高士佩 ，梁文廣 ，錢 鈞 ，施建明 ，王冬梅

（1. 江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；2. 江蘇省水利科學(xué)研究院 湖泊研究所，江蘇 南京 210017；3. 江蘇省防汛防旱搶險(xiǎn)中心，江蘇 南京 211500）

3S技術(shù)在江蘇橫山水庫(kù)勘界劃線中的應(yīng)用研究

高士佩1，梁文廣2，錢 鈞1，施建明3，王冬梅2

（1. 江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017；2. 江蘇省水利科學(xué)研究院 湖泊研究所，江蘇 南京 210017；3. 江蘇省防汛防旱搶險(xiǎn)中心，江蘇 南京 211500）

加強(qiáng)水庫(kù)空間用途管控非常迫切和必要，而水庫(kù)管理與保護(hù)范圍線劃定是一項(xiàng)技術(shù)性和政策性都很強(qiáng)的工作。3S 技術(shù)具有宏觀、快速、動(dòng)態(tài)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍的地表狀態(tài)全天候的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。以江蘇省大型水庫(kù)橫山水庫(kù)為試點(diǎn)，利用 DEM、遙感影像和實(shí)測(cè) GPS 數(shù)據(jù)，通過(guò)控制點(diǎn)準(zhǔn)備，資料收集與預(yù)處理，實(shí)測(cè)測(cè)量與校核，相關(guān)權(quán)益人磋商，反饋修正，最終確定水庫(kù)“四線”。3S 技術(shù)的應(yīng)用可提高數(shù)據(jù)的獲取精度，提高試點(diǎn)水庫(kù)管理與保護(hù)勘界劃線問(wèn)題的解決效率，為下一步構(gòu)建水庫(kù)信息化管理和開(kāi)發(fā)利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理和空間用途監(jiān)管。

3S 技術(shù)；橫山水庫(kù)；勘界劃線；管理與保護(hù)

0 引言

水庫(kù)具有防洪、供水、灌溉、養(yǎng)殖、旅游和維護(hù)生態(tài)環(huán)境等多種功能，作為水資源的重要載體之一，水庫(kù)的安全運(yùn)行對(duì)于地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的作用。江蘇省擁有各類水庫(kù)共計(jì) 909 座，其中大型水庫(kù) 6 座，中型水庫(kù) 43 座，小型水庫(kù) 860 座。經(jīng)過(guò)多年特別是進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái) 10 多 a 的大規(guī)模除險(xiǎn)加固，各類水庫(kù)工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)得到了恢復(fù)或提高，興利、灌溉、供水能力得到了顯著提升，休閑觀光旅游等服務(wù)功能增強(qiáng)。

水庫(kù)多處于自然風(fēng)光秀麗和生態(tài)保護(hù)良好的丘陵山區(qū)，對(duì)于地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和營(yíng)造地區(qū)水生態(tài)文明的重要性日益突出。長(zhǎng)期以來(lái)，水庫(kù)管理粗放，僅限于水庫(kù)大壩管理及泄水、輸水建筑物的工程管理，而對(duì)水庫(kù)庫(kù)區(qū)、集水區(qū)域等疏于空間管理，庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)土地權(quán)屬不清，地方開(kāi)發(fā)利用無(wú)序，管理、生態(tài)保護(hù)范圍及集水區(qū)等界線不明。隨著水庫(kù)周邊地區(qū)的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度不斷加大，侵占水庫(kù)周邊部分區(qū)域的開(kāi)發(fā)活動(dòng)增多，對(duì)水庫(kù)的安全運(yùn)行和水生態(tài)環(huán)境帶來(lái)隱患，區(qū)域水生態(tài)文明建設(shè)成果受到危害。加強(qiáng)水庫(kù)的空間用途管控非常迫切和必要，水庫(kù)管理與保護(hù)的范圍線勘界劃定是實(shí)現(xiàn)水庫(kù)資源空間管控的基礎(chǔ)工作。

利用 3S 技術(shù)開(kāi)展水庫(kù)勘界劃線相關(guān)研究，王家龍等[2]利用 MapGIS 軟件，以孟伯水庫(kù)為研究對(duì)象，系統(tǒng)闡述了勘測(cè)定界的實(shí)施過(guò)程；鐘達(dá)等[3]應(yīng)用 S86 RTK 技術(shù)開(kāi)展水庫(kù)勘測(cè)定界工作，利用其精度高、采集快、全球全天候作業(yè)的優(yōu)勢(shì)解決了水庫(kù)勘測(cè)定界工程存在的難題；聶欣宇[4]以陡河水庫(kù)勘測(cè)定界工程測(cè)量為實(shí)例，結(jié)合水利工程的行業(yè)特點(diǎn)，探索 GPS 技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用和前景；謝森輝等[5]針對(duì)廣州市水庫(kù)管理空間數(shù)據(jù)庫(kù)，提出利用GIS 技術(shù)開(kāi)發(fā)水庫(kù)保護(hù)范圍線劃定輔助決策系統(tǒng)。但這些相關(guān)研究較少，缺乏利用 3S 技術(shù)集成的水庫(kù)勘界劃線研究。

考慮到水庫(kù)管理與保護(hù)工作的現(xiàn)實(shí)需求，為此利用 3S 技術(shù)開(kāi)展對(duì)江蘇省大型水庫(kù)——橫山水庫(kù)勘界劃線的研究，以期為水庫(kù)空間管理與資源保護(hù)提供技術(shù)支持。

1 劃界依據(jù)

水庫(kù)管理與保護(hù)范圍線劃定工作是一項(xiàng)技術(shù)性和政策性很強(qiáng)的工作，是水庫(kù)管理與保護(hù)范圍內(nèi)工程、庫(kù)區(qū)水域、集水區(qū)內(nèi)土地等權(quán)屬確認(rèn)工作的基礎(chǔ)，必須依法依規(guī)實(shí)施。《江蘇省水利工程管理?xiàng)l例》《江蘇省水庫(kù)管理?xiàng)l例》對(duì)水庫(kù)的大壩保護(hù)、管理、生態(tài)保護(hù)和集水區(qū)等范圍線作了以下明確規(guī)定：

1）大壩保護(hù)范圍線。大型水庫(kù)大壩及其兩端各80～100 m，大壩背水坡壩腳外 150～200 m；中型水庫(kù)大壩及其兩端各 50～80 m，大壩背水坡壩腳外100～150 m；小型水庫(kù)也作了相應(yīng)具體規(guī)定。

2）水庫(kù)管理范圍線。庫(kù)區(qū)水庫(kù)、島嶼和校核洪水位以下的區(qū)域，水庫(kù)溢洪道及其他工程設(shè)施的管理范圍按照《江蘇省水利工程管理?xiàng)l例》的規(guī)定確定。

3）水庫(kù)生態(tài)保護(hù)范圍。水庫(kù)生態(tài)保護(hù)范圍包括水庫(kù)管理，入庫(kù)河口河道上溯 5 000 m，兩側(cè)各1 000 m，水庫(kù)校核洪水位以外 1 000 m 等范圍。

4）水庫(kù)集水區(qū)范圍。水庫(kù)集水區(qū)范圍為水庫(kù)集水區(qū)山谷線。

在完成各個(gè)模塊的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)后,先要通過(guò)Modelsim進(jìn)行功能仿真,然后進(jìn)行板級(jí)測(cè)試,驗(yàn)證模塊功能是否正確。整套系統(tǒng)軟硬件測(cè)試平臺(tái)如圖10所示。

橫山水庫(kù)為江蘇省大型水庫(kù)，因此本次橫山水庫(kù)的勘界劃線也主要依據(jù)這些相關(guān)規(guī)定。

2 應(yīng)用研究實(shí)例

橫山水庫(kù)位于宜興市境內(nèi)西南山區(qū)，與溧陽(yáng)市交界，屬跨地區(qū)大型水庫(kù)，具有較好的代表性；水庫(kù)為國(guó)家級(jí)水利風(fēng)景區(qū)之一，也是江蘇省水庫(kù)工程一級(jí)管理單位，在橫山水庫(kù)開(kāi)展水庫(kù)的勘界劃線試點(diǎn)，具有一定的優(yōu)勢(shì)和便利條件。

2.1 研究區(qū)概況

橫山水庫(kù)是太湖流域厔溪河水系的攔蓄工程，水庫(kù)集水面積為 154.8 km2，總庫(kù)容為 1.12 億m3[6]，壩長(zhǎng) 4 090 m；汛限水位為 34.0 m，設(shè)計(jì)和校核洪水位（吳淞高程）分別為 37.80，40.36 m；溢洪道最大流量為 448.0 m3/s；壩頂高程為 41.5 m。橫山水庫(kù)建成于 1969 年，是一座以防洪、灌溉、供水為主，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖、發(fā)電和第三產(chǎn)業(yè)綜合利用的水利樞紐。2001 年經(jīng)水利部立項(xiàng)對(duì)橫山水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固，2004 年 4 月竣工，除險(xiǎn)加固后的橫山水庫(kù)樞紐防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了 100 年一遇設(shè)計(jì)、2 000 年一遇校核。橫山水庫(kù)是宜興市主要集中式飲用水源地[6]，水質(zhì)常年介于Ⅰ，Ⅱ 類之間，為位于宜興城區(qū)的氿濱水廠供應(yīng)原水，日供水 25 萬(wàn)m3，供水覆蓋人口從初期的 60 萬(wàn)人增至目前的近百萬(wàn)人。

2.2 技術(shù)路線

本研究的技術(shù)路線如圖 1 所示。由于 DEM 資料為 2004 年獲取，距離現(xiàn)在時(shí)間較長(zhǎng)，部分地區(qū)地形可能有變化，因此本技術(shù)路線采用實(shí)測(cè) GPS 數(shù)據(jù)對(duì) DEM 數(shù)據(jù)加密，以及借助近期高分遙感影像做參考，保障數(shù)據(jù)的真實(shí)、準(zhǔn)確。

圖 1 技術(shù)路線

2.3 資料收集與處理

收集的資料主要包括研究區(qū) 2012 年 30 cm 和2.5 m 遙感影像資料，1∶10 000 區(qū)域地形數(shù)據(jù)，區(qū)域內(nèi)水庫(kù)、河流、堤防、水閘數(shù)據(jù)，最新行政邊界和研究區(qū)周邊 4 個(gè) C 級(jí) GPS 控制點(diǎn)等資料。

針對(duì)遙感影像，進(jìn)行彩色融合和增強(qiáng)、幾何校正、影像直方圖匹配、數(shù)據(jù)鑲嵌、裁剪等預(yù)處理；針對(duì)地形資料，進(jìn)行 DEM 整理、拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理。通過(guò)資料收集與處理，獲取研究區(qū)域內(nèi)的DEM，通過(guò)外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì) DEM 進(jìn)行加密，根據(jù)加密后的 DEM 及相關(guān)規(guī)范提取相應(yīng)的范圍線。

2.4 實(shí)測(cè)測(cè)量與校核

根據(jù)內(nèi)業(yè)初步處理成果，利用 GPS 對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。使用徠卡 GPS，利用江蘇省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（CORS），對(duì)橫山水庫(kù)周邊地形進(jìn)行了實(shí)測(cè)，復(fù)核了橫山水庫(kù)大壩上的 3 個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，實(shí)測(cè)了壩頂高程及校核洪水位，對(duì)生態(tài)范圍線也進(jìn)行抽樣檢測(cè)。其中 GPS 定位精度指標(biāo)如下：靜態(tài)平面精度為 ±（3 + D×10-6）mm，靜態(tài)高程精度為 ±（5 + D×10-6）mm，RTK 平面精度為 ±（10 +D×10-6）mm，RTK 高程精度為 ±（20 + D×10-6）mm，碼差分定位精度為 0.45 m（圓概率誤差CEP），其中 D 為距離基站的距離（mm）。

利用購(gòu)買的 GPS 控制點(diǎn)，求得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，并利用水庫(kù)大壩上 3 個(gè)水準(zhǔn)控制點(diǎn)進(jìn)行校核，校核結(jié)果如表 1 所示。

表 1 試驗(yàn)數(shù)據(jù) m

根據(jù) DEM 提取的等值線，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，在校核洪水位高程 3 m 范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)測(cè)，對(duì) DEM 進(jìn)行加密，根據(jù)加密后的 DEM，提取相應(yīng)的范圍線，并進(jìn)行實(shí)地校核。

2.5 勘界劃線提取初步成果

1）大壩保護(hù)范圍。以 2012 年 0.3 m 航拍影像為底圖，疊加橫山水庫(kù)范圍和堤防線，提取水庫(kù)大壩分布；以水庫(kù)大壩壩軸線為基礎(chǔ)，通過(guò) ArcGIS 緩沖區(qū)分析，按照大型水庫(kù)大壩規(guī)定的范圍線，生成大壩保護(hù)范圍。大壩保護(hù)范圍為大壩中軸線向外側(cè)擴(kuò)至 200 m 形成的區(qū)域。

2）水庫(kù)管理范圍。橫山水庫(kù)校核洪水位為40.36 m（吳淞高程），換算成 85 高程為 38.42 m，先將原始 1∶10 000 地形分塊數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)橫山水庫(kù)范圍拼接起來(lái)，根據(jù)地形等值線生成 DEM，再根據(jù)校核洪水位提取水庫(kù)管理范圍。通過(guò)外業(yè)實(shí)測(cè)，對(duì)初步提取的水庫(kù)管理范圍進(jìn)行加密，加密后重新代入DEM 進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果最終得出水庫(kù)管理范圍。

以遙感影像為底圖，疊加校核洪水位線、水庫(kù)管理范圍、河流數(shù)據(jù)，通過(guò)緩沖區(qū)、疊加等分析提取水庫(kù)生態(tài)保護(hù)范圍。以遙感影像和地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取水庫(kù)周邊山谷線作為集水區(qū)范圍。

2.6 反饋修正后的范圍線

通過(guò)當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T、水庫(kù)管理單位會(huì)同國(guó)土和規(guī)劃等相關(guān)權(quán)益人，現(xiàn)場(chǎng)抽查、比對(duì)、磋商、完善及確認(rèn)，對(duì)水庫(kù)管理和保護(hù)范圍內(nèi)的勘界劃線初步成果進(jìn)行反饋，最終根據(jù)遙感影像及 GPS等數(shù)據(jù)確定了 4 類范圍線。

實(shí)施單位經(jīng)過(guò)完善修正后的“四線”，即大壩保護(hù)、水庫(kù)管理、生態(tài)保護(hù)范圍和集水區(qū)域線，“四線”集成圖如圖 2 所示。

圖 2 橫山水庫(kù)“四線”

為了便于水利管理部門開(kāi)展工作，根據(jù)提取的“四線”范圍，按照 1∶2 500 的標(biāo)準(zhǔn)，制作了水庫(kù)管理范圍、生態(tài)保護(hù)范圍、集水區(qū)域等成果總圖集，為各類范圍線的標(biāo)界設(shè)樁提供基礎(chǔ)位置。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究以宜興市橫山水庫(kù)管理與保護(hù)范圍勘界劃線作為研究對(duì)象，結(jié)合 3S 技術(shù)手段，通過(guò)控制點(diǎn)準(zhǔn)備，資料收集與預(yù)處理，實(shí)測(cè)測(cè)量與校核，相關(guān)權(quán)益人磋商，反饋修正，根據(jù) DEM、遙感影像、GPS 等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定了各范圍線邊界，制作勘界劃線成果總圖集。3S 技術(shù)的應(yīng)用提高了數(shù)據(jù)的獲取精度，提升了試點(diǎn)水庫(kù)管理與保護(hù)勘界劃線問(wèn)題的解決效率。

水庫(kù)管理與保護(hù)范圍勘界試點(diǎn)劃線的完成可為構(gòu)建水庫(kù)信息化管理和開(kāi)發(fā)利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供本底數(shù)據(jù)，目前已在南京市六合區(qū)大泉水庫(kù)（中型）繼續(xù)試點(diǎn)，因而對(duì)其他大中型水庫(kù)的“四線”管理也具有很強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。

本項(xiàng)目成果也可為今后水庫(kù)遙感監(jiān)測(cè)和空間用途管制打好基礎(chǔ)。通過(guò) 3S 技術(shù)可以大范圍地獲取水庫(kù)管理保護(hù)范圍內(nèi)大壩壩體及管護(hù)范圍、樞紐建筑物、溢洪河道和庫(kù)區(qū)水體、岸線、集水區(qū)域等開(kāi)發(fā)利用情況進(jìn)行本底和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，獲取動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息，支撐水政執(zhí)法及相關(guān)業(yè)務(wù)。

由于地形資料更新較慢，部分區(qū)域的地形資料可能與實(shí)際存在一定偏差，因此用實(shí)測(cè) GPS 數(shù)據(jù)對(duì)DEM 進(jìn)行加密試圖減小誤差。但實(shí)測(cè) GPS 數(shù)據(jù)畢竟有限，較好的解決手段是采用無(wú)人機(jī)三維測(cè)量技術(shù)獲取研究區(qū)實(shí)時(shí)地形資料，下一步將針對(duì)這個(gè)問(wèn)題開(kāi)展相關(guān)研究。

[1] 鄭銀林. 遼寧省大型水庫(kù)土地確權(quán)劃界與管理探析[J]. 中國(guó)水利，2014 (2): 34-35.

[2] 王家龍，徐海坤，潘家剛. MapGIS 軟件在錦屏孟伯水庫(kù)勘測(cè)定界中的應(yīng)用[J]. 黑龍江水利科技，2015 (1):177-178.

[3] 鐘達(dá)，楊光臣. 淺談 RTK 技術(shù)在水庫(kù)勘測(cè)定界工作中的應(yīng)用以從江縣流美水電站為例[J]. 黑龍江科技信息，2011 (25): 84-85.

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[5] 謝森輝，彭劍，鄭友森. 水庫(kù)管理空間信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 地理空間信息，2011 (10): 84-86.

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Application research on demarcation line of Hengshan reservoir in Jiangsu Province using 3S technology

GAO Shipei1, LIANG Wenguang2, QIAN Jun1, SHI Jianming3, WANG Dongmei2

（1. Hydraulic Research Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210017, China;（2. Lake Research Institute, Hydraulic Research Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210017, China;3. Jiangsu Provincial Flood Control and Drought Relief Center, Nanjing 211500, China）

It is urgent and necessary to strengthen the control of the space reservoir use. The delineation of the scope of reservoir management and protection is a technical and policy oriented work. With the advantage of macro,fast, dynamic, economic features, application of 3S technology can realize all-weather dynamic monitoring of large scale surface state. This research takes Hengshan reservoir of Jiangsu Province as the pilot. Using DEM, remote sensing images and measured GPS data, through the control point preparation, data collection and pretreatment, measurement and verification, stakeholders consultation and feedback correction, the reservoir “four line” is determined. And the atlas of the demarcation line is made. The application of 3S technology improves the accuracy of data acquirement,and enhances the pilot reservoir management and protection efficiency to solve the problem of demarcation line. It provides the basic data support for the construction of reservoir information management and the dynamic monitoring of development and utilization. It is helpful to achieve dynamic management and space use supervision.

3S technology; Hengshan reservoir; demarcation line; management and protection

P228；TV697

A

1674-9405(2017)05-0069-04

10.19364/j.1674-9405.2017.05.013

2017-06-01

江蘇省水利項(xiàng)目（2013b051）；江蘇省水利科技項(xiàng)目（2013001，2015035）。

高士佩（1968-），男，江蘇淮安人，高級(jí)工程師，主要從事水利工程管理研究。