基于不同DEM數(shù)據(jù)源提取庫(kù)容曲線對(duì)比分析

葉植滔

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

0 引言

水位-庫(kù)容曲線是水利水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中水庫(kù)工程規(guī)模確定、調(diào)洪演算及排澇調(diào)蓄計(jì)算的重要參數(shù)，傳統(tǒng)水位-庫(kù)容曲線計(jì)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(jì)算，累加后得到相應(yīng)水位庫(kù)容曲線[1]。計(jì)算過(guò)程反復(fù)費(fèi)時(shí)，同時(shí)需要大量實(shí)測(cè)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(duì)比，傳統(tǒng)的庫(kù)容曲線計(jì)算方法常需要花費(fèi)大量人力物力，而在地形圖精度不高時(shí)，計(jì)算結(jié)果受規(guī)劃設(shè)計(jì)人員的工程經(jīng)驗(yàn)影響[2]。

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

本文以目前供免費(fèi)下載的SRTM3 DEM、ASTER GDEM 2種不同的DEM數(shù)據(jù)源為研究對(duì)象，分別提取翁源園洞水庫(kù)、從化大嶺山水庫(kù)2座小型水庫(kù)的水位～庫(kù)容曲線，并將庫(kù)容曲線提取結(jié)果與根據(jù)2020年以后實(shí)測(cè)的1∶2000地形提取的庫(kù)容曲線進(jìn)行對(duì)比分析，探討不同DEM數(shù)據(jù)源所提取庫(kù)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(kù)所在的園洞水為龍仙水一級(jí)支流，滃江二級(jí)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(kù)壩址以上集雨面積31km2，總庫(kù)容831萬(wàn)m3，是1座以供水為工程任務(wù)的小(1)型水源水庫(kù)工程，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇。

大嶺山水庫(kù)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(kù)壩址以上集雨面積5.6km2，壩址以上干流長(zhǎng)度5.4km，干流比降0.4%，總庫(kù)容301萬(wàn)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(kù)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇。

1.2 DEM數(shù)據(jù)分析

(1)DEM數(shù)據(jù)源簡(jiǎn)介。

目前公開(kāi)常用的DEM數(shù)據(jù)按生成過(guò)程可分為2類：一類是以德國(guó)、美國(guó)傳感器為代表的TanDEM-X及SRTM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)干涉合成孔徑雷達(dá)(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(guò)立體攝影方式獲取，利用了可見(jiàn)光波段。SRTM DEM和ASTER GDEM公布時(shí)間較早，已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用[6-7]。

SRTM3 DEM目前是公開(kāi)可免費(fèi)獲得的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由美國(guó)發(fā)射的奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)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(kāi)可免費(fèi)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(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星TETRRA觀測(cè)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(gè)水庫(kù)庫(kù)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(jiàn)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(shuō)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(kù)庫(kù)區(qū)范圍的2種DEM地貌差別比大嶺山庫(kù)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(biāo)準(zhǔn)差稍變大。

圖1 園洞水庫(kù)研究區(qū)域高程累積分布圖

圖2 大嶺山水庫(kù)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(kù)容曲線的提取

2.1 提取方法簡(jiǎn)介

ArcGIS是一個(gè)常用的GIS平臺(tái)，由美國(guó)ESRI公司開(kāi)發(fā)，可對(duì)地理信息進(jìn)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(yīng)用程序進(jìn)行集成及應(yīng)用拓展，具有較為強(qiáng)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(shì)。

ArcGIS的3D Analyst(表面體積)工具可計(jì)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(jì)算的DEM數(shù)據(jù)處理需求。按照計(jì)算方向，3D Analyst工具可以選擇ABOVE：計(jì)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(jì)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(kù)容計(jì)算可通過(guò)3D Analyst工具構(gòu)建TIN來(lái)實(shí)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(guò)將一系列折點(diǎn)(點(diǎn)要素)組成三角形來(lái)構(gòu)建[10]，TIN適用于較小區(qū)域的高精度建模，據(jù)此來(lái)計(jì)算平面面積、表面積和體積[11]。將庫(kù)區(qū)指定高程的平面各邊界與庫(kù)區(qū)表面的內(nèi)插區(qū)相交，形成公共區(qū)域范圍，計(jì)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(kù)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(kù)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(kù)容提取方法，利用ArcGIS的3D Analyst工具提取園洞水庫(kù)和大嶺山水庫(kù)的庫(kù)容曲線(可選擇批量處理)，庫(kù)容曲線提取結(jié)果見(jiàn)表2—3。高程基準(zhǔn)面參考EGM96大地水準(zhǔn)面，實(shí)測(cè)地形為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，需要進(jìn)行高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，但由于各區(qū)域的高程轉(zhuǎn)化關(guān)系不一致，受實(shí)際條件限制，筆者難以收集到具備測(cè)繪資質(zhì)的專業(yè)機(jī)構(gòu)給出的基準(zhǔn)面之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，考慮到實(shí)際工程規(guī)劃階段主要任務(wù)為確定庫(kù)容規(guī)模，庫(kù)容規(guī)模主要受層間相對(duì)高差層間庫(kù)容影響，可采用相對(duì)高程表示，基于此，本文以庫(kù)容為0的高程作為換算基準(zhǔn)高程，對(duì)SRTM3 DEM、ASTER GDEM數(shù)據(jù)提取的水位-庫(kù)容進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換，如圖4—5所示。

圖4 園洞水庫(kù)水位～庫(kù)容曲線

圖5 大嶺山水庫(kù)水位～庫(kù)容曲線

表2 不同數(shù)據(jù)提取園洞水庫(kù)水位～庫(kù)容曲線

表3 不同數(shù)據(jù)提取大嶺山水庫(kù)水位～庫(kù)容曲線

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

表4 不同數(shù)據(jù)提取水庫(kù)水位～庫(kù)容查取特征庫(kù)容

根據(jù)上述結(jié)果，可以看出：①以實(shí)測(cè)地形提取的庫(kù)容曲線作為標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)容曲線，對(duì)2種DEM提取的庫(kù)容曲線進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表2—3、如圖4—5所示)。園洞水庫(kù)利用SRTM3 DEM提取的庫(kù)容曲線與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)容曲線吻合較好，但利用ASTER GDEM提取的庫(kù)容曲線與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)容曲線有較大的差別；大嶺山水庫(kù)利用2種DEM提取的水位庫(kù)容曲線均與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)容曲線均吻合較好。②根據(jù)2水庫(kù)特征庫(kù)容計(jì)算成果，2種DEM數(shù)據(jù)提取的庫(kù)容曲線與實(shí)測(cè)庫(kù)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(kù)容曲相對(duì)誤差范圍約為5%～9%，ASTER GDEM數(shù)據(jù)相對(duì)誤差約為11%～19%；③總體上利用SRTM3 DEM提取的庫(kù)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(shì)是一致的。

3 結(jié)語(yǔ)

水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中已逐漸應(yīng)用DEM提取水位-庫(kù)容曲線，但國(guó)內(nèi)針對(duì)不同DEM數(shù)據(jù)源對(duì)庫(kù)容曲線精度的影響研究較為匱乏。本文分析對(duì)比了SRTM3 DEM、ASTER GDEM 2種不同DEM數(shù)據(jù)源對(duì)庫(kù)容精度的影響，SRTM3 DEM提取的庫(kù)容精度比ASTER GDEM的高。但僅分析了2座小型水庫(kù)的庫(kù)容曲線提取，利用DEM提取庫(kù)容的精度仍需通過(guò)更多工程的驗(yàn)證，同時(shí)水庫(kù)庫(kù)容受到區(qū)域地形地貌影響，具體工程規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中庫(kù)容曲線提取計(jì)算應(yīng)從多方面驗(yàn)證庫(kù)容曲線精度及合理性。