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

      2023-11-09 03:09:26葉植滔
      水利技術(shù)監(jiān)督 2023年10期
      關(guān)鍵詞:大嶺庫容數(shù)據(jù)源

      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-庫容曲線是水利水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中水庫工程規(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)水位庫容曲線[1]。計(jì)算過程反復(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)算水庫水位-庫容曲線已逐漸得到應(yīng)用,研究表明利用DEM提取庫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)源所提取庫容曲線的影響研究,國內(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、從化大嶺山水庫2座小型水庫的水位~庫容曲線,并將庫容曲線提取結(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。園洞水庫壩址以上集雨面積31km2,總庫容831萬m3,是1座以供水為工程任務(wù)的小(1)型水源水庫工程,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,水庫壩址以上集雨面積5.6km2,壩址以上干流長度5.4km,干流比降0.4%,總庫容301萬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,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。

      目前公開常用的DEM數(shù)據(jù)按生成過程可分為2類:一類是以德國、美國傳感器為代表的TanDEM-X及SRTM數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)通過干涉合成孔徑雷達(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)通過立體攝影方式獲取,利用了可見光波段。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目前是公開可免費(fèi)獲得的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)由美國發(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)水庫庫區(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;園洞水庫庫區(qū)范圍的2種DEM地貌差別比大嶺山庫區(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 園洞水庫研究區(qū)域高程累積分布圖

      圖2 大嶺山水庫研究區(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ESRI公司開發(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。

      不同高程以下的庫容計(jì)算可通過3D Analyst工具構(gòu)建TIN來實(shí)現(xiàn)[9],TIN是1種基于矢量的數(shù)字地理數(shù)據(jù)形式,通過將一系列折點(diǎn)(點(diǎn)要素)組成三角形來構(gòu)建[10],TIN適用于較小區(qū)域的高精度建模,據(jù)此來計(jì)算平面面積、表面積和體積[11]。將庫區(qū)指定高程的平面各邊界與庫區(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)源及庫容提取方法,利用ArcGIS的3D Analyst工具提取園洞水庫和大嶺山水庫的庫容曲線(可選擇批量處理),庫容曲線提取結(jié)果見表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)為確定庫容規(guī)模,庫容規(guī)模主要受層間相對(duì)高差層間庫容影響,可采用相對(duì)高程表示,基于此,本文以庫容為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-庫容進(jìn)行高程轉(zhuǎn)換,如圖4—5所示。

      圖4 園洞水庫水位~庫容曲線

      圖5 大嶺山水庫水位~庫容曲線

      表2 不同數(shù)據(jù)提取園洞水庫水位~庫容曲線

      表3 不同數(shù)據(jù)提取大嶺山水庫水位~庫容曲線

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

      表4 不同數(shù)據(jù)提取水庫水位~庫容查取特征庫容

      根據(jù)上述結(jié)果,可以看出:①以實(shí)測(cè)地形提取的庫容曲線作為標(biāo)準(zhǔn)庫容曲線,對(duì)2種DEM提取的庫容曲線進(jìn)行對(duì)比(見表2—3、如圖4—5所示)。園洞水庫利用SRTM3 DEM提取的庫容曲線與標(biāo)準(zhǔn)庫容曲線吻合較好,但利用ASTER GDEM提取的庫容曲線與標(biāo)準(zhǔn)庫容曲線有較大的差別;大嶺山水庫利用2種DEM提取的水位庫容曲線均與標(biāo)準(zhǔn)庫容曲線均吻合較好。②根據(jù)2水庫特征庫容計(jì)算成果,2種DEM數(shù)據(jù)提取的庫容曲線與實(shí)測(cè)庫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

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

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