[论文解读] Use of 3D classified topographic data with FullSWOF for high resolution simulation of a river flood event over a dense urban area

Morgan Abily, Olivier Delestre+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2016

Flood Risk Assessment and Management参考文献 8被引用 4

一句话总结

本研究展示了使用高分辨率（0.2 米精度）3D 分类地形数据，结合 FullSWOF_2D 有限体积求解器，在密集城市区域模拟河流地表洪水的可行性与附加价值。该方法通过整合详细的地表结构，实现了对洪水范围、水深和流速的精确建模，相较于传统 2D SWE 模型，使用分类 DSM 时仿真保真度显著提升。

ABSTRACT

High resolution (infra-metric) topographic data, including photogram-metric born 3D classified data, are becoming commonly available at large range of spatial extend, such as municipality or industrial site scale. This category of dataset is promising for high resolution (HR) Digital Surface Model (DSM) generation, allowing inclusion of fine above-ground structures which might influence overland flow hydrodynamic in urban environment. Nonetheless several categories of technical and numerical challenges arise from this type of data use with standard 2D Shallow Water Equations (SWE) based numerical codes. FullSWOF (Full Shallow Water equations for Overland Flow) is a code based on 2D SWE under conservative form. This code relies on a well-balanced finite volume method over a regular grid using numerical method based on hydrostatic reconstruction scheme. When compared to existing industrial codes used for urban flooding simulations, numerical approach implemented in FullSWOF allows to handle properly flow regime changes, preservation of water depth positivity at wet/dry cells transitions and steady state preservation. FullSWOF has already been tested on analytical solution library (SWASHES) and has been used to simulate runoff and dam-breaks. FullSWOFs above mentioned properties are of good interest for urban overland flow. Objectives of this study are (i) to assess the feasibility and added values of using HR 3D classified topographic data to model river overland flow and (ii) to take advantage of FullSWOF code properties for overland flow simulation in urban environment.

研究动机与目标

• 评估使用高分辨率 3D 分类地形数据模拟城市环境中河流地表流的可行性与优势。
• 评估 FullSWOF_2D 代码在处理复杂城市洪水动力学时，对详细地形输入的性能表现。
• 建立一种从分类 3D 数据生成高分辨率数字地表模型（DSMs）的方法，专用于水力建模。
• 识别在子城市尺度使用分类 3D 数据进行洪水模拟时面临的技术与数值挑战，特别是数据精度、分类误差和计算需求方面的问题。
• 强调在城市尺度上，使用详细且分类的地形数据对实现精确洪水风险制图的重要性。

提出的方法

• 使用 2010 年在法国尼斯通过航空摄影测量获取的高分辨率 3D 分类地形数据（0.2 米精度）作为主要地形输入。
• 对数据进行处理，生成多种专用于水力建模的高分辨率数字地表模型（DSMs）。
• 对基于保守 2D 浅水方程、具备良好平衡性与正性保持特性的 FullSWOF_2D 有限体积求解器进行改进，以适用于河流洪水模拟。
• 数值模型采用规则的笛卡尔网格，并应用静力重构格式，以保持良好平衡解，稳健处理干湿边界过渡。
• 施加一个合成洪水过程线，峰值流量为 3700 m³/s，以模拟 1994 年瓦尔河洪水事件。
• 在地表区域中，曼宁-斯特拉克粗糙系数保持空间均匀，桥墩未被显式建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准 DSM 相比，使用高分辨率 3D 分类地形数据是否能显著提高城市河流洪水模拟的精度？
• RQ2 FullSWOF_2D 代码在处理具有详细地表结构的复杂城市地形时，对地表流模拟的表现如何？
• RQ3 在亚城市尺度使用分类 3D 地形数据进行洪水建模时，主要的技术与数据相关限制是什么？
• RQ4 分类错误与数据处理伪影在城市环境中对洪水模拟结果的影响程度如何？
• RQ5 能否建立一种系统性方法，从分类 3D 数据生成高分辨率、专用于水力建模的 DSM？

主要发现

• 使用 3D 分类地形数据能够纳入建筑物、围墙和围栏等细粒度地表结构，显著影响地表流模式。
• FullSWOF_2D 在干湿边界处成功保持了水深的正性与良好平衡状态，确保了洪水波传播过程中的数值鲁棒性。
• 模拟生成了最大水深与流速的详细地图，展示了该方法在高分辨率洪水风险评估中的能力。
• 一个关键限制是由于摄影测量调查期间存在水面，导致河床深度被低估，使河流横截面积减少约 0.1–0.2 米。
• 桥墩未被包含在 3D 分类数据中，导致河流输水能力被高估，可能在过桥区域低估洪水水位。
• 分类错误（如将可渗透结构如围栏误分类为不透水墙体）导致流路预测中引入了显著不确定性。