基于ArcGIS的棋盘山水库库容曲线计算
2022-09-02徐汉超
徐汉超
(沈阳市勘察测绘会研究院有限公司，辽宁 沈阳 110004)
1 引 言
棋盘山水库位于辽宁省沈阳市中心东 20 km，沈阳世博园正北方向，周围被辉山、棋盘山和大洋山等长白山余脉环抱，因库体形状恰似草体“秀”字，故雅称秀湖。该水库是拦截蒲河水所修的人工水库。蒲河发源于铁岭东南部的想儿山，在辽中县南汇入浑河入海、全长约205公里，是沈阳第四大河流。1974年10月，当地政府决定在辉山和棋盘山之间修建拦河大坝，两年后竣工。水库东西长约 4 km，南北宽约 1.5 km，面积为 6 km2，正常蓄水量为3000万立方米，建库时最深点约 17 m。自竣工后，该水库从未进行过库区清淤工作。
随着沈阳市及棋盘山国际风景开发区旅游业、经济等的发展，棋盘山水库新库容曲线的计算也迫在眉睫。因水库的正常运行，伴随而来的泥沙及上游生活生产垃圾淤积问题日显严重，为更好地满足下游农业用水及支撑下一阶段工作决策，本次库容曲线测绘的重要性也尤显突出。
2 计算原理
简单来说，库容曲线就是连续高程面对应的库容量而形成的曲线。库容量计算的目标在于求取现状水底与指定高程面间的水量体积，而其关键在于对现状水底的表述。数字高程模型(DEM)是数字地面模型(DTM)的一种，它是以数字高程的形式按结构组织起来，表示实际地形高低起伏和地形大小特征的空间分布模型。
ArcGIS计算库容曲线就是以DEM为基础，通过指定连续高程面求对应水体体积来统计出库容曲线。其实现流程如图1所示。
图1 库容曲线计算流程图
3 实现步骤
3.1 外业数据采集
本测绘工程测线按照“弓”字布设测线实施了测量，测量比例尺为 1∶2 000，主要使用了单波束测深仪。测深线及检查线完成情况如图2所示，其中蓝色测线为测深仪测量线，测深线间距为 40 m，绿色为成果检验测线。
图2 测深线及检查线完成情况示意图
3.2 数据编辑及成图
水深数据经检查剔除粗差后，在EPS软件上对图形文件进行勾绘等深线，最终成果如图3所示。
图3 水深数据成果示意图
在EPS文件中，将所有等高线及高程点基本属性Z值转换至扩展属性备注项，如图4所示：
图4 高程点及等高线赋值
赋值后将点、线数据转换成.mdb数据格数。
3.3 数据检查
使用ArcMap 10.7打开高程点和等高线的数据文件，查看相关的高程值是否赋值及正确情况。例如，查看BZ字段是否为空及0的情况等。
3.4 生成现状DEM模型
使用ArcMap 10.7加载高程点及等高线的高程数据，构TIN、编辑TIN后形成TIN文件，最终TIN结果如图5所示。
图5 最终TIN成果
使用ArcMap 10.7软件toolBar中“表面体积”工具，完成库容曲线单个高程水平面的体积计算，根据连续的多个水平面数据进行汇总，形成水面高程与库容曲线图。
图6 库容曲线
4 与EPS软件计算结果对比
在对比计算中，使用了北京山维科技股份有限公司开发的EPS2016软件中的三维模型-土方计算模块来完成。EPS软件是通过DEM数字表面模型利用二重积分的方法进行体积计算。该软件计算过程如下：新建工程→导入高程数据→构TIN→编辑TIN→计算指定高程面下体积。
ESP软件在构TIN的过程中仅仅使用了高程点数据，而等高线数据未能参与。因此其高程模型建立得不够完善，与ArcMAP构建的模型之间会有计算的误差。以现状水位高程面进行对比，两个软件计算的差值如下：
VArcMAP-VEPS=12.6万立方米
(1)
从两个软件计算结果来看，EPS软件在计算过程中丢失了12.6万立方米，计算误差为0.5%。将两软件计算构建的DEM在ArcScence中进行显示，可以很清晰地看到EPS软件未计算的位置。由此得出结论，ArcGIS在水库库容量计算中比较贴近真值，且提供了立体直观效果。
5 结论及建议
水库库曲线的计算方法层出不穷，尤其是近年来软硬件的提高，也带来了计算的革命，但大量实践证明，基于ArcGIS的计算方法不仅方法简单、快捷，适用于全地形项目，同时可以为水库清淤、政府决策及防洪预警等提供三维效果的支撑。
在使用ArcGIS软件计算库容过程中，笔者有如下几点建议：①在构建TIN及生成DEM模型之前一定要对数据进行检查，若底图数据高程点或等高线高程值字段有错误，必将产生A类错误(《测绘成果质量检查与验收》(GB/T24356-2009)规范中规定A类错误一次性扣分值为42分，相当于批测绘成果不合格)。②构建TIN模型的过程中，人工无法干预，因此一定要在生产底图的过程中提前对等高线或高程点的高程值进行干预，比如对等高线或高程点进行内插等。
但是ArcGIS计算库容曲线对基础数据要求较高，其精度受到坡度、地形及像元大小等因素的影响，通常情况下，像元越小精度越高。总的来说，该方法适用范围广，可推广性高。
