一種基于激光雷達技術的水庫庫容計算方法

苗正紅，楊清臣，邱中軍，畢 強

（1.吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130012）

水庫庫容是水庫優化調度的重要參數，它的精度直接影響水庫的防洪安全以及發電、灌溉等經濟效益[1]。水庫庫容的定義為最遠回水斷面至壩前的總蓄水量[2]，分為靜態庫容和動態庫容。傳統的計算水庫庫容的方法包括橫斷面法、等高線法、三角格網法以及方格網法等， 其先按照數學原理，將河道水庫進行切割、分塊，然后求和得到靜庫容，需給定水位的監測值，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]。這些方法的缺點為耗時、費力、重復工作量大、精度不高。利用攝影測量方法，無法快速、準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技術的發展，激光雷達技術成為計算水庫庫容的新興技術[5]。

本文基于激光雷達技術快速、準確地獲取了研究區的DEM，利用Skyline技術建立了庫容計算模型，通過模型計算了新立城水庫的庫容，并對精度進行了驗證。

1 研究區與技術方法

1.1 研究區概況

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、養殖、發電等功能的大（二）型水庫，1958年竣工、1985年除險加固、2004年擴容至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，新立城水庫是長春市重要的水源和防洪屏障。

1.2 激光雷達技術

激光雷達的工作原理為向目標發射探測信號（激光束），將接收到的從目標反射回來的信號（目標回波）與發射的信號進行比較，通過適當處理可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數，從而對飛機、導彈等目標進行探測、跟蹤和識別[6-7]（圖1）。

激光雷達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。它由激光發射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統等組成，激光發射機將電脈沖變成光脈沖發射出去，光學接收機再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

圖1 激光雷達工作原理

1.3 不規則格網的DEM

采用規則格網進行庫容計算時，每個規則格網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行模擬，庫容由四棱柱體積進行累加得到。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高程；d為規則DEM格網的間距。

水庫庫容的計算公式為：

根據誤差傳播理論，單元四棱柱的體積精度可表示為：

2 研究結果

2.1 DEM結果

DEM的精度為0.5 m，經過投影定義、去除異常值、高程值修改等處理，在ArcGIS中生成TIN模型；再將TIN模型轉成柵格數據；最終得到覆蓋新立城水庫的DEM數據（圖2）。可以看出，新立城水庫最高點高程在300 m以上，主要分布在西南和東北少數地區，最低點高程在220 m以下，分布在河道；高程值變化趨勢平緩，高程數據過渡性較好，準確性較高。

圖2 新立城水庫DEM

2.2 庫容計算功能

本文利用C#語言，基于Skyline平臺，開發了新立城水庫庫容計算功能（圖3），其計算結果如圖4所示，可以看出，系統可實時、快速地計算任意高程的水庫庫容，方便水庫的信息獲取，為水情監測提供數據支持。

圖3 庫容計算功能

圖4 庫容計算結果

3 精度驗證

本文將檢查點高程與DEM計算的結果進行對比，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，誤差在一個像元之內，說明該方法的準確性較高、應用性較強。

表1 精度分析/m

4 結 語

本文基于激光雷達技術，利用Skyline平臺和DEM開發了庫容計算功能，并通過精度分析得到以下結論：

1）將激光雷達技術應用到水庫庫容計算是可行的，可大大提高庫容計算的效率和準確性。

2）本文設計方法具有形象、直觀和自動化程度高等特點，在生產實踐中具有廣泛的應用價值。

3）庫容精度的高低取決于DEM精度，而激光雷達技術則大大提高了DEM精度，影響數據精度的因素還包括測區地形、攝影比例尺的選擇以及DEM生產中的誤差。

4）本文僅對地形相對平坦地區進行了實驗，地形復雜地形有待進一步驗證。

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

[2] 譚德寶,李青云,黃奇.空間信息技術在長江水利信息化中的應用及展望[J].長江科學院院報,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庫容計算及可視化研究[D].武漢:武漢大學,2004:45-69

[5] 呂杰堂,王治華,周成虎.西藏易貢滑坡堰塞湖的衛星遙感監測方法初探[J].地球學報,2002,23(4):363-368

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

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