一种基于激光雷达技术的水库库容计算方法

苗正红，杨清臣，邱中军，毕 强

（1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130012）

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m3。新立城水库上游纳入伊丹河、下游纳入新开河，至农安县靠山屯东与饮马河汇合后注入第二松花江，河流全长347 km，为饮马河水系。新立城水库坝址以上河长为90.2 km，控制流域面积为1 970 km2，基本河槽宽为10～20 m，河深为3～5 m，坡降为1/1 000～1/2 000，洪水河滩宽为1～3 km。

水库流域形状略呈长方形，平均宽度为20.7 km。流域内山地占2/3，其余为河谷低平地。最高山岭高程为724 m，一般为250～400 m。伊通以上山岭较高，河谷狭窄，伊通以下山岭逐渐降低，河谷平原逐渐展宽。坝址处两岸山岗向河谷收缩，是伊丹河汇合以下河谷最狭窄地段，坝址河谷平地高程为207 m。长春市75%的城市供水水量已由石头口门水库供应，新立城水库是长春市重要的水源和防洪屏障。

1.2 激光雷达技术

激光雷达的工作原理为向目标发射探测信号（激光束），将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射的信号进行比较，通过适当处理可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别[6-7]（图1）。

激光雷达是工作在红外波段和可见光波段，以激光为工作光束的雷达。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光发射机将电脉冲变成光脉冲发射出去，光学接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。

图1 激光雷达工作原理

1.3 不规则格网的DEM

采用规则格网进行库容计算时，每个规则格网的上表面可看作为水平面，下表面看作为地形表面，通常采用双线形平面对其进行模拟，库容由四棱柱体积进行累加得到。单元四棱柱的体积为：

式中，V(H)为指定水位的库容；H为指定水位的高程；hi为高程小于指定水位的格网高程；d为规则DEM格网的间距。

水库库容的计算公式为：

根据误差传播理论，单元四棱柱的体积精度可表示为：

2 研究结果

2.1 DEM结果

DEM的精度为0.5 m，经过投影定义、去除异常值、高程值修改等处理，在ArcGIS中生成TIN模型；再将TIN模型转成栅格数据；最终得到覆盖新立城水库的DEM数据（图2）。可以看出，新立城水库最高点高程在300 m以上，主要分布在西南和东北少数地区，最低点高程在220 m以下，分布在河道；高程值变化趋势平缓，高程数据过渡性较好，准确性较高。

图2 新立城水库DEM

2.2 库容计算功能

本文利用C#语言，基于Skyline平台，开发了新立城水库库容计算功能（图3），其计算结果如图4所示，可以看出，系统可实时、快速地计算任意高程的水库库容，方便水库的信息获取，为水情监测提供数据支持。

图3 库容计算功能

图4 库容计算结果

3 精度验证

本文将检查点高程与DEM计算的结果进行对比，从表1可以看出，高程误差均较小，最大值为0.45，最小值为0.08，误差在一个像元之内，说明该方法的准确性较高、应用性较强。

表1 精度分析/m

4 结 语

本文基于激光雷达技术，利用Skyline平台和DEM开发了库容计算功能，并通过精度分析得到以下结论：

1）将激光雷达技术应用到水库库容计算是可行的，可大大提高库容计算的效率和准确性。

2）本文设计方法具有形象、直观和自动化程度高等特点，在生产实践中具有广泛的应用价值。

3）库容精度的高低取决于DEM精度，而激光雷达技术则大大提高了DEM精度，影响数据精度的因素还包括测区地形、摄影比例尺的选择以及DEM生产中的误差。

4）本文仅对地形相对平坦地区进行了实验，地形复杂地形有待进一步验证。

[1] 高圣益,李成国.水库库容测量技术研究[J].人民长江,2007,38(10):98-99

[2] 谭德宝,李青云,黄奇.空间信息技术在长江水利信息化中的应用及展望[J].长江科学院院报,2004,21(3):1-5

[3] Hsu N S, CHENG W C, CHENG W M, et al. Optimization and Capacity Expansion of a Water Distribution System[J].Advances in Water Resources,2008,31(5):776-786

[4] 袁勇.基于DEM库容计算及可视化研究[D].武汉:武汉大学,2004:45-69

[5] 吕杰堂,王治华,周成虎.西藏易贡滑坡堰塞湖的卫星遥感监测方法初探[J].地球学报,2002,23(4):363-368

[6] 薛国刚,孙东松,杨昭.直接探测激光雷达模型及其性能模拟[J].红外与激光工程,2003(3):244-247

[7] 红外与激光工程编辑部.红外光电系统手册:主动光电系统[M].第6卷.天津:航天工业总公司第三研究院第8358研究所,1996:71-90