一种基于激光雷达技术的水库库容计算方法
2018-06-05苗正红杨清臣邱中军
苗正红,杨清臣,邱中军,毕 强
(1.吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林 长春 130012)
水库库容是水库优化调度的重要参数,它的精度直接影响水库的防洪安全以及发电、灌溉等经济效益[1]。水库库容的定义为最远回水断面至坝前的总蓄水量[2],分为静态库容和动态库容。传统的计算水库库容的方法包括横断面法、等高线法、三角格网法以及方格网法等, 其先按照数学原理,将河道水库进行切割、分块,然后求和得到静库容,需给定水位的监测值,并将水面看成水平[3],总库容就是水平水面以下包容的最大体积[4]。这些方法的缺点为耗时、费力、重复工作量大、精度不高。利用摄影测量方法,无法快速、准确地获取大范围和高精度的DEM,不能满足水库高精度估算的需要,随着遥感和GIS技术的发展,激光雷达技术成为计算水库库容的新兴技术[5]。
本文基于激光雷达技术快速、准确地获取了研究区的DEM,利用Skyline技术建立了库容计算模型,通过模型计算了新立城水库的库容,并对精度进行了验证。
1 研究区与技术方法
1.1 研究区概况
新立城水库位于中国吉林省长春市南郊,距市中心20 km,是以供水为主,兼有防洪、灌溉、养殖、发电等功能的大(二)型水库,1958年竣工、1985年除险加固、2004年扩容至5.92亿m3。新立城水库上游纳入伊丹河、下游纳入新开河,至农安县靠山屯东与饮马河汇合后注入第二松花江,河流全长347 km,为饮马河水系。新立城水库坝址以上河长为90.2 km,控制流域面积为1 970 km2,基本河槽宽为10~20 m,河深为3~5 m,坡降为1/1 000~1/2 000,洪水河滩宽为1~3 km。
水库流域形状略呈长方形,平均宽度为20.7 km。流域内山地占2/3,其余为河谷低平地。最高山岭高程为724 m,一般为250~400 m。伊通以上山岭较高,河谷狭窄,伊通以下山岭逐渐降低,河谷平原逐渐展宽。坝址处两岸山岗向河谷收缩,是伊丹河汇合以下河谷最狭窄地段,坝址河谷平地高程为207 m。长春市75%的城市供水水量已由石头口门水库供应,新立城水库是长春市重要的水源和防洪屏障。
1.2 激光雷达技术
激光雷达的工作原理为向目标发射探测信号(激光束),将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射的信号进行比较,通过适当处理可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别[6-7](图1)。
激光雷达是工作在红外波段和可见光波段,以激光为工作光束的雷达。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成,激光发射机将电脉冲变成光脉冲发射出去,光学接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲,送到显示器。
图1 激光雷达工作原理
1.3 不规则格网的DEM
采用规则格网进行库容计算时,每个规则格网的上表面可看作为水平面,下表面看作为地形表面,通常采用双线形平面对其进行模拟,库容由四棱柱体积进行累加得到。单元四棱柱的体积为:
式中,V(H)为指定水位的库容;H为指定水位的高程;hi为高程小于指定水位的格网高程;d为规则DEM格网的间距。
水库库容的计算公式为:
根据误差传播理论,单元四棱柱的体积精度可表示为:
2 研究结果
2.1 DEM结果
DEM的精度为0.5 m,经过投影定义、去除异常值、高程值修改等处理,在ArcGIS中生成TIN模型;再将TIN模型转成栅格数据;最终得到覆盖新立城水库的DEM数据(图2)。可以看出,新立城水库最高点高程在300 m以上,主要分布在西南和东北少数地区,最低点高程在220 m以下,分布在河道;高程值变化趋势平缓,高程数据过渡性较好,准确性较高。
图2 新立城水库DEM
2.2 库容计算功能
本文利用C#语言,基于Skyline平台,开发了新立城水库库容计算功能(图3),其计算结果如图4所示,可以看出,系统可实时、快速地计算任意高程的水库库容,方便水库的信息获取,为水情监测提供数据支持。
图3 库容计算功能
图4 库容计算结果
3 精度验证
本文将检查点高程与DEM计算的结果进行对比,从表1可以看出,高程误差均较小,最大值为0.45,最小值为0.08,误差在一个像元之内,说明该方法的准确性较高、应用性较强。
表1 精度分析/m
4 结 语
本文基于激光雷达技术,利用Skyline平台和DEM开发了库容计算功能,并通过精度分析得到以下结论:
1)将激光雷达技术应用到水库库容计算是可行的,可大大提高库容计算的效率和准确性。
2)本文设计方法具有形象、直观和自动化程度高等特点,在生产实践中具有广泛的应用价值。
3)库容精度的高低取决于DEM精度,而激光雷达技术则大大提高了DEM精度,影响数据精度的因素还包括测区地形、摄影比例尺的选择以及DEM生产中的误差。
4)本文仅对地形相对平坦地区进行了实验,地形复杂地形有待进一步验证。
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[7] 红外与激光工程编辑部.红外光电系统手册:主动光电系统[M].第6卷.天津:航天工业总公司第三研究院第8358研究所,1996:71-90