暴雨洪涝灾害预报预警服务系统

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1、-序号：编码：第十二届“挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书作品名称： 暴雨洪涝灾害预报预警效劳系统 学校全称：*信息工程学院申报者*集体名称：*晨雨类别：自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文科技创造制作A类 科技创造制作B类 报送方式：省级报送作品高校直送作品. z.-作品简介洪涝灾害是当今世界上给人类带来损失最大的自然灾害之一。我国是洪涝灾害的重灾区，20世纪90年代以来，由洪涝灾害带来的经济损失占全部自然灾害损失的62%，相当于同期GDP的1.55%。我国的灾害性洪水主要由暴雨形成，夏季暴雨灾害多为季节性暴雨。*省陇南地区是我国西北部暴雨灾害的一大重灾区，其

2、降水具有面积小、强度大的特点，每年均发生不同程度的暴雨洪涝灾害，造成巨大的经济损失。构建暴雨洪涝灾害预报预警系统，为政府提供实时、直观的暴雨预报预警效劳，在防灾减灾方面具有重要意义。系统以*陇南地区为例，在C*平台上通过ArcGIS Engine进展二次开发，以历史气象资料和天气预报产品为根底，分布式水文模型SWAT为核心，对陇南地区的河道径流量进展模拟，分析出现堰塞湖时的上游水位情况，并提供三小时暴雨等级预警效劳。系统从暴雨数据读取、SWAT水文模型径流模拟、洪水淹没模拟，到预报预警的二、三维显示与输出，实现了数据、模型、模拟、二三维显示的一体化、智能化全功能效劳。u 系统功能 根底数据模块

3、系统在二维或三维显示模式下加载根底数据包括气象数据、土壤数据、地形地貌数据、道路河网数据以及高分辨率遥感影像，可进展放大缩小、三维旋转、飞行浏览、查询属性信息等操作。 气象数据模块支持历史与预报气象信息的导入、查询、编辑和修改等功能。 径流模拟模块根据导入的实测预报降水、气温信息，通过SWAT模型，系统可自动或手动对每条河道进展径流量模拟，并以不同粗细、不同颜色线条展示径流量大小，也可通过点击查询或图表形式给出各条河流的模拟径流量数值。 洪水模拟模块出现堰塞湖时，用户选择*河段的堵塞位置以及堵塞日期，生成堵塞后的河道水深折线图，模拟河道水位上涨过程并预测溢出时间，对堵塞后的上游危险区域进展预报

4、。 暴雨预警模块系统自动读取三小时降水预报数据，生成降水状况的柱状专题图和时间序列折线图，根据雨量大小生成县级暴雨等级专题图，针对不同等级的暴雨灾害，给出决策建议。u 创新性 分布式水文模型SWAT是在空间信息技术开展根底上形成的基于物理过程的径流模拟模型，具有较高的准确性和科学性，本系统将其脱离以往平台ArcGIS或ArcView，嵌入自行开发的系统软件，克制SWAT模型在ArcGIS平台下分步骤繁琐运行的缺点，实现径流量的快速模拟 开发前期进展大量数据处理，建立天气发生器、土壤数据库等，令软件自带陇南地区相应信息，使用户只需更新日降水、气温数据即可运行SWAT模型，实现“傻瓜式操作 添加三

5、维洪涝灾害显示功能，使用户可针对不同需求进展二三维切换，得到立体形象的洪涝灾害情景。u 科技性 系统中嵌入分布式水文过程模型SWAT模型，程序设计相应参数接口，通用性、智能化水平高。 将气象、水文、地形地貌等数据与水文径流模型、暴雨预报预警等应用模型耦合，利用GIS空间分析及可视化技术实现了水文径流模拟、暴雨预报预警的二三维直观展示。u 社会价值 对洪水进展预报，预先了解洪水的影响范围和程度，防止不必要的财产损失及人员伤亡 对各县进展暴雨预警，提供决策方案，便于相关部门安排工作，降低次生灾害所造成的损失 通过叠加根底数据，为防灾减灾决策制定提供科学依据. z.-A2申报者情况集体工程说明：1必

6、须由申报者本人按要求填写。2申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历上下排列。3本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况确实认。申报者代表情况*晨雨性别女出生年月1990年1月学校*信息工程学院系别、专业、年级资源环境学院遥感科学08级学历本科在读学制4年入学时间2008年9月作品名称暴雨洪涝灾害预报预警效劳系统毕业论文题目无通讯地址*市西南航空港经济开发区学府路一段24号邮政编码610225办公常住地通讯地址*市西南航空港经济开发区学府路一段24号邮政编码610225住宅其他作者情况姓 名性别年龄学历所在单位叶帮苹男22本科在读*信息工程学院资源环境学院毛天韵女20本科在读*信息工程

7、学院大气科学学院资格认定学校学籍管理部门意见以上作者是否为2011年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。是 否 签章年 月 日院系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果是 否负责人签名：年 月 日B3申报作品情况科技创造制作说明：1必须由申报者本人填写。2本局部中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容确实认。 3本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据。 原理构造图、外观图照片,也可附鉴定证书和应用证书。 4作品分类请按照作品创造点或创新点所在类别填报。作品全称暴雨洪涝灾害预报预警效劳系统作品分类CA机械

8、与控制包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等 B信息技术包括计算机、电信、通讯、电子等 C数理包括数学、物理、地球与空间科学等 D生命科学包括生物、农学、药学、医学、健 康、卫生、食品等 E能源化工包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等作品设计、创造的目的和根本思路、创新点、技术关键和主要技术指标创造目的：在全球气候变化的背景下，区域性极端天气现象发生的频率越来越高，暴雨天气的影响也越来越大。*省陇南地区，作为暴雨灾害的重灾区，迫切需要一款软件，针对于陇南当地的实际情况，能较为准确地模拟径流，预警暴雨和洪水，为地方防灾减灾和经济建立决策的制定提供科学依据。通过地理信息系

9、统与遥感的结合，快速、准确、科学地预测和模拟显示洪水爆发时间和地点，及时通知相关部门组织群众转移，防止不必要的财产损失及人员伤亡，对防洪减灾和洪灾评估等具有重要意义。另外，对暴雨进展预警并提供决策方案，有助于相关部门安排工作，降低次生灾害造成的损失，在现实生活中具有重要意义。而叠加根底数据，可在道路选择、加油站查看等方面为防灾减灾决策提供有力依据，帮助相关部门解决在防灾减灾途中可能遇到的一些问题。创新点： 分布式水文模型SWAT是在空间信息技术开展根底上形成的基于物理过程的径流模拟模型，具有较高的准确性和科学性，本系统将其脱离以往平台ArcGIS或ArcView，嵌入自行开发的系统软件，克制S

10、WAT模型在ArcGIS平台下分步骤繁琐运行的缺点，实现径流量的快速模拟 开发前期进展大量数据处理，建立天气发生器、土壤数据库等，令软件自带陇南地区相应信息，使用户只需更新日降水、气温数据即可运行SWAT模型，实现“傻瓜式操作 添加三维洪涝灾害显示功能，使用户可针对不同需求进展二三维切换，得到立体形象的洪涝灾害情景。关键技术： 系统中嵌入分布式水文过程模型SWAT模型，程序设计相应参数接口，通用性、智能化水平高。 将气象、水文、地形地貌等数据与水文径流模型、暴雨预报预警等应用模型耦合，利用GIS空间分析及可视化技术实现了水文径流模拟、暴雨预报预警的二三维直观展示。技术指标： 根底数据模块系统在

11、二维或三维显示模式下加载根底数据包括气象数据、土壤数据、地形地貌数据、道路河网数据以及高分辨率遥感影像，可进展放大缩小、三维旋转、飞行浏览、查询属性信息等操作。 气象数据模块支持历史与预报气象信息的导入、查询、编辑和修改等功能。 径流模拟模块根据导入的实测预报降水、气温信息，通过SWAT模型，系统可自动或手动对每条河道进展径流量模拟，并以不同粗细、不同颜色线条展示径流量大小，也可通过点击查询或图表形式给出各条河流的模拟径流量数值。 洪水模拟模块出现堰塞湖时，用户选择*河段的堵塞位置以及堵塞日期，生成堵塞后的河道水深折线图，模拟河道水位上涨过程并预测溢出时间，对堵塞后的上游危险区域进展预报。 暴

12、雨预警模块系统自动读取三小时降水预报数据，生成降水状况的柱状专题图和时间序列折线图，根据雨量大小生成县级暴雨等级专题图，针对不同等级的暴雨灾害，给出决策建议。作品的科学性先进性必须说明与现有技术相比，该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料科学先进性：国内现有暴雨洪涝预报系统中的水文模型多采用70年代我国自行研发的新安江模型，其开发时间较早，且为集总式模型。由于集总式模型通常采用均一性假设，对点的水文过程采用简单的基于水文规律的方程来描述，其他过程则用经历公式描述，在本质上只能反映有关因素对径流形成过程的平均作用，在模拟和预报时，误差不可防止，也不易控制

13、。本系统引入90年代初美国农业部开发的分布式水文模型SWAT模型进展径流模拟，此模型经过十多年的完善，经历8个版本，是现今具有较大影响力的水文模型。其模型研究时不受空间尺度和时间尺度的限制，在提高模拟精度方面，SWAT模型可以将研究区域细分成假设干计算单元，以到达提高模拟精度的效果。针对*陇南地区，本系统采用SWAT模型最新版本SWAT2009模拟河道径流量，预报预警暴雨洪涝灾害。SWAT模型的使用需在ArcGIS或ArcView平台上。ArcGIS和ArcView为专业地理信息系统软件，属于工具性GIS，非专业GIS人员要掌握其使用较为困难。另外，即便是地理信息系统的专业人员，在使用SWAT

14、模型时，需要进展大量的前期数据准备，数据处理，以及数据库的建立等，数据准备工作繁琐，操作复杂。此外，假设要更新气象信息，需重新运行ArcSWAT，耗时长，极为不便。针对以上问题，在自行开发的系统中，针对陇南地区，将变化较小的地理数据进展预先处理，建立天气发生器和数据库，使得用户只需更新气象信息便可运行SWAT模型，方便快捷。系统界面友好，操作简单，非专业人士也可轻松使用。参考文献：1 丁一汇,*建云等. 暴雨洪涝M.:气象,2009.113-2302 徐宗学等. 水文模拟M. : 科学, 2009.343-3553 黄清华,*万昌. SWAT分布式水文模型在*干流山区流域的改良及应用J. *林

15、业大学学报自然科学版,2004, 28(2):22-264 杨桂莲,郝芳华,*昌明,等.基于SWAT模型的基硫估算及评价以洛河流域为例J. 地理科学进展, 2003, 22(5):463-4705 丁晋利,*粉莉. SWAT模型及其应用J.水土保持研究, 2004, 11(4):128-1306 王中根,*昌明,黄友波. SWAT模型的原理、构造及应用研究J.地理科学进展, 2003, 7谢平,窦明等.流域水文模型气候变化和土地利用/覆被变化的水文水资源效应M.:科学,2010.96-99作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果无作品所处阶段 A A实验室阶

16、段 B中试阶段 C生产阶段D自填技术转让方式作品可展示的形式实物、产品 模型 图纸 磁盘 现场演示图片 录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品适用范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测使用说明：该系统的使用需导入气象数据，建议使用一年以上的实测气象数据以到达较准确的模拟结果。此外，由于系统支持三维显示，对计算机要求较高，假设该计算机显卡配置较差，可能会出现三维显示模块图像滞后的情况，建议在较好配置的计算机上使用，以便更加清晰流畅地进展三维浏览，充分发挥系统作用。适用范围及前景：该系统适用于*省陇南地区，能为该地区的暴雨洪涝灾害进展预报预警效劳。本系统提供了暴雨洪涝灾

17、害预报预警系统的一个模式，通过更改局部信息，系统即可移植到全国各地，让陇南模式更好地为其他易遭受暴雨洪涝灾害的地区效劳。经济效益：该系统开发的目的为防灾减灾，并不存在通常意义上的商业价值。但由于自然灾害的特殊性，一旦爆发，往往造成大量经济损失甚至威胁到人民的生命平安。*省陇南地区平均每年由暴雨洪涝灾害造成的经济损失多达千万。如能提前有效的对暴雨洪涝灾害经行预报预警，则可最大程度的减少不必要的经济损失和人员伤亡，即间接带来的经济效益可估算为每年近千万。专利申报情况提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 未提出专利申请科研管理部门签章签章 年 月 日

18、C当前国内外同类课题研究水平概述说明：1申报者可根据作品类别和情况填写。 2填写此栏有助于评审。针对洪涝灾害频发的现状，国内多采用监测预报一体的预警方法，实时监测水文情势，一有异常立刻采取相应措施；通过水文模型模拟流域各水文特征量，提早发现洪涝灾害，发布应急预案防灾减灾。从上世纪70年代开场，我国从国外引进流域水文模型，通过径流模拟展开预报工作。通过40多年的学习开展，我国水文预报工作从无到有、由点到面迅速开展起来。目前，在水文作业预报中，我国所采用的水文预报模型主要由我国自行研制开发的新安江模型、双超产流模型、*雨洪模型、姜湾径流模型等，从国外引进的模型主要有Tank、Sacramento和

19、SMAR等模型，以及改良的国外模型，如连续API模型、CLS模型和NAM模型等。D推荐者情况及对作品的说明说明：1由推荐者本人填写。2推荐者须具有高级专业技术职称，并与申报作品一样或相关领域的专家学者或专业技术人员教研组集体推荐亦可。 3推荐者填写此局部，即视为同意推荐。 4推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份确实认。推荐者情况姓 名*志红性别女年龄 44职称教授工作单位*信息工程学院资源环境学院通讯地址*省*市西南航空港经济开发区学府路一段24号邮政编码610225单位住宅推荐者所在单位签章签章 年 月 日请对申报者申报情况真实性做出阐述暴雨洪涝灾害预报预警效劳系统系*晨雨、叶帮苹、毛天韵

20、三人利用课外时间完成的。*晨雨、叶帮苹同学为我校资源环境学院遥感08级同学，毛天韵为我校大气科学学院大气科学专业09级的同学。*晨雨、叶帮苹同学学习努力，成绩优秀，曾屡次参加大学生数学建模比赛、校3S大赛，同时参加了教师的多个工程。作品内容较多，既有开发，又有模型应用，在SWAT模型嵌入中遇到天气发生器、模型接口等问题，他们能主动与模型编制人美国进展联系并逐一解决。本人保证此次比赛完全由他们独立完成，气象、根底地理数据由本人提供。请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景做出您的评价该系统针对国家暴雨灾害预报预警关键问题，从暴雨数据读取、SWAT水文模型径流模拟、洪水淹没模拟，到预报预警的二

21、、三维展示与输出，实现了数据、模型、模拟、三维显示的一体化、智能化全功能效劳。此系统将会在*省气象台投入业务运行，并有可能推广到全国乃至世界气象、水利、国土等相关部门，具有较高的经济、社会效劳价值。其它说明暴雨洪涝灾害预报预警效劳系统是*信息工程学院与*省气象局局校合作3S支持下的暴雨决策效劳系统以*陇南地区为例工程的重要局部，作品将直接投入到业务运行当中。推荐者情况姓 名卢晓宁性别女年龄31职称副教授工作单位*信息工程学院资源环境学院通讯地址*省*市西南航空港经济开发区学府路一段24号 610225单位住宅推荐者所在单位签章签章 年 月 日请对申报者申报情况的真实性做出阐述*晨雨、叶帮苹系*

22、信息工程学院遥感专业大三本科生，毛天韵仅为大二本科生。大学期间他们三位在认真学习本科课程的同时，还涉猎了更为丰富的专业知识，并通过积极参与多位任课教师的科研工程，很好的提高了动手实践能力，能熟练应用专业软件，具备了深厚的开发功底，即便是对全英文的非专业的SWAT模型，也通过网上查阅文献，qq群交流、及email咨询的方式，完全掌握了该模型系统的运行机理。申报人完全是自主完成这一对本科生来说的巨大工程，无任何抄袭造假成分，成果真实可信！请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景做出评价系统对*省陇南地区的暴雨洪涝灾害进展实时预报预警，对区域防灾减灾意义重大。系统创立依赖于多方面知识和技能，运行

23、成果可信度高，到达很高技术水平。该系统适用于国家各级的气象局、水文局等相关业务单位及科研院所。虽目前以*陇南为核心区，主要解决该区的问题，但系统核心技术和模式完全可以推广至全国和世界，具有非常好的应用前景。其它说明鉴于该系统开发技术层面的前端性，应用领域层面的广泛性，问题解决层面的科学性，系统运行层面的高效性，将推荐该系统申请国家专利，从而更好的推进系统的业务化、实用化水平。学校组织协调机构确认并签章签章 年 月 日校主管领导或校主管部门确认并签章我单位经自查，承诺该作品符合挑战杯申报作品的要求，承受竞赛组委会抽查。签章年 月 日各省区、市评审委员会初评意见签章年 月 日各省区、市组织协调委员

24、会审定意见 团 委 科 协 教 育 厅 学 联签章 签章 签章 签章年 月 日E全国组织委员会秘书处资格和形式审查意见组委会秘书处资格审查意见 审查人签名 年 月 日组委会秘书处形式审查意见 审查人签名 年 月 日组委会秘书处审查结果合格 不合格 负责人签名 年 月 日. z.-暴雨洪涝灾害预报预警效劳系统研究报告摘 要近年来国内暴雨洪涝灾害频发，由此造成的经济损失严重，如何更好的预报暴雨洪涝灾害是进展防灾减灾工作的关键所在。本系统针对*陇南地区进展洪水以及暴雨预警，在C*平台上使用ArcGIS Engine进展二次开发，并嵌入SWAT模型，作为模拟河道径流量的后台支持，解决了使用SWAT模型

25、需在ArcGIS或ArcView中进展，且操作较为复杂、准备数据繁琐的问题，使得非专业人士也可轻松使用。本系统中，用户导入实测或预报的降水及温度信息便可模拟径流，自动读取各县三小时降水数据便可进展暴雨洪涝灾害的预警。同时，系统包含陇南地区的根底数据信息，支持二维、三维显示，可叠加数据，以便综合分析，更直观地反映该地区的情况，便于决策者对防灾减灾工作进展建议和决策。关键词：陇南地区、暴雨洪涝、防灾减灾、SWAT模型AbstractIn recent years,frequently occurrence of floods and torrents has caused great econom

26、iclosses. So,it is crucial to prevent and mitigate natural disasters by improving our forecast of these disasters.In order to reduce or prevent the economic loss, improving the way of forecast is the key. This system is used for forecasting flood and rainstorm in Longnan of Gansu Province. It uses A

27、rcGIS Engine for secondary development on C* platform, and embedded with SWAT Model as backup-support for simulating runoff of rivers. It solved the problem of ple*ity of using SWAT Model in ArcGIS or ArcView, avoiding the huge data preparation and the difficulty of operating. So it is easy to handl

28、e even for non-professional users. In this system, users can simulate runoff by simply input the information for precipitation and temperature, and make the forecast of flood and rainstorm. The system includes basic data information of Longnan area, and supports both 2-D and 3-D display, it can over

29、lay the data for synthesis to showthe situation of this area more directly,so thatthe decision-makers can make decision about preventing flood much easier.Keywords:Longnan district, flood and rainstorm, preventing flood, SWAT model. z.-目 录第1章绪论11.1研究背景11.2研究现状11.3系统开发目的21.4创新性2引入SWAT模型2模型脱离及嵌入3便捷式操作

30、3预报预警系统二三维显示3第2章核心模型研究及应用42.1核心模型确实定42.2SWAT模型介绍4原理概述4模型构造52.3根底数据准备6数字高程模型6土地利用/土壤类型6气象数据72.4模型数据处理7土壤数据库7天气发生器82.5SWAT结果分析10第3章系统开发113.1技术路线113.2开发方式113.3技术支持12集成式GIS开发技术12可视化技术13多源数据融合技术13空间数据库技术13第4章系统简介144.1系统界面144.2系统构造144.3系统功能15第5章根本功能165.1图层操作16行政区划16地表信息16地貌特征17城市建立175.2工具条185.3二三维切换18第6章气

31、象数据模块186.1实测数据18实测数据的导入及追加19实测数据的修改及删除196.2预报数据20预报数据的导入及追加20预报数据的修改及删除21第7章水文模拟模块217.1径流模拟217.2洪水模拟23第8章暴雨预警模块248.1暴雨实时监测248.2暴雨等级分级显示258.3决策预警系统26第9章展望279.1数据优化27气象站点及数据27土壤数据28遥感影像289.2系统优化28代码优化28功能优化28第10章总结28参考文献30附录I：表格31附录II：重要名词解释33附录III：重要代码341：软件测试报告56. z.-第1章 绪论1.1 研究背景我国地域辽阔，自然地理条件复杂，洪水

32、灾害频繁发生，大约2/3的国土面积均受到不同类型和不同危害程度的洪水灾害。每年因洪水灾害造成的经济损失占到全部自然灾害损失的60% 以上，其直接经济损失达百亿元，年均死亡人数近5000，严重影响了我国国民经济的开展和人民生命财产的平安。*省季节性气象灾害十分严重，每年都因为暴雨造成重大经济损失和人员伤亡，尤其是陇南地区，为*省暴雨灾害重灾区。随着社会经济的开展，暴雨灾害对社会、经济的影响也与日俱增。陇南地区由南向北属北亚热带半湿润区向半湿润、半干旱区过渡地带，境内山脉纵横交织，上下相差悬殊；天气气候差异明显，降水时空分布不均，降水量年际变化大。该区是*省年降雨量较多的地区，也是暴雨发生最多的地

33、区。暴雨灾害是陇南地区的主要气象灾害之一，每年都会出现不同强度的暴雨灾害。据统计，由于暴雨造成的直接经济损失每年愈亿元，几乎年年都有不同程度的人畜伤亡。陇南地区洪暴灾害多为短历时局地性洪暴灾害，其特点为笼罩面积小、暴雨历时短、降雨强度大、发生时机多、破坏力强，容易造成严重自然灾害。一旦爆发一场短时大强度的暴雨，就容易引发山洪和泥石流灾害，轻则冲毁公路，阻断交通，重则淹没房屋，伤害人命。一些灾害个例说明，山洪在发生的一瞬间能消灭整个村庄，造成严重人员伤亡，威力巨大。近年来较严重的灾害事故有：2010年8月11日，陇南市大局部地区突降暴雨，316国道江洛段被淹，交通、通信中断，导致10人死亡、12

34、人失踪，另有万人被困；2009年7月14日，陇南地区康县、文县等6个县区连降暴雨，导致多处地段发生山体滑坡、泥石流灾害，电力、通讯中断，房屋倒塌，造成6人死亡，1人失踪，多人被困；2005年5月28日，岷县5个乡镇发生特大暴洪灾害，受灾人数达1097人，直接经济损失达3845.6万元；2004年5月10日，礼县*村发生突发性特大暴雨，范围仅20余公里，造成7人死亡，3人重伤，1人轻伤的重大事故。1.2 研究现状针对洪涝灾害频发的现状，国内多采用监测预报一体的预警方法，实时监测水文情势，一有异常立刻采取相应措施；通过水文模型模拟流域各水文特征量，提早发现洪涝灾害，发布应急预案防灾减灾。从上世纪7

35、0年代开场，我国从国外引进流域水文模型，通过径流模拟展开预报工作。通过40多年的学习开展，我国水文预报工作从无到有、由点到面迅速开展起来。目前，在水文作业预报中，我国所采用的水文预报模型主要由我国自行研制开发的新安江模型、双超产流模型、*雨洪模型、姜湾径流模型等，从国外引进的模型主要有Tank、Sacramento和SMAR等模型，以及改良的国外模型，如连续API模型、CLS模型和NAM模型等1。1.3 系统开发目的我国是世界上洪涝灾害频繁而严重的国家之一。洪涝灾害可造成粮食减产，导致巨额经济损失，破坏土地资源和生态环境，对社会经济和环境具有多方面的影响。洪涝灾害可由很多原因造成，在各种致灾原

36、因中，暴雨是最常见和最具威胁性的。同时，暴雨本身也是危害最严重的气象灾害之一，暴雨天气出现，多伴随雷电和狂风，常导致平面积水、河道漫溢、农田毁坏、房屋倒塌等。随着全球社会经济的不断开展，暴雨洪涝灾害所造成的经济损失和社会影响与日俱增。洪水造成河流泛滥，内涝积水，山洪爆发，毁坏庄稼、建筑物和其他物资，造成人员伤亡、疾病，农作物歉收或绝收，交通和通讯受阻，发生农林病虫害、崩塌、滑坡、泥石流等其他自然灾害。洪水灾害的空间影响范围极广。随着经济建立的开展和西部大开发战略的实施，暴雨天气的影响将越来越大。*省陇南地区，作为暴雨灾害的重灾区，迫切需要一款软件，针对于陇南当地的实际情况，能较为准确得模拟径流

37、，预警暴雨和洪水，为地方经济建立和防灾减灾做出奉献。通过地理信息系统与遥感结合的手段，快速、准确、科学地预测和模拟显示洪水爆发时间和地点，及时通知相关部门组织群众转移，防止不必要的财产损失及人员伤亡，对防洪减灾和洪灾评估等具有重要意义。另外，对暴雨的预警并提供决策方案，有助相关部门安排工作，降低次生灾害所造成的损失，在现实生活中具有重要意义。而叠加根底数据，可在道路的选择、加油站的查看等方面为防灾减灾决策提供有力依据，有助于相关部门解决在防灾减灾途中可能遇到的一些问题。1.4 创新性1.4.1 引入SWAT模型国内现有暴雨洪涝预报系统中的水文模型多采用70年代我国自行研发的新安江模型，其开发时

38、间较早，且为集总式模型。由于集总式模型通常采用均一性假设，对点的水文过程采用简单的基于水文规律的方程来描述，其他过程则用经历公式描述，在本质上只能反映有关因素对径流形成过程的平均作用，在模拟和预报时，误差不可防止，也不易控制17。本系统引入90年代初开发的分布式水文模型SWAT模型进展径流模拟，此模型经过十多年的完善，经历8个版本，是现今具有较大影响力的分布式水文模型。其模型研究时不受空间尺度和时间尺度的限制。在提高模拟精度方面，SWAT模型可以将研究区域细分成假设干计算单元，以到达提高模拟精度的效果。针对*陇南地区，本系统采用SWAT模型最新版本SWAT2009模拟河道径流量，预报预警暴雨洪

39、涝灾害。1.4.2 SWAT模型脱离及嵌入如今SWAT模型的使用需在ArcGIS或ArcView平台上，则需要事先安装上述软件，并将ArcSWAT模块安装参加，安装时间长，用户等待时间久。另外，ArcGIS和ArcView为专业地理信息系统软件，属于工具性GIS，非专业GIS人员要掌握其使用较为困难，从而使SWAT的使用对于非专业人士而言遥不可及。将SWAT模型从专业GIS软件上脱离，嵌入自行开发的系统软件，使得未受过专业培训的人员也可轻松使用SWAT模型。1.4.3 SWAT便捷式操作即便是地理信息系统的专业人员，在使用SWAT模型时，需要进展大量的前期数据准备，数据处理，以及数据库的建立等

40、，操作复杂、准备数据繁琐。另外，假设要更新气象信息，需重新运行ArcSWAT，耗时在半个小时左右，极不方便。在自行开发的软件中，针对陇南地区，事先将一定时间变化甚微的地理数据进展处理，建立天气发生器和数据库，使得用户只需更新气象信息便可运行SWAT模型，方便快捷。系统界面友好，操作简单，非专业人士也可轻松使用。1.4.4 预报预警系统二三维显示目前，*陇南地区现有的气象预报预警系统都为纯二维软件，只能得到二维显示效果，而地形信息只能从等高线等方式了解。而在灾害的预报预警中，地表地貌信息往往起到非常重要的作用。此次开发的系统软件突破常用纯二维软件无法直接观察地形的限制，用户针对不同需求进展二维、

41、三维切换，更加立体形象地了解真实地势情况，为防灾减灾决策提供依据。第2章 核心模型研究及应用2.1 核心模型确实定世界范围内常用的水文模型各有各自特点，不同的流域水文模型在建模思路、产汇流机制描述、计算单元划分、求解方法等方面有较大差异。国内使用的水文模型多为集总式水文模型，较少采用分布式模型。就本系统采用的SWAT模型与国内使用较多的集总式模型比拟不难看出，SWAT模型在经行流域产、汇流计算外，还可进展水土流失和面源污染模拟，土地利用及土地管理方式预测等功能附表一。构造上，SWAT模型除水文模块外还参加了包括气象在内的7大模块，对研究暴雨洪涝型洪水有更大帮助。此外，通过比拟发现，SWAT模型

42、还具有以下特点：1基于物理过程SWAT模型不使用回归方程来描述输入变量和输出变量之间的关系，而是需要流域内天气、土壤属性等特定信息2。其优点在于，当观测数据有缺失时，气象发生器能自动运算生成缺损数据，完成整个模拟时间范围内的水文模拟。2无气候局限性SWAT模型精度几乎不受气候条件制约。Vanliew在针对小沃希托河流域的水文模拟实验中证实，无论在枯燥、还是湿润，或者介于两者之间的气候条件下，SWAT模型的径流模拟均能给出较为满意的结果9。3 流域面积适应性广目前利用SWAT模型进展过研究的流域面积最大到491700 km2，最小为0.395 km210。可见流域的大小对模型模拟结果的影响不大，

43、即使是非常大的流域或者多种管理决策进展模拟时，运行计算也不需要过多的时间和投入2。2.2 SWAT模型介绍2.2.1 原理概述SWAT模型是一个分布式水文模型，它通过将大型流域按一定的子流域面积阈值划分为假设干块子流域sub-basins。在此根底上，再根据土壤类型和土地利用率在每块子流域内划分水文响应单元HRU, Hydrologic Response Unit，用天气发生器模拟气候情况，通过实际输入降水、温度信息估算每个HRU上的净雨量、计算产流量和泥沙、污染物质产生量。然后进展河道汇流演算，最后求得出口处断面流量、泥沙含量和污染负荷。模型将模拟过程分为子流域模块坡面产流和坡面汇流和流路演

44、算模块河道汇流两大局部。子流域模块控制每个子流域内主河道的径流、泥沙、营养物质等的输入量，流域内蒸发量随植被覆盖和土壤的不同而变化，可通过水文响应单元HRU的划分来反映这一变化。在具体模拟中，我们通常考虑气候、植被覆盖以及水文这三个方面的因素11。流路演算模块决定径流、泥沙等物质从河网向流域出口的输移运动及符合的演算汇总过程，主要考虑水、沙、营养物N和P和杀虫剂在河网中的输移，包括主河道以及水库的汇流计算。SWAT模型水文循环陆地阶段主要由以下局部组成：气候、水文、泥沙、作物生长、土壤温度、营养物、杀虫剂和农业管理。模拟的水文循环遵循水量平衡方程如下：式中：为土壤最终含水量mm；为土壤前期含水

45、量mm；t为时间步长day； 为第i天降雨量mm；为第i天的地表径流mm；为第i天的蒸发量mm；为第i天存在于土壤剖面底层的渗透量和测流量mm；为第i天地下水出流量mm。2.2.2 模型构造图1 SWAT模型构造2.3 根底数据准备2.3.1 数字高程模型ASTER GDEM 是根据NASA新一代对地观测卫星TERRA的观测结果制作完成，这一全新地球数字高程模型包含ASTER搜集的130万个立体图像，数据覆盖范围为北纬83到南纬83之间的所有陆地区域，到达了地球陆地外表的99%。选用的DEM数据是利用ASTER GDEM第一版本V1的数据进展加工得来，是空间分辨率为30米的数字高程数据产品，总

46、共需获取六景图像。在DEM数据出现缺失的*些象元处，利用求取领域平均的方法获得其栅格值，进而对DEM数据进展填补，实现DEM数据的修复。拼接六景图像，得到*陇南地区的数字高程影像数据。通过数字高程模型，可快速、合理生成河网并划分子流域，同时提取各子流域参数。针对*陇南地区，划分子流域共计77个。2.3.2 土地利用/土壤类型将陇南地区分为耕地、林地、草地、水域、城镇居民与工业用地等五类。虽然SWAT模型是在美国标准下研制成功的12，但土地利用类型种类一样，故按模型要求转换编码，与模型的土地利用数据库相连接。土壤属性数据在模型径流流域产流、产沙和植物生长过程中具有非常重要的作用，SWAT模型中使

47、用的土壤属性数据分为两种，土壤物理特性数据和化学特性数据，物理特性数据又分为土层数、土层厚度、土壤颗粒含量百分比、土壤有效含水量、水文学分组、土壤容重等13。本系统利用以全国第二次土壤普查数据为根底建立起来的中国1:100万数字化土壤图，对土壤进展分类。权衡精度与效率将*陇南地区土壤类型划分至亚类，共31种，包含17个土类，跨7个土纲见附表二。建立的*陇南地区土壤数据库，包含土壤类型和各类土壤物理、化学属性。对于局部无法获取的土壤参数，使用土壤数据库中已有的美国地区土壤数据进展代替。2.3.3 气象数据SWAT模型需要的气象数据较多，主要有气象站点数据、降水数据、气温数据，此外还包括辐射、风速

48、、湿度等。站点文件包括降水站点、气温站点、天气发生器站点等。整理陇南地区6站点的位置，制成列表文件，其他气象数据格式均极为相似。以降水数据为例，分站点将全部降水数据逐日排列，保存为dBase表格。2.4 模型数据处理2.4.1 土壤数据库编辑SWAT模型中土壤类型各个物理参数时，收集土壤分层、土壤剖面最大根系深度、土壤层构造和土壤分层机械组成中的黏土、壤土、沙土和砾石相关资料如图2，使用USDA开发的土壤水文特征软件SPAW如图3来计算田间持水量、饱和度、土壤容重等相关土壤参数。将此计算结果通过经历系数进展数据转换和计算后，建立SWAT模型土壤属性数据库。图2土壤属性数据2.4.2 天气发生器

49、降雨量、平均气温和太阳辐射量等参数对水文过程、作物生长和养分降解、转化等都举要重要影响。连续的日降雨量、日气温等气象资料对模型的模拟效果影响显著。然而由于观测站点数量少和观测数据缺失等原因，以及为了模拟气候变化对水文过程和水体水质的影响，有必要构建一种用于模拟给定气候条件下的随机天气模型，即天气发生器。SWAT2009原本自带有天气发生器的所需参数，由于其自带参数为美国标准，在用SWAT模型进展径流模拟时，为了使径流模拟结果符合陇南地区气候状况，提高模拟结果精度，不能选用它的自带参数。因此需要我们在SWAT模型内建W*GEN天气发生器14，如图4，主要用于生成气候数据和填补缺失数据15。图3

50、SPAW软件图4 天气发生器本系统中筛选出适用的6个气象站点，用该6个站点的气象数据建立天气发生器。主要输入数据有：日降水量、最高气温、最低气温、太阳辐射、露点温度和平均风速，经过统计分析计算得出多年月平均气候特征，计算公式见表一。表一 W*GEN天气发生器参数计算公式表2参数单位公式月平均最高气温/月平均最低气温/最高气温标准偏差最低气温标准偏差月平均降雨量/mm降雨量标准偏差降雨的偏度系数月内干日日数/d月内湿日日数/d平均降雨天数/d露点温度/月平均太阳辐射量/月平均风速/(m/s)气象数据中日降水量、最高最低气温、太阳辐射、风速可直接获取，露点温度可通过湿度和温度换算，采用Liersc

51、h开发的露点温度计算程序16：首先，由气温T计算饱和水汽压公式1，然后利用平均湿度RF和饱和水汽压计算实际水汽压e公式2，最后通过公式3计算露点温度。1式中，为饱和水汽压mbar，T为日平均温度。 2式中，e为实际水汽压mbar，RF为平均相对湿度%。 3式中，dew为露点温度。2.5 SWAT结果分析图5SWAT模拟径流结果实验过程中，采用陇南地区2001-2003年降水对2003年7月的径流情况经行模拟，结果如图5。从图中可以明显看出，模拟值与降雨量的变化是趋于一致的，到达了较好的模拟效果。如27日降雨量到达最大，模拟的径流量也为最大，可以得出径流量受降雨因素影响较大。此外28日降水几乎为

52、零，但其径流由于前一天的大雨并未减小到零，说明河道径流量不仅受到当天降水量的影响，还受到其他河段或自身河段的影响。这和现实世界河道径流情况相符，证明使用该模型进展径流模拟成功，可将其嵌入系统中进展下一步研究。第3章 系统开发3.1 技术路线图6 系统技术路线3.2 开发方式本系统在C*平台上通过ArcGIS Engine进展二次开发。ArcGIS Engine简称为AE的核心是AO组件。AE是一组完备的并且打包的嵌入式GIS组件库和工具库。AE的主要控件共有11个，如图7。系统主要使用了四个AE控件如图8，依照上下述顺序依次排列，包括MapControl用于二维显示、SceneControl用

53、于三维显示、ToolbarControl用于对地图的根本操作、TOCControl用于对图层的根本操作。系统还使用了ribbonControl控件，用于菜单的设置。图7 AE所有控件图8 所用AE控件此外，系统使用了一系列接口来实现其功能：1图像操作：使用IRasterBand 、IRasterStretchColorRampRenderer、IRgbColor等类将黑白的数字图像变成彩色图像；使用IRasterSurface、ILayerE*tensions、I3DProperties等类实现三维显示界面中三维立体效果；使用ISimpleLineSymbol、ISimpleRenderer等

54、类改变图像中线数据的线宽和颜色。2数据操作：使用自定义类FileControl来实现气象数据的导入、修改、添加、删除、查看等功能。3结果展示：使用ISceneViewer、IHit3DSet、IPoint等类实现三维点击查询功能；使用IClassBreaksUIProperties、IClassBreaksRenderer、IAlgorithmicColorRamp、IChartRenderer、IMarkerSymbol以及自定义类CurvePaint等实现径流量的折线图、暴雨的等级图和直方图等结果图像的显示。3.3 技术支持3.3.1 集成式GIS开发技术集成式二次开发是利用专业地理信息系

55、统工具软件或其提供的组件来实现地理信息系统的根本功能，同时采用通用软件开发工具尤其是可视化开发工具作为开发平台，进展二者的集成开发。伴随着软件开发技术的开展，地理信息系统模式经历了多个阶段。组件式地理信息系统以其面向对象、可扩展性强等特点和优势，目前已经成为地理信息系统的主要平台。组件式地理信息系统开发方法是把地理信息系统的功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同的功能，各个地理信息系统控件之间，以及地理信息系统空间与其他非地理信息系统控件之间，通过可视化的软件开发工具，根据需要把实现各种功能的“积木搭建起来，实现地理信息系统的各种功能以及应用系统。ArcGIS Engine 是一个创立GIS

56、桌面应用程序的组件式开发产品。使用ArcGIS Engine 可创立独立的应用程序，或者对现有的应用程序进展扩展，为GIS和非GIS用户提供专门的空间解决方案。使用ArcGIS Engine 能够为现有的应用程序添加动态制图和GIS功能，或构建自己的专门制图程序。3.3.2 GIS可视化技术GIS可视化是科学计算可视化与地学结合而形成的概念，是关于GIS数据的视觉表达与分析。GIS的可视化对地学数学模型的研究包括地学数据内插加密，多分辨率数据表达、多维表数据显示、实时动态处理、并行技术、交互反溃技术，数据的可视化等，偏向于技术层次。使用GIS二维以及三维可视化技术，将现实世界中的山体、河流等进

57、展显示，实现动态处理，用图形呈现地学处理和分析的结果。将GIS可视化技术与气象数据、水文数据的可视化技术结合起来，利于GIS技术进展表现。3.3.3 多源数据融合技术地理信息系统的迅速开展和广泛应用导致了空间多源数据的产生，给数据的集和信息共享带来不便。不同数据源，不同数据精度和不同数据模型的地理数据融合理论与方法的研究，对于降低地理数据的生产本钱，加快现有地理信息更新度，提高地理数据质量有着重要的现实意义。空间数据融合可分为矢量数据融合和栅格数据融合，以及矢量与栅格数据之间的融合。矢量数据融合是采用地理数据转换等方法，实现诸数据源的数据模型、分类分级和几何位置融合，以及属性数据的进一步丰富，

58、是去伪求真、去粗求精的地理数据处理过程。系统将土地利用、土壤类型、流域、地形、气象、遥感影像等矢量和栅格数据通过坐标转换进展多源空间数据的融合，以便同时展示陇南地区的各种地理要素。3.3.4 空间数据库技术数据库就是为一定目的效劳，以特定的数据存储的相关联的数据集合，它是数据管理的高级阶段，是从文件管理系统开展而来的。地理信息系统的数据库简称空间数据库或地理数据库是*一区域内关于一定地理要素特征的数据集合。空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点：1数据量特别大，地理系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数据量往往很大。2不仅有地理要素的属性数据与一般数据

59、库中的数据性质相似，还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系。3数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建立等。系统中使用的陇南县界、河网信息、主要公路等根底数据是包含空间位置数据和属性数据的空间数据库，更清晰的展现了陇南地区的空间性息和属性信息。 第4章系统简介4.1 系统界面图9 系统界面4.2 系统构造如图10所示，系统主要由4大模块构成：根底数据模块、气象数据模块、水文模拟模块以及暴雨预警模块。根底数据模块是根底，后面模块使用时所需根本数据全从此模块中调用，该模块中的数据支持后面模拟运算。此模块信息包括：行政区划、地表信息、地貌特征、城市建立。气象数据模块也是为模拟提供数据，包括：站点数据、实测气象数据、预测气象数据。该模块