基于ArcGIS的棋盤(pán)山水庫(kù)庫(kù)容曲線計(jì)算

徐漢超

(沈陽(yáng)市勘察測(cè)繪會(huì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

1 引 言

棋盤(pán)山水庫(kù)位于遼寧省沈陽(yáng)市中心東 20 km，沈陽(yáng)世博園正北方向，周圍被輝山、棋盤(pán)山和大洋山等長(zhǎng)白山余脈環(huán)抱，因庫(kù)體形狀恰似草體“秀”字，故雅稱秀湖。該水庫(kù)是攔截蒲河水所修的人工水庫(kù)。蒲河發(fā)源于鐵嶺東南部的想兒山，在遼中縣南匯入渾河入海、全長(zhǎng)約205公里，是沈陽(yáng)第四大河流。1974年10月，當(dāng)?shù)卣疀Q定在輝山和棋盤(pán)山之間修建攔河大壩，兩年后竣工。水庫(kù)東西長(zhǎng)約 4 km，南北寬約 1.5 km，面積為 6 km2，正常蓄水量為3000萬(wàn)立方米，建庫(kù)時(shí)最深點(diǎn)約 17 m。自竣工后，該水庫(kù)從未進(jìn)行過(guò)庫(kù)區(qū)清淤工作。

隨著沈陽(yáng)市及棋盤(pán)山國(guó)際風(fēng)景開(kāi)發(fā)區(qū)旅游業(yè)、經(jīng)濟(jì)等的發(fā)展，棋盤(pán)山水庫(kù)新庫(kù)容曲線的計(jì)算也迫在眉睫。因水庫(kù)的正常運(yùn)行，伴隨而來(lái)的泥沙及上游生活生產(chǎn)垃圾淤積問(wèn)題日顯嚴(yán)重，為更好地滿足下游農(nóng)業(yè)用水及支撐下一階段工作決策，本次庫(kù)容曲線測(cè)繪的重要性也尤顯突出。

2 計(jì)算原理

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，庫(kù)容曲線就是連續(xù)高程面對(duì)應(yīng)的庫(kù)容量而形成的曲線。庫(kù)容量計(jì)算的目標(biāo)在于求取現(xiàn)狀水底與指定高程面間的水量體積，而其關(guān)鍵在于對(duì)現(xiàn)狀水底的表述。數(shù)字高程模型(DEM)是數(shù)字地面模型(DTM)的一種，它是以數(shù)字高程的形式按結(jié)構(gòu)組織起來(lái)，表示實(shí)際地形高低起伏和地形大小特征的空間分布模型。

ArcGIS計(jì)算庫(kù)容曲線就是以DEM為基礎(chǔ)，通過(guò)指定連續(xù)高程面求對(duì)應(yīng)水體體積來(lái)統(tǒng)計(jì)出庫(kù)容曲線。其實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 庫(kù)容曲線計(jì)算流程圖

3 實(shí)現(xiàn)步驟

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

本測(cè)繪工程測(cè)線按照“弓”字布設(shè)測(cè)線實(shí)施了測(cè)量，測(cè)量比例尺為 1∶2 000，主要使用了單波束測(cè)深儀。測(cè)深線及檢查線完成情況如圖2所示，其中藍(lán)色測(cè)線為測(cè)深儀測(cè)量線，測(cè)深線間距為 40 m，綠色為成果檢驗(yàn)測(cè)線。

圖2 測(cè)深線及檢查線完成情況示意圖

3.2 數(shù)據(jù)編輯及成圖

水深數(shù)據(jù)經(jīng)檢查剔除粗差后，在EPS軟件上對(duì)圖形文件進(jìn)行勾繪等深線，最終成果如圖3所示。

圖3 水深數(shù)據(jù)成果示意圖

在EPS文件中，將所有等高線及高程點(diǎn)基本屬性Z值轉(zhuǎn)換至擴(kuò)展屬性備注項(xiàng)，如圖4所示：

圖4 高程點(diǎn)及等高線賦值

賦值后將點(diǎn)、線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.mdb數(shù)據(jù)格數(shù)。

3.3 數(shù)據(jù)檢查

使用ArcMap 10.7打開(kāi)高程點(diǎn)和等高線的數(shù)據(jù)文件，查看相關(guān)的高程值是否賦值及正確情況。例如，查看BZ字段是否為空及0的情況等。

3.4 生成現(xiàn)狀DEM模型

使用ArcMap 10.7加載高程點(diǎn)及等高線的高程數(shù)據(jù)，構(gòu)TIN、編輯TIN后形成TIN文件，最終TIN結(jié)果如圖5所示。

圖5 最終TIN成果

使用ArcMap 10.7軟件toolBar中“表面體積”工具，完成庫(kù)容曲線單個(gè)高程水平面的體積計(jì)算，根據(jù)連續(xù)的多個(gè)水平面數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，形成水面高程與庫(kù)容曲線圖。

圖6 庫(kù)容曲線

4 與EPS軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比

在對(duì)比計(jì)算中，使用了北京山維科技股份有限公司開(kāi)發(fā)的EPS2016軟件中的三維模型-土方計(jì)算模塊來(lái)完成。EPS軟件是通過(guò)DEM數(shù)字表面模型利用二重積分的方法進(jìn)行體積計(jì)算。該軟件計(jì)算過(guò)程如下：新建工程→導(dǎo)入高程數(shù)據(jù)→構(gòu)TIN→編輯TIN→計(jì)算指定高程面下體積。

ESP軟件在構(gòu)TIN的過(guò)程中僅僅使用了高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，而等高線數(shù)據(jù)未能參與。因此其高程模型建立得不夠完善，與ArcMAP構(gòu)建的模型之間會(huì)有計(jì)算的誤差。以現(xiàn)狀水位高程面進(jìn)行對(duì)比，兩個(gè)軟件計(jì)算的差值如下：

VArcMAP-VEPS=12.6萬(wàn)立方米

(1)

從兩個(gè)軟件計(jì)算結(jié)果來(lái)看，EPS軟件在計(jì)算過(guò)程中丟失了12.6萬(wàn)立方米，計(jì)算誤差為0.5%。將兩軟件計(jì)算構(gòu)建的DEM在ArcScence中進(jìn)行顯示，可以很清晰地看到EPS軟件未計(jì)算的位置。由此得出結(jié)論，ArcGIS在水庫(kù)庫(kù)容量計(jì)算中比較貼近真值，且提供了立體直觀效果。

5 結(jié)論及建議

水庫(kù)庫(kù)曲線的計(jì)算方法層出不窮，尤其是近年來(lái)軟硬件的提高，也帶來(lái)了計(jì)算的革命，但大量實(shí)踐證明，基于ArcGIS的計(jì)算方法不僅方法簡(jiǎn)單、快捷，適用于全地形項(xiàng)目，同時(shí)可以為水庫(kù)清淤、政府決策及防洪預(yù)警等提供三維效果的支撐。

在使用ArcGIS軟件計(jì)算庫(kù)容過(guò)程中，筆者有如下幾點(diǎn)建議：①在構(gòu)建TIN及生成DEM模型之前一定要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，若底圖數(shù)據(jù)高程點(diǎn)或等高線高程值字段有錯(cuò)誤，必將產(chǎn)生A類錯(cuò)誤(《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》(GB/T24356-2009)規(guī)范中規(guī)定A類錯(cuò)誤一次性扣分值為42分，相當(dāng)于批測(cè)繪成果不合格)。②構(gòu)建TIN模型的過(guò)程中，人工無(wú)法干預(yù)，因此一定要在生產(chǎn)底圖的過(guò)程中提前對(duì)等高線或高程點(diǎn)的高程值進(jìn)行干預(yù)，比如對(duì)等高線或高程點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插等。

但是ArcGIS計(jì)算庫(kù)容曲線對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求較高，其精度受到坡度、地形及像元大小等因素的影響，通常情況下，像元越小精度越高。總的來(lái)說(shuō)，該方法適用范圍廣，可推廣性高。