衛星遙感技術在緊水灘/石塘水庫水位庫容曲線復核中的應用

江惠芳,金建樂

(浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江省麗水市 323000)

文章編號：1006—2610(2015)05—0021—04

衛星遙感技術在緊水灘/石塘水庫水位庫容曲線復核中的應用

江惠芳,金建樂

(浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江省麗水市 323000)

從應用衛星遙感技術的優點分析出發，探討了衛星遙感技術在推求水庫水位-面積關系中的應用，以及水位-庫容關系曲線的建立，并為水庫管理提供了一套基礎衛星圖像資料。

衛星圖像;庫容曲線;遙感制圖

0 前 言

水庫庫容是水庫發電、防洪調度一個非常重要的技術參數，庫容變化直接影響調洪時的水量平衡，如不及時了解水庫庫容變化，就不能很好地兼顧防洪度汛和蓄水興利。浙江省電力公司緊水灘水力發電廠下轄緊水灘和石塘2座水電站，緊水灘水電站系國家開發甌江流域龍泉溪干流梯級發電的第一級水電站，水庫屬不完全年調節水庫，以發電為主，兼有防洪、灌溉、航運及發展淡水漁業等綜合效益。石塘水庫位于緊水灘水庫壩下，屬徑流式、日調節水庫，也以發電為主，兼有航運、過木等效益。緊水灘/石塘水電站自1988年投產發電以來，已為浙江和華東地區的地方經濟發展發揮了重要作用，為麗水地區的發展提供了強有力的支撐。經過20多年的運行，周邊情況不斷變化，庫岸的修建、公路的擴建、周邊山坡的水土流失都使得水庫庫容曲線發生變化，因此有必要對水庫的水位-庫容曲線進行復核，掌握準確的水位-庫容曲線，在水庫、大壩安全的前提下，最大程度地發揮水庫效益。

鑒于近年來遙感技術在這方面的應用越來越成熟，并取得了良好的效果，因此緊水灘/石塘水電站決定采用衛星遙感技術對緊水灘/石塘水庫的庫容曲線進行復測。

1 衛星遙感技術

利用地球資源衛星資料來推求兩水庫的庫容曲線，其基本原理是根據地表水體在紫外光、可見光、近紅外光等各波譜段的吸收、輻射、反射的物理特性，利用不同時期、不同水位成像時的衛星影像資料，經過計算機遙感圖像處理、分別提取每個時相的庫區水邊線位置及所包圍的水域面積，然后依據與之對應的實測水位，作出水位-庫面面積曲線和水位-庫容曲線，為用戶提供一個可信的新的水庫庫容曲線。

在進行水庫庫容曲線研制的同時，我們還可以利用陸地衛星ETM圖像資料進行流域下墊面制圖，通過圖像的鑲嵌、融合等特殊處理，制成仿自然色彩的集水流域遙感衛星影像圖、水庫樞紐衛星影像圖和流域河網水系分布圖，為水庫管理提供了一套基礎衛星圖像資料。

2 水庫水位-庫容曲線復核

2.1 資料收集

目前在天空中運行的各類資源衛星比較多，針對本次緊水灘/石塘水庫庫容曲線的復測特點，為了提高水庫庫面面積的計算精度，在照片、底片和數字資料3個品種中，全部采用了精度最高的數字資料形式的衛星影像。

確定水庫水位-庫容曲線，需要獲得水庫不同時刻的衛星圖像資料，收集越多，即相鄰兩幅圖像之間的水位差越小，獲得的庫容曲線的精度也就越高。根據自緊水灘∕石塘水庫出現過的最高、最低水位情況，綜合考慮已有的對應同步水位資料，從北京中國遙感衛星地面接收站共購買到合適的美國陸地衛星資料27幅和中巴地球資源衛星資料10幅，其中緊水灘水庫實際使用25幅，其相應水位落差約在164.8～184.5 m之間，平均間隔約為0.79 m；石塘水庫實際使用11幅，其相應水位落差約在98.0～102.5 m之間，平均間隔約為0.41 m，完全能夠滿足緊水灘∕石塘水庫庫容復核的要求。

2.2 衛星影像幾何校正

由于資源衛星的飛行姿態、高度和速度、地球自轉、掃描速度的不均勻等因素，使掃描成像與實際位置產生系統畸變。因此，盡管遙感衛星地面站在數據接收后已進行了常規校正，但對地形測量和面積量算這樣的高精度要求來說，仍嫌不足，必須進行幾何精校正，也即利用地面控制點進行幾何位置校驗，將遙感衛星圖像糾正到統一的大地坐標網格上。

本次幾何精校正采用的方法是三次卷積法，以浙江省第一測繪院提供的“滬蘇浙(浙江區)五萬分之一電子地圖”為基礎底圖，共選取12個點作為糾正控制點。三次卷積是以sinC函數為基礎，并采用如下的插值函數：

(1)

式中:μ、v為空間頻率域的截止頻率。通常情況下它都是采用一個多項式來逼近理想的插值函數。三次卷積法使用一組多項式以不同區間來近似理論上的sinC函數，即

(2)

這種插值的結果精度高，不僅保持了像元的連續性，不降低分辨率，并且有邊緣增強的作用，校正后的衛星圖像就能與地形圖保持一致。

2.3 衛星圖像水體識別

國內外許多研究的實踐成果早已表明，近紅外波段的遙感信息能可信和有效地確定水體。近紅外波段的水體輻射率明顯地單一并低于其它地物。因此，選用一個合適的近紅外波段，定出其水體閾值，將低于該值的像元定為水體，高于該值的像元則為非水體。同時，為了準確地識別水體，針對水陸交界處像元識別的復雜性，我們還采用了比率測算法進行識別。并且在進行以上工作之前，為了進一步提高面積計算精度，我們將所有圖像均采用BICUBIC方法將其都轉換為15 m×15 m像元的圖像。

2.4 水庫庫面面積與庫容計算

在經過水體識別后的每幅圖像上，由計算機對圖像中的水體像元逐個進行統計，就很容易獲得不同水位時的庫區水面面積值，在求得相應各種不同水位時的水面面積之后，即可在計算機上繪制出水庫的水位-水面面積關系曲線，再應用統計學原理和電子報表技術，通過計算機準確、快速、方便地配置出滿足庫容復核要求的多項式曲線方程。

最終配置出的緊水灘和石塘水庫的水位面積關系多項式曲線方程為：

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分別為緊水灘和石塘水庫的水面面積,km2;H為水庫水位,m。

有了水庫的水位-面積曲線(見圖1、2)，就能反推水庫的水位-庫容曲線。庫容推算公式為：

(3)

累計庫容即由下式計算：

(4)

式中:V為某一水位時的庫容；h為兩次相鄰水位的水位差；S為水面面積；n為次數；i為序數。

根據推算的庫容結果，在計算機上就可繪制出水庫的水位-庫容關系曲線，并且，同樣可以方便地獲取任意水位條件下的水庫庫容。

圖1 緊水灘水庫水位-庫容關系曲線圖

圖2 石塘水庫水位-庫容關系曲線圖

由于本次取得的衛星遙感圖像資料所限，庫容復核的實際有效范圍是緊水灘水庫為164.8～184.5 m之間的水庫庫面面積和水庫庫容，石塘水庫為98.0～102.5 m之間的水庫庫面面積和水庫庫容。但水庫的高水位運行又是最大限度發揮水庫效益的關鍵因素，為了便于用戶參考，特在水位-水面面積關系曲線和水位-庫容關系曲線的計算時，緊水灘水庫水位向下延伸到162 m，向上延伸到192.7 m，而石塘水庫水位則向上延伸到104 m。但不能保證能達到實際有效范圍同樣的精度。

3 新庫容曲線的精度分析

衛星遙感技術復測水庫庫容的精度高低主要取決于3點：圖幅取用的多少、水面面積的量算和曲線的配準。

本次研究的緊水灘/石塘水庫水位總高差分別為20.5和4.5 m，一共使用了25幅(緊水灘水庫)和11幅(石塘水庫)衛星圖像，相鄰兩景圖像之間的平均水位差分別為0.79和0.41 m，完全能滿足本次水庫庫容復核的要求。

從圖3中總結出，當權重系數α為0.3、β為0.7時，識別率最大（在本文算法中，定為最佳權重系數）。從實驗中可以看出，人耳這一生物特征對最終識別結果的影響更大，原因是，本實驗用的人臉數據庫表情、姿態、光照的變換更豐富，而自攝的人耳庫相較于人臉庫來說變化比較不明顯。

地球資源衛星圖像資料與1∶50 000地形圖進行地理位置精校正后，其無論是經緯度、地理坐標，還是公里網都與地形圖相當，完全可以保證其量程誤差保持在一個像元，即15 m×15 m。因而，在這樣的圖像上統計水體面積，其最終的總體誤差也是不超過15 m×15 m。雖然水面面積實際上是一個不規則圖形，相當于把它放在15 m×15 m見方的網格上求取該水面的總面積，所以，依據網格平差理論，其最終誤差也就是一個網格，即15 m×15 m。

有了相應的庫水位和水面面積資料后，即可獲得水庫的水位-面積關系曲線。為了避免直線內插和因人而異的誤差，我們采用了計算機電子報表技術對緊水灘/石塘水庫的水位和水面面積數據擬合出了相應的多項式曲線方程(圖3和圖4)，擬合多項式方程所采用的各項參數列于表1。

表1 多項式曲線方程配置參數表表

圖3 緊水灘水庫多項式電線方程配制誤差分析圖

為了檢驗多項式曲線方程的配置精度,我們還根據緊水灘/石塘水庫的水位資料用配置的多項式曲線方程反推其相應的水面面積，并與原面積進行誤差分析，誤差分析曲線如圖3、4。

從圖3、4中可以看到，緊水灘水庫絕大部分點據的絕對誤差都小于±0.1 km2，平均為0.012 km2；而相對誤差絕大部分點據都不大于±0.5%，平均為0.05%。石塘水庫絕大部分點據的絕對誤差都小于±0.01 km2，平均為0.009 km2；而相對誤差絕大部分點據都不大于±0.5%，平均為0.154%。因此，無論是方程的配制參數還是曲線的精度分析都說明所配制的多項式曲線方程具有很高的精度。

圖4 石塘水庫多項式電線方程配制誤差分析圖

4 集水流域下墊面的遙感制圖

隨著現代衛星遙感技術的發展，依靠地球資源衛星遙感圖像資料而獲取大部分流域下墊面信息，已成為可能。雖然與傳統的定點調查方法相比，在某一點上，遙感資料精度不一定高，但由于其觀測數量大，對整個大面積而言，得到的精度卻不低，再加上一定的判讀知識和目前快速發展的計算機數字圖像處理能力，我們就能在省時、省力又省錢的情況下進行集水流域下墊面的遙感制圖。

4.1 衛星圖像數字鑲嵌

根據緊水灘/石塘水庫集水流域的位置、成像的季節時間、當時的天氣狀況，從眾多的圖像資料中挑選出基本符合我們制圖要求的美國陸地衛星ETM圖像2幅。由于2幅圖像的成像時間不同，所以必須進行衛星圖像的數字鑲嵌。

由于待鑲圖像的成像日期不同、大氣傳輸特征、光照差異和景觀的變化或多或少會引起各幅圖像之間的色調差異，造成鑲嵌圖像的明顯“接縫”效應。衛星圖像的數字鑲嵌就是解決各拼接圖像之間的幾何位置匹配和色調過渡的問題。一幅質量好的衛星鑲嵌圖像要求在其拼接處幾何關系相同，同一地物的色調盡可能接近，接縫不明顯，最好無接縫。本次經過幾何變換與配準、灰度匹配、接邊選擇和灰度圓滑等一系列方法的處理，最終得到的緊水灘/石塘水庫集水流域圖，從結果來看，鑲嵌效果極其良好。

4.2 衛星圖像資料融合

圖像融合是指將多源信道所采集到的關于同一目標的圖像經過一定的圖像處理，提取各自信道的信息，最后綜合成同一圖像。

一般情況下，圖像融合由低到高分為3個層次：數據級融合、特征級融合、決策級融合。數據級融合也稱像素級融合，是指直接對傳感器采集來得數據進行處理而獲得融合圖像的過程，這種融合的優點是保持盡可能多的原始數據，提供其它融合層次所不能提供的細微信息。

圖像融合方法是圖像彩色變換的一種圖像銳化方法。通過這種方法，將紅、綠、藍(RGB)三色的彩色圖像變換到一個特定色調、亮度、飽和度(HLS)的色彩空間，并用高分辨率的全色波段圖像代換色彩空間的亮度波段圖像。這就完成了將一幅RGB圖像的色彩特征與另一幅HLS圖像的空間特征的結合。然后，再把選定的色彩空間圖像轉換成紅、綠、藍三色的彩色圖像。

ETM衛星圖像融合是將15 m的全色波段衛星圖像與30 m的多波段衛星圖像合成處理的一種專業處理方法。

4.3 流域界線的確定與計算

流域界線采用陸地衛星影像與地形圖相結合的方法確定流域集水面積范圍是較為理想的方法。在進行過地理位置糾正、數字化圖像鑲嵌后的基礎上，參考結合地形圖，再根據衛星圖像上山脈的走勢逐段確定流域分水線。按此方法掃描計算得出緊水灘/石塘水庫集水流域總面積與原來面積的對比，列于表2。

表2 集水流域面積對比表

即為通過遙感仿自然色彩合成后的緊水灘-石塘水庫集水流域的衛星影像的縮小樣圖。

5 結 語

通過本次應用遙感技術在緊水灘-石塘水庫庫容曲線復測的應用研究，可以得出以下結論：

(1) 應用具有較高地面分辨率的衛星遙感影像資料，通過計算機分類等圖像處理技術，在準確的庫區水位資料配合下，水位面積曲線的配準，其相關系數分別高達0.999 76(緊水灘水庫)和0.996 90(石塘水庫)，其反算面積的平均誤差分別為0.05%(緊水灘水庫)和0.154%(石塘水庫)，說明具有很高的精度。進行水庫的庫容曲線復測是有效的，所推求的庫容曲線其精度是可信的。

(2) 應用衛星遙感技術進行流域下墊面制圖有其非常獨特的優勢，不但能快速可靠地獲取傳統資料缺乏或人員難以到達地區的地面信息，而且與地面調查相比，還可節省大量經費開支，且完全能夠滿足流域下墊面制圖的需求。

(3) 隨著地球資源衛星地面分辨率的提高，以及計算機分類技術的進一步發展，借助地理信息系統的支持，應用衛星資料復測庫容曲線一定會具有更廣闊的前景。

[1] 戴昌達,胡德永.TM數據的信息特征[J].遙感信息,1987,(2):7-10,55.

[2] 陸家駒.遙感分類圖像的精度分析方法探討[J].遙感應用,1990.

[3] 陸家駒,李士鴻.TM資料水體識別技術的改進[J].遙感學報,1992，(1)：17-23.

[4] 陸家駒,李士鴻.衛星遙感資料復核湖南鎮水庫庫容曲線[J].水利水電技術，1992，(2)：3-8.

[5] 潘之棣,王國興.應用衛星資料復核新安江電廠水庫庫容曲線[J].1999.

[6] 陸家駒,關兆湧.衛星遙感技術復核古田溪一級水庫庫容曲線[J].1999.

[7] 陸家駒,李士鴻.水庫流域遙感自動制圖研究[J].水利水文自動化,2003.

[8] 陸家駒,何長利.衛星遙感復測豐滿水庫庫容曲線[J].水利水運工程學報,2003.

[9] 陸家駒,李士鴻.水豐水庫部分樞紐區域的衛星影像制圖試驗研究[J].2003.

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,浙江省蘭溪市人,工程師 ,從事水庫調度工作.

P237

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.05.006