摘要：利用點云數(shù)據(jù)生成高精度DEM，結(jié)合ArcGIS計算庫容這一方法快捷高效且精度很高，在短時間內(nèi)可以計算從死水位到最高蓄水位的各個高程值的庫容數(shù)據(jù)，迅速生成庫容曲線圖，可以直觀地進行空間分析，與傳統(tǒng)方式相比，有著顯著特點和優(yōu)勢。以滁州市某水庫為例，介紹了該方法的計算流程，并探討其作用與空間分析功能在實際應(yīng)用中的意義。

關(guān)鍵詞：LiDAR；庫容；ArcGIS；空間分析

一、前言

庫容曲線是表示水庫水位高程與其對應(yīng)的庫容量之間關(guān)系的曲線，它可以用來反映水庫的蓄水量和調(diào)節(jié)能力，是水庫建成后調(diào)度和運營的基礎(chǔ)。庫容曲線可用于評估水庫在面臨極端降雨等事件時的洪水控制能力，庫容曲線也可以用來制定生態(tài)保護計劃，以平衡生態(tài)系統(tǒng)的需求；在面對干旱或其他氣象災(zāi)害時，庫容曲線可以用于評估水庫的蓄水能力，幫助規(guī)劃水資源的合理利用。綜合來看，庫容曲線是水庫管理和水資源規(guī)劃的重要工具，對于確保水資源的可持續(xù)利用、災(zāi)害管理和生態(tài)保護都有著重要的意義。

地理信息系統(tǒng)（GIS）的空間分析（Spatial analysis）能力是對地理空間現(xiàn)象的定量研究，其分析能力是將空間數(shù)據(jù)處理成不同的形態(tài)，提取其潛在信息，是地理信息系統(tǒng)的核心功能之一，也是其在實際應(yīng)用中最有價值的功能。

本文以滁州某水庫為研究對象，采用無人機載LiDAR和相機采集生成的影像數(shù)據(jù)和三維點云數(shù)據(jù)，通過制作DEM和DOM，基于ArcGIS平臺中的計算程序，研究擬選壩址位置的庫容曲線，為水庫的前期規(guī)劃和設(shè)計提供重要依據(jù)，還利用其強大的空間分析能力，為水庫的建設(shè)運營提供決策數(shù)據(jù)。

二、技術(shù)路線

傳統(tǒng)的庫容曲線計算方法主要靠人工測制地形圖和斷面，以等高線分層累計計算疊加得到空間體積，求取連續(xù)高程對應(yīng)的庫容量，計算量繁雜且誤差較大。傳統(tǒng)的測量方法局限性也很大，尤其是山區(qū)水庫地形復(fù)雜、信號遮擋嚴重，測制工作需要大量的人力物力。特別是水庫選址階段，因為無法確定壩址位置，往往需要測制很大范圍的地形圖，加上采集困難，在很多特殊地形，如陡崖深谷等，作業(yè)困難，無法在外業(yè)工作中采集足夠密度的地形碎步點，導(dǎo)致繪制的等高線有較大誤差。

隨著近些年無人機測繪的發(fā)展和普及，特別是機載LiDAR的應(yīng)用，給測繪行業(yè)帶來了整體工作模式的改變。LiDAR是一種主動式掃描儀，它依靠主動發(fā)射脈沖信號，不受太陽高度角以及絕大部分天氣影響，在理論上具備多天候的數(shù)據(jù)采集能力，且前期數(shù)據(jù)獲取和后期成果制作自動化程度很高，所以在工作效率上提高明顯。LiDAR的激光掃描儀在空中向地面發(fā)射脈沖信號，在植被間隙處可以穿透覆蓋，且有多次回波，可以得到地面高程信息和植被信息，在植被密集的丘陵和山區(qū)更具有顯著優(yōu)勢[1]。

機載LiDAR能獲取極其密集的高精度三維點云數(shù)據(jù)，通過點云分類、濾波等處理過程構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，就可以快速提取數(shù)字高程模型（DEM），以此為基礎(chǔ)，結(jié)合獲取的影像數(shù)據(jù)制作DOM、DLG等成果。結(jié)合DEM和DOM，再加上外業(yè)采集的部分水下數(shù)據(jù)，利用ArcGIS平臺中的計算程序，就可以計算擬選壩址位置的庫容曲線[2]。有DOM和DEM的數(shù)據(jù)結(jié)合，規(guī)劃設(shè)計人員還可以在不同的位置設(shè)計數(shù)個方案進行對比，如圖1所示。

DEM即數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model），是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地面地形的數(shù)字化模擬。DEM描述的是地面高程信息，具有精度高、信息豐富、便于存儲和管理等特點。它可以派生出各種地形特征值，如坡度、坡向等。DEM在測繪、水文、氣象、地貌、地質(zhì)、土壤、工程建設(shè)、通信、軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3]。在工程建設(shè)上，DEM可用于土方量計算、通視分析等。在防洪減災(zāi)方面，DEM是進行水文分析的基礎(chǔ)，如匯水區(qū)分析、水系網(wǎng)絡(luò)分析、降雨分析、蓄洪計算、淹沒分析等。此外，DEM還是國家地理信息的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于制圖、空間分析和地理信息管理。

三、工程實例

某水庫位于安徽省滁州市南部，是一座具有防洪、城市供水，兼有維持河道生態(tài)、改善城市景觀環(huán)境等綜合利用的中型水庫。該水庫建成后，將進一步完善清流河及其支流流域的防洪體系，提高下游京滬鐵路及沙河鎮(zhèn)防洪標準，減小夏季豐水期清流河穿城段的過水流量，提高滁州市城市供水能力，控制河道枯水期并改善城市環(huán)境，具有顯著的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益。該水庫目前處于可行性研究階段，為了確定壩址以及壩址控制的流域面積，對該水庫范圍內(nèi)采集了多種數(shù)據(jù)，包括影像數(shù)據(jù)、LiDAR數(shù)據(jù)和水下數(shù)據(jù)。

（一）數(shù)據(jù)采集

此次項目采用在飛馬V10固定翼無人機上搭載" " DV-LiDAR30激光雷達模塊和Sony A7RM3A相機進行數(shù)據(jù)采集，相對飛行高度400m，影像旁向重疊度65%、航向重疊度80%、航片地面分辨率5cm，激光發(fā)射頻率（PRR）300kHZ，平均點密度72個/m2。庫區(qū)范圍內(nèi)的水下數(shù)據(jù)采用搭載單波束測深系統(tǒng)的無人船進行測量，按20m間距布置測深線，并布置檢驗測線。

（二）生成DEM

將采集到的LiDAR點云數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換、點云分類等方式處理后，可以生成數(shù)字高程模型（DEM），以此為基礎(chǔ)，結(jié)合獲取的影像數(shù)據(jù)制作DOM，再根據(jù)高分辨率的DOM剪裁去除DEM中的水面部分。將無人船采集到的水下數(shù)據(jù)進行整理，繪制等高線圖，利用等高線和水下高程點以及水邊線外擴部分點云數(shù)據(jù)制作水下DEM，將兩部分DEM鑲嵌起來制作完整的庫區(qū)DEM，如圖2所示。

（三）ArcGIS計算庫容

ArcGIS是由ESRI公司推出的一款地理信息系統(tǒng)軟件，它提供了一整套強大的工具和功能，用于創(chuàng)建、管理、分析和可視化地理數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如城市規(guī)劃、環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)和自然資源管理等。在ArcToolbox內(nèi)調(diào)用填洼工具，在填洼對話框內(nèi)輸入制作的庫區(qū)DEM作為表面柵格，確定之后得到填洼后的結(jié)果。調(diào)用流向工具，在流向?qū)υ捒騼?nèi)輸入上一步填洼后的柵格數(shù)據(jù)，確定之后得到流向柵格。然后使用流量工具，得到流量柵格。調(diào)用捕捉傾瀉點工具，在壩址位置進行捕捉，輸入的蓄積柵格數(shù)據(jù)為之前得到的流量柵格數(shù)據(jù)，得到捕捉的傾瀉點。分別調(diào)用分水嶺工具和柵格轉(zhuǎn)面工具，得到集水區(qū)范圍，然后利用得到的集水區(qū)范圍剪裁DEM數(shù)據(jù)，然后調(diào)用設(shè)為空函數(shù)工具，將高程值大于50米（1985高程基準）的部分設(shè)為NoData，得到最終的計算DEM。使用ArcGIS的3D Analyst工具調(diào)用表面體積工具，在顯示的表面體積對話框內(nèi)，輸入表面為處理后的柵格，參考平面選擇BLOW，表示計算下墊面的體積。重復(fù)計算可以得到每一個高程值對應(yīng)的2D 面積、3D面積和體積（庫容）[4]。將高程值數(shù)據(jù)和庫容數(shù)據(jù)結(jié)合起來，以高程值為橫軸，以庫容量為縱軸，繪制庫容曲線圖。重復(fù)計算量較多時，還可以使用腳本編寫一個調(diào)用程序，輸入DEM的文件路徑，直接調(diào)用ArcGIS程序，輸入起始高程值和結(jié)束高程值以及高程間隔，直接批量計算，最后導(dǎo)出高程值與對應(yīng)庫容的表格文件，以便快速繪制曲線圖，如圖3所示。

（四）空間分析

除了計算庫容以供水利工程建設(shè)和運營參考使用，ArcGIS強大的空間分析能力也是很重要的工具。空間分析可以處理和分析大量的地理空間數(shù)據(jù)，對地圖上的地理信息進行可視化呈現(xiàn)，還可以根據(jù)不同的數(shù)據(jù)分布和空間模式，進行空間建模，幫助預(yù)測和評估各種空間場景的后果，給水庫規(guī)劃和建設(shè)運營提供了重要決策依據(jù)[5]。計算庫容過程中生成的流向與流量數(shù)據(jù)，可以為水文研究人員研究流域和河流提供數(shù)據(jù)支撐。利用高精度的航拍正射影像DOM，可以輕易標識各居民點、道路、農(nóng)田、經(jīng)濟作物林等的位置，與計算出的蓄水范圍線進行疊加分析，可以找出在正常蓄水位時需要移民的村落，輔助建設(shè)部門做出準確的移民計劃，也可以標識出在防洪限制水位需要緊急轉(zhuǎn)移的村莊居民地，再與交通路線圖疊加分析轉(zhuǎn)移路線，以便在汛期做好應(yīng)急預(yù)案。淹沒區(qū)范圍與蓄矢量面疊加后，基本可以確定農(nóng)田、經(jīng)濟作物林等哪些可以繼續(xù)耕種、哪些有淹沒風險，可為移民補償做出精確預(yù)算。下圖中白色圓形圖斑就是各村莊分布地，且根據(jù)規(guī)模大小呈現(xiàn)不同直徑的圓，通過無人機航拍的高精度正射影像可以精確繪制，如圖4所示。

四、精度與誤差分析

受限于現(xiàn)場的實際困難和采集手段，傳統(tǒng)的斷面法和等高線法等計算方法往往誤差較大，且誤差來源多樣。除了數(shù)據(jù)采集誤差和許多無法到達的懸崖峭壁數(shù)據(jù)缺失，最主要的是數(shù)據(jù)密度不夠，導(dǎo)致繪制的地形圖精度不高的問題[6]。相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式和計算庫容方法，基于無人機載LiDAR采集的點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)密度高、便捷高效，特別在工程前期規(guī)劃策劃階段，工程選址未確定，需要做方案對比，所以需求的數(shù)據(jù)范圍大，無人機載LiDAR在這方面優(yōu)勢更大。

DEM誤差主要來源于原始數(shù)據(jù)的精度、密度和分布，以及DEM構(gòu)建過程中的算法和插值方法。原始數(shù)據(jù)自身的精度對DEM的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。此外，濾波法、基于趨勢面及三維可視化的粗差檢測與剔除、基于坡度信息的格網(wǎng)數(shù)據(jù)粗差檢測與剔除等方法也被用于處理原始數(shù)據(jù)中的誤差。想要提高DEM的精度，首先最基礎(chǔ)的就是提高原始數(shù)據(jù)的精度：通過更精確的測量方法和設(shè)備來獲取原始數(shù)據(jù)，可以減小數(shù)據(jù)誤差，從而提高DEM的精度。其次選擇合適的DEM模型和內(nèi)插方法：針對不同的地形和精度要求，選擇合適的DEM模型和內(nèi)插方法也可以提高DEM的準確性和適用性。最后進行誤差分析和校正適用于所有類型的DEM：通過對DEM進行誤差分析，可以識別并校正其中的誤差[7]。例如，可以采用基于坡度信息的格網(wǎng)數(shù)據(jù)粗差檢測與剔除等方法來剔除粗差數(shù)據(jù)，提高DEM的精度。

點云數(shù)據(jù)可生成高精度DEM，因為點云數(shù)據(jù)密度很大，可以很好地還原各種局部微地形，所以精度相較于斷面法和等高線法大幅度提高，加上結(jié)合ArcGIS計算庫容這一方法快捷高效，在短時間內(nèi)可以計算從死水位到最高蓄水位的各個高程值的庫容數(shù)據(jù)，迅速生成庫容曲線圖。其計算的庫容誤差來源主要是DEM的誤差，包括插值誤差、植被遮蓋的誤差等[8]。在地勢較為平坦的地區(qū)，傳統(tǒng)方式的等高線法計算的庫容與本文中的方法差距不大，隨著地勢起伏的增大，采用DEM數(shù)據(jù)計算的庫容數(shù)據(jù)精度明顯更高。

五、結(jié)語

隨著國家加大對水利基建的投資，也為了滿足各地對城市供水和防洪等方面的需求，興建水庫成為很多地方水利建設(shè)的規(guī)劃重點。而水庫的建設(shè)必然少不了庫容曲線數(shù)據(jù)。庫容曲線是水庫從規(guī)劃選址到建設(shè)運營的重要參數(shù)和依據(jù)，對防洪和水資源利用的長期規(guī)劃更是具有重要的意義。隨著科技的發(fā)展進步，測繪新技術(shù)層出不窮，無人機載LiDAR已經(jīng)成為一種很普及的數(shù)據(jù)采集手段。利用采集的點云數(shù)據(jù)制作DEM，然后基于ArcGIS計算庫容，這一方法快捷高效且精度較高，適用于各種地形，可用作水庫工程規(guī)劃設(shè)計方面的重要輔助手段，GIS強大的空間分析能力，可以滿足水庫規(guī)劃選址以及建設(shè)后期運營等多方面需求，具有很高的實際應(yīng)用價值。可以預(yù)見在未來除了水庫之外的水利工程建設(shè)中，結(jié)合無人機載LiDAR和GIS在水庫規(guī)劃和建設(shè)中的應(yīng)用這一具體實例，將逐漸成為一種重要的方式，為水利信息化建設(shè)提供更詳細和精準的數(shù)據(jù)。

參考文獻

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作者單位：中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司

責任編輯：張津平、尚丹