作品编号：B521（二等奖）
作品名称：基于多元信息耦合/半经验模型的泥石流灾害预警及三维动态模拟
作者单位：山东科技大学测绘科学与工程学院
小组成员：朱浩，石长江，刘硕，姚远
指导老师：江涛，朱红春
- 研究目的及意义
泥石流常常具有暴发突然、来势凶猛、迅速之特点。并兼有崩塌、滑坡和洪水破坏的双重作用，其危害程度比单一的崩塌、滑坡和洪水的危害更为广泛和严重。
2010 年 8 月 18 日凌晨 1：30 分，云南省怒江州贡山县普拉底乡东月谷河暴发特大山洪泥石流灾害。泥石流物质冲入怒江，导致怒江短暂阻断，灾害共造成贡山县 11212 人受灾，直接经济损失 1.4 亿元。所以对泥石流预警与评估是非常重要的。
我们使用ArcGIS Pro及ArcGIS系列软件。结合地质、泥石流影响因子，利用Python脚本工具以及ModelBuider对研究区进行三维地质体构建、泥石流预警、泥石流危险范围预测以及灾后评估与泥石流三维动态模拟。对西南地区泥石流预防工作有一定的借鉴作用。
2.技术流程与实现方法
图1 作品技术流程图
通过python脚本编程将主成分分析方法、层次分析法、功效系数等数学分析方法与GIS空间分析功能相结合，根据多元指标建立泥石流形成预警及危险等级评估模型，为泥石流预警工作提供数学依据与支撑。
引入基于统计的半经验模型——Laharz算法。“淹没区预测”脚本工具用于实现根据泥石流体积来进行危险范围的预测，对于Laharz算法进行了优化改进，将模型参数进行简化，去除不必要中间变量，结合我国泥石流统计数据对于核心参数进行了调整，并根据研究区实际情况进行修正。
对泥石流灾害过程进行了三维动态模拟，首先在CityEngine中编写cga规则，利用ArcGIS Pro中的Feature From CityEngine Rules工具将立体模型导入三维场景中进行显示。然后利用不同时段的泥石流实体创建帧并导出动画，提高可视化效果。
模型&脚本工具
1.三维地质实体构建
图2 三维地质体构建工具箱图
1）钻孔点生成
图3 钻孔点生成模型图
2）生成地层TIN
图4 生成地层TIN模型图
3）建立地层实体
图5 建立地层实体模型图
2.泥石流预警
图6 泥石流预警工具箱图
1）流域面积指标
图7 流域面积指标模型图
2）沿沟两岸坡度指标
图8 沿沟两岸坡度指标模型图
3）流域内冰川面积指标
图9 流域内冰川面积指标模型图
4）植被覆盖度指标
VFC =(NDVI - NDVImin)/( NDVImax - NDVImin)
获取二分法所需的NDVI最大值与最小值，即累计概率为5%和95%像元值依次计算出各流域植被覆盖度
- 沟道平均纵坡比指标
计算沟道平均纵坡比指标基于“约翰斯通-克罗斯”算法
6）泥石流形成预警及危险等级评估模型
该脚本工具首先结合主成分分析法与层次分析法主客观联合定权确定各项指标因子权重，然后再利用功效系数法结合文献确定每个指标因子的满意值和不允许值确定各指标因子功效系数，再结合各因子权重计算各条泥石流沟的危险程度得分，最后根据标准进行分级。得出的各项指标权重同时也是泥石流形成监测预警的指标因子权重。
7）泥石流灾害监测
输入相应参数，即可得到预警等级等信息。
图 10 泥石流灾害监测脚本工具图
3.淹没区分析
图11 淹没区分析工具箱图
图12 Laharz算法核心思想图
图13 淹没区预测流程图
1）计算上游贡献区坡度阈值H/L
首先提取出流域中形成区与沟谷的交点处，作为泥石流堆积起始点，通过提取的泥石流沟最高点以及输入的交点位置，产生一个在数学上与地形相交的圆锥，圆锥的顶点即泥石流沟最高点，圆锥的底面即交点所在的平面，圆锥与地形表面的交界定义了上游贡献区(泥石流形成区)的边界。此处H/L计算式即为流域最高点与堆积区起始点高差与两点之间距离距离之比。
- 指定的斜率（“能量锥”阈值）大小（即H/L）确定指定点位的上游贡献区。其中H：流域中最高点和指定点（泥石流开始堆积点）之间的高差L：流域中最高点和指定点之间的水平距离通过指定斜率（“能量锥”阈值）大小求算流域中所有点到流域中指定的最高点之间的高差，利用此最高点高程所创建的常量栅格减去上述高差，然后再减去原始DEM，若栅格值小于0，则证明此位置到指定最高点斜率小于指定斜率，若栅格值大于0，则证明此位置到指定最高点斜率大于指定斜率，即为上游贡献区。
图14 上游贡献区图
3）淹没区预测
(1) A=0.1778*V0.601
(2) B=9.772*V0.735
其中V为泥石流总体积，A为泥石流沟最大截面面积，B为堆积体危险范围面积
首先根据泥石流体积计算出泥石流最大横截面面积和危险范围面积。横截面面积在整个过程中保持不变，但每个横截面的形状不同。从输入的起始点开始，利用DEM高程数据和流向数据来确定每个横截面的形状，当每个横截面的面积大于或等于利用(1)得到的面积时，扩散停止，即得到横截面的形状。时刻记录确定横截面过程中的所经过的像元坐标，进行淹没区范围面积的计算，当淹没区面积大于或等于利用(2)得到的面积时，扩散停止，即得到淹没区范围。
图15 东月各河设置泥石流体积为物源总量32%所得到危险范围图
4.灾后评估与泥石流三维动态模拟
图16 灾后评估与泥石流三维动态模拟工具箱
1）堆积体积量算：需输入泥石流淹没范围，再利用填挖方工具计算沟口堆积区体积。由于沟口处堆积区体积无法获取，泥石流总体积与沟道中泥石流堆积体积相减获得沟口泥石流堆积扇体积。堆积区保存为要素类，并添加“Volume”字段将堆积区泥石流体积存储在属性表中。
2）三维动态模拟：三维动态模拟分为不同时段泥石流范围和泥石流实体构建两个部分，分别通过“不同时段淹没范围”和“创建泥石流实体”脚本工具实现。“不同时段淹没范围”脚本工具衍生于“淹没区预测”脚本工具，将输入参数“总体积”改为“流量”和“泥石流持续时间”，泥石流流通体积随泥石流持续时间增长而增加，基于时间序列输出不同时相的泥石流淹没范围。
将不同时段的堆积栅格转为矢量，对矢量面进行平滑，将平滑后的矢量面进行转点操作，然后将DEM值提取至点,并由点创建TIN，再由DEM创建地层TIN，两层TIN拉伸为多面体。
图17 创建不同时段泥石流实体模型图
通过“创建不同泥石流实体”模型将上述两个脚本工具的进程连接，并加入数据预处理部分（裁剪，栅矢转换），提高动态模拟的自动化程度。
图18 创建不同时段泥石流实体部分图
图19 东月各河研究区原始场景图
图20 泥石流三维动态模拟过程图