基于遥感数据的洪泽湖库容曲线推求

多源遥感影像在水库水位-库容曲线复核中的应用丁志雄;颜廷松;屈吉鸿【摘要】从遥感数据源的适用性分析出发,探讨了遥感影像水体的自动提取方法、DEM与遥感相结合的完整水库水位-面积关系曲线推求方法以及水库水位-库容关系曲线的建立等.以水丰水库水位-库容曲线复核为例,验证了这些方法的可行性.【期刊名称】《华北水利水电学院学报》【年(卷),期】2012(033)004【总页数】4页(P32-35)【关键词】多源遥感影像;水体提取;水位-面积关系曲线;水位-库容关系曲线【作者】丁志雄;颜廷松;屈吉鸿【作者单位】中国水利水电科学研究院,北京100048;华北水利水电学院,河南郑州450011;华北水利水电学院,河南郑州450011【正文语种】中文我国己建有水库8万多座，这些水库在防洪、发电、灌溉、航运、渔业等方面发挥了重要作用，为经济社会的发展提供了强有力的支撑．要发挥水库的相关功能，必须了解其水位－库容关系曲线是否准确．由于水库在建成后多年运行造成库区的淤积，改变了原有的水位－库容关系，或者水库在建成时受技术条件等方面的限制，并不能获得真实、准确的水位－库容关系曲线．因此，水库建成或运行多年后，有必要对水库的水位－库容关系曲线进行复核，掌握水库准确的水位－库容关系曲线，在水库、大坝安全的前提下，最大限度地发挥水库的效益．应用传统的水下地形测量等方法测定水库水位－库容关系曲线费时、费力，遥感技术的应用是近年来新兴的一种方法，但如何选择遥感数据源、如何准确提取遥感影像上库区水体、如何完整地推求水库水位－面积关系曲线以及如何建立水位－库容曲线等问题直接影响该方法的准确性与可行性．笔者将对此进行深入探讨，并以水丰水库水位－库容曲线复核为例进行论述和验证．1 遥感数据源的适用性分析遥感技术能够直观、准确地反映水域范围，因此能够准确地测定水库面积，为建立水位－库容关系曲线发挥其重要作用．遥感技术分卫星遥感和航空遥感2种．航空遥感用于水库水位－库容曲线测定几乎不可能，一是费用太高，二是需要多个不同水位条件下的航空遥感影像，需要进行多次的航空飞行摄影，这在实际应用中几乎不可能做到．卫星遥感技术自20世纪70年代出现以来，陆续有数十种遥感影像产品，最早的有美国的陆地卫星系列LANDSAT，还有 MODIS，NOVAA等．近年来，高分辨率卫星遥感数据源有QuickBird，IKNOS，GeoEye 等．法国的 SPOT、欧空局的ENVISAT以及加拿大的RADARSAT等也是常用的卫星遥感数据源［1］．我国近年来卫星遥感也得到了长足的发展，常用的卫星数据源有CBERS系列卫星数据、环境减灾卫星数据、北京一号小卫星数据以及最近已发射或将要发射的高分辨率系列卫星数据等．这些卫星数据的分辨率从1 km到0．1 m不等，数据类型包括可见光、近红外、雷达等数据产品．再加上卫星运行的轨道时间、重访周期、数据获取来源多样等方面的影响因素，使得利用遥感技术进行水库水位－库容曲线测定时不容易选择合适的遥感数据源．遥感影像数据分辨率的大小决定了单景遥感影像所能覆盖范围的大小，一般规律是分辨率越高，单景遥感影像的覆盖范围越小．由于水库的水位经常变化，因此水库的水域范围也经常变化．遥感技术应用于水库水位－库容曲线测定时，要求同一轨道上的遥感影像能够覆盖完整，这样才能保证同一时间遥感获取的水域范围可以对应于水库的某一水位．水库水域范围的大小与水库大小的分类、水库水位的高低密切相关，大的有几百平方公里甚至上千平方公里，小的只有几平方公里或几十平方公里．因此，要在同一轨道上一次性覆盖整个水库区域，综合考虑遥感影像的分辨率、覆盖宽度和水库水域范围的大小，中高分辨率的卫星遥感影像应是比较合适的选择．目前用的比较多的中高分辨率的卫星影像有美国陆地卫星（LANDSAT）数据，包括 TM（Thematic Mapper）和 ETM（Enhanced Thematic Mapper），还有中巴资源卫星数据（CBERS）．TM数据是美国陆地卫星5号搭载的可见光波段遥感数据，共有7个波段，其中波段1～4、波段5以及波段7分辨率为30 m，波段6分辨率为120 m．该卫星目前仍在轨运行，轨道高度705 km，运行周期98．9 min，扫描带宽度185 km，同一地点的重访周期16 d．ETM数据是美国陆地卫星7号搭载的可见光波段遥感数据，共有8个波段，除包含LANDSAT－5的7个波段外，还增加了1个全色波段，其分辨率为15 m．该卫星的轨道、幅宽与重访周期与 LANDSAT－5一致．CBERS数据是我国与巴西合作研发的，CBERS－01/02载有CCD相机5个波段，分辨率为19．5 m，幅宽113 km，重访周期26 d，CBERS－01/02已失效．我国目前在轨运行的可替代CBERS系列卫星的数据有环境减灾卫星数据（HJ－1A/1B）．该卫星有CCD相机4个波段，其波段特性与CBERS－01/02前4个波段一致，分辨率为30 m，单景幅宽360 km，重访周期4 d．可见TM/ETM，CBERS以及HJ－1A/1B数据覆盖范围都比较大，分辨率也适中，CCD相机的数据波段特性基本一致，可以保证同时使用该多种数据源在水库水体范围提取时的一致性．这几种卫星数据联合应用，存档的数据积累已近40 a，数据覆盖的时间范围可以满足大多数水库相应水位状态下的影像数据需求，并且这些数据基本上都具有免费获取的渠道，可以大大减少利用遥感技术实现水库水位－库容曲线测定的费用．2 水库水位－库容曲线复核利用遥感技术开展水库水位－库容曲线的复核，在分析收集有关的遥感影像资料后，首先需要进行遥感影像水体提取，然后推求完整的水库水位－面积关系曲线，最后建立水库水位－库容关系曲线．2．1 遥感影像水体提取从遥感影像上提取水体，有目视解译方法和水体自动提取方法．目视解译耗费大量的人力，水库水域区细小分支比较多，一幅影像的水库水体提取需要一个人花费数十个工作日的时间才能完成，进行水库水位－库容曲线复核又需要使用多个时相的遥感影像数据，因此靠人工解译进行水库水位－库容曲线复核的工作量巨大．利用遥感影像自动提取水体，方法大致分为2类：单波段阈值法和多波段增强图阈值法．单波段阈值法是最早使用的方法，即利用对水体反应表现为强烈吸收的红外波段，通过设定相应的波段反射率的阈值来提取水体［2］．这种方法的优点是简单快速;缺点是水体边界受周边地物的影响，在同一景影像上，由于水体所在周边地物不一样，导致区分水体与周边地物的阈值也会不一样．因此在提取大范围水体时，可能需要分区设定阈值来提取整个水体．多波段增强图阈值法利用水体在遥感影像不同波段的波谱特性，通过多波段运算来增强影像中的水体信息，使得在增强图中水体值高于非水体地物值，从而设定下限阈值提取水体［3］．最有代表性的是1996年McFeeter提出的归一化水体指数法NDWI=（BGreen－BNIR）/（BGreen+BNIR）（BGreen为绿波波段，BNIR为近红外波段），该方法通过抑制植被和土壤信息提取水体［4］．2005年徐涵秋指出NDWI难以抑制土壤和建筑物信息，提出了改进后的归一化水体指数MNDWI=（BGreen－BSWIR）/（BGreen+BSWIR）（BSWIR为中红外波段），并提出在部分建筑区域MNDWI ＞k（k为下限阈值）来提取水体［5］．水体自动提取方法可在很大程度上节省人力，特别是对需要处理大量遥感影像数据的水库水位－库容曲线复核工作特别适合．由于水库水位－库容曲线的准确性直接影响水库大坝安全和水库效益的发挥，因此要求遥感影像提取的水体必须非常准确．遥感水体自动提取在加快速度的同时，也会带来一些误提的结果，如遥感影像上云的覆盖可能误判为非水体，山体阴影可能误判为水体［6］．所以，需要对自动提取的水体进行人工仔细地检查和修正，才能保证水体提取的准确性．以水丰水库为例，利用历史水文系列资料，分析水丰水库出现过的最高、最低水位落差约为79～124 m，受云覆盖以及轨道位置的影响，按水库水位平均间隔1 m 使用卫星图像一次的要求难以满足．以LANDSAT和CBERS影像数据源为主，最后确定的遥感数据为32景，其中LANDSAT卫星资料（TM/ETM）24次，CBERS卫星数据8次．对所收集的32景影像进行几何精校正，即建立地面控制点文件，将遥感卫星图像纠正到同一大地坐标网格上．由于 CBERS没有中红外波段数据，为了与LANDSAT数据相统一，采用基于近红外波段的归一化水体指数法（NDWI）来提取水体，并在部分区域为区分建筑区或裸土区用NDWI＞k（k为建筑区或裸土区的下限阈值）来提取水库库区水体，最后通过人工仔细检验校核，修正云覆盖及山体阴影等造成的误提部分，得到相应库区水体范围．2．2 完整水库水位－面积关系曲线推求确定水库水位－面积关系曲线，需要获得水库不同水位时刻的遥感影像资料，且水库水位间隔应当尽量小，根据有关经验，水库水位每间隔1 m就有相应的库区遥感影像资料，基本能满足工作要求［7］．对于大中型水库，水库水位变幅都在数十米，有的甚至上百米，按1 m间隔使用遥感影像资料一次的要求，所需要的遥感影像资料就需要数十次，甚至上百次．由于能够利用的遥感影像资料有限且受卫星的重访周期、云雾等天气的影响，以及水库未达到过的最高水位等因素的影响，水库一些关键水位下的遥感影像资料并不能有效地获取．因此，可能造成所建立的水库水位－面积关系曲线有偏差或不完整．笔者在进行水丰水库的水位－库容曲线复核工作中，通过数字高程模型（DEM）插补无遥感影像资料的水库水位相应的水面面积，很好地解决了这一问题．水丰水库水位125～131 m的高水位在历史水位资料中尚未出现过，因此也不可能有相应的遥感影像资料，而水库的高水位运行又是最大限度发挥水库效益的关键因素．因此，高水位下的水库水位－面积关系曲线也需要推求得到．所以在工作中考虑使用DEM来提取相应等高线下的水面面积．用DEM提取的水库水面面积并不能反映真实的水库水面状况，与实际状况（遥感影像提取的结果）还有一些差别，如图1所示．其中遥感解译的水库面积对应的水位范围为80～124 m，DEM提取的水库面积对应的水位范围为80～131 m．图1 遥感解译与DEM提取的水库水位－面积关系对比从图1可以看出，遥感解译与DEM提取的数据具有非常紧密的相关性，因此考虑建立两者的相关关系计算方程，用DEM提取的高水位下的库区水面面积模拟计算高水位（125～131 m）时相应遥感的库区水面面积．用四次多项式建立的相关关系回归计算方程如下．相关系数 R2=0．999 931 366 116，式中：y为遥感解译面积;x为DEM插值水库面积．利用该相关关系回归计算方程，可以得到水库在125 m以上高水位时相对应的遥感解译水库面积．并将该计算结果与遥感解译的水库面积成果合在一起，得到水丰水库库水位80～131 m之间完整的水位与水库面积关系曲线，如图2所示．图2 水丰水库完整水位与水库面积关系曲线2．3 水库水位－库容关系曲线的建立由水库水位－面积关系曲线可以进一步推求水库水位－库容关系曲线．首先建立较为详细的水库水位－面积关系查算表，该查算表可由水库水位－面积关系曲线计算得到［8］．按0．01 m的间隔计算水库水位相应的面积，然后按下式计算相应水位差下的库容．累计库容按下式计算，式中：V为某一水位时的库容;hi为两次相邻水位的水位差;Si为水面面积;n为次数;i为序数．按上述公式计算水库库容存在一个问题，即i=1时，S0无法取得，因此V1也无法计算．笔者分析认为，在没有其他参考资料的前提下，较好的解决方法是通过DEM计算得到水库的初始库容，然后由初始库容水位开始起算，得到水库初始库容水位以上各水位下的水库库容．在进行水丰水库的库容曲线复核时，由于该工作是水库电厂扩容建设的一部分，电厂扩容需要利用水库死水位（95 m）以下、80 m以上的水库库容进行发电．因此，80 m为水库的起始调度水位，利用DEM计算得水丰水库80 m水位以下的初始库容为30．2亿m3．然后以80 m为起算水位，按0．01 m 间隔计算得到各水位差下的库容，最后累加得到各水位下的水库库容，绘制的水库水位－库容关系曲线如图3所示．图3 水丰水库水位－库容关系曲线3 结语通过对多种遥感数据源的分析，提出了适合于水库水位－库容曲线复核的遥感数据源，并通过对遥感影像水体的自动提取方法的研究，确定了适合多种遥感数据源相统一的水体自动提取方法，在缺少遥感影像资料时，通过DEM插值来回归计算相应遥感的库区水面面积，从而建立完整的水库水位－面积关系曲线．由水库水位－面积关系曲线进而得到水库水位－库容关系曲线，并给出相应实例验证．结果表明，该方法可行、实用、有效，能够较为准确、快速地获取水库水位－库容关系曲线．可用于水库的动态监测和管理，并能够实时、有效地对库区水域的变化进行动态监测及分析预报，为区域水资源的监测评价与可持续利用提供了依据．参考文献［1］田雨，林宗坚，卢秀山，等．基于RS的水库水位面积曲线测定［J］．南水北调与水利科技，2007，5（1）：59 －60．［2］彭望琭．遥感概论［M］．北京：高等教育出版社，2002．［3］席晓燕，沈楠，李小娟．ETM+影像水体提取方法研究［J］．计算机工程与设计，2009（4）：993 －996．［4］ McFeeters S K．The use of the Normalized Difference Water Index （NDWI）in the delineation of open water features［J］．International Journal of Remote Sensing，1996，17（7）：1425 －1432．［5］徐涵秋．利用改进的归一化差异水体指数（MNDWI）提取水体信息的研究［J］．遥感学报，2005（5）：23－26．［6］李文波，于春颖，张秋文，等．基于归一化水体指数的水域面积估算研究［J］．人民长江，2008（2）：11－13．［7］曹荣龙，李存军，刘良云，等．基于水体指数的密云水库面积提取及变化监测［J］．测绘科学，2008，33（2）：158－160．［8］李纪人，黄诗峰．3S技术水利应用指南［M］．北京：中国水利水电出版社，2003．。

文章编号:1006 2610(2019)05 0013 05利用DEM 计算水库库容曲线的实例分析董　闯,刘蕊蕊,李运龙(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安　710065)摘　要:水库的库容曲线是水利水电工程计算的重要基础数据,库容曲线获取的常用方法断面法㊁等高线法虽然简单实用,但是通过库区的概化㊁存在精度损失,在无实测地形图资料时存在失灵现象㊂通过分析利用DEM 计算水库库容曲线的原理,分别以有实测地形图和无实测地形图2种情况,完成了基于DEM 的水库库容曲线计算的实例分析㊂结果表明:通过实测地形图构建库区DEM 计算的水库库容曲线可以应用于工程设计,在无实测地形图的情况下,可利用DEM 计算库容曲线为项目前期设计或评估提供参考依据㊂关键词:数字高程模型;地形图;库容曲线中图分类号:TV62;TP79 文献标志码:A DOI :10.3969/j.issn.1006-2610.2019.05.004Case analysis of calculating reservoir storage capacity curve with DEMDONG Chuang ,LIU Ruirui ,LI Yunlong(PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited ,Xi'an　710065,China )Abstract :The reservoir storage capacity curve is an important basic data in calculation of water conservancy and hydropower projects.The traditional method such as method of section and contouring method for calculating the reservoir capacity curve is simple and practi⁃cal ,but through the generalization of the reservoir area ,there is the loss of precision and the curve may not be obtained without measured topographic map.By analyzing the principle of using DEM to calculate the reservoir storage capacity curve ,the case analysis of reservoir storage capacity curve calculation based on DEM is carried out in two cases :with and without measured topographic map.The resultsshow that the reservoir storage capacity curve calculated by the DEM with measured topographic map can be applied to the engineering de⁃sign.In the absence of the measured topographic map ,the storage capacity curve calculated by the DEM can be used as a reference for the preliminary design or evaluation of the project.Key words :digital elevation model ;topographic map ;storage capacity curve 收稿日期:2019-04-26 作者简介:董闯(1985-),男,安徽省萧县人,工程师,主要从事水电和新能源发电设计工作.0　前　言水利水电工程设计中经常会用到水库的水位~库容~面积曲线(以下简称库容曲线),库容曲线通常基于实测地形图通过断面法或等高线法计算获得[1-3],断面法计算库容是将水库沿水流流程从库尾到坝址分割成多个梯形体或椎体,等高线法计算库容是将水库按不同等高线从下到上分割成多个梯形体或椎体,通过各梯形体或椎体体积求和得到水库库容㊂断面法㊁等高线法虽然简单实用,但精度与分割的断面个数或等高线间距密切相关,是一种库区的概化,同时,在无实测地形图资料时存在失灵的现象㊂随着地理信息系统(GIS)技术的不断发展,利用数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)计算水库库容得到应用[4-7]㊂本文选取有实测地形图和无实测地形图2种情况,进行基于DEM 的水库库容曲线计算的实例分析㊂1　利用DEM 计算水库库容曲线原理及流程1.1　DEM 简介DEM 是描述地形起伏特征信息的有序数值阵列,自从1956年美国麻省理工学院Miller [8]教授提31西北水电㊃2019年㊃第5期===============================================出来之后,历经几十年的发展,现在已经是GIS的重要组成㊂目前,随着水文模拟技术的发展,将分布式水文模型与GIS进行集成在数据管理㊁空间分析及可视化等方面有很大的优点,而其中很多的水文特征参数如流域水系㊁汇流路径㊁坡度㊁坡向等都是通过DEM进行提取的㊂另外,在防灾减灾㊁生态环境保护和治理㊁土地规划㊁水利工程规划设计㊁国防等各个领域DEM都有着广泛的应用㊂DEM的建模方法主要有:基于不规则三角网(TIN)的建模方法㊁基于格网(Grid)的建模方法和混合的建模方法[9]㊂其中,基于TIN和Grid的建模方法是2种常用的方法,由于格网DEM在生成㊁存储㊁管理㊁计算㊁分析㊁显示等多方面具有很大优点,而且还能方便地进行大区域集成和不同分辨率DEM的综合,因而应用最为广泛,本文也选用格网DEM进行研究㊂生成DEM的核心问题就是插值计算,插值方法的选择直接影响到DEM的精度㊁质量及其应用㊂DEM插值是由选定的若干已知点的高程求出未知点高程值的过程,原理是基于地形起伏的连续性,即空间自相关性(Spatial Autocorrelation),认为距离越近的事物越相似,插值时影响权重越大㊂因此, DEM的生成就转化为如何利用等高线等数据插值生成高精度㊁高质量的DEM㊂基于ArcGIS软件的3D Analyst工具中通用的基于矢量的建模方法TIN㊁IDW㊁Kriging和Natural Neighbors进行DEM的构建㊂(1)以TIN法构建DEM通过ArcGIS的3D Analyst工具栏中 Create TIN From Features”工具可以在原始等高线数据基础上建立TIN,再根据不规则三角网插值生成DEM,如图1所示㊂图1　TIN法构建DEM图 (2)以反距离加权法构建DEM反距离加权法(Inverse Distance Weighted, IDW)是一种比较简单而且广泛使用的空间插值方法,它以插值点与样本点之间的距离为权重,认为距离越近插值时贡献越大,是典型的基于空间自相关理论的方法㊂公式如下:Z=∑n1i/(d i)j×Z i∑n1i/(d i)j(1)式中:Z为估计值;Z i为第i(i=1, ,n)个样本点值;d i为待插值点与样本点i距离;j为距离幂权重,一般取2㊂(3)以克里格法构建DEM克里格法(Kriging)是以南非工程师Krige命名的一种最优插值法,它是利用变异函数考虑空间属性的分布情况,确定出待插值点的影响范围,然后在此范围内对待插值点进行最优㊁线性㊁无偏估计的一种方法,并被广泛地应用于地下水模拟㊁土壤制图㊁GIS等领域㊂插值公式如下:Z x=∑n1i l i×Z i(2)式中:Z x为估计值;Z i为第i(i=1, ,n)个样本点的值;l i为权值,并且和为1㊂41董闯,刘蕊蕊,李运龙.利用DEM计算水库库容曲线的实例分析===============================================(4)自然邻点法构建DEM自然邻点插值法(Natural Neighbor Interpola⁃tion,NNI),又称双次泰森多边形法㊁Voronoi 图内插法,是基于空间自相关性的面积权重线性内插法,其基本原理是先对所有样本点创建泰森多边形,当对未知点进行插值时,就会修改这些泰森多边形并对未知点生成一个新的泰森多边形㊂与待插值点泰森多边形相交的泰森多边形中的样本点被用来参与插值,它们对待插值点的影响权重和它们所处泰森多边形与待插值点新生成的泰森多边形相交的面积成正比,如图2所示,x 为待插值点,P i (i =1, ,n )为邻近已知样本点㊂图2　自然邻点插值法图计算公式如下:f (x )=∑ni =1w i (x )f i (3)式中:f (x )为待插值点x 处的插值结果;w i (x )为参与插值的样本点P i 关于插值点x 的权重;f i 为样本点P i (i =1, ,n )处的值㊂1.2　利用DEM 计算水库库容曲线的原理DEM 是地形表面简单的数字表示,描述地球表面形态的有序数值阵列,实质上是对地球表面地形地貌的一种离散的数学表示㊂规则格网的DEM 由于其数据结构简单,使用方便,所以在工程中使用较多㊂格网单元的高程为格网面积范围内的地形拟合高程h i ,假设用格网宽度为d 的DEM 来计算给定高程H 水位的库容,在给定高程水位的范围内形成三维立体表面,每个格网单元到给定高程水面的形状为四棱柱,分别计算出每个四棱柱单元的体积,然后累加即成为给定高程水位的总库容㊂如果分别用不同的高程面进行切割,便可计算出任意高程水位的库容㊂四棱柱体积计算公式为:V i =d 2×(H -h i )(4) 总库容计算公式为:V =∑V i(5) 水面面积计算公式为:S =d 2×n(6)式中:d 为DEM 格网间距;h i 为第i 个格网的高程;H 为水位高程;n 为水位高程H 以下的格网总数;V i 为第i 个格网与水位为H 的水面间四棱柱的体积;V 为水位H 对应的库容;S 为水位H 对应的面积㊂1.3　利用DEM 计算水库库容曲线的流程水库库容的计算主要分为以下步骤,见图3㊂(1)收集水库库区地形图,并利用地形图等高线(及高程点等数据)构建数字高程模型,如没有实测地形图,可获取库区DEM;(2)以水库的坝址作为出水口,提取出坝址以上的工程库区DEM;(3)计算不同水位高程对应蓄水位的淹没区域DEM;(4)以淹没区域DEM 为计算基础,计算出蓄水高程以下的库容㊂图3　基于流域数字高程模型的水库库容计算流程图2　利用DEM 计算水库库容曲线的实例分析2.1　无实测地形图时库容曲线计算初探同卡水电站是怒江上游西藏河段规划的第5座梯级电站,位于怒江上游河段中游,电站水库是河段控制性水库之一,具有年调节性能㊂在项目前期设计或项目策划时,还未进行库区地形图实地测量或购买相关地形图时,可利用DEM 数据计算水库库容曲线,为项目评估提供依据㊂鉴于DEM 建模方法的多样性,本次选取国际通用的ASTER GDEM (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Ele⁃vation Model)V2作为研究的基础数据㊂ASTER51西北水电㊃2019年㊃第5期===============================================GDEM即先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型,与SRTM一样为数字高程DEM,其全球空间分辨率为30m㊂该数据是根据NASA的新一代对地观测卫星Terra的详尽观测结果制作完成的㊂其数据覆盖范围为北纬83°到南纬83°之间的所有陆地区域,达到了地球陆地表面的99%㊂目前共有2版,第1版V1于2009年公布,第2版V2于2011年10月公布,本次采用第2版㊂2.1.1　库容曲线计算基于ArcGIS软件,数据处理及主要计算过程如下: (1)DEM拼接,挑选出工程区域的DEM,进行数据拼接㊂(2)流域边界提取,通过Hydrology模块中的工具依次计算提取㊂(3)流域DEM裁剪㊂(4)淹没区域的计算,基于流域DEM,可进行不同蓄水位淹没区域的计算㊂通过Map Algebra(地图代数)模块实现㊂(5)库容和淹没面积计算,可通过3D Analyst Tools中的Surface Volume进行计算㊂2.1.2　计算结果对比分析根据‘西藏同卡水电站预可行性研究阶段库容曲线计算书“[10](以下简称计算书),西藏同卡水电站预可行性研究设计阶段库容曲线的量测采用由西北勘测设计研究院测绘大队提供的1∶10000电子地形图,地形图航摄时间为2006年4月,2006年7月调绘,2006年10月出版,1993年版图式,1954年北京坐标系,1956年黄海高程系,等高距为10m㊂计算书中,采用下列公式计算不同水位对应的库容(山区型水库),其中,面积量测采用CAD辅助功能㊂ΔV=13(F1+F1F2+F2)ΔZ(7)式中:F1㊁F2分别为对应高程的面积;ΔZ为高程差㊂采用数字流域高程模型计算的水位-库容-面积曲线与预可研成果对比如图4㊂图4　基于DEM计算的库容曲线与预可研成果对比图 可见,基于ASTER GDEM V2计算的同卡水库库容和面积均小于预可研计算成果,如水位3260.00m时,基于DEM计算的库容比预可研成果偏小18%㊂初步分析,认为是2种数据的精度不一致等原因导致㊂ASTER GDEM V2的全球空间分辨率为30m㊁垂直精度20m㊁水平精度30m㊁其大致相当于1∶50000的比例尺,而预可研阶段库容曲线的量测采用的是1∶10000电子地形图,两者精度差别较大㊂2.2　以实测地形图为基础生成DEM模型计算水库库容曲线 新疆阜康抽水蓄能电站位于新疆昌吉回族自治州阜康市境内,上水库位于白杨河左岸的西岔沟,下水库位于白杨河干流㊂阜康抽水蓄能电站运行灵活㊁启动速度快,在电网中主要承担调峰㊁填谷任务,同时也具有调频㊁调相及紧急事故备用等功能,投入运行后可提高乌昌电力系统运行安全性和供电质量㊂本文收集到2016年测量的新疆阜康抽水蓄能电站下库1∶10000枢纽区地形图,等高距为2m㊂2.2.1　库容曲线计算本次研究选用常见的TIN法构建DEM㊂基于ArcGIS软件,数据处理及主要计算如下:(1)由DWG格式地形图数据转换成ArcGIS识别的shp格式文件,利用3D分析模块,由矢量等高线(点)文件构造TIN文件㊂(2)由TIN文件生产格网DEM,由于1∶10000地形图对应DEM分别率约5m,因此,本次生成的格网DEM栅格大小为5m×5m㊂61董闯,刘蕊蕊,李运龙.利用DEM计算水库库容曲线的实例分析===============================================(3)库区DEM 生成,进行不同蓄水位淹没区域的计算㊂(4)库容和淹没面积计算㊂2.2.2　计算结果对比分析根据收集到的2016年测量的新疆阜康抽水蓄能电站下库1∶10000枢纽区地形图,等高距为2m㊂分别采用基于CAD 辅助功能的库容曲线测量和基于构建DEM 数据的三维库容计算,相应库容曲线成果对比如图5㊂图5　库容曲线成果对比图 可见,基于DEM 三维计算的阜康水库库容和面积均与施工阶段基于地形图量算成果相近,如水位1776.00m 时,基于DEM 计算的库容比基于地形图量算成果仅小0.9%,在误差允许范围内㊂这也验证了基于DEM 计算同卡水库库容较预可研阶段偏小是由于两者基础数据精度不一致导致㊂3　结　语(1)针对无实测地形图的情况,本文对数字高程模型的构建以及基于流域数字高程模型的水库库容曲线的计算进行了研究㊂并以西藏怒江同卡水库作为实例,对其库容曲线进行了计算,计算结果显示,与同卡预可研阶段的水库库容曲线成果相比有一定误差,初步分析,误差是两者基础数据精度不一致导致㊂(2)针对已有测量地形图的情况,本文以新疆阜康抽水蓄能电站下水库作为实例,利用实测地形图构建了库区DEM,对其库容曲线进行了计算,结果显示,与基于CAD 辅助功能量算库容曲线成果很接近,仅偏小0.9%,在误差范围内㊂这也验证了基于DEM 计算同卡水库库容较预可研阶段偏小是由于两者基础数据精度不一致导致㊂(3)基于实测地形图构建DEM 计算的库容曲线可以应用于工程设计㊂在无实测地形图的情况下,可利用DEM 计算库容曲线为项目前期设计或策划提供参考依据㊂(4)基于DEM 计算的库容曲线与实测地形图量算的库容曲线对比分析时,需保持两者原始数据精度一致㊂参考文献:[1]　李书杰.水库库容的量算精度[J].东北水利水电,1997(07):34-36.[2]　高圣益,李成国.水库库容测量技术研究[J].人民长江,2007(10):98-99.[3]　李成家,马强理,韩凤娟.水电站设计死水位及汛限水位的合理性分析[J].电网与清洁能源,2008(10):76-78.[4]　来丽芳,方剑强,张岳.利用DEM 模型进行水库库容计算的方法探讨[J].江西测绘,2009(01):41-42.[5]　谭德宝,申邵洪.基于规则格网DEM 的库容计算与精度分析[J].长江科学院院报,2009(03):49-52.[6]　王媛媛,段建刚.基于规则格网DEM 计算水库库容方法研究[J].吉林水利,2013(11):9-10.[7]　武金慧,刘娜.基于HEC-RAS 模型的萨莫拉河水位流量关系设计[J].西北水电,2016(01):92-95.[8]　柯正谊,何建邦,池天河.数字地面模型[M].北京:中国科学技术出版社,1993.[9]　汤国安,刘学军,闾国年.数字高程模型及地学分析的原理与方法[M].北京:科学出版社,2005.[10]　中国水电顾问集团西北勘测设计研究院.西藏同卡水电站预可行性研究阶段库容曲线计算书[R].西安:2012.71西北水电㊃2019年㊃第5期===============================================。

水库蓄水容量曲线测量方法的研究【摘要】：本文研究了水库蓄水容量曲线测量方法，通过对现有方法的分类和特点进行分析，提出了本研究所采用的测量方法，并在数据采集和处理的基础上，建立了基于测量数据、遥感数据、水位计测量数据和人工智能技术的曲线建立模型。

在实验结果分析中，验证了本研究所提出的方法的有效性和可行性，并探讨了结果的意义和局限性。

本研究对于水库管理和水资源调度具有重要的实际应用价值，同时也为相关领域的研究提供了参考和借鉴。

关键词：水库；蓄水容量；曲线测量方法引言水库蓄水容量曲线是衡量水库蓄水能力和水文特性的关键参数之一，因此对于水利工程的设计和管理具有重要意义。

传统的蓄水容量曲线测量方法通常采用人工测量或者通过使用测量设备进行测量，这些方法需要大量的人力物力投入，并且精度有限。

为了解决传统测量方法的问题，本研究提出了一种基于遥感技术的水库蓄水容量曲线测量方法。

该方法基于高分辨率卫星影像和数字高程模型，结合水库历史蓄水量数据，通过图像处理和数学建模，实现了水库蓄水容量曲线的快速、准确、自动化测量。

本文将介绍该方法的具体实现步骤和技术原理，并通过对比传统方法和该方法的测量结果，证明了该方法的可行性和优越性。

该方法具有操作简便、成本低廉、测量精度高等优点，可以为水利工程的设计和管理提供可靠的技术支持。

1.水库蓄水容量曲线测量方法概述1.1水库蓄水容量曲线的定义和作用水库蓄水容量曲线是描述水库在不同水位下所能蓄存的水量的曲线，通常以水库水位为横坐标，水库蓄水量为纵坐标。

测量水库蓄水容量曲线的方法包括选择代表性的水位点、测量水位高程、计算蓄水容量和绘制蓄水容量曲线。

这个过程需要注意测量时间、测量精度和测量范围等因素。

水库蓄水容量曲线是水资源规划、水文预报、防洪调度和水电站发电等领域的重要基础数据，具有重要作用。

通过蓄水容量曲线，可以为水资源规划提供基础数据，为水文预报模型提供基础，制定合理的防洪调度方案，确定合理的发电方案，提高水电站的发电效率。