1数据获取方法

1.1无人机、无人船坐标数据的获取方法随着近年来无人机技术的高速发展，免像控技术趋近成熟，大量项目经验可验证免像控的无人机航测获取数据，实现大比例尺地形图的生产，为水库库容曲线计算精度提供了有利保障。由于水库区域水面之上常年被植被覆盖等原因，本次计算样本水库基于无人机航测获取地形数据为数字地表模型（DSM），DSM数据无法直接制作水面之上的等高线数据用于库容曲线的计算。水面之下的数据依靠无人船的回声测深仪测取，以等距的散点数据采集的方式取代断面法数据采集，可增大水下坐标数据点的采集密度，提高等高线成果精度。现阶段基于DSM自动转化DEM的技术手段较难实现，采用内插栅格数据的方式获取的DEM精度无法得到有效验证［1］。故本文采用人机相互的方式，通过DSM数据提取高程制作等高线数据计算水库库容曲线。

1.2DSM数据获取高程数据的采样方法野外地形高低起伏不定，因而无法获取无穷量的地面点数据，建立数字地形模型需要用有限的数据点集表达出最接近实际的地形地貌。水库通常建立在盆地地形中，地形变化较为规律，地表信息易通过有限的数据点表达出来。在地形构建中，充分利用DSM数据的优势，在仿野外地形测量采集数据点的基础上，拓展更多利于等高线构建的数据采集规律。地形表面可认为是由无数数据点排列组合而成，为满足等高线的构建，可将地面点分为规则特征点和随机特征点两个类型。规则特征点可理解为表达重要信息的数据点，例如组成山脊线、山谷线等构成地形表面局部极值的数据点，这部分点需要在DSM数据中认真分析地形分布后识别提取；随机特征点为围绕在局部极值点周围散乱分布的无规则变化点，在数据提取中采用规则格网的形式识别提取。规则特征点和随机特征点提取形式如图1、图2。两种方式各有利弊，规则特征点方式提取数据点，只需少量点即可完成对地形的描述，但高度依赖于对地形特征的识别，在复杂的地形条件中数据提取的容错率较低，易产生数据的遗漏。在提取规则特征点后辅助以规则格网随机特征点提取的方法，在DSM数据模型上通过规则网格的节点提取格网点高程，简单高效，但无法有效描述地形地貌的变化特征。实践证明两种方式相结合提取DSM中的坐标数据可用于生产高精度的等高线图，综合两种方法提取特征点提取如图3。DSM数据区别于DEM数据，因地表植被覆盖等因素影响，提取点的时候应在模型数据中识别地面数据，确保提取数据的有效性和准确性。

2水库库容曲线复核计算

2.1DTM法水库库容曲计算

2.1.1数据预处理DTM核心是地形表面特征点的三维坐标数据，包含了相关区域内的平面坐标（x，y）与高程之间的映射关系，即：Z=f（x，y）x，y∈DTM所在区域点数据的密度及位置都将影响DTM的精度，通过DSM数据提取的原始坐标数据，其中可能包含不符合建立模型要求的数据，为了顺利完成构网建模，首先对原始数据进行必要的预处理，如过滤、剔除几乎重合数据，给定高程限值，剔除粗糙数据，进行必要的数据加密等。DTM系统主要由计算机程序实现的，由于实际地形表面有连续的变化和断裂，而构造DTM时采集的数据是有限的，因此建立DTM时可采用双线性内插计算内插点的高程，用角度法判断修正三角网，使DTM精度与构建效率满足使用需要。

2.1.2建立DTM计算模型建网方式采用不规则网结构，以坐标位置作为网格节点，组成不规则形状格网。应用中主要采用不规则三角形格网（TIN），直接利用DSM数据中提取的地形特征点，构造出邻接三角形组成的格网形结构，TIN的每个基本单元的核心是组成不规则三角形的3个顶点的三维坐标。采用TIN可避免内插方格网而牺牲原始测点的精度，保证了整个数模的精度。在库容计算过程中，对同一水位构建2次互不重叠的不规则三角网，相连的三角网表面就构成了区域的数字立体模型。其一通过内插等值高程建立给定水位面高程的平面DTM模型，其二建立给定水位面高程以下的DTM模型，利用两次DTM建模后叠加，计算空间体积情况。以此反复构建不同水位面高程下的两次DTM模型，用以计算生成库容曲线。

2.2等高线法库容曲计算

2.2.1等高线构建在等高线的构建原理上考虑，从任一点开始追踪等值点的连线，通过对已有数据点的补插加密以形成光滑的曲线。

2.2.2规则网的矢量法内插等高线规则网格是指在制图区域上由小长方形或正方形网眼排成矩阵式的网格［2］。通过DSM数据中规则格网随机特征点提取，可直接得到网格交点的坐标值，避免了规则网起算数据需要内插所带来的误差。利用网格交点坐标值进行逐条等高线的搜索与插点，在数据模型中确定最高点高程值Zmax和最低点高程值Zmin，设定最高和最低等高线为Hmax和Hmin，然后按等高距△h绘制等高线。搜索所有格网的水平边和竖直边，找到每条等高线的起点和对应网格以绘制某一条等高线；计算等高线在该网格出口边的位置，并计算等高线绘至新网格的走势以跟踪这一条等高线。单一的规则网矢量法内插等高线会导致等高线绘制过程中内插点数量过大，且缺乏对局部极值点描述，以致等高线成果精度较低。

2.2.3三角网的矢量法内插等高线在规则网矢量法内插等高线的方法中，由离散到规则的处理方法在采样数据不在网格中时，会产生精度损失［3］。因此，基于本文综合法特征点提取的高程点数据集特点，使用三角网的矢量法内插等高线效果更佳。三角网的矢量法内插等高线的原理与规则网矢量法相似，搜索三角网的三条边找到起点所在的边和对应三角形，进行某一条等高线的绘制和追踪。区别于规则网矢量法，三角网法直接利用了真实的坐标数据，避免了大量内插带来的精度损失，目前仍然广泛应用于等高线绘制工作中。但常规的三角网法在1m等高距或0.5m等高距的等高线生产中较难完成工作任务。2.2.4通过三角网构建的DEM生产等高线规则的三角形网络，用线性内插法确定各三角形的等值点，最后将一系列的等值点连接为等值线，避免了原始数据失真问题，且三角形构造灵活，对内外边界拟合较好［4］。图4为根据不规则三角形网格法构建DEM三维数据模型，再利用DEM数据构建三角网，生成的间隔为0.5m的高精度等高线，如图5。2

.3两种方法比较分析在水库库容曲线计算中，小型水库的水库深度较浅，库容曲线一般采用0.5m作为计算的水位差，实际计算中需层层内插等值高程定义水位面，故DTM方法可用于复核计算特征水位对应的特征水位库容，从而避免内插等值高程次数过多而引起的误差。而等高线法更适合用于水库库容曲线复核计算工作。

2.4水库库容曲线计算库容计算是对相邻等高线所包围面积构成的几何体进行计算。由于现实地形的复杂性，相邻两等高线构成了面积不同的不规则几何面，两个面之间构成了不规则的几何体，可将构成的几何体视为截头椎体。对库容的计算误差主要来源为地形图的等高线误差。因此，使用等高线的等高距越小，库容计算的分层会相应增加，相邻层的体积误差也会随之减小。根据样本库区0.5m等高距的等高线成果，首先计算出两个相邻等高线的容积，将各层容积相加，可得出水库不同水位的容积，以不同水位和库容点绘制曲线即为水库的水位库容曲线，同理绘制水位面积曲线，可得水库水位～面积、库容关系计算成果如表1。样本水库水位～面积曲线如图6，水位～库容曲线如图7。

3结语

本文采用无人机和无人船数据采集方式,保证了数据的精确性和可靠性，三维数字模型精准地还原了库区的实地情况，最大程度地降低了人为因素对等高线数据成果的影响。本文的研究方法已应用于数十个水库库容曲线复核工作，实践证明，它是一种实用、高效且经济的工作方法。

参考文献：

［1］陈刚，张笑，薛梦较，等.数字地形建模与地学分析［M］.南京：东南大学出版社，2019.

［2］龚恒，何元清.基于规则格网DEM的等高线绘制与优化［J］.计算机与现代化，2015（5）:76-80.

［3］李志林，朱庆，谢潇，等.数字高程模型［M］.北京：科学出版社，2017.

［4］杨道勇，肖云岫.利用三角形网格进行等值线分析与绘制［J］.四川气象，2005（2）:38-39，44.

作者:杨雪峰 单位:辽宁江海水利工程有限公司