一種基于激光雷達(dá)技術(shù)的水庫庫容計(jì)算方法

苗正紅，楊清臣，邱中軍，畢 強(qiáng)

（1.吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130012）

水庫庫容是水庫優(yōu)化調(diào)度的重要參數(shù)，它的精度直接影響水庫的防洪安全以及發(fā)電、灌溉等經(jīng)濟(jì)效益[1]。水庫庫容的定義為最遠(yuǎn)回水?dāng)嗝嬷翂吻暗目傂钏縖2]，分為靜態(tài)庫容和動(dòng)態(tài)庫容。傳統(tǒng)的計(jì)算水庫庫容的方法包括橫斷面法、等高線法、三角格網(wǎng)法以及方格網(wǎng)法等， 其先按照數(shù)學(xué)原理，將河道水庫進(jìn)行切割、分塊，然后求和得到靜庫容，需給定水位的監(jiān)測值，并將水面看成水平[3]，總庫容就是水平水面以下包容的最大體積[4]。這些方法的缺點(diǎn)為耗時(shí)、費(fèi)力、重復(fù)工作量大、精度不高。利用攝影測量方法，無法快速、準(zhǔn)確地獲取大范圍和高精度的DEM，不能滿足水庫高精度估算的需要，隨著遙感和GIS技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)成為計(jì)算水庫庫容的新興技術(shù)[5]。

本文基于激光雷達(dá)技術(shù)快速、準(zhǔn)確地獲取了研究區(qū)的DEM，利用Skyline技術(shù)建立了庫容計(jì)算模型，通過模型計(jì)算了新立城水庫的庫容，并對精度進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 研究區(qū)與技術(shù)方法

1.1 研究區(qū)概況

新立城水庫位于中國吉林省長春市南郊，距市中心20 km，是以供水為主，兼有防洪、灌溉、養(yǎng)殖、發(fā)電等功能的大（二）型水庫，1958年竣工、1985年除險(xiǎn)加固、2004年擴(kuò)容至5.92億m3。新立城水庫上游納入伊丹河、下游納入新開河，至農(nóng)安縣靠山屯東與飲馬河匯合后注入第二松花江，河流全長347 km，為飲馬河水系。新立城水庫壩址以上河長為90.2 km，控制流域面積為1 970 km2，基本河槽寬為10～20 m，河深為3～5 m，坡降為1/1 000～1/2 000，洪水河灘寬為1～3 km。

水庫流域形狀略呈長方形，平均寬度為20.7 km。流域內(nèi)山地占2/3，其余為河谷低平地。最高山嶺高程為724 m，一般為250～400 m。伊通以上山嶺較高，河谷狹窄，伊通以下山嶺逐漸降低，河谷平原逐漸展寬。壩址處兩岸山崗向河谷收縮，是伊丹河匯合以下河谷最狹窄地段，壩址河谷平地高程為207 m。長春市75%的城市供水水量已由石頭口門水庫供應(yīng)，新立城水庫是長春市重要的水源和防洪屏障。

1.2 激光雷達(dá)技術(shù)

激光雷達(dá)的工作原理為向目標(biāo)發(fā)射探測信號（激光束），將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號（目標(biāo)回波）與發(fā)射的信號進(jìn)行比較，通過適當(dāng)處理可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，從而對飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測、跟蹤和識別[6-7]（圖1）。

激光雷達(dá)是工作在紅外波段和可見光波段，以激光為工作光束的雷達(dá)。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成，激光發(fā)射機(jī)將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光學(xué)接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

圖1 激光雷達(dá)工作原理

1.3 不規(guī)則格網(wǎng)的DEM

采用規(guī)則格網(wǎng)進(jìn)行庫容計(jì)算時(shí)，每個(gè)規(guī)則格網(wǎng)的上表面可看作為水平面，下表面看作為地形表面，通常采用雙線形平面對其進(jìn)行模擬，庫容由四棱柱體積進(jìn)行累加得到。單元四棱柱的體積為：

式中，V(H)為指定水位的庫容；H為指定水位的高程；hi為高程小于指定水位的格網(wǎng)高程；d為規(guī)則DEM格網(wǎng)的間距。

水庫庫容的計(jì)算公式為：

根據(jù)誤差傳播理論，單元四棱柱的體積精度可表示為：

2 研究結(jié)果

2.1 DEM結(jié)果

DEM的精度為0.5 m，經(jīng)過投影定義、去除異常值、高程值修改等處理，在ArcGIS中生成TIN模型；再將TIN模型轉(zhuǎn)成柵格數(shù)據(jù)；最終得到覆蓋新立城水庫的DEM數(shù)據(jù)（圖2）?？梢钥闯?，新立城水庫最高點(diǎn)高程在300 m以上，主要分布在西南和東北少數(shù)地區(qū)，最低點(diǎn)高程在220 m以下，分布在河道；高程值變化趨勢平緩，高程數(shù)據(jù)過渡性較好，準(zhǔn)確性較高。

圖2 新立城水庫DEM

2.2 庫容計(jì)算功能

本文利用C#語言，基于Skyline平臺(tái)，開發(fā)了新立城水庫庫容計(jì)算功能（圖3），其計(jì)算結(jié)果如圖4所示，可以看出，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)、快速地計(jì)算任意高程的水庫庫容，方便水庫的信息獲取，為水情監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持。

圖3 庫容計(jì)算功能

圖4 庫容計(jì)算結(jié)果

3 精度驗(yàn)證

本文將檢查點(diǎn)高程與DEM計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比，從表1可以看出，高程誤差均較小，最大值為0.45，最小值為0.08，誤差在一個(gè)像元之內(nèi)，說明該方法的準(zhǔn)確性較高、應(yīng)用性較強(qiáng)。

表1 精度分析/m

4 結(jié) 語

本文基于激光雷達(dá)技術(shù)，利用Skyline平臺(tái)和DEM開發(fā)了庫容計(jì)算功能，并通過精度分析得到以下結(jié)論：

1）將激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用到水庫庫容計(jì)算是可行的，可大大提高庫容計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性。

2）本文設(shè)計(jì)方法具有形象、直觀和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

3）庫容精度的高低取決于DEM精度，而激光雷達(dá)技術(shù)則大大提高了DEM精度，影響數(shù)據(jù)精度的因素還包括測區(qū)地形、攝影比例尺的選擇以及DEM生產(chǎn)中的誤差。

4）本文僅對地形相對平坦地區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，地形復(fù)雜地形有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1] 高圣益,李成國.水庫庫容測量技術(shù)研究[J].人民長江,2007,38(10):98-99

[2] 譚德寶,李青云,黃奇.空間信息技術(shù)在長江水利信息化中的應(yīng)用及展望[J].長江科學(xué)院院報(bào),2004,21(3):1-5

[3] Hsu N S, CHENG W C, CHENG W M, et al. Optimization and Capacity Expansion of a Water Distribution System[J].Advances in Water Resources,2008,31(5):776-786

[4] 袁勇.基于DEM庫容計(jì)算及可視化研究[D].武漢:武漢大學(xué),2004:45-69

[5] 呂杰堂,王治華,周成虎.西藏易貢滑坡堰塞湖的衛(wèi)星遙感監(jiān)測方法初探[J].地球?qū)W報(bào),2002,23(4):363-368

[6] 薛國剛,孫東松,楊昭.直接探測激光雷達(dá)模型及其性能模擬[J].紅外與激光工程,2003(3):244-247

[7] 紅外與激光工程編輯部.紅外光電系統(tǒng)手冊:主動(dòng)光電系統(tǒng)[M].第6卷.天津:航天工業(yè)總公司第三研究院第8358研究所,1996:71-90