葉植滔

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

0 引言

水位-庫容曲線是水利水電工程規(guī)劃設計過程中水庫工程規(guī)模確定、調(diào)洪演算及排澇調(diào)蓄計算的重要參數(shù)，傳統(tǒng)水位-庫容曲線計算方法主要是利用已有地形圖資料，使用斷面法或等高線法分段分層人工圈量計算，累加后得到相應水位庫容曲線[1]。計算過程反復費時，同時需要大量實測斷面數(shù)據(jù)或高精度涉密地形圖資料，常受到保密地形資料需特殊處理等因素限制，難以批量化處理，特別是工程前期規(guī)劃策劃階段，工程選址未確定，需要做大量方案對比，傳統(tǒng)的庫容曲線計算方法常需要花費大量人力物力，而在地形圖精度不高時，計算結(jié)果受規(guī)劃設計人員的工程經(jīng)驗影響[2]。

隨著3S技術的不斷發(fā)展，采用數(shù)字高程模型(DEM)計算水庫水位-庫容曲線已逐漸得到應用，研究表明利用DEM提取庫容曲線具有適用范圍廣、計算速度快及計算精度高等優(yōu)勢[1，3-4]。然而，這些研究大多針對庫容提取方法技術[3，5]，而針對不同DEM數(shù)據(jù)源所提取庫容曲線的影響研究，國內(nèi)甚少報道。

本文以目前供免費下載的SRTM3 DEM、ASTER GDEM 2種不同的DEM數(shù)據(jù)源為研究對象，分別提取翁源園洞水庫、從化大嶺山水庫2座小型水庫的水位～庫容曲線，并將庫容曲線提取結(jié)果與根據(jù)2020年以后實測的1∶2000地形提取的庫容曲線進行對比分析，探討不同DEM數(shù)據(jù)源所提取庫容曲線精度，為類似工程規(guī)劃策劃提供參考。

1 工程概況及數(shù)據(jù)源分析

1.1 工程概況

園洞水庫所在的園洞水為龍仙水一級支流，滃江二級支流，河床多為巖石及砂卵石，水位暴漲暴落，具有山區(qū)河流特征。園洞水庫壩址以上集雨面積31km2，總庫容831萬m3，是1座以供水為工程任務的小(1)型水源水庫工程，設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為500年一遇。

大嶺山水庫位于廣州市從化區(qū)石門森林公園的小海河流域，小海河是流溪河的1條支流，水庫壩址以上集雨面積5.6km2，壩址以上干流長度5.4km，干流比降0.4%，總庫容301萬m3，是1座以發(fā)電為主，兼顧防洪、公園景觀、森林防火的小(1)型水庫，設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為500年一遇。

1.2 DEM數(shù)據(jù)分析

(1)DEM數(shù)據(jù)源簡介。

目前公開常用的DEM數(shù)據(jù)按生成過程可分為2類：一類是以德國、美國傳感器為代表的TanDEM-X及SRTM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過干涉合成孔徑雷達(InSAR)獲取，利用了微波波段；另一類是以日本傳感器為代表的AW3D及ASTER數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過立體攝影方式獲取，利用了可見光波段。SRTM DEM和ASTER GDEM公布時間較早，已經(jīng)在實際生產(chǎn)和科學研究中得到了廣泛應用[6-7]。

SRTM3 DEM目前是公開可免費獲得的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由美國發(fā)射的奮進號航天飛機搭載SRTM系統(tǒng)完成，數(shù)據(jù)范圍覆蓋地球80%以上的陸地表面，其水平分辨率90m，水平精度±20m，垂直精度±16m，置信度為90%[7-8]。ASTER GDEM目前也是公開可免費獲得的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由1999年12月發(fā)射的Terra衛(wèi)星搭載對地觀測衛(wèi)星TETRRA觀測的資料制作而成，數(shù)據(jù)覆蓋范圍包括83°N到83°S之間的陸地區(qū)域，覆蓋了地球陸地表面的99%，是一種較為完整的地形數(shù)據(jù)，其水平分辨率為1弧度(約30m)，水平精度±30m，垂直精度±20m，置信度為95%[8]。

(2)研究區(qū)域DEM數(shù)據(jù)分析。

用ArcGIS矩形框工具截取2個水庫庫區(qū)所在區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)提取的基本特征參數(shù)詳見表1，高程累積分布如圖1—2所示。根據(jù)表1及圖1—2可知：2種DEM數(shù)據(jù)的最小高程、最大高程及平均高程較接近，高程分布曲線差別較小，說明2種DEM數(shù)據(jù)反映的地形地貌條件基本是一致的；園洞水庫庫區(qū)范圍的2種DEM地貌差別比大嶺山庫區(qū)的大；隨著DEM水平分辨率的降低，數(shù)據(jù)量減少，反映的地形高程變化幅度變小(最大值與最小值差值)，但由于地形柵格數(shù)據(jù)量樣本變小，高程標準差稍變大。

圖1 園洞水庫研究區(qū)域高程累積分布圖

圖2 大嶺山水庫研究區(qū)域高程累積分布圖

表1 研究區(qū)域DEM的基本特征參數(shù)

2 庫容曲線的提取

2.1 提取方法簡介

ArcGIS是一個常用的GIS平臺，由美國ESRI公司開發(fā)，可對地理信息進行數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析及地圖制作，為地理信息數(shù)據(jù)處理提供了空間分析和處理工具。另外，ArcGIS還可將其他應用程序進行集成及應用拓展，具有較為強大的3D分析功能、空間分析能力，以及具有信息疊加、可視化等優(yōu)勢。

ArcGIS的3D Analyst(表面體積)工具可計算指定參考平面以上或以下的柵格、不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)或terrain數(shù)據(jù)集表面的面積和體積，可滿足容積曲線提取計算的DEM數(shù)據(jù)處理需求。按照計算方向，3D Analyst工具可以選擇ABOVE：計算指定平面高度和位于該平面上方的部分表面之間的空間區(qū)域；或者BELOW：計算指定平面高度和位于該平面下方的部分表面之間的空間區(qū)域。

不同高程以下的庫容計算可通過3D Analyst工具構(gòu)建TIN來實現(xiàn)[9]，TIN是1種基于矢量的數(shù)字地理數(shù)據(jù)形式，通過將一系列折點(點要素)組成三角形來構(gòu)建[10]，TIN適用于較小區(qū)域的高精度建模，據(jù)此來計算平面面積、表面積和體積[11]。將庫區(qū)指定高程的平面各邊界與庫區(qū)表面的內(nèi)插區(qū)相交，形成公共區(qū)域范圍，計算公共區(qū)域范圍內(nèi)TIN表面之上與所指定高程水平面(特定水位)之下的立方體區(qū)域的體積，即特定水位下的水庫容積，如圖3所示。

圖3 指定平面高度和平面下方的部分相交示意圖

2.2 庫容曲線提取及分析

基于上述的SRTM3 DEM、ASTER GDEM 2種DEM數(shù)據(jù)源及庫容提取方法，利用ArcGIS的3D Analyst工具提取園洞水庫和大嶺山水庫的庫容曲線(可選擇批量處理)，庫容曲線提取結(jié)果見表2—3。高程基準面參考EGM96大地水準面，實測地形為1985國家高程基準，需要進行高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，但由于各區(qū)域的高程轉(zhuǎn)化關系不一致，受實際條件限制，筆者難以收集到具備測繪資質(zhì)的專業(yè)機構(gòu)給出的基準面之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，考慮到實際工程規(guī)劃階段主要任務為確定庫容規(guī)模，庫容規(guī)模主要受層間相對高差層間庫容影響，可采用相對高程表示，基于此，本文以庫容為0的高程作為換算基準高程，對SRTM3 DEM、ASTER GDEM數(shù)據(jù)提取的水位-庫容進行高程轉(zhuǎn)換，如圖4—5所示。

圖4 園洞水庫水位～庫容曲線

圖5 大嶺山水庫水位～庫容曲線

表2 不同數(shù)據(jù)提取園洞水庫水位～庫容曲線

表3 不同數(shù)據(jù)提取大嶺山水庫水位～庫容曲線

根據(jù)提取的庫容曲線，利用特征水位按照線性內(nèi)插法查取2水庫的特征庫容，結(jié)果見表4。

表4 不同數(shù)據(jù)提取水庫水位～庫容查取特征庫容

根據(jù)上述結(jié)果，可以看出：①以實測地形提取的庫容曲線作為標準庫容曲線，對2種DEM提取的庫容曲線進行對比(見表2—3、如圖4—5所示)。園洞水庫利用SRTM3 DEM提取的庫容曲線與標準庫容曲線吻合較好，但利用ASTER GDEM提取的庫容曲線與標準庫容曲線有較大的差別；大嶺山水庫利用2種DEM提取的水位庫容曲線均與標準庫容曲線均吻合較好。②根據(jù)2水庫特征庫容計算成果，2種DEM數(shù)據(jù)提取的庫容曲線與實測庫容曲線比較均存在一定的誤差，其中SRTM3 DEM數(shù)據(jù)提取的庫容曲相對誤差范圍約為5%～9%，ASTER GDEM數(shù)據(jù)相對誤差約為11%～19%；③總體上利用SRTM3 DEM提取的庫容曲線精度比ASTER GDEM的高，與SRTM3 DEM數(shù)據(jù)水平精度(±20m)、垂直精度(±16m)均高于ASTER GDEM數(shù)據(jù)水平精度(±30m)、垂直精度(±20m)的趨勢是一致的。

3 結(jié)語

水利工程規(guī)劃設計過程中已逐漸應用DEM提取水位-庫容曲線，但國內(nèi)針對不同DEM數(shù)據(jù)源對庫容曲線精度的影響研究較為匱乏。本文分析對比了SRTM3 DEM、ASTER GDEM 2種不同DEM數(shù)據(jù)源對庫容精度的影響，SRTM3 DEM提取的庫容精度比ASTER GDEM的高。但僅分析了2座小型水庫的庫容曲線提取，利用DEM提取庫容的精度仍需通過更多工程的驗證，同時水庫庫容受到區(qū)域地形地貌影響，具體工程規(guī)劃設計過程中庫容曲線提取計算應從多方面驗證庫容曲線精度及合理性。