平提高，风险图的准确可靠度提高，而成果展现也从表单汇报向表单结合一二维GIS技术发展，随着倾斜摄影技术快速构建大区域三维场景的普及，三维准确展现洪水风险分析结果成为一种需求和方向。
近几年，天津水务在基础资料信息化建设方面取得了比较全面的成果，三维防汛抗旱系统、防汛抗旱会商系统、防汛抗旱指挥平台的逐步建成使用，为天津洪水风险图的绘制应用提供了非常好的基础条件，也提出了迫切的需求。
3.1.洪水风险分析成果三维展现SmartEarth基于二三维一体化展现和应用，可基于二维洪水风险和抢险指挥分析，同时基于三维实景和三维仿真可实现洪水河道演进、洪水淹没、避险转移和现场指挥的三维场景虚拟仿真和电子沙盘。
并能够其他洪水预报系统、防洪调度系统相结合，实现预报、调度、风险分析和三维动态展现的综合应用。
3.2.洪水风险图定期更新三维洪水风险图，直观易懂，制作后，由权威部门向公众发布，可以达到更好的减灾效果，在洪水风险较大区域，利用洪水风险图制定防汛预案和演习。
自然是不可预测的，洪水风险不断受到自然和认为因素的影响，处于变化之中，这就意味着洪水风险图制作需要随着环境和条件的变化不断完善。
如果更新周期长，不能保证洪水风险图的准确性；过短，需要大量的人力、物力、经费的投入，按国外大多数国家的经验，每5年对洪水风险图更新一次。
4.建设内容利用SmartEarth强大的三维造型功能可以立体、直观地反映洪水风险信息，直观反映洪泛区防洪态势，并融合防洪工程及非工程信息、洪水特征及其风险分布信息图表，并能实现对洪水和地形的三维交互式实时漫游,为防洪抗险决策者提供充足的辅助决策和科学依据。
4.1.SmartEarth三维洪水风险图展现平台SmartEarth为用户提供三维空间数据生产工具（提供传统4D产品）、多源数据（卫星影像、航空影像、倾斜摄影数据、BIM、人工模型、业务矢量等）海量无缝融合、全要素三维城市模型构建、基于云计算架构管理海量多源数据、提供海量数据三维展现、空间分析、行业应用。
另外，平台的兼容性和扩展性非常好，面向对象的架构，对数据、功能、服务模块化管理和接入。
SmartEarth三维洪水风险图展现平台，采用云计算管理和调用洪水风险图依据的多源海量历史、实时数据:地理、社会经济、工情、水情、灾情等；SmartEarth掌握了数值分析数据与三维地形结合的关键技术，通过洪水风险分析成果数据格式转换以及数学插值，实现洪水风险图的三维展现、浏览和空间分析，使指挥决策人员和避险受灾群众有身临其境的真实感觉，便于指挥决策人员和避险受灾群众直观地进行判断、制定决策信息，同时通过相关分析功能，合理进行资源调度；进一步，根据技术发展程度以及业务需求，通过SmartEarth平台的兼容扩展能力，融合更多的分析软件和数据，与其他业务系统对接，开展可视化的洪水风险管理和成果发布共享：洪灾损失评估、建筑物防洪标准、避灾路径、场地、三维实景避灾知识推送；4.2.数据准备风险图信息大体分为四类：⏹基础地理信息：行政区划、水系、交通、民居等等；⏹工程信息：堤防、水库、蓄滞洪区等；⏹洪水风险信息：淹没范围、水深、流速、到达时间、淹没历时；⏹非工程信息：撤退路线、安置点、预警报、土地规划等；4.2.1.风险图信息准备风险图信息依托天津水务信息化建设成果，采取共享调用的策略，缺乏的数据采用倾斜摄影技术采集生产。
三维洪水风险图是洪水风险分析成果数据结合三维GIS技术，实景再现洪水演进的情景，底图是地形和三维模型，三维GIS基础数据一部分来自天津防汛抗旱三维系统建设成果，另一部分来自倾斜摄影数据更新成果。
本项目展现的洪水风险分析数据是天津防汛抗旱管理处已有的计算成果。
4.2.2.异构数据转换三维洪水风险图展现平台，采用的是三维地理信息系统融合现实映射技术的思路，利用数字地形、遥感影像、倾斜摄影等技术构建真实地形地貌，在此基础上，将现实中的对象以其地理坐标映射到风险图上相应的位置，对现实进行真实再现。
洪水风险图就是将洪水的演变特性映射到真实的地形地貌上，在发生以先，使可能造成的风险灾害真实可见，据此，得出相应减灾救灾措施。
洪水风险分析软件往往是基于水动力模型、水量平衡方程、蓄泄洪方程等水利专业模型和算法，研究对象不同，数学模型均有差异，河道洪水分析或者蓄滞洪区或者城区积水分析的成果数据的格式会有所不同，与地理信息平台的兼容数据格式差异更大，在进行成果数据现实映射之前，需要对成果数据进行一定的格式转换，以适应平台兼容格式。
4.2.3.河道地形概化地形概化主要分两个步骤：首先，利用已准备好的五类数据(水边线、深泓线、实测大断面数据、水位流量关系和子断面数据)，用软件生成符合实际地形的内插断面，内插断面一般要求垂直于河道主流线；其次，利用实测大断面数据和水位流量关系插补断面的高程、面积和宽度曲线，利用带有高程值的内插断面生成不规则三角网（TIN）。
在内插断面和生成高程两个步骤中，内插断面是河槽地形概化的关键，也是技术难点。
1)内插断面。
在邻近的两个已知实测大断面间，根据水位流量关系，分别求出在某一水位下，水流流经两已知断面时的水面宽度，以及在该水面宽度以下的断面面积，进而确定内插断面的位置、高程值等。
内插出的断面是由若干个含有高程值的点组成的。
2)利用内插断面生成地形。
内插断面之后,利用软件生成不规则三角格网（TIN）或数字高程模型（DEM），为提取河槽任意点的高程做准备。
在提取任一点高程之前，需要进行概化地形与实际地形的比较，以确保概化地形数据的准确性。
3)概化地形与实际地形的比较。
用剖面线与对应的实测大断面进行比较,观察概化地形与实际地形的差异。
以高村断面为例进行比较可以看出,实际地形与概化地形在河槽高程、河槽形态及河槽面积上均能达到较好的吻合,能满足数学模型计算对地形概化的需要。
4)内插断面的关键技术。
⏹对弯道的处理。
对河槽弯道的地形概化是比较困难的,既要考虑弯道的弯曲形态又要考虑内插断面的位置。
在实际工作中,我们采用了弯道弧段等分法。
⏹不规则三角格网（TIN）的生成。
理想的生成不规则三角格网的方法应该是先在同一断面进行高程插值,再进行断面间的高程插值。