高士佩 ，梁文广 ，钱 钧 ，施建明 ，王冬梅

（1. 江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017；2. 江苏省水利科学研究院 湖泊研究所，江苏 南京 210017；3. 江苏省防汛防旱抢险中心，江苏 南京 211500）

3S技术在江苏横山水库勘界划线中的应用研究

高士佩1，梁文广2，钱 钧1，施建明3，王冬梅2

（1. 江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017；2. 江苏省水利科学研究院 湖泊研究所，江苏 南京 210017；3. 江苏省防汛防旱抢险中心，江苏 南京 211500）

加强水库空间用途管控非常迫切和必要，而水库管理与保护范围线划定是一项技术性和政策性都很强的工作。3S 技术具有宏观、快速、动态、经济等优势，可实现对大范围的地表状态全天候的动态监测。以江苏省大型水库横山水库为试点，利用 DEM、遥感影像和实测 GPS 数据，通过控制点准备，资料收集与预处理，实测测量与校核，相关权益人磋商，反馈修正，最终确定水库“四线”。3S 技术的应用可提高数据的获取精度，提高试点水库管理与保护勘界划线问题的解决效率，为下一步构建水库信息化管理和开发利用动态监测提供基础数据支撑，实现动态管理和空间用途监管。

3S 技术；横山水库；勘界划线；管理与保护

0 引言

水库具有防洪、供水、灌溉、养殖、旅游和维护生态环境等多种功能，作为水资源的重要载体之一，水库的安全运行对于地区社会经济发展具有重要的作用。江苏省拥有各类水库共计 909 座，其中大型水库 6 座，中型水库 43 座，小型水库 860 座。经过多年特别是进入 21 世纪以来 10 多 a 的大规模除险加固，各类水库工程的防洪标准得到了恢复或提高，兴利、灌溉、供水能力得到了显著提升，休闲观光旅游等服务功能增强。

水库多处于自然风光秀丽和生态保护良好的丘陵山区，对于地区经济社会发展和营造地区水生态文明的重要性日益突出。长期以来，水库管理粗放，仅限于水库大坝管理及泄水、输水建筑物的工程管理，而对水库库区、集水区域等疏于空间管理，库区范围内土地权属不清，地方开发利用无序，管理、生态保护范围及集水区等界线不明。随着水库周边地区的开发强度不断加大，侵占水库周边部分区域的开发活动增多，对水库的安全运行和水生态环境带来隐患，区域水生态文明建设成果受到危害。加强水库的空间用途管控非常迫切和必要，水库管理与保护的范围线勘界划定是实现水库资源空间管控的基础工作。

利用 3S 技术开展水库勘界划线相关研究，王家龙等[2]利用 MapGIS 软件，以孟伯水库为研究对象，系统阐述了勘测定界的实施过程；钟达等[3]应用 S86 RTK 技术开展水库勘测定界工作，利用其精度高、采集快、全球全天候作业的优势解决了水库勘测定界工程存在的难题；聂欣宇[4]以陡河水库勘测定界工程测量为实例，结合水利工程的行业特点，探索 GPS 技术在水利行业的应用和前景；谢森辉等[5]针对广州市水库管理空间数据库，提出利用GIS 技术开发水库保护范围线划定辅助决策系统。但这些相关研究较少，缺乏利用 3S 技术集成的水库勘界划线研究。

考虑到水库管理与保护工作的现实需求，为此利用 3S 技术开展对江苏省大型水库——横山水库勘界划线的研究，以期为水库空间管理与资源保护提供技术支持。

1 划界依据

水库管理与保护范围线划定工作是一项技术性和政策性很强的工作，是水库管理与保护范围内工程、库区水域、集水区内土地等权属确认工作的基础，必须依法依规实施。《江苏省水利工程管理条例》《江苏省水库管理条例》对水库的大坝保护、管理、生态保护和集水区等范围线作了以下明确规定：

1）大坝保护范围线。大型水库大坝及其两端各80～100 m，大坝背水坡坝脚外 150～200 m；中型水库大坝及其两端各 50～80 m，大坝背水坡坝脚外100～150 m；小型水库也作了相应具体规定。

2）水库管理范围线。库区水库、岛屿和校核洪水位以下的区域，水库溢洪道及其他工程设施的管理范围按照《江苏省水利工程管理条例》的规定确定。

3）水库生态保护范围。水库生态保护范围包括水库管理，入库河口河道上溯 5 000 m，两侧各1 000 m，水库校核洪水位以外 1 000 m 等范围。

4）水库集水区范围。水库集水区范围为水库集水区山谷线。

在完成各个模块的FPGA硬件实现后,先要通过Modelsim进行功能仿真,然后进行板级测试,验证模块功能是否正确。整套系统软硬件测试平台如图10所示。

横山水库为江苏省大型水库，因此本次横山水库的勘界划线也主要依据这些相关规定。

2 应用研究实例

横山水库位于宜兴市境内西南山区，与溧阳市交界，属跨地区大型水库，具有较好的代表性；水库为国家级水利风景区之一，也是江苏省水库工程一级管理单位，在横山水库开展水库的勘界划线试点，具有一定的优势和便利条件。

2.1 研究区概况

横山水库是太湖流域厔溪河水系的拦蓄工程，水库集水面积为 154.8 km2，总库容为 1.12 亿m3[6]，坝长 4 090 m；汛限水位为 34.0 m，设计和校核洪水位（吴淞高程）分别为 37.80，40.36 m；溢洪道最大流量为 448.0 m3/s；坝顶高程为 41.5 m。横山水库建成于 1969 年，是一座以防洪、灌溉、供水为主，结合水产养殖、发电和第三产业综合利用的水利枢纽。2001 年经水利部立项对横山水库进行除险加固，2004 年 4 月竣工，除险加固后的横山水库枢纽防洪标准达到了 100 年一遇设计、2 000 年一遇校核。横山水库是宜兴市主要集中式饮用水源地[6]，水质常年介于Ⅰ，Ⅱ 类之间，为位于宜兴城区的氿滨水厂供应原水，日供水 25 万m3，供水覆盖人口从初期的 60 万人增至目前的近百万人。

2.2 技术路线

本研究的技术路线如图 1 所示。由于 DEM 资料为 2004 年获取，距离现在时间较长，部分地区地形可能有变化，因此本技术路线采用实测 GPS 数据对 DEM 数据加密，以及借助近期高分遥感影像做参考，保障数据的真实、准确。

图 1 技术路线

2.3 资料收集与处理

收集的资料主要包括研究区 2012 年 30 cm 和2.5 m 遥感影像资料，1∶10 000 区域地形数据，区域内水库、河流、堤防、水闸数据，最新行政边界和研究区周边 4 个 C 级 GPS 控制点等资料。

针对遥感影像，进行彩色融合和增强、几何校正、影像直方图匹配、数据镶嵌、裁剪等预处理；针对地形资料，进行 DEM 整理、拼接和坐标转换等处理。通过资料收集与处理，获取研究区域内的DEM，通过外业实测数据对 DEM 进行加密，根据加密后的 DEM 及相关规范提取相应的范围线。

2.4 实测测量与校核

根据内业初步处理成果，利用 GPS 对相关数据进行现场实测。使用徕卡 GPS，利用江苏省连续运行卫星定位服务系统（CORS），对横山水库周边地形进行了实测，复核了横山水库大坝上的 3 个水准基点，实测了坝顶高程及校核洪水位，对生态范围线也进行抽样检测。其中 GPS 定位精度指标如下：静态平面精度为 ±（3 + D×10-6）mm，静态高程精度为 ±（5 + D×10-6）mm，RTK 平面精度为 ±（10 +D×10-6）mm，RTK 高程精度为 ±（20 + D×10-6）mm，码差分定位精度为 0.45 m（圆概率误差CEP），其中 D 为距离基站的距离（mm）。

利用购买的 GPS 控制点，求得坐标转换参数，并利用水库大坝上 3 个水准控制点进行校核，校核结果如表 1 所示。

表 1 试验数据 m

根据 DEM 提取的等值线，通过坐标转换参数，在校核洪水位高程 3 m 范围内进行实测，对 DEM 进行加密，根据加密后的 DEM，提取相应的范围线，并进行实地校核。

2.5 勘界划线提取初步成果

1）大坝保护范围。以 2012 年 0.3 m 航拍影像为底图，叠加横山水库范围和堤防线，提取水库大坝分布；以水库大坝坝轴线为基础，通过 ArcGIS 缓冲区分析，按照大型水库大坝规定的范围线，生成大坝保护范围。大坝保护范围为大坝中轴线向外侧扩至 200 m 形成的区域。

2）水库管理范围。横山水库校核洪水位为40.36 m（吴淞高程），换算成 85 高程为 38.42 m，先将原始 1∶10 000 地形分块数据，对应横山水库范围拼接起来，根据地形等值线生成 DEM，再根据校核洪水位提取水库管理范围。通过外业实测，对初步提取的水库管理范围进行加密，加密后重新代入DEM 进行计算，根据计算结果最终得出水库管理范围。

以遥感影像为底图，叠加校核洪水位线、水库管理范围、河流数据，通过缓冲区、叠加等分析提取水库生态保护范围。以遥感影像和地形数据为基础，提取水库周边山谷线作为集水区范围。

2.6 反馈修正后的范围线

通过当地水行政主管部门、水库管理单位会同国土和规划等相关权益人，现场抽查、比对、磋商、完善及确认，对水库管理和保护范围内的勘界划线初步成果进行反馈，最终根据遥感影像及 GPS等数据确定了 4 类范围线。

实施单位经过完善修正后的“四线”，即大坝保护、水库管理、生态保护范围和集水区域线，“四线”集成图如图 2 所示。

图 2 横山水库“四线”

为了便于水利管理部门开展工作，根据提取的“四线”范围，按照 1∶2 500 的标准，制作了水库管理范围、生态保护范围、集水区域等成果总图集，为各类范围线的标界设桩提供基础位置。

3 结语

本研究以宜兴市横山水库管理与保护范围勘界划线作为研究对象，结合 3S 技术手段，通过控制点准备，资料收集与预处理，实测测量与校核，相关权益人磋商，反馈修正，根据 DEM、遥感影像、GPS 等实测数据确定了各范围线边界，制作勘界划线成果总图集。3S 技术的应用提高了数据的获取精度，提升了试点水库管理与保护勘界划线问题的解决效率。

水库管理与保护范围勘界试点划线的完成可为构建水库信息化管理和开发利用动态监测提供本底数据，目前已在南京市六合区大泉水库（中型）继续试点，因而对其他大中型水库的“四线”管理也具有很强的推广应用价值。

本项目成果也可为今后水库遥感监测和空间用途管制打好基础。通过 3S 技术可以大范围地获取水库管理保护范围内大坝坝体及管护范围、枢纽建筑物、溢洪河道和库区水体、岸线、集水区域等开发利用情况进行本底和动态监测，获取动态监测信息，支撑水政执法及相关业务。

由于地形资料更新较慢，部分区域的地形资料可能与实际存在一定偏差，因此用实测 GPS 数据对DEM 进行加密试图减小误差。但实测 GPS 数据毕竟有限，较好的解决手段是采用无人机三维测量技术获取研究区实时地形资料，下一步将针对这个问题开展相关研究。

[1] 郑银林. 辽宁省大型水库土地确权划界与管理探析[J]. 中国水利，2014 (2): 34-35.

[2] 王家龙，徐海坤，潘家刚. MapGIS 软件在锦屏孟伯水库勘测定界中的应用[J]. 黑龙江水利科技，2015 (1):177-178.

[3] 钟达，杨光臣. 浅谈 RTK 技术在水库勘测定界工作中的应用以从江县流美水电站为例[J]. 黑龙江科技信息，2011 (25): 84-85.

[4] 聂欣宇. GPS 技术在陡河水库勘测定界工程测量中的应用[J]. 河北水利，2016 (2): 44-44.

[5] 谢森辉，彭剑，郑友森. 水库管理空间信息系统的设计与实现[J]. 地理空间信息，2011 (10): 84-86.

[6] 任杰，周涛，朱广伟，等. 苏南水库硅藻群落结构特征及其控制因素[J]. 环境科学，2016，37 (5): 1742-1753.

Application research on demarcation line of Hengshan reservoir in Jiangsu Province using 3S technology

GAO Shipei1, LIANG Wenguang2, QIAN Jun1, SHI Jianming3, WANG Dongmei2

（1. Hydraulic Research Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210017, China;（2. Lake Research Institute, Hydraulic Research Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210017, China;3. Jiangsu Provincial Flood Control and Drought Relief Center, Nanjing 211500, China）

It is urgent and necessary to strengthen the control of the space reservoir use. The delineation of the scope of reservoir management and protection is a technical and policy oriented work. With the advantage of macro,fast, dynamic, economic features, application of 3S technology can realize all-weather dynamic monitoring of large scale surface state. This research takes Hengshan reservoir of Jiangsu Province as the pilot. Using DEM, remote sensing images and measured GPS data, through the control point preparation, data collection and pretreatment, measurement and verification, stakeholders consultation and feedback correction, the reservoir “four line” is determined. And the atlas of the demarcation line is made. The application of 3S technology improves the accuracy of data acquirement,and enhances the pilot reservoir management and protection efficiency to solve the problem of demarcation line. It provides the basic data support for the construction of reservoir information management and the dynamic monitoring of development and utilization. It is helpful to achieve dynamic management and space use supervision.

3S technology; Hengshan reservoir; demarcation line; management and protection

P228；TV697

A

1674-9405(2017)05-0069-04

10.19364/j.1674-9405.2017.05.013

2017-06-01

江苏省水利项目（2013b051）；江苏省水利科技项目（2013001，2015035）。

高士佩（1968-），男，江苏淮安人，高级工程师，主要从事水利工程管理研究。