基于GIS平台的水库库容计算方法研究

基于GIS平台的水库库容计算方法研究
郑东升
【摘要】文章介绍了在GIS软件平台下利用高程点及等高线构建不规则三角网模型及在GIS软件平台下通过二次开发,实现水库库容计算的自动化.
【期刊名称】《安徽水利水电职业技术学院学报》
【年(卷),期】2010(010)003
【总页数】3页(P22-23,39)
【关键词】库容计算;不规则三角网;GIS平台
【作者】郑东升
【作者单位】安徽省水利水电勘测设计院勘测分院,安徽,蚌埠,233000
【正文语种】中文
【中图分类】TV62
在水利水电工程建设管理中,行(蓄)洪区、水库的库容计算是水利工程规划设计的一项经常涉及的计算内容,传统的库容计算方法有等高线法、断面法、方格网法、三角网法。

近年来随着计算机技术在工程设计中的广泛运用,在GIS软件平台上,通过构建不规则三角网(TIN)数字高程模型,并利用其强大的统计分析和二次开发功能,可实现库容计算的自动化,极大的提高计算精度和计算速度。

1 不规则三角网法库容计算
1.1 构建TIN数据来源
为了满足在计算区域内构建TIN的需要,必须具有满足计算精度要求的三维地形点数据,地形点数据的来源一般采用全野外数据采集,如计算区域内具有相应比例尺地形图,也可对地形图进行必要分析,利用地形图上的高程注记和等高线等地形要素进行采集。

1.2 构建不规则三角网的方法
利用三维地形点中的某一点作为第一个三角形的第一个顶点,在找出距该点最近的地形点作为该三角形的第二个顶点,在除了这两点连线上的地形点以外找出较近的地形点作为该三角形的第三个顶点,第三个顶点的确定原则是使这个点的三角形内角最大;在第一个三角形的基础上,利用第一个三角形的三条边向外进行扩展直至所有三角形的三条边都扩展完成时,TIN构建完成。

1.3 斜三棱柱体积计算
通过TIN的建立和任务中给定的高程面,可将计算区域分成若干个斜三棱柱体,斜三棱柱体积计算是实现库容计算的最小单元,计算区域的总库容就是由各斜三棱柱体积之和(V=∑Vi),如图1所示,图中△ABC为模型中的一个三角形,△A′B′C′是△ABC 在需计算高程面的投影,△AB″C″是△A′B′C过A点的平行面,从图中可看出斜三棱柱体积计算公式如下:
设需计算高程面的高程为Z,A、B、C点的高程分别为ZA、ZB、ZC,水深分别为HA、HB、HC;则式(1)可写成:
如 A、B 、C 的坐标分别为(XA,YA,ZA)、(XB,YB,ZB)、(XC,YC,ZC),则△A′B′C′的面积为 :
图1 单三棱柱示意图
2 工程实例
通过构建不规则三角网,可使计算模型贴近库地形情况,虽然弥补了传统计算方法的
缺点,提高了计算精度,但计算过程复杂,计算工作量巨大。

近年来随着地理信息系统技术的产生和运用,利用GIS技术所具有强大的统计分析、空间分析、三维分析、
网络分析和二次开发等功能,可实现对TIN海量计算数据的自动化处理。

某水库为一大(Ⅱ)型水库,库水面积38 km2,为了解该水库水位同库容、库水面积的变化关系,2006年受水库管理机构的委托,我院在ArcGIS平台上利用GIS技术所具有强大的统计分析、空间分析、三维分析、网络分析和二次开发等功能,基于TIN
法计算了该水库水位自17.5m至34.5m区间库容和库水面积,高程计算间隔1cm,取得了良好的计算效果,计算过程如下:
(1)数据采集。

为保证计算精度,我院组织人员对库区进行了1∶5000地形图测量,
地形图测量时地形点采用全野外数字化采集,全野外采集的地形点数据均具有三维
属性,并对所有采集的地形点数据进行检查、筛选和汇总,形成autoCAD格式的数
据文件。

(2)数据转换。

将地形图中的等高线、等深线和autoCAD地形点数据转换为ArcGIS格式,在ArcGIS中根据地形点数据信息及计算范围线建立TIN三维模型如图2所示。

(3)数据计算。

在TIN三维模型的基础上利用ArcGIS软件的3D分析模块进行面积和体积计算。

针对本项目的计算特性,用C#和ArcEngine编制计算程序,设定计算
区间、计算间隔、计算高程面,启动程序后,计算机按设定要求计算各高程面的库容、库水面积,并自动记录为Excel格式,生成成果报告如表1所列。

本次共计算了该水
库17.5m～34.5m高程区间每间隔1cm,1701个高程面的库容和库水面积,程序运行时间不足2h,计算效果明显。

图2 某水库T IN三维模型
表1 某水库库容计算表序号高程/m 面积/m2 表面积/m2 体积/m3 1 17.50 911308.243 914190.066 1361575.751 2 17.51 914752.025 917648.612 1370706.249 3 17.52 918210.488 921121.851 1379871.260 4 17.53 921683.252 924609.404 1389070.927 5 17.54 925169.865 928110.816 1398305.393 6 17.55 928670.011 931625.774 1407574.793 7 17.56 932183.844 935154.432 1416879.264
3 数据验证
将TIN法计算结果与其他计算方法的计算结果进行比较,吻合性较好。

依据计算结果,绘制库容与高程关系曲线图如图3所示。

曲线合理。

图3 库容与高程关系曲线
4 结束语
在ArcGIS平台上建立TIN立体模型进行库容计算,实现了库容计算的程序化、自动化,提高了计算精度,提高了计算功效。

在水利水电及其他工程建设中,也可通过建立TIN立体模型进行挖(填)土石方工程量的计算,效果良好。

[参考文献]
【相关文献】
[1]樊红,詹小国.ARC/INFO应用与开发技术[M].武汉:武汉大学出版社,2002.
[2]潘正风,杨正尧.数字测图原理与方法[M].武汉:武汉大学出版社,2002.
[3]彭湘涛,张金山.GIS软件计算蓄洪区库容初探[J].治淮,2004,(10):37-38.。