方 聰，李明峰，王亞梅，王冬梅，梁文廣

（1.南京工業(yè)大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211816；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210017）

水庫(kù)庫(kù)容是水利樞紐工程設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理的重要參數(shù)之一，為水庫(kù)發(fā)電、灌溉、防洪等調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐［1］。傳統(tǒng)庫(kù)容計(jì)算方法是利用全站儀、水準(zhǔn)儀對(duì)水庫(kù)進(jìn)行斷面測(cè)量，效率較低，水庫(kù)泥沙淤積與水域周邊地形的變化，造成計(jì)算值與實(shí)際庫(kù)容出現(xiàn)偏差。隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，水庫(kù)庫(kù)容的計(jì)算方法取得進(jìn)展。孟凡超［2］利用GPS技術(shù)獲取水庫(kù)周邊數(shù)據(jù)，測(cè)算出官昌水庫(kù)庫(kù)容。與傳統(tǒng)方法相比，在保證精度的同時(shí)，提高了作業(yè)效率；李鑫龍等［3］利用無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量，基于GIS技術(shù)，計(jì)算出黑龍江某水庫(kù)庫(kù)容曲線；王元超［4］提出通過(guò)多次空中三角測(cè)量，利用GIS空間疊加分析與CAD 輔助制圖，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)庫(kù)容的高效計(jì)算。然而上述的方法仍存在不足，GPS獲取數(shù)據(jù)的效率提高有限，重復(fù)勞動(dòng)量大；攝影測(cè)量雖然效率高，但對(duì)于植被覆蓋度高的山區(qū)無(wú)法有效獲取地面信息；空中三角測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)上視拍攝，導(dǎo)致水庫(kù)部分空間缺失，庫(kù)容計(jì)算精度較低。

隨著低空無(wú)人機(jī)的發(fā)展，機(jī)載激光雷達(dá)（Light Laser Detection and Ranging，LIDAR）應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)載LIDAR憑借高密度、高效率、高精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，能夠在復(fù)雜地形下探測(cè)地理信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行地形圖測(cè)繪［5］。針對(duì)大面積水庫(kù)庫(kù)容曲線的計(jì)算效率較低、精度不高等問(wèn)題，本文利用機(jī)載LIDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立研究區(qū)域的DEM，通過(guò)水體積計(jì)算，構(gòu)建出水庫(kù)的水位高程-水域面積-水量體積模型，并對(duì)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。

1 技術(shù)方法

1.1 機(jī)載LIDAR技術(shù)

機(jī)載LIDAR是一種集成了GPS、IMU、激光掃描儀等設(shè)備的主動(dòng)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)［6］。通過(guò)激光雷達(dá)發(fā)射近紅外激光脈沖，經(jīng)地面反射由傳感器接收并獲得目標(biāo)的距離，其原理如圖1 所示。實(shí)現(xiàn)對(duì)地面信息的獲取并以高精度密集點(diǎn)云的形式呈現(xiàn)，在多個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

圖1 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)原理

相對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量方式，機(jī)載LIDAR最大的優(yōu)勢(shì)在于高效、高精度的數(shù)據(jù)采集能力，同時(shí)能夠穿透植被葉冠獲取高分辨率地面數(shù)字模型（DSM）。此外，機(jī)載LIDAR 一般采用波長(zhǎng)在近紅外波段的激光脈沖，由于純凈水體在近紅外波段反射率極低，難以被激光傳感器接收識(shí)別，因此在點(diǎn)云中，水體呈現(xiàn)為空洞或點(diǎn)分布特別稀疏的情況，這使得基于機(jī)載LIDAR 點(diǎn)云提取水體邊界具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［7］。因此，通過(guò)機(jī)載LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)研究水庫(kù)庫(kù)容曲線成為最有效的方法之一。

1.2 水庫(kù)庫(kù)容曲線構(gòu)建方法

利用機(jī)載LIDAR 在水庫(kù)低水位時(shí)段進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。由于點(diǎn)云中包含植被、房屋、人造設(shè)施等非地面點(diǎn)，無(wú)法準(zhǔn)確構(gòu)建水庫(kù)DEM 模型，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，保留地面點(diǎn)，剔除非地面點(diǎn)。通過(guò)高程選取，截取出不同水位H下的點(diǎn)云，利用不規(guī)則三角網(wǎng)插值建立不同水位下的DEM 模型，通過(guò)柵格計(jì)算，統(tǒng)計(jì)當(dāng)前水位下的水域面積S。將不同水位的DEM 進(jìn)行疊加，通過(guò)對(duì)多個(gè)不同水位下的面積進(jìn)行積分，即可計(jì)算出在多個(gè)水位區(qū)間下的水量體積Vi，并構(gòu)建出H-S-V的關(guān)系。

研究方法技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 水庫(kù)庫(kù)容曲線計(jì)算方法

1.2.1 基于PTD的點(diǎn)云濾波

機(jī)載LIDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波是獲取水庫(kù)及周邊DEM的關(guān)鍵，對(duì)水庫(kù)初始水域面積的率定精度起到重要作用。本文采用漸進(jìn)三角網(wǎng)（PTD）濾波算法，該方法能有效濾除建筑物、低矮植被以及其他地物［8］。其原理是對(duì)點(diǎn)云建立格網(wǎng)索引，選取格網(wǎng)中的最低點(diǎn)為種子點(diǎn)建立不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），如圖3所示。

圖3 漸近三角網(wǎng)原理示意

設(shè)定閾值，若反復(fù)角和反復(fù)距離小于設(shè)定的閾值，則該點(diǎn)為地面點(diǎn)，予以保留；反之則為非地面點(diǎn)，予以剔除。

1.2.2 反距離加權(quán)插值構(gòu)建DEM

濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在多處空洞與斷裂，極大影響著DEM 的真實(shí)性與精度，因此需要對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行插值。

本文利用反距離加權(quán)插值［9］（IDW），假定空間待插值點(diǎn)為Q，Q點(diǎn)鄰域內(nèi)散亂點(diǎn)P，利用反距離加權(quán)插值法對(duì)點(diǎn)Q的屬性值ZQ進(jìn)行插值。其插值原理是待插Zi為鄰近區(qū)域內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)Z值的加權(quán)平均，權(quán)重系數(shù)與待估點(diǎn)到采樣點(diǎn)的距離的k（0≤k≤3）次冪成反比，即隨著距離增大，權(quán)重呈冪函數(shù)遞減，且對(duì)某一待估點(diǎn)而言，其所有鄰域內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)的權(quán)重和為1。其計(jì)算式為

式中，di為待插點(diǎn)與其鄰域內(nèi)第i個(gè)點(diǎn)之間的距離。

1.2.3 水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算方法

DEM 作為高程信息與平面信息相互轉(zhuǎn)化的載體，將水庫(kù)的水位與水域面積的變化從二維空間過(guò)渡到三維空間。以最低水面作為初始面，以初始水面高程向上對(duì)模型進(jìn)行切片、排序，統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)高程的水位面積。將相鄰的空間看作柱體，累加各個(gè)部分的面積，得到從初始水位開(kāi)始的水量體積。測(cè)量中斷面法常用的庫(kù)容計(jì)算公式為梯形公式和截錐公式，即，

式中，V為水庫(kù)蓄水體積，i為切片序號(hào)，h為切片間隔，Sm為第m層切片的面積。

式（2）為梯形公式，又叫一般計(jì)算公式，廣泛應(yīng)用于河槽式河流類(lèi)型；式（3）為截錐公式，稱(chēng)之為嚴(yán)密計(jì)算公式。

水庫(kù)地形更加符合截錐幾何特征，本文可利用式（3）進(jìn)行計(jì)算，蓄水體積計(jì)算的原理如圖4所示。

圖4 水體積計(jì)算原理

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)區(qū)選取

研究示范區(qū)位于江蘇省句容市東北部山區(qū)通濟(jì)河支流，屬太湖流域，地勢(shì)低洼，易受洪澇災(zāi)害威脅［10］。水庫(kù)集水面積24.5 km2，總庫(kù)容約2 704萬(wàn)m3，屬于中型山谷水庫(kù)，水庫(kù)主壩壩頂高程59.3 m，校核洪水位57.22 m。水庫(kù)設(shè)計(jì)以防洪、灌溉為主，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖，并向下游城鎮(zhèn)供水。自2001年5月，南京水文自動(dòng)化研究所安裝了自動(dòng)化水位、雨量遙測(cè)系統(tǒng)與水位雨量站，為驗(yàn)證庫(kù)容曲線提供了參考數(shù)據(jù)。

2.2 DEM與庫(kù)容曲線的構(gòu)建

本研究利用terrasolid2019 軟件，基于PTD 濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用反距離插值法建立DEM。設(shè)置格網(wǎng)大小為0.1 m，權(quán)重為2，半徑搜索閾值5 m，計(jì)算得到高精度數(shù)字高程模型。濾波結(jié)果與DEM 構(gòu)建的結(jié)果如圖5所示。

圖5 PTD濾波與DEM構(gòu)建成果

根據(jù)侖山水庫(kù)及周邊地形的DEM數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行高程提取。提取出不同高程H下的河湖周邊模型。利用式（3）計(jì)算不同水位高程差H下的蓄水容積Vi。本實(shí)驗(yàn)的水位高程設(shè)定0.5 m為間隔，利用ArcGIS10.2進(jìn)行柵格計(jì)算獲取不同水位下的水域面積。分別計(jì)算0.5 m 水位間隔下的水量體積，并將不同水位的蓄水容積Vi依次求和，繪制H-S-V關(guān)系模型，結(jié)果如圖6所示。

圖6 水庫(kù)H-S-V關(guān)系模型

2.3 精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建水庫(kù)庫(kù)容曲線的可靠性，需要對(duì)庫(kù)水位—水域面積—水量體積變化關(guān)系進(jìn)行精度分析。侖山水庫(kù)建設(shè)自動(dòng)化水位、雨量遙測(cè)系統(tǒng)以及水位雨量站，參照水庫(kù)管理所提供的H-S-V關(guān)系表，計(jì)算蓄水容積Vi與實(shí)際蓄水的差值（DV），以及水域面積Si與實(shí)際面積的差值（DS），結(jié)果如表1 所示。分析模型在不同水位與實(shí)際數(shù)據(jù)的相似度，判斷庫(kù)容曲線是否可靠。

表1 計(jì)算模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比

結(jié)果表明，計(jì)算水域面積與實(shí)水域面積相似度最低為96.10%，最高達(dá)99.46%，平均相似度為97.32%，誤差在可接受范圍內(nèi)；模擬蓄水量與實(shí)際蓄水量相似度最低為96.14%，相似度最高達(dá)99.46%，平均相似度為97.08%。模擬蓄水量總體相較實(shí)際蓄水量偏大，屬于合理范圍，說(shuō)明該方法的準(zhǔn)確性較高，應(yīng)用性較強(qiáng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)侖山水庫(kù)約10.8 km2的范圍展開(kāi)研究，利用機(jī)載LIDAR獲取的水庫(kù)及周邊點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于初始水位建立DEM。通過(guò)對(duì)水域面積進(jìn)行提取與水量體積計(jì)算，構(gòu)建從51.3~58 m 水位下的庫(kù)容曲線。經(jīng)過(guò)精度分析，得到以下結(jié)論。

（1）機(jī)載LIDAR技術(shù)在庫(kù)容曲線計(jì)算相對(duì)傳統(tǒng)方法，自動(dòng)化程度高，可視化效果好，提高了測(cè)量效率和準(zhǔn)確性。

（2）機(jī)載LIDAR 未能獲取水下的地形數(shù)據(jù)，因此庫(kù)容曲線是從獲取數(shù)據(jù)時(shí)的水位開(kāi)始算起。本文采用水量體積計(jì)算適用于靜態(tài)或者水流較為平緩的水庫(kù)。

（3）基于LIDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的三維模型，具有較好的可視化效果，可以模擬水位增長(zhǎng)與淹沒(méi)面積變化對(duì)周邊環(huán)境的影響程度。