第四章玛纳斯河流域洪灾经济损失评估模型.docx

洪灾经济损失评估模型
一、 洪水灾害损失分类
洪灾损失分类是洪水灾害损失评估中定量计算的基础，有助于全面、准确的反映洪水灾害情况，从而为系统、科学的评估洪水灾情提供理论依据。
根据洪水灾害对人类社会的发展影响及损失的货币可度量性，一般将洪水损失分为经济损失和非经济损失。其中经济损失又分为直接经济损失和间接经济损失。
直接经济损失指由洪水淹没、浸泡、冲击直接造成的物质方面的经济损失，是洪水灾害造成的实物形态物质的损失，
1.农业
2.居民房屋
3.居民财产
4.
企业资产
公共基础设施(学校的房屋及财产损失)，
水利水电设施主要包括供水、供电、防洪设施、沟渠等各项设施的损失

间接经济损失指由与洪水发生造成生产停产、减产、抗洪救灾及灾后安置等产生的经济损失和相关费用，包括以下三方面：
① 抢险救灾、抢运屋子、灾民救护、转移、安置、救济灾区、开辟临时交通、通讯、供电与供水管线等的费用。
② 由于洪水原因造成的工厂、企业停产，农业减产、交通受阻或中断之时生产、生活等相关生产资料无法供给造成的停工减产损失。③洪水灾害过后，原淹没区内重建恢复期间农业净产值的减少，原淹没区与影响工商企业在恢复期间减少的净产值和多增加的年运行费用，以及恢复期间用于救灾与恢复生产各种费用支出；
③ 非经济损失主要包括无法用经济定量指标具体衡量的损失，指由于洪水灾害造成的人员伤亡，对社会安定、大众心理、生态环境等方面造成的损失和影响。

图 4.1 洪灾损失分类图
Fig 4.1 Flood Loss Category Map
4.2 洪灾损失率模型
洪灾损失率通常是指受灾地区各类承灾体(农作物、房屋、工业生产等)由于洪水灾害造成的损失值与灾前的正常值的比值。损失率是计算洪水灾害直接经济损失的重要参数，它反映了不同承灾体在一定洪水淹没程度下的损失程度。某种承灾体洪灾损失率和洪水属性要素密切相关，受到多因素的影响：包括
淹没水深：地面高程，水面高程；
淹没历时：没顶时刻，消退时刻；
承灾体耐淹能力：耐淹时间
计算区域经济发展水平等。但是对一确定研究区域而言，洪灾损失率的影响因素主要为洪水淹没水深和淹没历时。本文中根据干旱区绿洲特点，对洪水灾害直接经济损失分类，损失率可以按行业类别分为：农作物损失率，林业损失率、渔业损失率、工程设施损失率、城乡居民财产损失率、集体财产损失等几大类。
由于洪灾损失率影响因素的复杂性及其确定方法缺乏成熟的理论，目前国内外均采用调查、分析方法确定[
-、 冯平,崔广涛,钟昀. 城市洪涝灾害直接经济损失的评估与预测[J]. 水利学报,2001,8(8):64~68
、 武靖源,韩文秀,徐杨等. 洪灾经济损失评估模型研究-(I)直接经济损失评估[J]. 系统工程理论与实践,1998(11):44~65
]，因此本文主要讨论洪灾直接经济损失的损失率，分析洪灾损失率的影响因素，提出计算理论和确定方法。
4.2.1 洪灾损失率计算
洪灾损失率的计算和确定是在对同一区域大量洪灾历史数据调查取样的基础上，不同类型的承灾体损失率可以采用以下公式进行计算：
1. 农作物损失率
玛纳斯河流域为新疆重要农业区，洪水的发生将对流域农作物造成巨大的破坏。水分、呼吸等条件是影响大多数农作物生长的重要因素，由于洪水造成农作物淹没浸泡，使农作物的生产条件发生改变，造成农作物减产或绝收；由于洪水高速水流的携带及冲刷作用，使大量泥沙侵占耕地，耕地中的各种肥料和土壤养分被冲走，土壤质量恶化，造成灾后农作物的减产。洪灾发生的时间不同，农作物所处生长期不同，其抗灾能力、已投入农作物生产资料的转化成本、灾后补救所花费的财力、人力均不同。农作物损失率根据上述综合影像因素其计算方式如下：
(4.1)
其中：为第i中农作物正常年份的产值(元/亩); 为第i种农作物遭遇洪水时的产值(元/亩); 为第i种农作物因洪水减少的生产资料投入(元/亩); 为第i种农作物因洪水补种的费用；为因洪灾补种后作物产值(元/亩)。
2. 林业损失率
林木由于其自身的生长特点，一般抗灾能力很强，在一般洪水淹没情况下洪水灾害对其造成的影响比较小，主要是对幼林、果林和经济林造成影响和损失。因此在计算洪灾损失率时应按林木的种类计算损失率。计算公式如下：
(4.2)
其中：
，分别为第i种林木洪灾前、后的价值(元/株)
3．渔畜养殖业损失率
渔业损失主要因洪水灾害造成渔业养殖地(鱼塘等)等被破坏，大量鱼类随洪水游走，造成鱼类减少，其损失主要考虑渔业产值的减少和养殖地修复建设及其他费用。
洪灾对于渔蓄养殖业的影响，主要是对农村地区牛、羊、鸡等牲畜家禽和商业性经营的养殖场造成的损失。
养殖业(牧业、渔业)损失率计算方式如下：

(4.3)
其中：，为第i类养殖业在正常年及洪灾年的产值；为第i类养殖业因洪灾后增加的其它投入费用。
4、工程设施损失率
工程实施主要包括管道、道路、供电、供水、供气等城市基础设施以及农业灌渠、公路、农业电网等农村基础设施。其计算方式采用(4.3)。式中，，分别为第i类设施在灾前及灾后价值；为恢复基础设施到灾前水平所需要的额外费用(不包括设施本施本身费用)。
5、房屋及财产损失率
房屋根据其材料结构一般可以分为混凝土结构、砖瓦结构、土坯结构，由于洪水的冲击和浸泡，造成房屋的倒塌或破坏以及房屋内家庭财产的损失。计算公式如下：
(4.4)

其中、为第j种类型房屋在灾前及灾后的价值；为第j中房屋灾后恢复到原有水平除房屋本身建设费用外的其它费用(劳工费用、市场价格差异等)。
4.2.2 洪水灾害损失率确定方法
洪灾损失率受到多种因素的影响，除各类财产自身因素外，主要受洪水淹没深度、淹没时间等洪水要素的影响。在历史系列洪灾调查的基础上，可以采用图表法或线性回归方法建立洪灾损失率与洪水要素之间的关系。
1 图表法
图表法就是通过调查所得历史数据，建立洪水损失与洪水淹没等级之间的关系。其计算步骤如下：
a.调查获取洪水灾害损失数据
b.确定洪水深度的分级标准
c.建立损失率和洪水深度、淹没历时之间的二维关系，并绘制f(L,H,T)关系曲线
d.通过或得洪水深度和关系曲线，确定特定洪水深度下的洪灾损失率
2 线性回归方法
线性回归方法是定量确定各类财产损失率与洪水要素之间的函数关系，一般采用一元(损失率与水深)或二元(损失率与水深、历时)线性回归方法，其计算步骤为：
a.建立洪灾损失率L与洪水要素水深h,历时t之间的之间的方程

b.代入调查历时洪水灾害损失数据
c.求出回归系数a,b,c得出回归方程
d.进行显著性检验
（3）计算实例
由于本文研究区域历时洪水灾害损失资料比较匮乏，因此采用文献[ 魏一鸣等. 洪水灾害风险管理理论[M]. 北京：科学出版社,2002
]中示例数据（表4.2）利用线性回归方法进行洪灾损失率示例计算。
表 4.2 洪灾损失率
Table 4.2 Flood loss
类型 深度
0
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
农村家庭房屋
0
32
51
66
70
74
78
79
81
83
城镇房屋
0
3
6
9
12
16
19
19
19
19
农村家庭财产
0
20
34
44
52
54
57
58
59
61
农作物
0
78
94
100
100
100
100
100
100
100
农林牧业
0
19
24
28
35
44
51
56
61
69
由于示例数据只是包含了水深和损失率，采用一元回归分析方法，利用Excel线性回归相关函数（INTERCEPT——求取线性函数的截距，SLOPE——求取线性函数的斜率，CORREL——求取线性函数的关系系数）求取每种承灾体的损失率关系函数：
农村家庭房屋：y=15.07359x+20.7013 R=0.903309
城镇房屋： y=4.398268x+0.324675 R=0.963262
农村家庭财产：y=11.58874x+12.61039 R=0.921308
农作物： y=13.61905x+50.42857 R=0.694556
农林牧业 y=13.31602x+2.746753 R=0.996588
按置信度90%对上述函数进行相关性检验，可知函数相关系数R均大于相关系数临界值。
4.3 洪灾评估模型
根据国家防汛抗旱总指挥部办公室提供的“洪涝灾害统计表”，一次洪涝灾害包含以下内容[ 李观义. 基于3S的防洪决策方法研究[D]. 河海大学博士学位论文,2007,3
]：
(1) 洪涝灾害基本情况：受灾范围、受灾人口、受灾城市、倒塌房屋、死亡人口，失踪人口。直接经济损失，包括农林牧渔业直接经济损失、工业、交通运输业直接经济损失、水利设施经济损失之和。
(2) 农林牧渔业：主要包括农作物受灾面积、农作物成灾面积、农作物绝收面积、减收粮食、死亡牲畜、水产养殖损失、农林牧渔直接经济损失。
(3) 工业交通运输业：主要包括因洪涝灾害造成停产的工矿企业，中断的交通设施，机场、港口关停的个次数，主要输电线路停电次数，通讯线路中断的条次数，以及洪涝灾害对工业、交通运输业造成的直接经济损失。
(4) 水利设施：主要包括损坏水库，因洪水造成垮坝的水库数，因洪水造成防洪堤防的除数和长度，被洪水宠坏的防洪堤防工程数、损坏水闸数等以及洪涝灾害对水利工程造成的直接经济损失。
(5) 城市受淹情况：包括城市洪水的淹没范围，受灾人口、死亡人口、城市设施以及城区进水受淹或严重内涝造成的直接经济损失。
本文中主要讨论洪水灾害统计表中洪水灾害造成的直接经济损失的计算方法和模型。洪水灾害经济损失评估是在洪水淹没范围灾前模拟或遥感方法获取基础上，根据洪水淹没区域内的社会经济发展资料、土地利用情况、承灾体分布，建立灾害损失评估模型。一次洪灾总的经济损失包括直接经济损失和间接经济损失两部分[ 万庆等. 洪水灾害系统分析与评估[M]. 科学出版社，1999.12
]:计算公式为：
Lt=(1+K)Ld+Ct,
式中Lt为一次洪水造成的总经济损失(元)；Ct为防洪、抢险、救灾等费用(元)；K为反映除Ct间接损失外，其它间接经济损失和直接经济损失之间的比率关系，可以由历史洪灾资料通过建立经验关系曲线得到。但是由于现实条件中历史洪灾资料不足及过于复杂，因此本研究中主要考虑有形损失中的直接经济损失，各种承灾体的经济损失计算方法如下：
4.3.1 人口
人是洪水灾害的直接和间接承担者，由于洪水作用，造成淹没区人口生命、财产的损失
计算公式：

式中：为i级水深下第j中人口密度人口区域的面积；
为第i级洪水水深下第j中人口密度；
为第i级洪水水深下的人口平均死亡率，当计算受灾人口时采用100%；
为不同等级淹没水深下的人口密度分区数；
为洪水水深淹没等级数
为单位受灾人口的灾害救助费用
模型计算过程：
a. 获取居民点矢量分布图
b. 获取居民点人口分布数据，按照其和居民点矢量分布图的空间关联关系计算每个居民点的人口密度栅格图，分类得到人口密度分类图

c. 获取洪水淹没水深图，按照水深损失分级规则，进行淹没数据空间分层运算，或得分级淹没水深图
d. 淹没水深和密度图进行叠加操作，得到每类水深下受灾人口数
e．迭代求和
4.3.2 农林牧渔业
1．农作物

式中，为洪水水深的分级数；
为评估区内农作物的种类数；
第j中作物在i级淹没水深下的损失率；
为第j中作物的价格，元/kg;
为第j种作物在i级淹没水深下的面积；
为第j中作物的产量；
为第n种受灾作物的补偿价格；
为第n中受灾作物的产量；
为第n中受灾作物的面积
模型实现过程2：
a. 获取土地利用图
b. 获取洪水淹没水深图，按照水深损失分级规则，进行淹没数据空间分层运算，或得分级淹没水深图
c. 淹没水深分级图和土地利用矢量图进行叠加、裁剪操作，得到每类水深淹没下每种作物的淹没面积图
d. 读取农作物产量、价格、损失率等属性数据，根据空间关联代码计算每类水深下每种农作物的损失
e．迭代循环求和
2．畜牧业
畜牧业的损失主要来源于洪水造成牲畜、家禽的死亡，主要包括农村家庭养殖畜禽和商业化养殖畜禽，其计算公式如下

式中：为死亡牲畜的种类；
为第i类牲畜价格；
：为第i类牲畜的平均重量，kg；
：为第i类牲畜母畜死亡数，头；
为第i类牲畜再生系数；
模型实现过程3：
同过程2，其中土地利用图为商业养殖厂分布图和农村居民点分布图。
3．果林业

式中：为林果业总的洪灾损失；
为洪水淹没分类等级数；
为林果树种类数；
为第i类果树的市场价值；
：为第j类林果树第i级水深下的损失率；
：为第j类林果树在第i级水深下的密度
：为第j类林果树在第i级水深下的受淹面积。
模型实现过程4：
实现过程同过程2类似，其中土地利用图为林业分布图。
4.3.2 财产
1． 家庭财产
家庭财产损失主要包括居民房屋和房屋内所包含物品的损失值，其计算公式为：

式中：，为洪水淹没下房屋损失和房屋内家庭财产损失；
，分别为洪水淹没水深分类等级和房屋种类数；
为第i级淹没水深下第k中房屋的数量；
为第k种房屋的价值；
为第i级淹没水深下，第k类房屋的损失率；
为k类房屋中家庭财产值；为第i级水深下，第k类房屋家庭财产损失率。
2． 集体财产
模型实现过程：
同过程1，其中人口密度为某类结构房屋的面积密度。
4.3.3 基础设施

其中：
为j中工程设施i级水深下的面积、长度或个数
为j类设施单位价值
为i级水深下j类设施的损失率
为工程实施受灾后修复或产生的其它费用占损失价值的比率。
模型实现过程：
a. 获取基础设施分布图，并对每类基础设施进行提取分层
b. 获取洪水淹没水深图，按照水深损失分级规则，进行淹没数据空间分层运算，或得分级淹没水深图
c. 分层基础设施图和洪水分级图进行叠加，得到不同水深等级下的每类基础设施的淹没属性，根据空间关联代码关联基础设施属性数据、损失率数据，得到损失计算结果
d. 迭代步骤c

第五章 基于遥感和GIS的玛纳斯河洪水评估系统设计
系统设计是系统开发的前提，是后续编程、测试工作的基础，系统设计的好坏基本上决定了软件系统的优劣。好的系统设计能提高开发人员的工作效率，易于软件系统的质量管理和成本控制，符合软件工程的标准；好的系统设计还应该易于扩充、便于修改，在扩充与修改的同时尽可能少的修改那些已经完成的代码。因此，本章就如何进行系统的设计展开研究，按照”先总体，后局部，先硬件，后软件”的原则和顺序。
5.1系统设计原则
洪水灾害评估系统的设计应从用户角度出发，必须采用GIS软件工程思想，实现系统的科学化、合理化、经济化，因此，系统设计应遵循以下基本原则。
(1)实用性 系统要能够满足洪水灾害评估工作的实际需要，可辅助水利管理、防汛抗旱、土地利用规划等部门进行快速科学的决策。
(2) 模块化 采用软件工程开发中的结构化合原型化相结合的方法。根据工作需要，自顶向下，对系统进行功能解析与模块划分。在详细的用户需求分析的基础上，明细系统用户的功能需求，建立相应的功能子模块。
(3)可靠性与安全性 系统在正常运行时要可靠，抗干扰能力强，不会因为不正常运行或中断而导致系统崩溃；系统设计应采用信息使用的权限管理、建立严格的管理制度、严密的系统操作规程等手段，使系统设计与建设根据要求达到相应安全级别，确保系统长期可靠的运行。
(4)标准化 洪水灾害评估系统的设计开发按照国家规范标准、行业规范标准、国内通用标准等进行设计开发
(5) 扩展性 系统按照标准化原则应该是一个开发的系统，能够不断的更新、完善各个功能模块，而且根据用户的需求，对于目前尚不具有或不完善的功能，预留接口，使系统具有一定的升级能力
(6)兼容性 数据是GIS系统的”血液”，良好的数据获取和兼容功能是系统实用性和可用性的重要保证。系统数据应具有可交换性，选择标准的数据格式和设计通用的数据转换功能，实现与不同GIS、CAD及现有数据库之间的数据共享和转换
(7)界面友好型 用户界面是用户与计算机进行交流的媒介，是整个系统最直接的表现，系统在设计界面是应体现：简单性，系统所有功能均采用菜单和工具对话框两种方式进行操作，所有提示信息均采用中文方式，以便系统信息利于理解，缩短用户的学习期；提供快捷显示及帮助，系统在运行过程中，用户都能联机随时调用帮助系统，给用户以方便的帮助；信息反馈，用户对系统的操作是一个交互性的过程，系统应具备操作失误或不当能力，对应用户因各种原因而产生的误操作，以及导致产生的错用，系统做出错误信息提示和报告备份。
5.2 系统的需求分析
5.2.1 系统功能需求
洪水评估系统是遥感、GIS和计算机技术应用于洪水管理的新尝试，主要实现的功能有系统数据的存储管理，嵌入专业模型进行洪水淹没分析和预测，对特定洪水情景下的洪水灾害进行损失评估，进行信息共享和信息发布。
(1)数据管理功能
GIS应用系统本质上是数据和专业模型相结合的系统，系统的数据管理功能是整个洪水灾害评估系统的的重要支撑基础。通过系统的数据管理功能，实现洪水灾害相关基础信息的收集、存储、管理和及时更新。针对GIS数据格式不统一以及数据更新困难的问题，数据管理功能提供了不同GIS格式数据转换为数据库中标准数据格式的功能，实现系统数据的多源共享。
(2)GIS基本功能
洪水灾害评估系统是对空间数据的操作，系统具备了基本的GIS操作功能，包括平移、放大、缩小、漫游等。
(3)查询功能。即空间数据与属性数据的查询。
(4)淹没计算功能。洪水淹没计算是进行洪水灾害评估的前提和基础。洪水淹没范围计算可以采用遥感方式和专业水文模型进行。在结合DEM的基础上计算洪水淹没的面积、洪水淹没的容积与洪水淹没后水深的分布图。
(5)损失评估功能。借助GIS工具，在已有的同淹没水深与社会经济数据的基础上，根据一定评估标准进行评价，分别计算各类社会经济的损失情况，并显示相关统计图表，对损失情况进行相关查询。
(6)信息共享和发布功能。该功能可以实现对于各类如农作物、交通设施、房产损失等社会经济信息的报表统计、分析及输出显示等功能。对于淹没范围与淹没的损失可以实现专题图的制作及输出。
在系统后期完善过程中，通过WEB GIS和网络技术，进行信息的部门间共享和对公众发布。
5.2.2 系统数据需求
进行洪水灾害损失评估工作，需要大量的信息数据作为支持，下面按照基础地理信息管理、洪水淹没计算、洪水灾害损失评估等不同功能来分析系统建设所需要的数据信息资料和数据类型：
(1)DEM数据：收集现有DEM不同分辨率数据，利用玛纳斯流域行政区划图对DEM数据进行裁剪。
(2)基础地理信息背景数据，包括玛纳斯流域的行政区划图、交通线路图、基础设施分布图、房屋、水系图等。
(3)影像数据，包括LandSat和MODIS数据格式的多期影像数据，遥感方法提取非洪水期以及洪水期的水体范围，以及基础地理信息及土地利用类型的提取。
(4)Mike Flood 模型参数数据，包括模型中所需特定格式的地形数据、河网数据断面数据、水文数据以及气象数据等。
(5) 水文气象数据，包括玛纳斯河流域多年的水文站点流量数据及气象站点数据。
(6)社会经济数据，包括玛纳斯流域农作物产量、价格、财产等数据
(7)其它说明性资料，如洪水灾害现场调查记录的各种文字、资料、照片录像等。
5.3 系统总体设计
5.3.1 系统平台选择
1. 硬件平台环境
洪水灾害评估系统需要处理海量的空间数据和进行专业的模型运算以及空间数据的现实、漫游等操作，需要消耗大量计算机资源。系统对硬件资料的数据处理运行能力有很高的要求。同时系统的大部分功能都是在客户端完成的，因此高性能的个人电脑基本上可以满足系统运行要求。本文要求配置高性能以图形处理见长的PC机，具体如下：
(1)CPU主频2.3GHz或者更高；最小内存1GB，推荐使用2GB的内存配置或更高
(2)数据存储空间由模型数据和现有空间数据大小决定，并推荐使用7200转/秒以上高性能硬盘，以便提高系统数据的存取效率
(3)网络设备：搭建网络传输所需设备(如路由器、网卡等)
(4)显卡：显卡的性能主要由显示频率、显存频率以及显存大小三个参数据顶
(5)输入输出设备，主要包括鼠标、键盘、显示器、打印机等
2. 软件平台环境
(1)考虑到国内个人计算机的操作系统一般使用微软公司的Windows系列产品，因此本系统操作平台选择Windows XP，数据服务器端操作系统采用Linux或Window Server 2003。
(2)选择软件开发环境及语言平台时，应主要考虑其功能性、技术支持、开发运行效率等。系统采用C#进行开发，它微软用于创建运行在.NET CLR上的应用程序语言，它从C和C++语言演化而来，吸收了其他语言的许多优点，简单易用、开发速度快。开发工具采用Visual Studio 2005.
(3)数据库：目前市场上的主流关系数据库有Oracle、SQL SERVER 、DB2等，其功能与性能各有千秋。洪水灾害评估系统采用Oracle作为空间数据与属性数据存储介质，Oracle作为数据库市场的领军人物，加大了对空间数据库的支持和管理，同时Oracle数据库具有以下特性[
]
兼容性 Oracle产品采用标准SQL，并经过美国国家标准技术所测试，与IBM、DB2等兼容，完全支持所有的工业标准。采用完全开发策略，可以是用户选择最适合的解决方案
可移植性Oracle可以运行于很宽范围的硬件与操作系统平台上，可以安装在70中以上不同的大、中、小型机上，可以在DOS、UNIX、windows等多种操作系统下工作
可连接性 能与多种通讯网络相连，支持各种协议(TCP/IP、DECnet等)
高性能和高安全性。
3. 系统开发模式
用户需求决定了系统的开发模式，通常GIS系统的开发模式主要包括：底层开发、嵌入集成开发、组件式开发三种[ 刘光. 地理信息系统二次开发教程——组件篇[M]. 清华大学出版社,2003,1
]。
底层开发：利用可视化编程语言从底层独立开发系统需要的功能，目前比较流行的GIS专业软件采用C或C++语言开发完成。这种开发模式需要投入大量的开发力量和资金。
嵌入集成开发：利用现有的基础GIS平台进行二次开发。目前国内外有大批优秀的基础地理信息系统平台，通过对这些软件进行宏定制可以得到专业的GIS功能。这种开发的优点有：
较高的平台支撑，专业的GIS一般都提供强大的数据管理、空间分析、图形平台等，对于专业功能GIS软件的定制可以从较高的起点平台上直接进行。
可靠性好。专业的GIS软件作为成熟的商业产品，在系统可靠性及性能方面都进行了严格的测试与使用。
缺点：系统较为庞大，花费较高，需要购买专业的GIS软件；对于的应用GIS系统，专业的基础GIS软件平台存在大量功能冗余，系统运行速度较慢。
组件式开发：利用可视化编程语言与GIS组件进行开发。采用基于COM和ActiveX控件技术，利用GIS组件提供的功能和接口完成特有功能GIS系统的开发，这种方式具有小巧灵活、价格便宜，无需专门GIS开发语言，开发简捷更加大众化。适合行业GIS应用系统的定制和开发。
考虑到系统开发的人力、时间以及系统中的功能需求，本系统的开发将采用GIS组件方式进行开发，利用ESRI公司的ArcEngine(AE)进行系统功能的定制。ArcGIS Engine是ArcGIS9.0以后在原有版本的基础上增加的新产品，AE和ArcObject(AO)是桌面ArcGIS的核心部分，是基于COM技术的，对外提供了大量的几口，其中包括1200多个可以进行定制、扩展和开发GIS应用程序的对象，通过这些对象接口，完成对地理数据的显示、管理、存储等操作。
5.3.2系统总体架构
系统设计时采用基于局域网环境下的客户端/服务器三层结构设计模式(如图5.1所示)，包括数据层、业务逻辑层和用户界面层，分别负责实现数据访问、业务处理和用户操作等功能

图 5.1 系统框架图
Fig. 5.1 System Frame Chart
1 底层为数据层，为洪灾损失评估提供数据支持，主要包括玛纳斯流域的地理信息空间数据库及属性数据库。在本系统中数据层的空间数据管理采用ESRI公司的ArcSDE和ArcGIS Engine；属性数据管理采用ADO.NET实现数据的读取、写入。
2 中间层为业务处理层，它是整个系统的核心，负责处理用户输入的信息，根据用户输入对数据层进行操作，并将操作结果反馈给用户。主要包括GIS通用功能模块、洪水淹没计算模块、洪灾损失估算模块及信息管理模块。
3 顶层为用户交互操作层，系统通过可视化人机交互界面，通过鼠标或菜单操作，利用GIS工具实现信息查询、统计等功能。
5.4 系统详细设计
本节根据4.2和4.3节中的需求分析和总体设计结构，从洪水灾害评估系统的功能设计、数据库设计以及系设计对玛纳斯河流域洪水评估系统进行详细设计。
5.4.1 功能设计
根据系统的功能需求分析和系统总体架构，洪水灾害评估系统主要由4个功能模块组成，系统功能模块如图5.2所示：
1)GIS模块功能：具有对地图进行放大、缩小、漫游等显示功能；具有图形和属性数据之间交互检索显示功能；具有对GIS空间分析功能，包括缓冲区分析、叠置分析、面积及距离量算等功能；具有专题地图的生成、修饰及打印输出等功能。
2)洪水淹没范围计算模块，洪水淹没范围计算是通过遥感提取、水文模型模拟运算等多种计算模拟方式，实现洪水淹没范围、淹没水深等洪水要素的获取。系统通过自动对数据进行空间分析与计算，得到不同等级淹没水深图。并可以通过水文模型模拟不同洪水重现期下的可能淹没范围，为洪水预警及防洪规划提供支撑数据。
3)洪灾损失估算模块，洪灾损失估算模块是系统的核心功能，通过建立不同洪灾损失承灾体的计算模型，实现对人口、居民地、农作物、交通道路等承灾体的损失自动计算，统计洪灾影响人数、面积、经济损失，生成统计图表。
4)数据管理模块，具有数据输入、存储、修改及数据库表添加删除等功能；具有属性数据查询检索功能，及查询结果的统计图表制作；具有数据记录的编辑、修改、添加功能；数据输出功能，系统提供2种输出方式：一是输出到文件，系统计算的结果数据以多种形式(Excel，TXT，JPEG等)输出；另一种是根据需要，利用ArcGis Engine提供的地图打印开发接口IPrinter，完成专题地图的打印输出；具有用户管理、系统设置等管理功能。

图5.2 系统功能模块关系图
Fig 5.2 System function module Diagram
5.4.2 数据库设计
流域洪水综合数据库是洪水灾害评估系统的数据支撑层，存储和管理系统所需要的数据，包括水雨情数据、工情数据、灾情数据、社会经济数据、历史洪水信息、基础地理数据、遥感影像数据等。综合数据库划分为水情库、工程信息库、社会经济信息库、基础地理信息库、遥感影像库、结果图形库和结果属性库几类。洪水综合数据库是洪水灾害损失评估建设和运行的基础和关键，按数据库的数据格式可以分为空间数据库和属性数据库。
本研究中数据库管理系统采用Oracle关系型数据库，系统结构采用C/S结构，在系统中集成洪水综合数据库管理系统功能：数据浏览、数据添加、数据修改、数据查询等。
5.4.2.1 洪水评估系统数据源分析
1 多源、多时相遥感影像数据；1976年-2009年5-10月可获得玛纳斯流域的TM/ETM，2000-2010年玛纳斯河全流域MODIS卫星影像数据，为对流域洪水淹没漫溢的动态监测。
2 背景数据：包括1：5万，1：25万,1:10万地形图和土地利用专题图数据，作为洪水模拟评估的基础。
3 基础数据：主要包括1：5万玛纳斯河流域行政区划图，以及水利工程设施空间分布图等基础空间数据以及实际测量玛纳斯河断面数据。
4 属性数据：属性数据是洪水灾害模拟和损失评估的重要基础，包括玛纳斯河流域的社会经济以及空间地物的属性数据，包括流域人口、物质财产、工业等统计数据以及降雨气象资料采用1956年至2005年肯斯瓦特站的水文资料。
5 其它数据：主要为野外考察资料数据和流域现有其它格式数据库数据，包括图片和文档资料(作为流域实际地况的参考)。
5.4.2.2 空间数据库设计
空间数据库是具有空间分布特征的专题图数据按一定的数据模型组成的整体，主要包括基础地理信息库、遥感影像库以及结果图形库。
1 空间参考系与投影
坐标系统是实现各专题数据有机结合的基础，本系统中空间数据统一采用来实现系统中空间数据之间的组织。
投影坐标系统(自定义)：MNS
投影：Gauss_Kruger
东伪偏移：500000
北伪偏移：0
中央经线：87.00
中央经线比：0.9996
单位：米
起始维度：0
地理坐标系统：GCS_WGS_1984
椭球体：D_WGS_1984
2. GeoDataBase数据模型
GeoDatabase是ESRI在ArcInfo8 以后推出的一种新的面向对象的数据模型，通过灵活地赋予GIS数据集要素以自然行为的能力，它可以更加智能化的管理空间数据集[ ESRI. Modeling Our World[M]. Environmental Systems Research Institute,Inc 1999.

]。而GeoDatabase本质上为一种空间数据和属性数据的存储机制，支持多种DBMS结构和多用户访问，提供了可伸缩的解决方案(Personal，File和Enterprise)，能将空间数据存储在文件、MDB文件或者大型DBMS中。

图5.3 GeodataBase数据库模型图
Fig 5.3 GeodataBase database model diagram
多用户企业级GeoDataBase通过ArcSDE支持多种数据库平台，包括Oracle、SQL Server和IBM DB2等。使用ArcSDE利用ESRI桌面客户端可以将GeoDataBase和大型关系数据库连接起来，实现海量的、多用户以及版本控制的空间数据库访问。
根据系统数据分析和GeoDataBase模型介绍，构建流域洪水评估系统GeoDataBase数据库模型如图5.3所示：
3 影像数据库
(1)数据库内容：影像库是由不同种类，不同时间的遥感影像按照GeoDataBase数据模型组成的有机整体。具体包括MODIS影像数据、TM影像数据、DEM数据、其它遥感源数据等。
(2)数据建库
对不同数据源遥感影像进行配准、拼接、研究区裁剪，投影转换等图像处理后。按照特定数据命名规则：”数据源_采集时间_分辨率_标识”，利用ESRI的ArcSDE空间数据库引擎，利用ArcGIS桌面软件ArcCatalog，将遥感影像等栅格数据导入到所建立的空间数据库中。
4 地理信息数据库
(1)数据库内容：地理信息数据的内容主要包括流域的各种矢量数据格式数据。包括1：5万基础数据，行政区划、河流、公路、铁路、县界、居民地、注记、水利工程数据、土地利用类型数据等。
(2)建库：对地理信息现有数据图件和矢量化数据进行数据预处理(矢量化、数据检查、坐标投影设置等)，存储为Shapefile文件格式(*.shp)。根据特定命名规则(数据名_数据类型<点、线、面>_比例尺_修改时间)，利用ArcSDE空间数据库引擎，利用ArcCatalog软件将基础地理数据导入到所建立的空间数据库中，形成矢量地理信息数据库。
5.4.2.4 属性数据库设计
系统中属性数据主要为水文、气象、断面、社会经济以及结果属性数据，此外表中还存储了数据表的元数据信息。
1 水情数据库：
水情数据库是以测站为基本单位存储水雨情实时信息的数据库。设计水情数据库表时，根据测站的测量内容将数据表分为：站点信息表(STATIONINFO)、日径流量表(DQ),水位信息表(DH)、日气温表(DT)、日降雨表(DR)等
2 工情信息数据库
工程信息数据库主要为流域水利工程设施的特征数据，以及反映工程设施的图片以影像信息。根据流域工情数据库的具体情况，将其划分以下内容，并设计建立相应数据表：河流、测量断面、水库、堤防、灌区、水闸、监测站点等。
3.社会经济信息数据库
社会经济信息为洪水灾害评估系统重要基础，主要包括：人口、耕地、房屋、公共设施、经济指标、畜牧业信息、洪水损失表(表5.1)等。根据社会经济信息数据库的内容，主要包括以下数据表：
县级行政区划(TCOUNTY)、乡镇行政区划(TTOWN)、人口情况表(TPEOPLE)、水利设施固定资产表(THYDRO_W)、流域房屋情况表(THOUSE)、土地利用情况表(TLANDUSE)、交通设施资产表(TTRAFFIC_W)、农作物播种表(TCOUNAGRI)、牲畜养殖表(TFARMING)、家庭私有财产表(TSEPESTIMATE)、供电设施资产表(TPOWEREST)、通信设施资产表(TCOMMEST)，损失结果(TLOSS)，洪水面积统计表以上表格设计时均采用最小行政区划单元。
表 5.1洪水损失评估设计表
Table 5.1 Flood damage assessment details table
英文字段名
中文字段名
类型
用途
NULL
取值
修改日期
修改备注
是否主键
YEAR
年份
Date

No
1900-2100

Y
MONTH
月份
DATE

No
1-12

Y
FLOOD
洪水重现期
Number(4)

FARMLOSS
损失
Double

FARMTYPE
类型
VarChar(8)

AREA
面积
Double

LENGTH
长度
Double

5.4.3 功能类设计
在本章功能模块设计部分讨论了全面的玛纳斯河流域洪水评估系统应包含的功能模块，根据开发中模块的设计以及系统的健壮性、强壮性、复用性的原则，本节对系统中系统实现的相关功能类进行了设计，具体如下：
1 数据管理类(CMNSDataManager)
数据管理类主要实现系统和数据库的链接和以及属性数据的管理，其主要方法如下(图5.4(a))：
ConnDataBase：实现数据库的链接。
Insert，Delete，Query：为数据操作方法，生成用来对Oracle属性数据进行插入、删除、查询等操作语句。
ExcuteSQL: 重载方法，执行SQL语句。

图 5.4(a) 属性数据操作类 图 5.4(b) 空间数据库操作类
Fig 5.4(a) The attribute da