三維遙感技術在提升水庫調蓄水平中的應用

陳玉杰

摘 要：緊緊圍繞著“采用管理創新和先進的技術方法進行水下地形測量，實現庫容曲線的復合；利用先進技術手段，建立三維空間數據模型及三維仿真模型，最終達到對水庫的淤積變化趨勢、調節庫容預測、攔洪蓄水能力、洪水淹沒、大壩安全預測等內容進行科學分析，動態管理”的目標。為今后探查泥沙淤積對庫容的影響、節能增效提供翔實可靠的基礎數據。

關鍵詞：攝影測量技術（DPS）；遙感技術（RS）；地理信息技術（GIS）；全球定位技術（GPS）

中圖分類號：TP79 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）36-0154-02

Abstract： Focusing on "adopting innovative management and advanced technology methods to carry out underwater topographic survey to realize the combination of reservoir capacity curves， and utilizing advanced technical means to establish three-dimensional spatial data model and three-dimensional simulation model"； Finally， it achieves the goal of scientific analysis and dynamic management of the change trend of reservoir siltation， the prediction of regulating reservoir capacity， the capacity of flood retention， flood submergence， dam safety prediction and so on. It provides detailed and reliable basic data for exploring the influence of silt deposition on reservoir capacity and saving energy and increasing efficiency in the future.

Keywords： photogrammetric technology （DPS）； remote sensing technology （RS）； geographic information technology （GIS）； global positioning technology （GPS）

引言

庫容曲線是水庫特征的最基本資料。其精度直接影響洪水調度的準確性、水庫洪水預報及其控制運用的效益。水庫蓄水運用后，由于泥沙淤積等原因，建庫時制定的曲線變化明顯，采用高科技手段和方法進行管理和輔助決策，建立完善的水庫數字空間運行管理信息平臺，利用遙感GIS技術進行電站水庫庫容曲線復核工程。

1 三維遙感技術特征分析

水庫蓄水運用后，由于歷年入庫泥沙大部分甚至全部淤積在庫內，因而在一定時間后建庫時制定的庫容曲線會發生明顯的變化。為了更加科學、客觀、實際地對水電站實施節能挖潛、綜合利用、安全增效，目前迫切需要引進和采用高新技術手段對水電站進行管理，通過數字高程模型及遙感GIS技術、DGPS定位與數字測深儀結合，復核不同蓄水位庫容曲線，構建水電站數字高程空間模型。輔助建立水庫上下游河流健康和生態平衡機制，摸清泥沙淤積對水庫有效庫容的影響，科學合理安排生產調度，提高水電站的發電效率；動態監測水庫大壩變形/沉降狀況，利用水庫壓力及容量虛擬現實模型，實時展示水庫全貌，以確保水庫大壩安全，同時可以提供各水位流域范圍全景三維影像，提高管理決策水平等等。

2 應用三維遙感技術提升水庫調蓄水平

2.1 技術路線制定

（1）基于航空航天數字影像、全球定位技術及三維空間分析技術，構建水庫以及周邊地區二、三維基礎和空間地理信息數據體系，建立國家控制基準與水庫獨立控制網的聯系，通過制作3D基礎數據，為“水電站三維空間運行管理信息平臺”提供數據支撐。

（2）通過回聲測深儀、GPS載波相位差分定位技術，構建三維數據自動采集系統，按照標準測線，準確快速采集高精度、高密度水下地形數據，獲取水底測點平面和深度信息，利用以ARCGIS為平臺的數據處理編輯軟件，制作水下地形圖、計算庫容、生成庫容曲線，并與初設庫容曲線進行復合分析，為探查泥沙淤積對庫容的影響、節能增效提供翔實可靠的基礎數據。

（3）建立地理信息與水電站各項生產運行指標間的對應關系，分析二者間影響權重關系，為三維空間信息平臺提供預測分析的數學模型。

（4）通過全庫區的航空、航天影像數據和制作的DLG、DOM、DEM及水下地形和庫容曲線復合數據，建立水庫庫區范圍內的三維數字空間分析模型及水庫地下高精度地形模型和水庫庫區三維虛擬現實場景。

2.2 成果精度保障

（1）三等水準測量的精度統計，線路長度92.6公里，閉合差75.17毫米，允許誤差115.47毫米。

（2）靜態GPS網測量的精度統計

基線名 Std.Dev_DN（mm） Std.Dev_DE（mm） Std.Dev（mm）

LH003006.zsd-LHPD3000.zsd 4.34 2.97 5.26

站點名 Std.Dev_N（mm） Std.Dev_E（mm） Std.Dev（mm）

LHPDB 4.02 2.77 4.88

（3）水下地形測量的精度統計

測深檢查線與主測線相交處，圖上1mm內水深點的最小互差0.08m、最大互差0.35m、平均互差0.1575m：共利用5032個檢測點進行精度統計。

3 技術創新方法

針對水庫庫容和淤積量確定方法，應用現代水下地形測量技術，具有計算準確、定位精度高、數據利于水下地形圖的繪制和建立DTM的優點。采用的先進技術體系，保證了“水電站三維空間運行管理信息平臺”在較長時期內在行業內擁有技術優勢。運用現代數字攝影測量技術（DPS）、遙感技術（RS）、地理信息技術（GIS）、全球定位技術（GPS），通過獲取整個庫區的影像數據，建立庫區三維數字空間分析模型及三維仿真模型：利用全庫區地面上及水下的1：10000 3D數據及廠區的1：1000 3D數據，集成GIS組建，采用3DSmax，VRMap圖像處理技術，建立全庫區三維數字空間分析模型及三維仿真模型。了解水庫淤積的空間分布情況，并通過水下地形測量，對庫容曲線進行復合，以便對水庫的淤積變化趨勢、調節庫容預測、攔洪蓄水能力、洪水淹沒、大壩安全預測等內容進行分析，為水庫的節能挖潛、提高發電效率提供數據庫支撐。

新的生產路線：各分項生產內容都緊緊圍繞著“采用管理創新和先進的技術方法進行水下地形測量，實現庫容曲線的復合；利用先進技術手段，建立三維空間數據模型及三維仿真模型，最終達到對水庫的淤積變化趨勢、調節庫容預測、攔洪蓄水能力、洪水淹沒、大壩安全預測等內容進行科學分析，動態管理”的目標。利用制作的衛星遙感影像圖、數字高程模型數據，具有相關要素的DLG數據，為制作水電站三維模型提供基礎數據；廠區大比例尺正射影像圖及DLG數據，以構建核心數據；通過進行1：10000水下地形圖測繪，以求取新的庫容及庫容曲線，更新水電站初步設計時的水庫面積、庫容及庫容曲線，并進行庫容曲線復合，為今后探查泥沙淤積對庫容的影響、節能增效提供翔實可靠的基礎數據。

新的作業方法：通過回聲測深儀、GPS載波相位差分定位技術，構建三維數據自動采集系統，按照標準測線，準確快速采集高精度、高密度水下地形數據，應用CASS軟件進行庫容計算，生產庫容曲線，對測量數據的綜合分析處理、生成水下地形圖，確保庫容曲線精度。

新的技術手段：采用先進CASS9.0軟件自動進行測量數據處理生成水下地形圖，利用ARCGIS軟件生成DEM，以容積為橫坐標，水位為縱坐標，繪出曲線；采用三角網格法計算數學模型求整個水庫庫容，同時以GIS為平臺建立了水庫庫區的三維空間模型及三維仿真模型。提高了水電站的科學化管理層度。

采用的方法：

數字測深儀結合RTK無驗潮改正測量方法：

傳統有驗潮測量方法是利用GPS測定測點的平面位置，利用測深儀測定測點的水深，得到測點的瞬時潮位數據，就可以獲得測點的高程，該方法存在浪涌誤差、水位改正誤差、動吃水改正誤差。生產得到數據結果須經過糾差改正處理，數據精度較低，且作業效率低，生產成本大。

數字測深儀結合RTK無驗潮改正測量方法是在有驗潮改正測量方法基礎上的一種改進方法，測深儀換能器底部高程H；底部到GPS天線高度h；測深儀實測水深Z；某時刻測量的湖底高程H0。H0 始終是某時刻實測的湖底高程，只和測深Z、高H有關。該測量方法將消除水位、波浪、吃水的影響，是比較實用的方法。

利用數字高程模型DEM計算庫容。DEM 主要有3 種表現形式，基于規則格網的DEM（GridObased DEM）、三角網的DEM（TriangleObased DEM）、基于等高線的DEM。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。

采用DEM 進行容積計算可基于功能強大、專業的圖形計算機、專業分析軟件，此方法具有自動化程度高、精度高、直觀、作業效率高、形象、等特點。

4 結束語

利用水下地形測量成果實現庫容的計算，精確生成庫容曲線，經過與初設庫容曲線、面積曲線進行復合比較，以了解水庫庫區水下的變化情況，以滿足對水庫庫容、發電和安全等各項指標影響的分析以及水電站節能挖潛增效的措施調整，防洪、灌溉、航運、養殖、旅游等水庫綜合功能的開發和高效能利用等等需求，以便采用高科技手段和方法進行管理和輔助決策。

參考文獻：

[1]劉桂衛.多尺度三維遙感技術在某鐵路地質勘察中應用[J].鐵道工程學報，2016，33（08）：40-43+99.

[2]陳劍峰.遙感技術在水利水電工程地質勘察中的應用研究[J].江西建材，2016（12）：127.