城市雨洪灾害是指城市中短时间强降雨或连续性降雨导致城市内产生积水区,进而影响城市正常运行的自然灾害。一方面,城市是洪涝灾害的易发区。强降雨会导致城市区域地表水量增大,进而增大积水区形成的概率。此外,城市中诸如道路、建筑物等人造地表建筑也会导致城市排水能力减弱,进而导致积水区的形成。因此,随着全球气候变化的不断加剧,极端降雨频次增加,城市内涝问题日益严峻。为了实现更精细的城市洪涝模拟,需要更加精细的地理数据支撑,近年来,实景三维数据得到了迅速发展。自然资源部办公厅印发《关于全面推进实景三维中国建设的通知》,实景三维作为真实、立体、时序化反映人类生产、生活和生态空间的时空信息,是国家重要的新型基础设施,可以通过“人机兼容、物联感知、泛在服务”实现数字空间与现实空间的实时关联互通,为数字中国提供统一的空间定位框架和分析基础,是数字政府、数字经济重要的战略性数据资源和生产要素。

南京师范大学地理科学学院“智治雨洪”本科生团队,以校学生科学基金项目“基于城市高精度点云数据的三维雨洪模拟”为依托,聚焦当下城市建设问题。在对国内外研究现状进行梳理后,团队成员基于点云进行洪涝模型的数据准备,并通过物理引擎对其模拟结果进行可视化,致力于解决洪涝模型存在的现有数据精度不足以支持高精度的洪涝模拟和洪涝模型可视化效果差的问题。相对于经验公式和概念模型,由物理基础的数理方程建立的水动力模型更能真实地表述水流运动的过程,因而被广泛使用。介于目前的情况,很少有研究将物理引擎或水动力模型与城市内涝相结合,该项目在一定程度上填补了这一领域的缺失,充分发挥了团队的创造性和专业性。

整体研究历时超过一年,分为五个阶段。1.初期准备阶段,团队成员阅读文献,寻找以往点云处理的方法和策略。并学习传统水动力模型的原理,寻找与点云数据适配度较高的水动力模型作为备选模型。录制南师大北区典型积水地带坡面漫流过程视频,为后期进行雨洪模拟提供比对参照。2.地表建模阶段,裁剪南师大北区完整点云数据得实验样区,用于走通地表建模路线。将实验样区点云数据分边界、内部区域处理。精确提取、去噪、排序边界点云构成大区域边界,划分多个子区域,按不同分辨率与建模规则处理。自主研发算法提取边界点,去噪后依质心到点向量与x轴夹角逆时针排序得大区域边界多边形,为构建样区TIN做准备。因点云含大量非地表点,团队进行去噪、滤波、栅格化等操作提取地表点集,用最临近插值法处理地表空洞,获连续规范自然地表点集,为人造地表建模做准备。3.人造建筑物建模与融合阶段,按建筑物对地表雨水流动影响分坡屋顶和平屋顶两类并裁剪。人造建筑物构筑物建模:平屋顶建筑物因有管网排雨,采取轮廓内部挖空构筑方式;坡屋顶建筑物因屋顶坡度和形状影响水线,采取直接地形法构筑。团队设计含屋顶识别等步骤的建模方案,实现建筑物自动化分类与建模,保证建模结果吻合真实情况。4.雨洪模拟阶段,将地表建模阶段获得的样区高精度(厘米级)TIN与ANUGA这个基于三角格网进行模拟的水动力模型相匹配,综合设置区域边界来加以实现模拟水。可视化阶段,在ANUGA_viewer里可视化的结果仅能呈现地表模型下的水流模拟结果,为了将模拟结果与实景结合起来,达到更直观的效果,我们设计了两套可视化方案:一是结合三维点云数据可视化、二是结合遥感影像数据可视化。5.雨洪模拟系统开发阶段,结合整个项目的所有研究成果,我们开发了试验区雨洪模拟系统。它能够可视化动态呈现大雨、中雨、小雨三种雨强下的区域雨洪模拟结果。用户还可以自定义降雨情境,输入想设置的雨强参数,后端会调用ANUGA模型对该降雨情境进行模拟,模拟结束之后,系统会将此次降雨情境和模拟结果保存下来并添加至降雨情境列表,供用户对比查看。

目前,团队成员以第一发明人申请3项国家发明专利,“一种基于点云数据的面向城市雨洪模拟的台阶建模方法”“一种基于点云数据的面向城市雨洪模拟的建筑物建模方法”“一种基于点云数据的面向城市雨洪模拟的排水沟建模方法”,以及1项软件著作权,、“城市高精度雨洪模拟系统”。同时,团队以该项目为依托,结合AI技术,完成了作品“智治雨洪——基于实景三维数据的城市雨洪智能化模拟与决策平台”。该作品入围了“挑战杯”南京师范大学校内选拔赛决赛,并荣获一等奖。在此期间,团队成员组队获得了3项具有业内认可度的国家级奖项和2项省级奖项。此外,团队成员参与并观摩高水平学术交流会议,还在国际科考中分享项目进展,这些经历不仅为项目的开展积累了宝贵经验,也为成员们的个人发展奠定了坚实的学习基础。

精绘雨洪蓝图,智赋城市安澜。“智治雨洪”团队始终致力于在实景三维中国和智慧城市建设中贡献自己的青春力量。