3S技術在江蘇橫山水庫勘界劃線中的應用研究

高士佩 ，梁文廣 ，錢 鈞 ，施建明 ，王冬梅

（1. 江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017；2. 江蘇省水利科學研究院 湖泊研究所，江蘇 南京 210017；3. 江蘇省防汛防旱搶險中心，江蘇 南京 211500）

3S技術在江蘇橫山水庫勘界劃線中的應用研究

高士佩1，梁文廣2，錢 鈞1，施建明3，王冬梅2

（1. 江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017；2. 江蘇省水利科學研究院 湖泊研究所，江蘇 南京 210017；3. 江蘇省防汛防旱搶險中心，江蘇 南京 211500）

加強水庫空間用途管控非常迫切和必要，而水庫管理與保護范圍線劃定是一項技術性和政策性都很強的工作。3S 技術具有宏觀、快速、動態(tài)、經(jīng)濟等優(yōu)勢，可實現(xiàn)對大范圍的地表狀態(tài)全天候的動態(tài)監(jiān)測。以江蘇省大型水庫橫山水庫為試點，利用 DEM、遙感影像和實測 GPS 數(shù)據(jù)，通過控制點準備，資料收集與預處理，實測測量與校核，相關權益人磋商，反饋修正，最終確定水庫“四線”。3S 技術的應用可提高數(shù)據(jù)的獲取精度，提高試點水庫管理與保護勘界劃線問題的解決效率，為下一步構建水庫信息化管理和開發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測提供基礎數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)動態(tài)管理和空間用途監(jiān)管。

3S 技術；橫山水庫；勘界劃線；管理與保護

0 引言

水庫具有防洪、供水、灌溉、養(yǎng)殖、旅游和維護生態(tài)環(huán)境等多種功能，作為水資源的重要載體之一，水庫的安全運行對于地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要的作用。江蘇省擁有各類水庫共計 909 座，其中大型水庫 6 座，中型水庫 43 座，小型水庫 860 座。經(jīng)過多年特別是進入 21 世紀以來 10 多 a 的大規(guī)模除險加固，各類水庫工程的防洪標準得到了恢復或提高，興利、灌溉、供水能力得到了顯著提升，休閑觀光旅游等服務功能增強。

水庫多處于自然風光秀麗和生態(tài)保護良好的丘陵山區(qū)，對于地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展和營造地區(qū)水生態(tài)文明的重要性日益突出。長期以來，水庫管理粗放，僅限于水庫大壩管理及泄水、輸水建筑物的工程管理，而對水庫庫區(qū)、集水區(qū)域等疏于空間管理，庫區(qū)范圍內土地權屬不清，地方開發(fā)利用無序，管理、生態(tài)保護范圍及集水區(qū)等界線不明。隨著水庫周邊地區(qū)的開發(fā)強度不斷加大，侵占水庫周邊部分區(qū)域的開發(fā)活動增多，對水庫的安全運行和水生態(tài)環(huán)境帶來隱患，區(qū)域水生態(tài)文明建設成果受到危害。加強水庫的空間用途管控非常迫切和必要，水庫管理與保護的范圍線勘界劃定是實現(xiàn)水庫資源空間管控的基礎工作。

利用 3S 技術開展水庫勘界劃線相關研究，王家龍等[2]利用 MapGIS 軟件，以孟伯水庫為研究對象，系統(tǒng)闡述了勘測定界的實施過程；鐘達等[3]應用 S86 RTK 技術開展水庫勘測定界工作，利用其精度高、采集快、全球全天候作業(yè)的優(yōu)勢解決了水庫勘測定界工程存在的難題；聶欣宇[4]以陡河水庫勘測定界工程測量為實例，結合水利工程的行業(yè)特點，探索 GPS 技術在水利行業(yè)的應用和前景；謝森輝等[5]針對廣州市水庫管理空間數(shù)據(jù)庫，提出利用GIS 技術開發(fā)水庫保護范圍線劃定輔助決策系統(tǒng)。但這些相關研究較少，缺乏利用 3S 技術集成的水庫勘界劃線研究。

考慮到水庫管理與保護工作的現(xiàn)實需求，為此利用 3S 技術開展對江蘇省大型水庫——橫山水庫勘界劃線的研究，以期為水庫空間管理與資源保護提供技術支持。

1 劃界依據(jù)

水庫管理與保護范圍線劃定工作是一項技術性和政策性很強的工作，是水庫管理與保護范圍內工程、庫區(qū)水域、集水區(qū)內土地等權屬確認工作的基礎，必須依法依規(guī)實施?！督K省水利工程管理條例》《江蘇省水庫管理條例》對水庫的大壩保護、管理、生態(tài)保護和集水區(qū)等范圍線作了以下明確規(guī)定：

1）大壩保護范圍線。大型水庫大壩及其兩端各80～100 m，大壩背水坡壩腳外 150～200 m；中型水庫大壩及其兩端各 50～80 m，大壩背水坡壩腳外100～150 m；小型水庫也作了相應具體規(guī)定。

2）水庫管理范圍線。庫區(qū)水庫、島嶼和校核洪水位以下的區(qū)域，水庫溢洪道及其他工程設施的管理范圍按照《江蘇省水利工程管理條例》的規(guī)定確定。

3）水庫生態(tài)保護范圍。水庫生態(tài)保護范圍包括水庫管理，入庫河口河道上溯 5 000 m，兩側各1 000 m，水庫校核洪水位以外 1 000 m 等范圍。

4）水庫集水區(qū)范圍。水庫集水區(qū)范圍為水庫集水區(qū)山谷線。

在完成各個模塊的FPGA硬件實現(xiàn)后,先要通過Modelsim進行功能仿真,然后進行板級測試,驗證模塊功能是否正確。整套系統(tǒng)軟硬件測試平臺如圖10所示。

橫山水庫為江蘇省大型水庫，因此本次橫山水庫的勘界劃線也主要依據(jù)這些相關規(guī)定。

2 應用研究實例

橫山水庫位于宜興市境內西南山區(qū)，與溧陽市交界，屬跨地區(qū)大型水庫，具有較好的代表性；水庫為國家級水利風景區(qū)之一，也是江蘇省水庫工程一級管理單位，在橫山水庫開展水庫的勘界劃線試點，具有一定的優(yōu)勢和便利條件。

2.1 研究區(qū)概況

橫山水庫是太湖流域厔溪河水系的攔蓄工程，水庫集水面積為 154.8 km2，總庫容為 1.12 億m3[6]，壩長 4 090 m；汛限水位為 34.0 m，設計和校核洪水位（吳淞高程）分別為 37.80，40.36 m；溢洪道最大流量為 448.0 m3/s；壩頂高程為 41.5 m。橫山水庫建成于 1969 年，是一座以防洪、灌溉、供水為主，結合水產(chǎn)養(yǎng)殖、發(fā)電和第三產(chǎn)業(yè)綜合利用的水利樞紐。2001 年經(jīng)水利部立項對橫山水庫進行除險加固，2004 年 4 月竣工，除險加固后的橫山水庫樞紐防洪標準達到了 100 年一遇設計、2 000 年一遇校核。橫山水庫是宜興市主要集中式飲用水源地[6]，水質常年介于Ⅰ，Ⅱ 類之間，為位于宜興城區(qū)的氿濱水廠供應原水，日供水 25 萬m3，供水覆蓋人口從初期的 60 萬人增至目前的近百萬人。

2.2 技術路線

本研究的技術路線如圖 1 所示。由于 DEM 資料為 2004 年獲取，距離現(xiàn)在時間較長，部分地區(qū)地形可能有變化，因此本技術路線采用實測 GPS 數(shù)據(jù)對 DEM 數(shù)據(jù)加密，以及借助近期高分遙感影像做參考，保障數(shù)據(jù)的真實、準確。

圖 1 技術路線

2.3 資料收集與處理

收集的資料主要包括研究區(qū) 2012 年 30 cm 和2.5 m 遙感影像資料，1∶10 000 區(qū)域地形數(shù)據(jù)，區(qū)域內水庫、河流、堤防、水閘數(shù)據(jù)，最新行政邊界和研究區(qū)周邊 4 個 C 級 GPS 控制點等資料。

針對遙感影像，進行彩色融合和增強、幾何校正、影像直方圖匹配、數(shù)據(jù)鑲嵌、裁剪等預處理；針對地形資料，進行 DEM 整理、拼接和坐標轉換等處理。通過資料收集與處理，獲取研究區(qū)域內的DEM，通過外業(yè)實測數(shù)據(jù)對 DEM 進行加密，根據(jù)加密后的 DEM 及相關規(guī)范提取相應的范圍線。

2.4 實測測量與校核

根據(jù)內業(yè)初步處理成果，利用 GPS 對相關數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場實測。使用徠卡 GPS，利用江蘇省連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務系統(tǒng)（CORS），對橫山水庫周邊地形進行了實測，復核了橫山水庫大壩上的 3 個水準基點，實測了壩頂高程及校核洪水位，對生態(tài)范圍線也進行抽樣檢測。其中 GPS 定位精度指標如下：靜態(tài)平面精度為 ±（3 + D×10-6）mm，靜態(tài)高程精度為 ±（5 + D×10-6）mm，RTK 平面精度為 ±（10 +D×10-6）mm，RTK 高程精度為 ±（20 + D×10-6）mm，碼差分定位精度為 0.45 m（圓概率誤差CEP），其中 D 為距離基站的距離（mm）。

利用購買的 GPS 控制點，求得坐標轉換參數(shù)，并利用水庫大壩上 3 個水準控制點進行校核，校核結果如表 1 所示。

表 1 試驗數(shù)據(jù) m

根據(jù) DEM 提取的等值線，通過坐標轉換參數(shù)，在校核洪水位高程 3 m 范圍內進行實測，對 DEM 進行加密，根據(jù)加密后的 DEM，提取相應的范圍線，并進行實地校核。

2.5 勘界劃線提取初步成果

1）大壩保護范圍。以 2012 年 0.3 m 航拍影像為底圖，疊加橫山水庫范圍和堤防線，提取水庫大壩分布；以水庫大壩壩軸線為基礎，通過 ArcGIS 緩沖區(qū)分析，按照大型水庫大壩規(guī)定的范圍線，生成大壩保護范圍。大壩保護范圍為大壩中軸線向外側擴至 200 m 形成的區(qū)域。

2）水庫管理范圍。橫山水庫校核洪水位為40.36 m（吳淞高程），換算成 85 高程為 38.42 m，先將原始 1∶10 000 地形分塊數(shù)據(jù)，對應橫山水庫范圍拼接起來，根據(jù)地形等值線生成 DEM，再根據(jù)校核洪水位提取水庫管理范圍。通過外業(yè)實測，對初步提取的水庫管理范圍進行加密，加密后重新代入DEM 進行計算，根據(jù)計算結果最終得出水庫管理范圍。

以遙感影像為底圖，疊加校核洪水位線、水庫管理范圍、河流數(shù)據(jù)，通過緩沖區(qū)、疊加等分析提取水庫生態(tài)保護范圍。以遙感影像和地形數(shù)據(jù)為基礎，提取水庫周邊山谷線作為集水區(qū)范圍。

2.6 反饋修正后的范圍線

通過當?shù)厮姓鞴懿块T、水庫管理單位會同國土和規(guī)劃等相關權益人，現(xiàn)場抽查、比對、磋商、完善及確認，對水庫管理和保護范圍內的勘界劃線初步成果進行反饋，最終根據(jù)遙感影像及 GPS等數(shù)據(jù)確定了 4 類范圍線。

實施單位經(jīng)過完善修正后的“四線”，即大壩保護、水庫管理、生態(tài)保護范圍和集水區(qū)域線，“四線”集成圖如圖 2 所示。

圖 2 橫山水庫“四線”

為了便于水利管理部門開展工作，根據(jù)提取的“四線”范圍，按照 1∶2 500 的標準，制作了水庫管理范圍、生態(tài)保護范圍、集水區(qū)域等成果總圖集，為各類范圍線的標界設樁提供基礎位置。

3 結語

本研究以宜興市橫山水庫管理與保護范圍勘界劃線作為研究對象，結合 3S 技術手段，通過控制點準備，資料收集與預處理，實測測量與校核，相關權益人磋商，反饋修正，根據(jù) DEM、遙感影像、GPS 等實測數(shù)據(jù)確定了各范圍線邊界，制作勘界劃線成果總圖集。3S 技術的應用提高了數(shù)據(jù)的獲取精度，提升了試點水庫管理與保護勘界劃線問題的解決效率。

水庫管理與保護范圍勘界試點劃線的完成可為構建水庫信息化管理和開發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測提供本底數(shù)據(jù)，目前已在南京市六合區(qū)大泉水庫（中型）繼續(xù)試點，因而對其他大中型水庫的“四線”管理也具有很強的推廣應用價值。

本項目成果也可為今后水庫遙感監(jiān)測和空間用途管制打好基礎。通過 3S 技術可以大范圍地獲取水庫管理保護范圍內大壩壩體及管護范圍、樞紐建筑物、溢洪河道和庫區(qū)水體、岸線、集水區(qū)域等開發(fā)利用情況進行本底和動態(tài)監(jiān)測，獲取動態(tài)監(jiān)測信息，支撐水政執(zhí)法及相關業(yè)務。

由于地形資料更新較慢，部分區(qū)域的地形資料可能與實際存在一定偏差，因此用實測 GPS 數(shù)據(jù)對DEM 進行加密試圖減小誤差。但實測 GPS 數(shù)據(jù)畢竟有限，較好的解決手段是采用無人機三維測量技術獲取研究區(qū)實時地形資料，下一步將針對這個問題開展相關研究。

[1] 鄭銀林. 遼寧省大型水庫土地確權劃界與管理探析[J]. 中國水利，2014 (2): 34-35.

[2] 王家龍，徐海坤，潘家剛. MapGIS 軟件在錦屏孟伯水庫勘測定界中的應用[J]. 黑龍江水利科技，2015 (1):177-178.

[3] 鐘達，楊光臣. 淺談 RTK 技術在水庫勘測定界工作中的應用以從江縣流美水電站為例[J]. 黑龍江科技信息，2011 (25): 84-85.

[4] 聶欣宇. GPS 技術在陡河水庫勘測定界工程測量中的應用[J]. 河北水利，2016 (2): 44-44.

[5] 謝森輝，彭劍，鄭友森. 水庫管理空間信息系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 地理空間信息，2011 (10): 84-86.

[6] 任杰，周濤，朱廣偉，等. 蘇南水庫硅藻群落結構特征及其控制因素[J]. 環(huán)境科學，2016，37 (5): 1742-1753.

Application research on demarcation line of Hengshan reservoir in Jiangsu Province using 3S technology

GAO Shipei1, LIANG Wenguang2, QIAN Jun1, SHI Jianming3, WANG Dongmei2

（1. Hydraulic Research Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210017, China;（2. Lake Research Institute, Hydraulic Research Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210017, China;3. Jiangsu Provincial Flood Control and Drought Relief Center, Nanjing 211500, China）

It is urgent and necessary to strengthen the control of the space reservoir use. The delineation of the scope of reservoir management and protection is a technical and policy oriented work. With the advantage of macro,fast, dynamic, economic features, application of 3S technology can realize all-weather dynamic monitoring of large scale surface state. This research takes Hengshan reservoir of Jiangsu Province as the pilot. Using DEM, remote sensing images and measured GPS data, through the control point preparation, data collection and pretreatment, measurement and verification, stakeholders consultation and feedback correction, the reservoir “four line” is determined. And the atlas of the demarcation line is made. The application of 3S technology improves the accuracy of data acquirement,and enhances the pilot reservoir management and protection efficiency to solve the problem of demarcation line. It provides the basic data support for the construction of reservoir information management and the dynamic monitoring of development and utilization. It is helpful to achieve dynamic management and space use supervision.

3S technology; Hengshan reservoir; demarcation line; management and protection

P228；TV697

A

1674-9405(2017)05-0069-04

10.19364/j.1674-9405.2017.05.013

2017-06-01

江蘇省水利項目（2013b051）；江蘇省水利科技項目（2013001，2015035）。

高士佩（1968-），男，江蘇淮安人，高級工程師，主要從事水利工程管理研究。