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一种基于激光雷达技术的水库库容计算方法

更新时间:2016-07-05

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]

会上,研发三部还与当地经销商签订“中国农资”系列新产品的销售代理协议。参会的一位经销商表示:“这几年我们一直与中农合作,当地农民对中农产品非常认可。我们与中农控股这样的大企业合作感到很放心。跟着中农走,小康路上加速走!”

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。

文化缺省又称为文化预设,是自然语言使用时的一种自然现象,是发话者为了保证语篇的适宜性而必须满足的前限。文化预设体现了一个民族对世界的主观意识和独特视角,反映了交际参与者所具有的民族和社区的文化特征和属性。文化预设的合适性要求预设要与文化语境紧密结合。由于不同国家的社团成员生活在不同的文化语境中,其言语行为必定会受到具有其特点的文化语境影响。如果人们以各自的社会共识,意识或生活积累来解释不同文化中的同一种交际行为,注定这样的交流会是不成功的,甚至造成误解,全面失败。而人们因为长期在同一种语言和文化环境中生存,所以在交流时必定会有意无意地使用到文化预设机制。

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

顺利赚到人生“第一桶金”,1988年,杨宗祥用承包养殖场积累的10万元,创办了“昆明安宁复合肥原料厂”(云南祥丰实业集团有限公司前身),这里也成为了他梦想起飞的地方。为了赢得更多的客户,他亲自把化肥送到农户田间地头,农户用过效果好以后再收款。

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:

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:

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。

同时,中国银行还积极对接云南省商务厅、进口博览局等部门,协助做好云南企业参加进口博览会的组织工作,并积极跟进云南交易团的金融服务需求,量身定制了金融服务方案,发挥全球化优势,将南亚东南亚客户引入云南,用实际行动争做云南省“面向南亚东南亚金融辐射中心”的建设者。云南中行还发动辖内各分支机构联系所在地企业客户,逐户走访,挨家落实,利用跨境企业撮合系统,全力挖掘客户进口需求,向我省企业推介进博会、宣传进博会。并全力配合做好省内交易团客户筛选及招商对接、互选组织工作,通过多渠道、多方式邀请省内参加进口博览会企业近百家,协助交易团成员做好报名、参会等相关服务工作。

根据误差传播理论,单元四棱柱的体积精度可表示为:

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)。

2 研究结果

2.1 DEM结果

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。

水库库容的计算公式为:

图2 新立城水库DEM

2.2 库容计算功能

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3 库容计算功能

图4 库容计算结果

3 精度验证

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。

表1 精度分析/m

点号 检测点高程 DEM高程 差值1 205.43 204.88 0.45 2 207.40 207.32 0.08 3 215.65 216.00 0.35 4 197.42 197.50 -0.08 5 199.34 199.48 -0.14 6 204.20 200.05 0.15

4 结 语

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。

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。

为了防止光束在球面镜的外表面与内表面之间干涉,球面反射镜的外表面镀99%的增透膜.若球面反射镜和微悬臂的反射率分别为R1,R2,球面镜与微悬臂的距离为L,即半球面F-P腔腔长,则相邻光束之间的光程差为4L,位相差为

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。

参考文献

[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

苗正红,杨清臣,邱中军,毕强
《地理空间信息》 2018年第05期
《地理空间信息》2018年第05期文献

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