卫星遥感技术在紧水滩/石塘水库水位库容曲线复核中的应用

江惠芳,金建乐

(浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江省丽水市 323000)

文章编号：1006—2610(2015)05—0021—04

卫星遥感技术在紧水滩/石塘水库水位库容曲线复核中的应用

江惠芳,金建乐

(浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江省丽水市 323000)

从应用卫星遥感技术的优点分析出发，探讨了卫星遥感技术在推求水库水位-面积关系中的应用，以及水位-库容关系曲线的建立，并为水库管理提供了一套基础卫星图像资料。

卫星图像;库容曲线;遥感制图

0 前 言

水库库容是水库发电、防洪调度一个非常重要的技术参数，库容变化直接影响调洪时的水量平衡，如不及时了解水库库容变化，就不能很好地兼顾防洪度汛和蓄水兴利。浙江省电力公司紧水滩水力发电厂下辖紧水滩和石塘2座水电站，紧水滩水电站系国家开发瓯江流域龙泉溪干流梯级发电的第一级水电站，水库属不完全年调节水库，以发电为主，兼有防洪、灌溉、航运及发展淡水渔业等综合效益。石塘水库位于紧水滩水库坝下，属径流式、日调节水库，也以发电为主，兼有航运、过木等效益。紧水滩/石塘水电站自1988年投产发电以来，已为浙江和华东地区的地方经济发展发挥了重要作用，为丽水地区的发展提供了强有力的支撑。经过20多年的运行，周边情况不断变化，库岸的修建、公路的扩建、周边山坡的水土流失都使得水库库容曲线发生变化，因此有必要对水库的水位-库容曲线进行复核，掌握准确的水位-库容曲线，在水库、大坝安全的前提下，最大程度地发挥水库效益。

鉴于近年来遥感技术在这方面的应用越来越成熟，并取得了良好的效果，因此紧水滩/石塘水电站决定采用卫星遥感技术对紧水滩/石塘水库的库容曲线进行复测。

1 卫星遥感技术

利用地球资源卫星资料来推求两水库的库容曲线，其基本原理是根据地表水体在紫外光、可见光、近红外光等各波谱段的吸收、辐射、反射的物理特性，利用不同时期、不同水位成像时的卫星影像资料，经过计算机遥感图像处理、分别提取每个时相的库区水边线位置及所包围的水域面积，然后依据与之对应的实测水位，作出水位-库面面积曲线和水位-库容曲线，为用户提供一个可信的新的水库库容曲线。

在进行水库库容曲线研制的同时，我们还可以利用陆地卫星ETM图像资料进行流域下垫面制图，通过图像的镶嵌、融合等特殊处理，制成仿自然色彩的集水流域遥感卫星影像图、水库枢纽卫星影像图和流域河网水系分布图，为水库管理提供了一套基础卫星图像资料。

2 水库水位-库容曲线复核

2.1 资料收集

目前在天空中运行的各类资源卫星比较多，针对本次紧水滩/石塘水库库容曲线的复测特点，为了提高水库库面面积的计算精度，在照片、底片和数字资料3个品种中，全部采用了精度最高的数字资料形式的卫星影像。

确定水库水位-库容曲线，需要获得水库不同时刻的卫星图像资料，收集越多，即相邻两幅图像之间的水位差越小，获得的库容曲线的精度也就越高。根据自紧水滩∕石塘水库出现过的最高、最低水位情况，综合考虑已有的对应同步水位资料，从北京中国遥感卫星地面接收站共购买到合适的美国陆地卫星资料27幅和中巴地球资源卫星资料10幅，其中紧水滩水库实际使用25幅，其相应水位落差约在164.8～184.5 m之间，平均间隔约为0.79 m；石塘水库实际使用11幅，其相应水位落差约在98.0～102.5 m之间，平均间隔约为0.41 m，完全能够满足紧水滩∕石塘水库库容复核的要求。

2.2 卫星影像几何校正

由于资源卫星的飞行姿态、高度和速度、地球自转、扫描速度的不均匀等因素，使扫描成像与实际位置产生系统畸变。因此，尽管遥感卫星地面站在数据接收后已进行了常规校正，但对地形测量和面积量算这样的高精度要求来说，仍嫌不足，必须进行几何精校正，也即利用地面控制点进行几何位置校验，将遥感卫星图像纠正到统一的大地坐标网格上。

本次几何精校正采用的方法是三次卷积法，以浙江省第一测绘院提供的“沪苏浙(浙江区)五万分之一电子地图”为基础底图，共选取12个点作为纠正控制点。三次卷积是以sinC函数为基础，并采用如下的插值函数：

(1)

式中:μ、v为空间频率域的截止频率。通常情况下它都是采用一个多项式来逼近理想的插值函数。三次卷积法使用一组多项式以不同区间来近似理论上的sinC函数，即

(2)

这种插值的结果精度高，不仅保持了像元的连续性，不降低分辨率，并且有边缘增强的作用，校正后的卫星图像就能与地形图保持一致。

2.3 卫星图像水体识别

国内外许多研究的实践成果早已表明，近红外波段的遥感信息能可信和有效地确定水体。近红外波段的水体辐射率明显地单一并低于其它地物。因此，选用一个合适的近红外波段，定出其水体阈值，将低于该值的像元定为水体，高于该值的像元则为非水体。同时，为了准确地识别水体，针对水陆交界处像元识别的复杂性，我们还采用了比率测算法进行识别。并且在进行以上工作之前，为了进一步提高面积计算精度，我们将所有图像均采用BICUBIC方法将其都转换为15 m×15 m像元的图像。

2.4 水库库面面积与库容计算

在经过水体识别后的每幅图像上，由计算机对图像中的水体像元逐个进行统计，就很容易获得不同水位时的库区水面面积值，在求得相应各种不同水位时的水面面积之后，即可在计算机上绘制出水库的水位-水面面积关系曲线，再应用统计学原理和电子报表技术，通过计算机准确、快速、方便地配置出满足库容复核要求的多项式曲线方程。

最终配置出的紧水滩和石塘水库的水位面积关系多项式曲线方程为：

Aj= -272.98667+5.65407H-0.03963H2+

0.0000977162H3

As= -14929.71093+591.46354H-8.78895H2

+0.05803H3-0.000143515H4

式中:Aj和As分别为紧水滩和石塘水库的水面面积,km2;H为水库水位,m。

有了水库的水位-面积曲线(见图1、2)，就能反推水库的水位-库容曲线。库容推算公式为：

(3)

累计库容即由下式计算：

(4)

式中:V为某一水位时的库容；h为两次相邻水位的水位差；S为水面面积；n为次数；i为序数。

根据推算的库容结果，在计算机上就可绘制出水库的水位-库容关系曲线，并且，同样可以方便地获取任意水位条件下的水库库容。

图1 紧水滩水库水位-库容关系曲线图

图2 石塘水库水位-库容关系曲线图

由于本次取得的卫星遥感图像资料所限，库容复核的实际有效范围是紧水滩水库为164.8～184.5 m之间的水库库面面积和水库库容，石塘水库为98.0～102.5 m之间的水库库面面积和水库库容。但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，为了便于用户参考，特在水位-水面面积关系曲线和水位-库容关系曲线的计算时，紧水滩水库水位向下延伸到162 m，向上延伸到192.7 m，而石塘水库水位则向上延伸到104 m。但不能保证能达到实际有效范围同样的精度。

3 新库容曲线的精度分析

卫星遥感技术复测水库库容的精度高低主要取决于3点：图幅取用的多少、水面面积的量算和曲线的配准。

本次研究的紧水滩/石塘水库水位总高差分别为20.5和4.5 m，一共使用了25幅(紧水滩水库)和11幅(石塘水库)卫星图像，相邻两景图像之间的平均水位差分别为0.79和0.41 m，完全能满足本次水库库容复核的要求。

从图3中总结出，当权重系数α为0.3、β为0.7时，识别率最大（在本文算法中，定为最佳权重系数）。从实验中可以看出，人耳这一生物特征对最终识别结果的影响更大，原因是，本实验用的人脸数据库表情、姿态、光照的变换更丰富，而自摄的人耳库相较于人脸库来说变化比较不明显。

地球资源卫星图像资料与1∶50 000地形图进行地理位置精校正后，其无论是经纬度、地理坐标，还是公里网都与地形图相当，完全可以保证其量程误差保持在一个像元，即15 m×15 m。因而，在这样的图像上统计水体面积，其最终的总体误差也是不超过15 m×15 m。虽然水面面积实际上是一个不规则图形，相当于把它放在15 m×15 m见方的网格上求取该水面的总面积，所以，依据网格平差理论，其最终误差也就是一个网格，即15 m×15 m。

有了相应的库水位和水面面积资料后，即可获得水库的水位-面积关系曲线。为了避免直线内插和因人而异的误差，我们采用了计算机电子报表技术对紧水滩/石塘水库的水位和水面面积数据拟合出了相应的多项式曲线方程(图3和图4)，拟合多项式方程所采用的各项参数列于表1。

表1 多项式曲线方程配置参数表表

图3 紧水滩水库多项式电线方程配制误差分析图

为了检验多项式曲线方程的配置精度,我们还根据紧水滩/石塘水库的水位资料用配置的多项式曲线方程反推其相应的水面面积，并与原面积进行误差分析，误差分析曲线如图3、4。

从图3、4中可以看到，紧水滩水库绝大部分点据的绝对误差都小于±0.1 km2，平均为0.012 km2；而相对误差绝大部分点据都不大于±0.5%，平均为0.05%。石塘水库绝大部分点据的绝对误差都小于±0.01 km2，平均为0.009 km2；而相对误差绝大部分点据都不大于±0.5%，平均为0.154%。因此，无论是方程的配制参数还是曲线的精度分析都说明所配制的多项式曲线方程具有很高的精度。

图4 石塘水库多项式电线方程配制误差分析图

4 集水流域下垫面的遥感制图

随着现代卫星遥感技术的发展，依靠地球资源卫星遥感图像资料而获取大部分流域下垫面信息，已成为可能。虽然与传统的定点调查方法相比，在某一点上，遥感资料精度不一定高，但由于其观测数量大，对整个大面积而言，得到的精度却不低，再加上一定的判读知识和目前快速发展的计算机数字图像处理能力，我们就能在省时、省力又省钱的情况下进行集水流域下垫面的遥感制图。

4.1 卫星图像数字镶嵌

根据紧水滩/石塘水库集水流域的位置、成像的季节时间、当时的天气状况，从众多的图像资料中挑选出基本符合我们制图要求的美国陆地卫星ETM图像2幅。由于2幅图像的成像时间不同，所以必须进行卫星图像的数字镶嵌。

由于待镶图像的成像日期不同、大气传输特征、光照差异和景观的变化或多或少会引起各幅图像之间的色调差异，造成镶嵌图像的明显“接缝”效应。卫星图像的数字镶嵌就是解决各拼接图像之间的几何位置匹配和色调过渡的问题。一幅质量好的卫星镶嵌图像要求在其拼接处几何关系相同，同一地物的色调尽可能接近，接缝不明显，最好无接缝。本次经过几何变换与配准、灰度匹配、接边选择和灰度圆滑等一系列方法的处理，最终得到的紧水滩/石塘水库集水流域图，从结果来看，镶嵌效果极其良好。

4.2 卫星图像资料融合

图像融合是指将多源信道所采集到的关于同一目标的图像经过一定的图像处理，提取各自信道的信息，最后综合成同一图像。

一般情况下，图像融合由低到高分为3个层次：数据级融合、特征级融合、决策级融合。数据级融合也称像素级融合，是指直接对传感器采集来得数据进行处理而获得融合图像的过程，这种融合的优点是保持尽可能多的原始数据，提供其它融合层次所不能提供的细微信息。

图像融合方法是图像彩色变换的一种图像锐化方法。通过这种方法，将红、绿、蓝(RGB)三色的彩色图像变换到一个特定色调、亮度、饱和度(HLS)的色彩空间，并用高分辨率的全色波段图像代换色彩空间的亮度波段图像。这就完成了将一幅RGB图像的色彩特征与另一幅HLS图像的空间特征的结合。然后，再把选定的色彩空间图像转换成红、绿、蓝三色的彩色图像。

ETM卫星图像融合是将15 m的全色波段卫星图像与30 m的多波段卫星图像合成处理的一种专业处理方法。

4.3 流域界线的确定与计算

流域界线采用陆地卫星影像与地形图相结合的方法确定流域集水面积范围是较为理想的方法。在进行过地理位置纠正、数字化图像镶嵌后的基础上，参考结合地形图，再根据卫星图像上山脉的走势逐段确定流域分水线。按此方法扫描计算得出紧水滩/石塘水库集水流域总面积与原来面积的对比，列于表2。

表2 集水流域面积对比表

即为通过遥感仿自然色彩合成后的紧水滩-石塘水库集水流域的卫星影像的缩小样图。

5 结 语

通过本次应用遥感技术在紧水滩-石塘水库库容曲线复测的应用研究，可以得出以下结论：

(1) 应用具有较高地面分辨率的卫星遥感影像资料，通过计算机分类等图像处理技术，在准确的库区水位资料配合下，水位面积曲线的配准，其相关系数分别高达0.999 76(紧水滩水库)和0.996 90(石塘水库)，其反算面积的平均误差分别为0.05%(紧水滩水库)和0.154%(石塘水库)，说明具有很高的精度。进行水库的库容曲线复测是有效的，所推求的库容曲线其精度是可信的。

(2) 应用卫星遥感技术进行流域下垫面制图有其非常独特的优势，不但能快速可靠地获取传统资料缺乏或人员难以到达地区的地面信息，而且与地面调查相比，还可节省大量经费开支，且完全能够满足流域下垫面制图的需求。

(3) 随着地球资源卫星地面分辨率的提高，以及计算机分类技术的进一步发展，借助地理信息系统的支持，应用卫星资料复测库容曲线一定会具有更广阔的前景。

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Application of Satellite Remote Sensing Technology in Recheck of Water Level-Storage Capacity Curve of Jinshuitan/Shitang Reservoirs

JIANG Hui-fang, JIN Jian-le

(Jinshuitan Hydropower Plant, Zhejiang Electric Power Company, Lishui, Zhejiang 323000,China)

From analysis on the advantages of application of the remote sensing technology, application of the remote sensing technology in exploring the reservoir water level-area relationship and building the reservoir water level-storage capacity relationship curve is studied. Meanwhile, one set of basic satellite images is provided for the reservoir management. Key words:satellite image; storage capacity curve; mapping by remote sensing technology

2014-10-13

江惠芳(1965- ),女,浙江省兰溪市人,工程师 ,从事水库调度工作.

P237

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.006