基于ArcGIS的棋盤山水庫庫容曲線計算

徐漢超

(沈陽市勘察測繪會研究院有限公司，遼寧 沈陽 110004)

1 引 言

棋盤山水庫位于遼寧省沈陽市中心東 20 km，沈陽世博園正北方向，周圍被輝山、棋盤山和大洋山等長白山余脈環(huán)抱，因庫體形狀恰似草體“秀”字，故雅稱秀湖。該水庫是攔截蒲河水所修的人工水庫。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、全長約205公里，是沈陽第四大河流。1974年10月，當(dāng)?shù)卣疀Q定在輝山和棋盤山之間修建攔河大壩，兩年后竣工。水庫東西長約 4 km，南北寬約 1.5 km，面積為 6 km2，正常蓄水量為3000萬立方米，建庫時最深點約 17 m。自竣工后，該水庫從未進行過庫區(qū)清淤工作。

隨著沈陽市及棋盤山國際風(fēng)景開發(fā)區(qū)旅游業(yè)、經(jīng)濟等的發(fā)展，棋盤山水庫新庫容曲線的計算也迫在眉睫。因水庫的正常運行，伴隨而來的泥沙及上游生活生產(chǎn)垃圾淤積問題日顯嚴重，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，本次庫容曲線測繪的重要性也尤顯突出。

2 計算原理

簡單來說，庫容曲線就是連續(xù)高程面對應(yīng)的庫容量而形成的曲線。庫容量計算的目標(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，表示實際地形高低起伏和地形大小特征的空間分布模型。

ArcGIS計算庫容曲線就是以DEM為基礎(chǔ)，通過指定連續(xù)高程面求對應(yīng)水體體積來統(tǒng)計出庫容曲線。其實現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 庫容曲線計算流程圖

3 實現(xiàn)步驟

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

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

圖2 測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軟件上對圖形文件進行勾繪等深線，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基本屬性Z值轉(zhuǎn)換至擴展屬性備注項，如圖4所示：

圖4 高程點及等高線賦值

賦值后將點、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打開高程點和等高線的數(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，完成庫容曲線單個高程水平面的體積計算，根據(jù)連續(xù)的多個水平面數(shù)據(jù)進行匯總，形成水面高程與庫容曲線圖。

圖6 庫容曲線

4 與EPS軟件計算結(jié)果對比

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

ESP軟件在構(gòu)TIN的過程中僅僅使用了高程點數(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)建的模型之間會有計算的誤差。以現(xiàn)狀水位高程面進行對比，兩個軟件計算的差值如下：

VArcMAP-VEPS=12.6萬立方米

(1)

從兩個軟件計算結(jié)果來看，EPS軟件在計算過程中丟失了12.6萬立方米，計算誤差為0.5%。將兩軟件計算構(gòu)建的DEM在ArcScence中進行顯示，可以很清晰地看到EPS軟件未計算的位置。由此得出結(jié)論，ArcGIS在水庫庫容量計算中比較貼近真值，且提供了立體直觀效果。

5 結(jié)論及建議

水庫庫曲線的計算方法層出不窮，尤其是近年來軟硬件的提高，也帶來了計算的革命，但大量實踐證明，基于ArcGIS的計算方法不僅方法簡單、快捷，適用于全地形項目，同時可以為水庫清淤、政府決策及防洪預(yù)警等提供三維效果的支撐。

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

但是ArcGIS計算庫容曲線對基礎(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。總的來說，該方法適用范圍廣，可推廣性高。