利用DEM计算水库库容曲线的实例分析
多源遥感影像在水库水位-库容曲线复核中的应用
多源遥感影像在水库水位-库容曲线复核中的应用丁志雄;颜廷松;屈吉鸿【摘要】从遥感数据源的适用性分析出发,探讨了遥感影像水体的自动提取方法、DEM与遥感相结合的完整水库水位-面积关系曲线推求方法以及水库水位-库容关系曲线的建立等.以水丰水库水位-库容曲线复核为例,验证了这些方法的可行性.【期刊名称】《华北水利水电学院学报》【年(卷),期】2012(033)004【总页数】4页(P32-35)【关键词】多源遥感影像;水体提取;水位-面积关系曲线;水位-库容关系曲线【作者】丁志雄;颜廷松;屈吉鸿【作者单位】中国水利水电科学研究院,北京100048;华北水利水电学院,河南郑州450011;华北水利水电学院,河南郑州450011【正文语种】中文我国己建有水库8万多座，这些水库在防洪、发电、灌溉、航运、渔业等方面发挥了重要作用，为经济社会的发展提供了强有力的支撑．要发挥水库的相关功能，必须了解其水位－库容关系曲线是否准确．由于水库在建成后多年运行造成库区的淤积，改变了原有的水位－库容关系，或者水库在建成时受技术条件等方面的限制，并不能获得真实、准确的水位－库容关系曲线．因此，水库建成或运行多年后，有必要对水库的水位－库容关系曲线进行复核，掌握水库准确的水位－库容关系曲线，在水库、大坝安全的前提下，最大限度地发挥水库的效益．应用传统的水下地形测量等方法测定水库水位－库容关系曲线费时、费力，遥感技术的应用是近年来新兴的一种方法，但如何选择遥感数据源、如何准确提取遥感影像上库区水体、如何完整地推求水库水位－面积关系曲线以及如何建立水位－库容曲线等问题直接影响该方法的准确性与可行性．笔者将对此进行深入探讨，并以水丰水库水位－库容曲线复核为例进行论述和验证．1 遥感数据源的适用性分析遥感技术能够直观、准确地反映水域范围，因此能够准确地测定水库面积，为建立水位－库容关系曲线发挥其重要作用．遥感技术分卫星遥感和航空遥感2种．航空遥感用于水库水位－库容曲线测定几乎不可能，一是费用太高，二是需要多个不同水位条件下的航空遥感影像，需要进行多次的航空飞行摄影，这在实际应用中几乎不可能做到．卫星遥感技术自20世纪70年代出现以来，陆续有数十种遥感影像产品，最早的有美国的陆地卫星系列LANDSAT，还有 MODIS，NOVAA等．近年来，高分辨率卫星遥感数据源有QuickBird，IKNOS，GeoEye 等．法国的 SPOT、欧空局的ENVISAT以及加拿大的RADARSAT等也是常用的卫星遥感数据源［1］．我国近年来卫星遥感也得到了长足的发展，常用的卫星数据源有CBERS系列卫星数据、环境减灾卫星数据、北京一号小卫星数据以及最近已发射或将要发射的高分辨率系列卫星数据等．这些卫星数据的分辨率从1 km到0．1 m不等，数据类型包括可见光、近红外、雷达等数据产品．再加上卫星运行的轨道时间、重访周期、数据获取来源多样等方面的影响因素，使得利用遥感技术进行水库水位－库容曲线测定时不容易选择合适的遥感数据源．遥感影像数据分辨率的大小决定了单景遥感影像所能覆盖范围的大小，一般规律是分辨率越高，单景遥感影像的覆盖范围越小．由于水库的水位经常变化，因此水库的水域范围也经常变化．遥感技术应用于水库水位－库容曲线测定时，要求同一轨道上的遥感影像能够覆盖完整，这样才能保证同一时间遥感获取的水域范围可以对应于水库的某一水位．水库水域范围的大小与水库大小的分类、水库水位的高低密切相关，大的有几百平方公里甚至上千平方公里，小的只有几平方公里或几十平方公里．因此，要在同一轨道上一次性覆盖整个水库区域，综合考虑遥感影像的分辨率、覆盖宽度和水库水域范围的大小，中高分辨率的卫星遥感影像应是比较合适的选择．目前用的比较多的中高分辨率的卫星影像有美国陆地卫星（LANDSAT）数据，包括 TM（Thematic Mapper）和 ETM（Enhanced Thematic Mapper），还有中巴资源卫星数据（CBERS）．TM数据是美国陆地卫星5号搭载的可见光波段遥感数据，共有7个波段，其中波段1～4、波段5以及波段7分辨率为30 m，波段6分辨率为120 m．该卫星目前仍在轨运行，轨道高度705 km，运行周期98．9 min，扫描带宽度185 km，同一地点的重访周期16 d．ETM数据是美国陆地卫星7号搭载的可见光波段遥感数据，共有8个波段，除包含LANDSAT－5的7个波段外，还增加了1个全色波段，其分辨率为15 m．该卫星的轨道、幅宽与重访周期与 LANDSAT－5一致．CBERS数据是我国与巴西合作研发的，CBERS－01/02载有CCD相机5个波段，分辨率为19．5 m，幅宽113 km，重访周期26 d，CBERS－01/02已失效．我国目前在轨运行的可替代CBERS系列卫星的数据有环境减灾卫星数据（HJ－1A/1B）．该卫星有CCD相机4个波段，其波段特性与CBERS－01/02前4个波段一致，分辨率为30 m，单景幅宽360 km，重访周期4 d．可见TM/ETM，CBERS以及HJ－1A/1B数据覆盖范围都比较大，分辨率也适中，CCD相机的数据波段特性基本一致，可以保证同时使用该多种数据源在水库水体范围提取时的一致性．这几种卫星数据联合应用，存档的数据积累已近40 a，数据覆盖的时间范围可以满足大多数水库相应水位状态下的影像数据需求，并且这些数据基本上都具有免费获取的渠道，可以大大减少利用遥感技术实现水库水位－库容曲线测定的费用．2 水库水位－库容曲线复核利用遥感技术开展水库水位－库容曲线的复核，在分析收集有关的遥感影像资料后，首先需要进行遥感影像水体提取，然后推求完整的水库水位－面积关系曲线，最后建立水库水位－库容关系曲线．2．1 遥感影像水体提取从遥感影像上提取水体，有目视解译方法和水体自动提取方法．目视解译耗费大量的人力，水库水域区细小分支比较多，一幅影像的水库水体提取需要一个人花费数十个工作日的时间才能完成，进行水库水位－库容曲线复核又需要使用多个时相的遥感影像数据，因此靠人工解译进行水库水位－库容曲线复核的工作量巨大．利用遥感影像自动提取水体，方法大致分为2类：单波段阈值法和多波段增强图阈值法．单波段阈值法是最早使用的方法，即利用对水体反应表现为强烈吸收的红外波段，通过设定相应的波段反射率的阈值来提取水体［2］．这种方法的优点是简单快速;缺点是水体边界受周边地物的影响，在同一景影像上，由于水体所在周边地物不一样，导致区分水体与周边地物的阈值也会不一样．因此在提取大范围水体时，可能需要分区设定阈值来提取整个水体．多波段增强图阈值法利用水体在遥感影像不同波段的波谱特性，通过多波段运算来增强影像中的水体信息，使得在增强图中水体值高于非水体地物值，从而设定下限阈值提取水体［3］．最有代表性的是1996年McFeeter提出的归一化水体指数法NDWI=（BGreen－BNIR）/（BGreen+BNIR）（BGreen为绿波波段，BNIR为近红外波段），该方法通过抑制植被和土壤信息提取水体［4］．2005年徐涵秋指出NDWI难以抑制土壤和建筑物信息，提出了改进后的归一化水体指数MNDWI=（BGreen－BSWIR）/（BGreen+BSWIR）（BSWIR为中红外波段），并提出在部分建筑区域MNDWI ＞k（k为下限阈值）来提取水体［5］．水体自动提取方法可在很大程度上节省人力，特别是对需要处理大量遥感影像数据的水库水位－库容曲线复核工作特别适合．由于水库水位－库容曲线的准确性直接影响水库大坝安全和水库效益的发挥，因此要求遥感影像提取的水体必须非常准确．遥感水体自动提取在加快速度的同时，也会带来一些误提的结果，如遥感影像上云的覆盖可能误判为非水体，山体阴影可能误判为水体［6］．所以，需要对自动提取的水体进行人工仔细地检查和修正，才能保证水体提取的准确性．以水丰水库为例，利用历史水文系列资料，分析水丰水库出现过的最高、最低水位落差约为79～124 m，受云覆盖以及轨道位置的影响，按水库水位平均间隔1 m 使用卫星图像一次的要求难以满足．以LANDSAT和CBERS影像数据源为主，最后确定的遥感数据为32景，其中LANDSAT卫星资料（TM/ETM）24次，CBERS卫星数据8次．对所收集的32景影像进行几何精校正，即建立地面控制点文件，将遥感卫星图像纠正到同一大地坐标网格上．由于 CBERS没有中红外波段数据，为了与LANDSAT数据相统一，采用基于近红外波段的归一化水体指数法（NDWI）来提取水体，并在部分区域为区分建筑区或裸土区用NDWI＞k（k为建筑区或裸土区的下限阈值）来提取水库库区水体，最后通过人工仔细检验校核，修正云覆盖及山体阴影等造成的误提部分，得到相应库区水体范围．2．2 完整水库水位－面积关系曲线推求确定水库水位－面积关系曲线，需要获得水库不同水位时刻的遥感影像资料，且水库水位间隔应当尽量小，根据有关经验，水库水位每间隔1 m就有相应的库区遥感影像资料，基本能满足工作要求［7］．对于大中型水库，水库水位变幅都在数十米，有的甚至上百米，按1 m间隔使用遥感影像资料一次的要求，所需要的遥感影像资料就需要数十次，甚至上百次．由于能够利用的遥感影像资料有限且受卫星的重访周期、云雾等天气的影响，以及水库未达到过的最高水位等因素的影响，水库一些关键水位下的遥感影像资料并不能有效地获取．因此，可能造成所建立的水库水位－面积关系曲线有偏差或不完整．笔者在进行水丰水库的水位－库容曲线复核工作中，通过数字高程模型（DEM）插补无遥感影像资料的水库水位相应的水面面积，很好地解决了这一问题．水丰水库水位125～131 m的高水位在历史水位资料中尚未出现过，因此也不可能有相应的遥感影像资料，而水库的高水位运行又是最大限度发挥水库效益的关键因素．因此，高水位下的水库水位－面积关系曲线也需要推求得到．所以在工作中考虑使用DEM来提取相应等高线下的水面面积．用DEM提取的水库水面面积并不能反映真实的水库水面状况，与实际状况（遥感影像提取的结果）还有一些差别，如图1所示．其中遥感解译的水库面积对应的水位范围为80～124 m，DEM提取的水库面积对应的水位范围为80～131 m．图1 遥感解译与DEM提取的水库水位－面积关系对比从图1可以看出，遥感解译与DEM提取的数据具有非常紧密的相关性，因此考虑建立两者的相关关系计算方程，用DEM提取的高水位下的库区水面面积模拟计算高水位（125～131 m）时相应遥感的库区水面面积．用四次多项式建立的相关关系回归计算方程如下．相关系数 R2=0．999 931 366 116，式中：y为遥感解译面积;x为DEM插值水库面积．利用该相关关系回归计算方程，可以得到水库在125 m以上高水位时相对应的遥感解译水库面积．并将该计算结果与遥感解译的水库面积成果合在一起，得到水丰水库库水位80～131 m之间完整的水位与水库面积关系曲线，如图2所示．图2 水丰水库完整水位与水库面积关系曲线2．3 水库水位－库容关系曲线的建立由水库水位－面积关系曲线可以进一步推求水库水位－库容关系曲线．首先建立较为详细的水库水位－面积关系查算表，该查算表可由水库水位－面积关系曲线计算得到［8］．按0．01 m的间隔计算水库水位相应的面积，然后按下式计算相应水位差下的库容．累计库容按下式计算，式中：V为某一水位时的库容;hi为两次相邻水位的水位差;Si为水面面积;n为次数;i为序数．按上述公式计算水库库容存在一个问题，即i=1时，S0无法取得，因此V1也无法计算．笔者分析认为，在没有其他参考资料的前提下，较好的解决方法是通过DEM计算得到水库的初始库容，然后由初始库容水位开始起算，得到水库初始库容水位以上各水位下的水库库容．在进行水丰水库的库容曲线复核时，由于该工作是水库电厂扩容建设的一部分，电厂扩容需要利用水库死水位（95 m）以下、80 m以上的水库库容进行发电．因此，80 m为水库的起始调度水位，利用DEM计算得水丰水库80 m水位以下的初始库容为30．2亿m3．然后以80 m为起算水位，按0．01 m 间隔计算得到各水位差下的库容，最后累加得到各水位下的水库库容，绘制的水库水位－库容关系曲线如图3所示．图3 水丰水库水位－库容关系曲线3 结语通过对多种遥感数据源的分析，提出了适合于水库水位－库容曲线复核的遥感数据源，并通过对遥感影像水体的自动提取方法的研究，确定了适合多种遥感数据源相统一的水体自动提取方法，在缺少遥感影像资料时，通过DEM插值来回归计算相应遥感的库区水面面积，从而建立完整的水库水位－面积关系曲线．由水库水位－面积关系曲线进而得到水库水位－库容关系曲线，并给出相应实例验证．结果表明，该方法可行、实用、有效，能够较为准确、快速地获取水库水位－库容关系曲线．可用于水库的动态监测和管理，并能够实时、有效地对库区水域的变化进行动态监测及分析预报，为区域水资源的监测评价与可持续利用提供了依据．参考文献［1］田雨，林宗坚，卢秀山，等．基于RS的水库水位面积曲线测定［J］．南水北调与水利科技，2007，5（1）：59 －60．［2］彭望琭．遥感概论［M］．北京：高等教育出版社，2002．［3］席晓燕，沈楠，李小娟．ETM+影像水体提取方法研究［J］．计算机工程与设计，2009（4）：993 －996．［4］ McFeeters S K．The use of the Normalized Difference Water Index （NDWI）in the delineation of open water features［J］．International Journal of Remote Sensing，1996，17（7）：1425 －1432．［5］徐涵秋．利用改进的归一化差异水体指数（MNDWI）提取水体信息的研究［J］．遥感学报，2005（5）：23－26．［6］李文波，于春颖，张秋文，等．基于归一化水体指数的水域面积估算研究［J］．人民长江，2008（2）：11－13．［7］曹荣龙，李存军，刘良云，等．基于水体指数的密云水库面积提取及变化监测［J］．测绘科学，2008，33（2）：158－160．［8］李纪人，黄诗峰．3S技术水利应用指南［M］．北京：中国水利水电出版社，2003．。
水库库容曲线的复核与成果分析
水库库容曲线的复核与成果分析曹培国【摘要】利用GPS-RTK和测深仪对水库水位数据进行采集,得到水库库容曲线复核测量成果,并对成果进行分析.经过分析得出,此次库容曲线的测定在技术手段、水下测量、测图精度等方面均优于2001年库容曲线的测定,提高了库容曲线成果的可信度.该成果可为水库管理部门提供详实可靠的基础数据,为水库防洪、灌溉、发电等运营工作的顺利开展提供数据保障.【期刊名称】《地矿测绘》【年(卷),期】2017(033)003【总页数】3页(P18-20)【关键词】库容曲线;测深仪;GPS-RTK;控制测量;水下地形测量;面积量算【作者】曹培国【作者单位】山东省地质测绘院,山东济南250002【正文语种】中文【中图分类】P217Abstract：Based on the observation data of reservoir water level collected by using GPS-RTK and sounder，the reservoir storage curve were generated and its results were analyzed.After the analysis，the result is that the detemination of reservoir storage curve from the respects of technology means，underwater measurement and mapping precision issuperior to that of reservoir storage curve in 2001，and improves the reliability of the storage curve results.The results can be used to provide a detailed and reliable data for reservoir administrative department，and provide the data support for the smooth operation of flood control，irrigation and power generation.Key words：reservoir storage curve；sounder；GPS-RTK；contral survey；underwater topographic survey；area calculation近年来，国家与地方政府对水利工程建设与维护工作高度重视，山东省水利管理部门加强对各级水库的库容进行重新评估与测算，以便对水库进行科学管理及有效防范灾害发生，更好造福于当地百姓。
基于DEM与遥感影像的水库库容快速估算
基于DEM与遥感影像的水库库容快速估算许叙源【摘要】遥感技术周期性、宏观性、实时性等优点,使其在监测库容具有无可比拟的优势.为了给水库管理提供一种快速估算库容的方法,利用DEM建立新丰江水库"库面积-库容"模型,并从不同时相的中巴影像中提取库面积,再利用模型计算库容;继而获取每一时相的水库水位观测值,利用水库固有的"库容曲线"计算库容.最后将两个结果进行比较分析,发现前者与后者的相对误差最小只有0.47％,大部分不超过10％,且具有很好的相关性.模型估算精度虽达不到传统测量计算方法,但其快速性、周期性、低成本是传统方法无法比拟的.实验结论表明,利用DEM与遥感技术监测库容,具有较好的实用价值.【期刊名称】《广东水利水电》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】4页(P7-10)【关键词】DEM;遥感影像;库容;新丰江水库【作者】许叙源【作者单位】广东省水利电力勘测设计研究院, 广东广州 510635【正文语种】中文【中图分类】TP79;TV697.21 概述遥感技术具备周期性、宏观性、实时性等优点，使其在水库水资源监测方面，具有无可比拟的优势。
国内学者利用水文观测数据、中低分辨率遥感影像计算水库面积，从而建立库容模型，完成水库库容测算[1-3]。
库容是水库管理的基本依据，及时获得库容对水库管理具有重要意义。
而库容是随着水库周边建设变化、库底淤积而变化的，及时获得库容并不是简单的工作。
传统的库容求取方法依托于测绘手段，通过对水底地形成图，结合水位合成三维信息，并计算库容，生成库容曲线。
在水库库底地形变化不大，精度上不需要达到测绘手段的效果，且想快速获得库容，遥感技术则具有明显的优势。
特别对于某些地区，大多水库由电力公司承包，其水量调度由电力公司直接操控，政府部门较难及时、准确地获取库容。
实验利用DEM(数字高程模型)及较高分辨率遥感影像建立“库面积-库容”模型，能够实现库容快速、准确的获取。
基于三维模型的水库库容测量方法研究荣欣
基于三维模型的水库库容测量方法研究荣欣发布时间：2021-09-24T07:45:47.254Z 来源：《防护工程》2021年14期作者：荣欣[导读] 水库的库容数据是保障水库的安全及有效运行的重要技术指标，在通过测量手段获得水库的真实水下地形数据之后，库容的计算方法就决定着库容数据的准确性，传统的库容计算方法利用分块计算然后累加的方式趋近真实的库容，并不精细，因此本文提出一种基于三维模型计算水库库容的方法，并在水库项目上进行应用，结果表明该方法高效并且更加精细。
荣欣上海勘测设计研究院有限公司摘要：水库的库容数据是保障水库的安全及有效运行的重要技术指标，在通过测量手段获得水库的真实水下地形数据之后，库容的计算方法就决定着库容数据的准确性，传统的库容计算方法利用分块计算然后累加的方式趋近真实的库容，并不精细，因此本文提出一种基于三维模型计算水库库容的方法，并在水库项目上进行应用，结果表明该方法高效并且更加精细。
关键词：水库库容；库容计算；三维模型1 引言当前多数国家出现人口增长过快，可利用水资源不足，城镇供水紧张，能源短缺等重大问题，给国民经济、生态环境及可持续发展带来严重威胁。
水灾防治、水资源的充分开发利用已成为当代社会经济发展的重大课题。
水库作为人类蓄水发电、灌溉和径流调节等的重要设施，不仅对所在区域的社会经济产生影响，还能为改善和调节气候服务，在水资源开发利用方面发挥着至关重要的作用。
水库库容是水库调度的关键指标，决定了水库的规模和水资源利用程度，随着水库的运营，泥沙淤积会导致库容逐渐减小，为了合理利用水资源、有效地进行水库的运营管理，需要定期对水库的地形进行监测，精确地计算出水库库容数据，了解水库库区淤积情况，为合理制定水库运行方案提供测量资料，保障水库的安全及有效运行。
传统的库容计算方法有断面法、等高线法和方格网法等，随着测量技术的不断革新，这些传统的库容计算方法无法充分利用高精度的测量数据，实现水库库容计算的精细化要求。
水利计算案例分析剖析
年调节水库兴利调节计算案例分析要求：根据已给资料推求兴利库容和正常蓄水位。
资料:(1) 设计代表年(P=75%)径流年内分配、综合用水过程及蒸发损失月分配列于下表1，渗漏损失以相应月库容的1%计。
(2) 水库面积曲线和库容曲线如下表2。
(3) V 死 =300万m 3。
表1 水库来、用水及蒸发资料(P=75%)表2 水库特性曲线解：由表2可以绘出水位和面积特性曲线，水位和库容特性曲线，见下图1、2。
Z-V8458508558608658708750100020003000400050006000V（万m3）Z (m ）图1 水位与库容特性曲线Z-F8458508558608658708750100200300400500F(万m2）Z (m )图2 水位与水面面积特性曲线1，先考虑无损失情况下，将表1中的来水量和用水量分别列入表3的（2）、（3）列。
2，由来水量和用水量计算出该月份的余、缺水，列入第（4）、（5）列中。
3，由表中数据可以看出该年为二次运用，且V 3>V 2，V 3<V 4 所以V 兴1= V 2 +V 4 -V 3=4213（万m 3）。
4，水库蓄水量列入表3的第6列。
5，由121()2V V V =+将月平均蓄水量列入第（7）列。
6，查图1、图2水库特性曲线得各月平均水面面积，并将其列入表3的第（8）列 7，将蒸发标准列入第（9）列。
蒸发损失水量=（8）×（9）÷1000将所得数据列入第（10）列得各月蒸发损失量。
8，由月库容乘上1％得各月的渗漏损失量列入（11）列。
9，总损失量由蒸发损失和渗漏损失构成。
所以（10）+（11）就是总损失量将其列入第（12）列。
10，将考虑损失后的各月用水量列入第（13）列，由来水量和考虑损失后的用水量可得出考虑损失后的余、缺水量分别列入（14）、（15）列11，同样根据余、缺水量可得该年是二次运用，且V 3>V 2，V 3<V 4 所以V 兴= V 2 +V 4-V 3=4460（万m 3）总库容V=4760（万m 3）。
水库库容
1. 断面法： 断面法是一种常规的计算方法，应用比较广泛，但有一定的局限性。主要适 用于典型的河槽式河流， 断面法计算模型建立在把水体沿水流流程分割成 n 个梯 形，整体库容由 n 个梯形体体积积分所得。考虑梯形体的不规则性，其数学模型 为： V=
n 1 i=0 3
A������ + A������ +1 + A������ ∗ A������ +1 ∗ ∆L������
n i=1 PS [H-（h������
+ h������ +1 + h������ +2 + h������ +3 ）/4]
式中：V——库容，m3 ； PS ——单个 DEM 格网的面积值，m2 ； H——指定水位的高程面 ，m； h������ ——格网角点高程面，m；
n ——（ h������ + h������ +1 + h������ +2 + h������ +3 ） /4 小于 H 的 DEM 格网个数，当 （h������ + h������ +1 + h������ +2 + h������ +3 ）/4 大于 H 时，该格网不参与计算
式中：V——库容，m3 ； A������ ——第 i 个横断面面积，m2 ； ∆L������ ——第 i ~ i+1 个横断面之间间距，m
2. 等高线容积法 等高线容积法计算水库库容是一种计算精度较高的方法之一， 该计算模型建 立在把水体按不同高程面微分成 n 层梯形体， 整体库容由 n 层梯形体体积积分求 得。考虑梯形体的不规则性，其等高线容积法计算水库库容数学模型为： V=
DEM模型法与传统等高线积分法计算库容的比较
DEM模型法与传统等高线积分法计算库容的比较作者：吴凯何先宁李胜才来源：《中国新技术新产品》2019年第22期摘; 要：水库库容是认识水库的一项十分重要的数据，水下的地形复杂多变，在野外采点计算的时候难以保证计算精准度。
该文探讨了四川省某水电站水库库容的计算方法利用DEM 模型法实现对库容的精准度计算，并与传统等高线法计算库容的方法进行比较，以供同行参考。
关键词：库容;等高线法;数字高程模型中图分类号：P271; ; ; ; 文献标志码：A水库库容是认识水库的重要参数，对水库的精准度计算直接关系到整个水库的防洪安全和发电灌溉效益。
在计算水库库容的时候要对各项信息进行综合分析，既要保证数据信息的来源真实可靠，又要保证数据信息计算的科学准确。
该文对四川省某水电站水库库容进行了探究，比较了在库容计算中DEM模型法与传统等高线法的区别。
1 工程项目概况该项目名称为四川省某水电站水库库容曲线复测。
某水电站主要任务为发电，无供水、灌溉、防洪等，电站总装机容量240 MW。
水库正常蓄水位2 930.00 m，设计洪水位2 930.09 m，校核洪水位2 930.93 m，死水位2 886 m。
工程属二等大（2）型规模，首部枢纽主要建筑物为2级，输水工程为3级。
2 数字高程模型（DEM）法计算水库库容2.1 数字高程模型（DEM）法介绍数字高程模型（DEM）是用来描述地表起伏形态的空间数据模型，由地面规则格网点的高程值构成矩阵，形成栅格结构数据集，用来描述水库底部信息空间分布的多种有序数值序列。
高程數学模型主要有基于等高线、基于三角网和规则格网3种表现形式，特别是基于规则格网的DEM法，在实际测量工作中最为常用，因为其结构简单，使用起来十分方便。
2.2 DEM生产计算水库库容是掌握水库容量，计算水库水量平衡的必要手段，计算结果是优化水库调度的数据基础，库容数据的准确性直接影响到水库的发电能力、防洪能力和灌溉水平等多种经济效益。
水库蓄水容量曲线测量方法的研究
水库蓄水容量曲线测量方法的研究【摘要】：本文研究了水库蓄水容量曲线测量方法，通过对现有方法的分类和特点进行分析，提出了本研究所采用的测量方法，并在数据采集和处理的基础上，建立了基于测量数据、遥感数据、水位计测量数据和人工智能技术的曲线建立模型。
在实验结果分析中，验证了本研究所提出的方法的有效性和可行性，并探讨了结果的意义和局限性。
本研究对于水库管理和水资源调度具有重要的实际应用价值，同时也为相关领域的研究提供了参考和借鉴。
关键词：水库；蓄水容量；曲线测量方法引言水库蓄水容量曲线是衡量水库蓄水能力和水文特性的关键参数之一，因此对于水利工程的设计和管理具有重要意义。
传统的蓄水容量曲线测量方法通常采用人工测量或者通过使用测量设备进行测量，这些方法需要大量的人力物力投入，并且精度有限。
为了解决传统测量方法的问题，本研究提出了一种基于遥感技术的水库蓄水容量曲线测量方法。
该方法基于高分辨率卫星影像和数字高程模型，结合水库历史蓄水量数据，通过图像处理和数学建模，实现了水库蓄水容量曲线的快速、准确、自动化测量。
本文将介绍该方法的具体实现步骤和技术原理，并通过对比传统方法和该方法的测量结果，证明了该方法的可行性和优越性。
该方法具有操作简便、成本低廉、测量精度高等优点，可以为水利工程的设计和管理提供可靠的技术支持。
1.水库蓄水容量曲线测量方法概述1.1水库蓄水容量曲线的定义和作用水库蓄水容量曲线是描述水库在不同水位下所能蓄存的水量的曲线，通常以水库水位为横坐标，水库蓄水量为纵坐标。
测量水库蓄水容量曲线的方法包括选择代表性的水位点、测量水位高程、计算蓄水容量和绘制蓄水容量曲线。
这个过程需要注意测量时间、测量精度和测量范围等因素。
水库蓄水容量曲线是水资源规划、水文预报、防洪调度和水电站发电等领域的重要基础数据，具有重要作用。
通过蓄水容量曲线，可以为水资源规划提供基础数据，为水文预报模型提供基础，制定合理的防洪调度方案，确定合理的发电方案，提高水电站的发电效率。
基于DEM高程模型对石梁河水库库容校核浅析
科技推广与应用基于DEM高程模型对石梁河水库库容校核浅析徐正飞1 王 君2 李德利3 贾玉山1 袁东升1石梁河水库自建库以来，为江苏省连云港市的“高质发展，后发先至”提供了有力的保障，特别是在防洪、灌溉、养殖、发电、供水等方面起着越来越重要的作用。
建库以来水库周边及水下地形发生变化。
2018年7~10月对石梁河水库进行无人机测绘及水下地形测量，取得现状原始数据，确保库容校核真实性、准确性，为进一步科学规范管理提供数据支撑。
一、水库概况石梁河水库位于新沭河中游，江苏省赣榆区、东海县交界处，上游与山东省临沭县接壤。
水库集水面积15365km2，是沂、沭、泗流域洪水东调南下工程的重要组成部分。
水库100年一遇设计洪水位26.81m，2000年一遇校核洪水位28.0m，总库容5.31亿m3。
枢纽工程有主坝一座、副坝两座、泄洪闸两座、灌溉输水涵洞四座、发电站一座。
水库设计以防洪为主，兼顾灌溉、发电、水产养殖等综合效益。
水库设计灌溉面积6万公顷，目前水库实际灌溉面积5.33万公顷，其中东海县、赣榆区各2.67万公顷。
二、水库库容校复核1.水库利用GIS技术采集原始数据库容校核采用无人机测绘与水下地形测量相结合的方法，其中无人机航测通过遥感技术对无人机进行控制操作，无人机在测区飞行时，通过地面站控制无人机的照相机进行拍照，获取地面几乎所有的现状物体的位置和高程信息；通过内业处理软件Pxi4d，绘制地形图，达到测量的目的。
对石梁河水库滩地采用无人机测绘，通过规划航线，经过6个架次拍摄，采用相控法全覆盖测量。
水下地形测量使用无验潮模式下精密单波束水下地形测量方法施测，精密无验潮模式下的水下地形测量系统，在传统水深测量系统的基础上配备了运动传感器、声速剖面仪等辅助设备。
采用实时动态载波相位差分（Real TimeKinematics，RTK）技术沿航线连续测量时，利用GPS-RTK技术实时确定水下地形点的平面位置和高程。
仕阳水库库容曲线测量成果合理性分析
DOI：10.16616/ki.11-4446/TV.2021.03.05仕阳水库库容曲线测量成果合理性分析莫正涛1王德明1莫晓钰2（1.莒县仕阳水库管理中心，山东莒县276526；2.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100）$摘要】仕阳水库现状库容系数1.05，具有较大的增容潜力。
通过陆上航摄综合法和使用水下全数字双频测深仪，进行水库库容曲线测量，并根据等高线容积法计算水库库容。
通过新旧库容曲线成果对比分析，认定新库容曲线测量成果合理。
该成果不仅为水库增容工程实施提供了准确的基础资料，同时也将提高当地雨洪资源利用水平，缓解水资源供需矛盾。
$关键词】库容曲线；测量成果;水库增容;合理性分析中图分类号：TV221.1文献标志码：A文章编号：1005）774（2021）03-015-04Rationality analysis on capacity curve measuremeni resulis inShiyang ReservoirMO Zhengtao1$WANG Deming1$MO Xiaoyu2(1.Juxian Shiyang Reservoir Management Center$Juxian County276526$China；2.School of Environmental Science and Engineering$Ocean Univer s ite f China$Qingdao266100$China)Abstract:The current capacity coefficient of Shiyang ReseeoC ic 1.05,which has great potentiat foe capacity increase.The reservois capacity cuee ic measured by aeriat phota synthesic method on land and fult digitat duat frequency sounder in underwates egion.The reservois capacity is calculated according ta the contoue volume method.The new wsewois capacity curve measurement results are reasonabte and feasibte through the compatson and analysis of the new and old reseg r oir capacity cuoe results.The resutt p rovides accurate basic information foe wsewois capacity increase on the other hand. Meanwhile,the utilization level of local sesources can be increased,and the conyadiction between supply and demand otwateeeesouecescan beateeoated on theotheehand.KeywoiTs:wsewois capacity cuoe；measurement osults；wsewois capacity increase；rationality analysis1库容曲线测量的必要性仕阳水库总库容1.364亿m3$兴利库容0.6987亿m3$死库容0.0245亿m3$现状库容系数为1.05$具 有较大的增容潜力，现有库容曲线测量时间距今已40多年，由于多年来受自然与人为因素影响，库区地形有所变化。
邯郸市东武仕水库库容曲线修测的必要性及成果分析
邯郸市东武仕水库库容曲线修测的必要性及成果分析水库是国家重要的水利工程之一，用于调节和储存水资源，保证水域的生态环境和灌溉、供水等方面的实际需要。
而水库的库容曲线则是评定水库容量和调度的主要依据，它反映了水库在不同水位及不同时段内的蓄水状况，保证水库的正常运行和水资源的合理利用。
在实际掌控水库的过程中，库容曲线的修测非常重要，可以帮助工程技术人员实时准确地获取水库运行数据，对水库的日常调度和管理产生积极的作用。
本文通过对东武仕水库库容曲线的修测，主要分析了在实际操作中的具体流程和所得到的成果。
首先，库容曲线的修测需要先进行遥感影像图的处理工作。
因为东武仕水库周围环境复杂，涉及到道路、建筑物、农田等很多因素，因此需要利用遥感技术对水库周围的地物信息进行提取和处理，得到水库周围界限更为精确的图像信息，为后续数据处理和分析提供支持。
其次，在库容曲线的修测过程中，需要先进行水库水位变化数据的采集和整理。
这个过程主要通过水位计和操作员手动测量的方法，采集水库每天的实时水位数据，然后将数据进行整理和归档。
通过采集和整理过程中的大量数据，可以准确反映水库在不同季节、不同阶段的蓄水情况，为库容曲线修正提供了可靠的基础数据。
接着，在已有的水位数据的基础上，需要对水库各个水位段的容积进行计算。
由此可得到不同水位下水库的存储能力，为水位—容积—面积曲线的理论计算提供了直接的支持。
通过对计算结果的检验和分析，可以进一步修正库容曲线，提高其准确性和可靠性。
最后，通过对修测数据的综合分析，可以对东武仕水库的水资源进行有效的管理和配置，动态地调整库容曲线，为水资源的合理利用和供水安排提供支持。
在实际操作中，修测后的库容曲线能够给出水库储量、兴利能力和调度的最大可靠性，并为防洪调度和干旱、涝灾害的防范提供坚实的基础。
同时，修测成果还可以为水资源规划和管理提供科学依据，提高水资源利用效率和可持续发展。
总之，对东武仕水库库容曲线的修测具有非常重要的现实意义，可以提高水库的运行管理水平，为当地水资源的可持续开发和利用提供支持，具有重要的经济和社会效益。
RS与GIS基础上利用DEM模型求算尾矿库的容积
RS与GIS基础上利用DEM模型求算尾矿库的容积摘要：据调查统计,我国尾矿库存在数量多、规模小、安全度水平低及较多中小尾矿库未经过正规设计等特点 ,为加强尾矿库风险管理,目前对于尾矿库的监测工作远远不够，本文利用基于RS与GIS的DEM模型,求算尾矿库的容量,并对该方法的精度及注意问题进行了讨论。
通过计算尾矿库的容量计算，为进一步研究尾矿库风险评价提供有力的数据支持。
关键词：RS，GIS，DEM，尾矿库容积1概述尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的用以堆存金属非金属矿山进行矿石选别后排出尾矿的场所。
尾矿库为矿山的标志性地物,一般地处山谷,离矿区不远,状如水库,库内为灰色矿灰。
较大型的矿山采取就地建选矿厂,就地选矿的模式,选矿厂与硐口之间有小的运矿用铁轨相连,可根据轨道、运矿车、选矿厂等确定采矿硐口的位置.出于经济原因，开采的矿石一般采取就地分选，尾矿直接排入尾矿库，因此，开采井口的位置制约了选矿厂的位置，从而影响了尾矿库的位置。
因此正确的解译矿石开采井口，对尾矿库的解译有很大的帮助。
尾矿库多处于山地地带，地势变化趋势大，所以本文采用三次曲面内插法，更好地反映地势的连续性与光滑性。
数字高程模型(DEM)是描述地表起伏形态特征的空间数据模型。
DEM内插是指利用一些理论方法计算DEM范围内任意一点P(X, Y)的高程，任意一种内插方法都是基于邻近数据点之间存在很大的相关性。
本文在总结国内尾矿库分布与事故等特点,分析尾矿库影像特征的基础上,提出了基于DEM内插算法的尾矿库容量计算模型,该结论数据可为尾矿库运行的安全监管提供依据。
2信息提取遥感数据预处理（图像融合、图像几何校正）；解译尾矿库边界，一般尾矿库影像特征（图1）临界边有着明显的差异特征，可以准确地画出尾矿库的边界；裁剪，以尾矿库为边界裁剪出dem图像（图2）；确立单元格，dem图像像元为一单元格.图1 某一尾矿库遥感影像图图2某一尾矿库DEM图3容量计算3.1 三次曲面内插方法三次曲面方程可用阵列代数方式表达为00010*********132321444412021222333031323311T a a a a a a a a Y Z XX X X A Y aa a a Y a a a a Y ⨯⨯⨯⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎡⎤=••=••⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ 建立坐标系，以某一方格的左下角为原点，格网边长延长线为X 、Y 轴（图3）。
一种基于激光雷达技术的水库库容计算方法
收稿日期：2017-03-10。
项目来源：国家重点基础研究发展计划资助项目（2012CB956103）；中国科学院碳专项子课题资助项目（XDA05050101）。
一种基于激光雷达技术的水库库容计算方法苗正红1，杨清臣1，邱中军1，毕 强1（1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130012）摘 要：快速准确计算水库库容，对水库水情管理和防洪监测具有重要意义。
利用遥感和GIS 技术，基于Skyline 平台，以新立城水库为例，提出了一种基于像元的三维水面库容计算方法。
该方法利用激光雷达技术获取水下地形，利用空间技术获得三维水面，并通过库容计算模型得到水库库容。
结果表明，该方法大大提高了工作效率和数据精度，为大范围应用提供了支持。
关键词：激光雷达技术；Skyline ；DEM ；库容中图分类号：P258 文献标志码：B文章编号：1672-4623（2018）05-0014-02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m 3。
如何进行水库容积计算与分析
如何进行水库容积计算与分析水库是存储水资源、调节水流、供应水源的重要水利工程，其容积计算与分析对于水资源管理和水利工程设计至关重要。
本文将介绍如何进行水库容积计算与分析的方法和步骤。
一、水库容积计算的基本原理水库容积的计算是根据水库形态测量数据和水位变化进行的。
水库容积可分为总库容和分时段库容两种计算方式。
1. 总库容计算：总库容是指水库在设计水位以上的整个蓄水容积。
计算总库容时，需要测量水库周边地形的高程数据，可以通过现场测量或者使用数字高程模型进行获取。
利用高程数据和水库的坝型曲线，可以根据离散点等高线的高程差，计算出不同水位下的水面面积。
通过对不同水位下的水面面积进行积分求和，即可得到总库容。
2. 分时段库容计算：分时段库容是指根据实际运行需要，按照时间进行划分的水库容积。
计算分时段库容时，需要根据实测的水位数据，利用插值和积分等方法，对不同时间段内的水位-库容曲线进行计算。
通过对不同时间段内的库容进行求和，即可得到分时段库容。
二、水库容积计算的步骤1. 收集水库基础数据：首先需要收集水库的基础数据，包括水库的坝型曲线数据、水库的设计洪水位和设计调节库容等信息。
2. 测量水库周边地形：利用现场测量或数字高程模型获取水库周边地形的高程数据。
3. 计算不同水位下的水面面积：根据水库的坝型曲线和测得的地形数据，计算不同水位下的水面面积。
4. 计算总库容：通过对不同水位下的水面面积进行积分求和，计算得到总库容。
5. 收集水位数据：收集实际水位数据，包括水位的日期和时间。
6. 插值水位-库容曲线：对于不连续的水位数据，可以利用插值方法得到水位-库容曲线，并进行积分计算得到分时段库容。
7. 分析分时段库容变化：对得到的分时段库容数据进行分析，了解水库的蓄水情况及变化规律。
三、水库容积分析的意义与应用1. 水资源管理：水库容积分析可以帮助水资源管理部门了解水库的蓄水情况，合理规划水资源利用和调度。
2. 水利工程设计：水库容积分析对于水利工程的规划和设计具有重要意义，可以为工程的设计提供依据和参考。
基于DEM的洪水淹没分析
2002 年 第 11 期 测 绘 通 报 2 7
四 、有源淹没分析
有源淹没情况下 ,水流受到地表起伏特征的影 响 ,在这种情况下 ,即使处在低洼处 ,也可能由于地 形的阻挡而不会被淹没 。造成的淹没原因除了自然 降水外 ,还包括上游来水 、洼地溢出水等 。在实际情 况中 ,有源淹没更为普遍也更为复杂 。有源淹没涉 及到水流方向 、地表径流 、洼地连通等情况的分析 。
(2) 伪洼地的去除 伪洼地的去除可通过修正 D EM 数据来实施 , 具体方法有多种 :将伪洼地底点高程赋以该点周围 点的最低点高程 ,或者取周围点的平均值 ,或者通过 某一种差分算法获得高程值均可 。在此试验中 ,笔 者是通过取该点周围点平均高程值作为该点新的 D EM 高程值来实现的 ,见图 2 ,图 3 。
从山谷点数组中找出高程最大的点作为当前山 谷线的起始点 (上游特征点) ,从此点开始 ,沿着水流 方向点往下游跟踪 ,直到遇到另一条山谷线或者汇 入湖泊海洋或者到达 D EM 的边缘终止 。
3. 洼地连通情况分析 有源淹没有两种情况 :一种是河流沟谷本来就 终止于该洼地 ;另一种情况就是当无源淹没中洼地 水位到达一定程度的时候 ,水从洼地边缘漫出 ,流向 其他较低地区 ,这时候较低地区的淹没就属于有源 淹没 。第一种情况可以通过以上沟谷判断方法 ,得 出沟谷线 ,再根据水流方向直接往下游追踪 ,到最后 就能得到由该沟谷或河流连接的洼地 ,得到他们的 连通关系 。第二种情形下 ,则要先分析找到洼地边 缘以及溢口 ,然后才能确定流水的溢出点并判断流 水的流向 。 对于 D EM 数据 ,判断洼地的边缘有多种方法 。 1. 射线法 。该方法常用平行线扫描和铅垂线 扫描 。从洼地点数组中取一点 ,分别沿平行于 X 、Y 轴线方向扫描 ,判断扫描到的点的 V R ( i , j) 值 。若碰 到 V R ( i , j) = 1 且是从此方向上扫描到的第一点 , 则 此点为洼地边缘点 ,将其赋予边缘点标志 。 2. 扩散法 (种子法 , 8 方向邻域判断) 。将洼地 底点中的一个点作为种子点 , 然后向其相邻的 8 个 方向扩散 。被扩散的点如果其 V R ( i , j) 值为 1 , 就不 再作为种子点向外扩散 ,该点纪录为边缘点 ,否则就 继续作为种子点向外扩散 。重复上述过程直到所有 种子点扫描为止 。 从洼地所属的边缘点中找出高程值最小的点 , 则该点即为该洼地的溢口点 。从洼地溢口点出发 ,
浅谈DEM在洪水灾害中的运用
浅谈DEM在洪水灾害中的运用作者：王永飞张娟来源：《数字技术与应用》2010年第09期摘要:DEM是国家基础空间数据中的一个重要组成部分,随着当代信息技术和计算机技术的快速发展,DEM在国民经济和国防建设以及人文、自然科学领域的应用越来越广泛。
运用DEM进行流域水文分析和淹没面积分析,可以对洪水淹没范围模拟和洪水灾害评估,为防洪减灾工作提供辅助决策。
关键词:数字高程模型(DEM) 水淹分析 4D产品 GIS中图分类号:TP399 文献标识码:A 文章编号:1007-0916(2010)09-0149-010 引言我国是一个洪涝灾害频繁的国家,每年都给国家和人民生命财产造成巨大损失,同时影响社会的稳定和发展。
另外洪水灾害危害严重且具有突发性,因此快速、准确、科学的对洪水灾害进行模拟、预测对防洪减灾和实施救援意义重大。
数字高程模型(Digital Elevation Model,简称DEM)是基础地理信息4D产品之一,在国民经济建设及规划等各部门有泛的应用。
DEM是进行水文分析(如汇水区分析、河网水系分析、降雨分析等)、淹没面积分析、洪水灾害评估等的基础,DEM在防洪减灾中也发挥着越来越重要的作用。
1 DEM的定义及特点1.1 DEM定义DEM是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型,是数字地形模型(Digital Terrain Model,简称DTM)的一个分支,是DTM中最基本的部分,它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达[1]。
数字高程模型DEM是表示特定区域D上的三维向量有限序列,用表达式可以表示为:式中:是地面点的平面坐标;是对应点的高程值。
当DEM表示为规则格网时,将高程值按每行网格顺序存储,则地面点的坐标值可以省略,这样DEM表示为一维的有序序列,节省了大量的存储空间。
1.2 DEM的特点通过对原始数据(DWG等)的验证和重建可以生成DEM 表面,结合具体的应用生成DEM产品,生成的DEM产品以数字形式存储在磁盘等存储介质上。
水位库容曲线的卫星影像测定方法研究
水位库容曲线的卫星影像测定方法研究陈曦;裴毅;姚帮松;汤佳浩;彭浩【摘要】水位库容曲线是水库运行管理的重要依据,由实地库区地形测量获得水位库容曲线的传统方法工作量大、限制条件多,对众多中小型水库来说,难以大量推广.以桐仁桥小水库为例,应用我国资源卫星影像资料,提取不同水位时的水库水面面积,结合实际水位记录数据,建立了水位-面积函数关系,运用积分方法推导了水位库容曲线.采用水量平衡法对推算结果进行了验证,并用数理统计法进行了精度分析.研究结果表明,运用卫星影像推求库容曲线的方法快捷、实用、精度可靠,具有很好的实际应用价值.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2013(044)020【总页数】4页(P25-28)【关键词】水位;库容;卫星影像;水位库容曲线;桐仁桥水库【作者】陈曦;裴毅;姚帮松;汤佳浩;彭浩【作者单位】湖南农业大学工学院,湖南长沙410128;湖南农业大学工学院,湖南长沙410128;湖南农业大学工学院,湖南长沙410128;湖南农业大学工学院,湖南长沙410128;湖南省长沙县水利局,湖南长沙410100【正文语种】中文【中图分类】TV697水库库容曲线是水库调度运行管理、大坝安全认定的重要依据,也是确定装机容量、大坝高度、泄洪设施运行正常、正常蓄水位、防洪限制水位等的重要依据，其精度直接影响到水库的发电、防洪、灌溉等效益[1-2]。
目前，我国库容曲线的建立多依靠在水库蓄水前进行库区地形图测量，蓄水运行后则采用GPS定位与水深测量相结合的方式进行量测[3-4]。
这种实地地形量测方法需耗费大量时间精力，并受到地形的限制。
在现阶段我国的许多水库管理中，都存在库区相关水文资料不齐全、水库库容曲线精度不高甚至缺乏的问题，对水库科学调度管理、水资源合理利用产生了不利影响。
近年来，我国高分辨率资源卫星技术发展迅速，2007年9月19日，我国的CBERS-02B卫星成功入轨，搭载的分辨率为2.36 m的HR相机改变了国外高分辨率卫星数据长期垄断国内市场的局面[5]；2011年12月22日，成功发射的资源一号02C卫星更是配置了两台HR相机,大幅增加了数据覆盖能力并缩短了重访周期；2012年1月，资源三号卫星的成功入轨运行，进一步填补了我国立体测图这一领域的空白。
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文章编号:1006 2610(2019)05 0013 05利用DEM 计算水库库容曲线的实例分析董 闯,刘蕊蕊,李运龙(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)摘 要:水库的库容曲线是水利水电工程计算的重要基础数据,库容曲线获取的常用方法断面法㊁等高线法虽然简单实用,但是通过库区的概化㊁存在精度损失,在无实测地形图资料时存在失灵现象㊂通过分析利用DEM 计算水库库容曲线的原理,分别以有实测地形图和无实测地形图2种情况,完成了基于DEM 的水库库容曲线计算的实例分析㊂结果表明:通过实测地形图构建库区DEM 计算的水库库容曲线可以应用于工程设计,在无实测地形图的情况下,可利用DEM 计算库容曲线为项目前期设计或评估提供参考依据㊂关键词:数字高程模型;地形图;库容曲线中图分类号:TV62;TP79 文献标志码:A DOI :10.3969/j.issn.1006-2610.2019.05.004Case analysis of calculating reservoir storage capacity curve with DEMDONG Chuang ,LIU Ruirui ,LI Yunlong(PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited ,Xi'an 710065,China )Abstract :The reservoir storage capacity curve is an important basic data in calculation of water conservancy and hydropower projects.The traditional method such as method of section and contouring method for calculating the reservoir capacity curve is simple and practi⁃cal ,but through the generalization of the reservoir area ,there is the loss of precision and the curve may not be obtained without measured topographic map.By analyzing the principle of using DEM to calculate the reservoir storage capacity curve ,the case analysis of reservoir storage capacity curve calculation based on DEM is carried out in two cases :with and without measured topographic map.The resultsshow that the reservoir storage capacity curve calculated by the DEM with measured topographic map can be applied to the engineering de⁃sign.In the absence of the measured topographic map ,the storage capacity curve calculated by the DEM can be used as a reference for the preliminary design or evaluation of the project.Key words :digital elevation model ;topographic map ;storage capacity curve 收稿日期:2019-04-26 作者简介:董闯(1985-),男,安徽省萧县人,工程师,主要从事水电和新能源发电设计工作.0 前 言水利水电工程设计中经常会用到水库的水位~库容~面积曲线(以下简称库容曲线),库容曲线通常基于实测地形图通过断面法或等高线法计算获得[1-3],断面法计算库容是将水库沿水流流程从库尾到坝址分割成多个梯形体或椎体,等高线法计算库容是将水库按不同等高线从下到上分割成多个梯形体或椎体,通过各梯形体或椎体体积求和得到水库库容㊂断面法㊁等高线法虽然简单实用,但精度与分割的断面个数或等高线间距密切相关,是一种库区的概化,同时,在无实测地形图资料时存在失灵的现象㊂随着地理信息系统(GIS)技术的不断发展,利用数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)计算水库库容得到应用[4-7]㊂本文选取有实测地形图和无实测地形图2种情况,进行基于DEM 的水库库容曲线计算的实例分析㊂1 利用DEM 计算水库库容曲线原理及流程1.1 DEM 简介DEM 是描述地形起伏特征信息的有序数值阵列,自从1956年美国麻省理工学院Miller [8]教授提31西北水电㊃2019年㊃第5期===============================================出来之后,历经几十年的发展,现在已经是GIS的重要组成㊂目前,随着水文模拟技术的发展,将分布式水文模型与GIS进行集成在数据管理㊁空间分析及可视化等方面有很大的优点,而其中很多的水文特征参数如流域水系㊁汇流路径㊁坡度㊁坡向等都是通过DEM进行提取的㊂另外,在防灾减灾㊁生态环境保护和治理㊁土地规划㊁水利工程规划设计㊁国防等各个领域DEM都有着广泛的应用㊂DEM的建模方法主要有:基于不规则三角网(TIN)的建模方法㊁基于格网(Grid)的建模方法和混合的建模方法[9]㊂其中,基于TIN和Grid的建模方法是2种常用的方法,由于格网DEM在生成㊁存储㊁管理㊁计算㊁分析㊁显示等多方面具有很大优点,而且还能方便地进行大区域集成和不同分辨率DEM的综合,因而应用最为广泛,本文也选用格网DEM进行研究㊂生成DEM的核心问题就是插值计算,插值方法的选择直接影响到DEM的精度㊁质量及其应用㊂DEM插值是由选定的若干已知点的高程求出未知点高程值的过程,原理是基于地形起伏的连续性,即空间自相关性(Spatial Autocorrelation),认为距离越近的事物越相似,插值时影响权重越大㊂因此, DEM的生成就转化为如何利用等高线等数据插值生成高精度㊁高质量的DEM㊂基于ArcGIS软件的3D Analyst工具中通用的基于矢量的建模方法TIN㊁IDW㊁Kriging和Natural Neighbors进行DEM的构建㊂(1)以TIN法构建DEM通过ArcGIS的3D Analyst工具栏中 Create TIN From Features”工具可以在原始等高线数据基础上建立TIN,再根据不规则三角网插值生成DEM,如图1所示㊂图1 TIN法构建DEM图 (2)以反距离加权法构建DEM反距离加权法(Inverse Distance Weighted, IDW)是一种比较简单而且广泛使用的空间插值方法,它以插值点与样本点之间的距离为权重,认为距离越近插值时贡献越大,是典型的基于空间自相关理论的方法㊂公式如下:Z=∑n1i/(d i)j×Z i∑n1i/(d i)j(1)式中:Z为估计值;Z i为第i(i=1, ,n)个样本点值;d i为待插值点与样本点i距离;j为距离幂权重,一般取2㊂(3)以克里格法构建DEM克里格法(Kriging)是以南非工程师Krige命名的一种最优插值法,它是利用变异函数考虑空间属性的分布情况,确定出待插值点的影响范围,然后在此范围内对待插值点进行最优㊁线性㊁无偏估计的一种方法,并被广泛地应用于地下水模拟㊁土壤制图㊁GIS等领域㊂插值公式如下:Z x=∑n1i l i×Z i(2)式中:Z x为估计值;Z i为第i(i=1, ,n)个样本点的值;l i为权值,并且和为1㊂41董闯,刘蕊蕊,李运龙.利用DEM计算水库库容曲线的实例分析===============================================(4)自然邻点法构建DEM自然邻点插值法(Natural Neighbor Interpola⁃tion,NNI),又称双次泰森多边形法㊁Voronoi 图内插法,是基于空间自相关性的面积权重线性内插法,其基本原理是先对所有样本点创建泰森多边形,当对未知点进行插值时,就会修改这些泰森多边形并对未知点生成一个新的泰森多边形㊂与待插值点泰森多边形相交的泰森多边形中的样本点被用来参与插值,它们对待插值点的影响权重和它们所处泰森多边形与待插值点新生成的泰森多边形相交的面积成正比,如图2所示,x 为待插值点,P i (i =1, ,n )为邻近已知样本点㊂图2 自然邻点插值法图计算公式如下:f (x )=∑ni =1w i (x )f i (3)式中:f (x )为待插值点x 处的插值结果;w i (x )为参与插值的样本点P i 关于插值点x 的权重;f i 为样本点P i (i =1, ,n )处的值㊂1.2 利用DEM 计算水库库容曲线的原理DEM 是地形表面简单的数字表示,描述地球表面形态的有序数值阵列,实质上是对地球表面地形地貌的一种离散的数学表示㊂规则格网的DEM 由于其数据结构简单,使用方便,所以在工程中使用较多㊂格网单元的高程为格网面积范围内的地形拟合高程h i ,假设用格网宽度为d 的DEM 来计算给定高程H 水位的库容,在给定高程水位的范围内形成三维立体表面,每个格网单元到给定高程水面的形状为四棱柱,分别计算出每个四棱柱单元的体积,然后累加即成为给定高程水位的总库容㊂如果分别用不同的高程面进行切割,便可计算出任意高程水位的库容㊂四棱柱体积计算公式为:V i =d 2×(H -h i )(4) 总库容计算公式为:V =∑V i(5) 水面面积计算公式为:S =d 2×n(6)式中:d 为DEM 格网间距;h i 为第i 个格网的高程;H 为水位高程;n 为水位高程H 以下的格网总数;V i 为第i 个格网与水位为H 的水面间四棱柱的体积;V 为水位H 对应的库容;S 为水位H 对应的面积㊂1.3 利用DEM 计算水库库容曲线的流程水库库容的计算主要分为以下步骤,见图3㊂(1)收集水库库区地形图,并利用地形图等高线(及高程点等数据)构建数字高程模型,如没有实测地形图,可获取库区DEM;(2)以水库的坝址作为出水口,提取出坝址以上的工程库区DEM;(3)计算不同水位高程对应蓄水位的淹没区域DEM;(4)以淹没区域DEM 为计算基础,计算出蓄水高程以下的库容㊂图3 基于流域数字高程模型的水库库容计算流程图2 利用DEM 计算水库库容曲线的实例分析2.1 无实测地形图时库容曲线计算初探同卡水电站是怒江上游西藏河段规划的第5座梯级电站,位于怒江上游河段中游,电站水库是河段控制性水库之一,具有年调节性能㊂在项目前期设计或项目策划时,还未进行库区地形图实地测量或购买相关地形图时,可利用DEM 数据计算水库库容曲线,为项目评估提供依据㊂鉴于DEM 建模方法的多样性,本次选取国际通用的ASTER GDEM (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Ele⁃vation Model)V2作为研究的基础数据㊂ASTER51西北水电㊃2019年㊃第5期===============================================GDEM即先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型,与SRTM一样为数字高程DEM,其全球空间分辨率为30m㊂该数据是根据NASA的新一代对地观测卫星Terra的详尽观测结果制作完成的㊂其数据覆盖范围为北纬83°到南纬83°之间的所有陆地区域,达到了地球陆地表面的99%㊂目前共有2版,第1版V1于2009年公布,第2版V2于2011年10月公布,本次采用第2版㊂2.1.1 库容曲线计算基于ArcGIS软件,数据处理及主要计算过程如下: (1)DEM拼接,挑选出工程区域的DEM,进行数据拼接㊂(2)流域边界提取,通过Hydrology模块中的工具依次计算提取㊂(3)流域DEM裁剪㊂(4)淹没区域的计算,基于流域DEM,可进行不同蓄水位淹没区域的计算㊂通过Map Algebra(地图代数)模块实现㊂(5)库容和淹没面积计算,可通过3D Analyst Tools中的Surface Volume进行计算㊂2.1.2 计算结果对比分析根据‘西藏同卡水电站预可行性研究阶段库容曲线计算书“[10](以下简称计算书),西藏同卡水电站预可行性研究设计阶段库容曲线的量测采用由西北勘测设计研究院测绘大队提供的1∶10000电子地形图,地形图航摄时间为2006年4月,2006年7月调绘,2006年10月出版,1993年版图式,1954年北京坐标系,1956年黄海高程系,等高距为10m㊂计算书中,采用下列公式计算不同水位对应的库容(山区型水库),其中,面积量测采用CAD辅助功能㊂ΔV=13(F1+F1F2+F2)ΔZ(7)式中:F1㊁F2分别为对应高程的面积;ΔZ为高程差㊂采用数字流域高程模型计算的水位-库容-面积曲线与预可研成果对比如图4㊂图4 基于DEM计算的库容曲线与预可研成果对比图 可见,基于ASTER GDEM V2计算的同卡水库库容和面积均小于预可研计算成果,如水位3260.00m时,基于DEM计算的库容比预可研成果偏小18%㊂初步分析,认为是2种数据的精度不一致等原因导致㊂ASTER GDEM V2的全球空间分辨率为30m㊁垂直精度20m㊁水平精度30m㊁其大致相当于1∶50000的比例尺,而预可研阶段库容曲线的量测采用的是1∶10000电子地形图,两者精度差别较大㊂2.2 以实测地形图为基础生成DEM模型计算水库库容曲线 新疆阜康抽水蓄能电站位于新疆昌吉回族自治州阜康市境内,上水库位于白杨河左岸的西岔沟,下水库位于白杨河干流㊂阜康抽水蓄能电站运行灵活㊁启动速度快,在电网中主要承担调峰㊁填谷任务,同时也具有调频㊁调相及紧急事故备用等功能,投入运行后可提高乌昌电力系统运行安全性和供电质量㊂本文收集到2016年测量的新疆阜康抽水蓄能电站下库1∶10000枢纽区地形图,等高距为2m㊂2.2.1 库容曲线计算本次研究选用常见的TIN法构建DEM㊂基于ArcGIS软件,数据处理及主要计算如下:(1)由DWG格式地形图数据转换成ArcGIS识别的shp格式文件,利用3D分析模块,由矢量等高线(点)文件构造TIN文件㊂(2)由TIN文件生产格网DEM,由于1∶10000地形图对应DEM分别率约5m,因此,本次生成的格网DEM栅格大小为5m×5m㊂61董闯,刘蕊蕊,李运龙.利用DEM计算水库库容曲线的实例分析===============================================(3)库区DEM 生成,进行不同蓄水位淹没区域的计算㊂(4)库容和淹没面积计算㊂2.2.2 计算结果对比分析根据收集到的2016年测量的新疆阜康抽水蓄能电站下库1∶10000枢纽区地形图,等高距为2m㊂分别采用基于CAD 辅助功能的库容曲线测量和基于构建DEM 数据的三维库容计算,相应库容曲线成果对比如图5㊂图5 库容曲线成果对比图 可见,基于DEM 三维计算的阜康水库库容和面积均与施工阶段基于地形图量算成果相近,如水位1776.00m 时,基于DEM 计算的库容比基于地形图量算成果仅小0.9%,在误差允许范围内㊂这也验证了基于DEM 计算同卡水库库容较预可研阶段偏小是由于两者基础数据精度不一致导致㊂3 结 语(1)针对无实测地形图的情况,本文对数字高程模型的构建以及基于流域数字高程模型的水库库容曲线的计算进行了研究㊂并以西藏怒江同卡水库作为实例,对其库容曲线进行了计算,计算结果显示,与同卡预可研阶段的水库库容曲线成果相比有一定误差,初步分析,误差是两者基础数据精度不一致导致㊂(2)针对已有测量地形图的情况,本文以新疆阜康抽水蓄能电站下水库作为实例,利用实测地形图构建了库区DEM,对其库容曲线进行了计算,结果显示,与基于CAD 辅助功能量算库容曲线成果很接近,仅偏小0.9%,在误差范围内㊂这也验证了基于DEM 计算同卡水库库容较预可研阶段偏小是由于两者基础数据精度不一致导致㊂(3)基于实测地形图构建DEM 计算的库容曲线可以应用于工程设计㊂在无实测地形图的情况下,可利用DEM 计算库容曲线为项目前期设计或策划提供参考依据㊂(4)基于DEM 计算的库容曲线与实测地形图量算的库容曲线对比分析时,需保持两者原始数据精度一致㊂参考文献:[1] 李书杰.水库库容的量算精度[J].东北水利水电,1997(07):34-36.[2] 高圣益,李成国.水库库容测量技术研究[J].人民长江,2007(10):98-99.[3] 李成家,马强理,韩凤娟.水电站设计死水位及汛限水位的合理性分析[J].电网与清洁能源,2008(10):76-78.[4] 来丽芳,方剑强,张岳.利用DEM 模型进行水库库容计算的方法探讨[J].江西测绘,2009(01):41-42.[5] 谭德宝,申邵洪.基于规则格网DEM 的库容计算与精度分析[J].长江科学院院报,2009(03):49-52.[6] 王媛媛,段建刚.基于规则格网DEM 计算水库库容方法研究[J].吉林水利,2013(11):9-10.[7] 武金慧,刘娜.基于HEC-RAS 模型的萨莫拉河水位流量关系设计[J].西北水电,2016(01):92-95.[8] 柯正谊,何建邦,池天河.数字地面模型[M].北京:中国科学技术出版社,1993.[9] 汤国安,刘学军,闾国年.数字高程模型及地学分析的原理与方法[M].北京:科学出版社,2005.[10] 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院.西藏同卡水电站预可行性研究阶段库容曲线计算书[R].西安:2012.71西北水电㊃2019年㊃第5期===============================================。