CN108645456B - 一种山区河流流量监测定量反演方法 - Google Patents
一种山区河流流量监测定量反演方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种山区河流流量监测定量反演方法,包括:河道基础信息勘测;河段断面模拟及参数求解;实时监测水面宽;河道流量定量反演。本发明所述的方法利用遥测手段对河道的水流状态进行实时监测,对经过一次性测量的河道利用实时获取的水面宽度进行反演计算,准确地计算出当前河流流量,实现对流量的远距离实时评估。由于仅需要一次性实地测量,所设立的地面标记相对简单,费用很低,便于设立较多的监测点,而无人机等遥测手段费用也相对较低,在大幅度的提高远距离监测流量精度的前提下,降低了监测成本,这对于山区河流流量的大范围、大数据量监测有着特别重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种山区河流流量监测定量反演方法,是一种水资源计算方法,是一种对河流流量进行远距离实时监测的方法。
背景技术
高山地区多是产生河流的重要源头,但由于地势险峻,气候恶劣,很难建立为数众多、位置均匀合理的水文观测站点,致使这些地区的水文资料贫乏,关键区的河流流量和水资源定量核算困难。现有地基遥感监测流量需要现场安装雷达设备,适合经济发达、气候条件稳定的地区,对于上述位置偏远、气候条件恶劣的无人地区,很难大范围应用。另外,监测的河流表面流速在实际应用中仍然需要计算转换。目前,远程卫星遥感监测手段大多只能监测水量较大的大江大河,计算水量较小的河流径流量困难较大,需引入新的高分数据源对已有方法进行改进。且卫星重访周期长,空间分辨率较低,易受到降雨、云雾等天气状况的影响,不易满足高精度水文模型所需的高分辨率、连续性、高频次数据要求。
显然,亟需一种基于低空遥感技术获取高分辨率数据,对山区河流流量进行定量反演的技术手段,以解决上述无资料区或少资料区所面临的径流监测难题。
发明内容
为了克服现有技术的问题,本发明提出了一种山区河流流量监测定量反演方法。所述的方法是基于遥测、遥感与水力学模型相耦合的径流量反演方法,发挥低空遥感精度高的优势,提出一种新的河道流量反演方法。仅需一次地面量测,实现山区河道未来情景下流量预测。
本发明的目的是这样实现的:一种山区河流流量监测定量反演方法,所述方法的步骤如下:
河道基础信息勘测的步骤:在被监测河流选取一垂直于水流方向的断面作为监测断面,在监测断面河岸的两侧建立增强标识;收集被监测河流的原始资料,或者对没有河流资料的河段进行实地勘测,获取监测断面某一时刻的原始参数并进行相应计算,原始参数包括:断面流量Q 0、水面宽w 0、断面平均水深d 0和断面平均流速v 0;
河段断面模拟及参数求解的步骤:对于少资料区域,根据已有资料绘制监测断面形态和水位与流量关系曲线;或者对没有河流资料的河段使用V字形模拟山区河道断面形状:即使用一个以监测断面的水面宽度w为底边的三角形模拟山区河道的断面形状,与底边相对的顶角为θ,顶角两侧的两个斜边为湿周χ;根据原始参数计算监测断面的三角形参数;
实时监测水面宽的步骤:通过遥感实时测量监测断面的水面宽度w t ;
河道流量定量反演的步骤:通过监测断面形态由水面宽度w t 推得水位,由水位通过水位与流量关系曲线推得监测断面的实时流量Q t ;或者对没有河流资料的河段使用公式计算监测断面的实时流量Q t :
一种上述方法所使用的增强标识,包括:锚固在监测断面河岸上明显区别于河岸色泽的多个片状构件。
进一步的,所述的片状构件为两种对比度明显的颜色。
进一步的,所述的片状结构为三角形,两种颜色的片状结构交错排列。
进一步的,所述的片状结构为矩形,两种颜色的片状结构交错排列。
本发明产生的有益效果是:本发明所述的方法利用遥测手段对河道的水流状态进行实时监测,对经过一次性测量的河道利用实时获取的水面宽度进行反演计算,准确地计算出当前河流流量,实现对流量的远距离实时评估。由于仅需要一次性实地测量,所设立的地面标记相对简单,费用很低,便于设立较多的监测点,而无人机等遥测手段费用也相对较低,在大幅度的提高远距离监测流量精度的前提下,降低了监测成本,这对于山区河流流量的大范围、大数据量监测有着特别重要的意义。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的实施例一举例说明某一监测断面的监测断面形态示意图;
图2是本发明的实施例一举例说明某一监测断面的水位与流量关系曲线示意图;
图3是本发明的实施例一所述方法的对河道V字形断面模拟示意图;
图4是本发明的实施例一所述方法的流程图;
图5是本发明实施例三、四所述两种颜色的三角形片状结构交错排列的示意图;
图6是本发明实施例三、五所述两种颜色的矩形片状结构交错排列的示意图。
具体实施方式
实施例一:
本实施例是一种山区河流流量监测定量反演方法,其核心是基于遥测、遥感与水力学模型相耦合的径流量反演方法,其特点为:发挥低空遥感精度高的优势,提出一种新的河道流量反演算法。仅需一次地面量测,实现山区河道未来情景下流量预测。
首先获取被监测河流的各种资料,对于山区河段,由于地形复杂,道路交通情况较差,设立水文站相对较困难,通常会出现两种情况,一种是有可参阅资料,即曾经有过水文站,已经或能够绘制断面形态及水位-流量关系。还有一种是没有相关资料,无法绘制断面形态及水位-流量关系。
对于第一种情况,其河流断面流量监测及定量反演可以采取如下方式:
(1)选取河流断面,建设河流标识点,作为遥感影像识别特征点以及断面位置标识点。利用原有资料绘制监测断面形态(图1所示的是某一监测断面的监测断面形态),以及水位与流量关系曲线(图2所示的是某一监测断面的水位与流量关系曲线)。
(2)利用得到的高精度遥感影像并结合地面增强标识点的尺寸辨识河流该断面的水面宽,并沿着被监测河床断面提取河流的宽度;
(3)根据监测断面形态,获得当前水面宽度对应的水位,利用水位与流量关系曲线进行流量反演与预报。
对无资料的情况,可以使用下列方式对河道流量进行反演和监测:
(1)选取河流断面,建设河流标识点,作为遥感影像识别特征点以及断面位置标识点。
(2)利用小型无人机搭载高频激光雷达(飞行高度<200m),沿地形横向扫描,获得河流典型位置断面形态和当前水面宽度,数据精度可由高空遥感的30m 提高到0.5m甚至更高,或利用RTK开展一次断面的详细量测。
(3)实测出流量Q 0、水面宽w 0、断面平均水深d 0和断面平均流速v 0。
(4)利用得到的高精度遥感影像并结合地面增强标识点的尺寸辨识河流该断面水面宽w t 。
(5)根据测量的流量值Q 0和遥感获取的水面宽w t 利用式(18)计算流量Q t ,利用式(19)计算断面平均水深d t ,利用式(20)计算断面平均流速v t 。
反演原理:
河床地形及断面测量:利用遥感监测、无人机观测,反演河道断面形态及地形信息。若待测断面为无水断面,无人机获取的影像可直接反演得到河道断面形态;若待测断面为有水断面,则需现场结合地面水位监测和水下地形测绘,比如利用RTK或者无人船(ADCP)现场量测一次。
河流宽度:结合地面增强标识点的尺寸和遥感影像数据解译获得河流边界,并沿着设计的河床断面提取河流的宽度。
在缺少水文资料的情况下进行的反演公式推导:
河道过流断面的水面宽、平均水深和断面平均流速与过流水量之间可建立如下指数关系式
式中:w为水面宽,m;d为断面平均水深,m;v为断面平均流速,m/s;a、b、c、f、k和m均为常数。
根据流量计算原理可得如下关系
因此,a、b、c、f、k和m满足如下关系式:
山区河道的比降大、水流速度快、过流面积小、冲刷力强,水面宽、水深和过流面积随流量的波动变化大,其断面形式可近似视作V型,V型断面,如图3所示。过水断面面积A的计算公式为:
式中:w为水面宽,m;h为水深,m。
过水断面湿周χ的计算公式为:
式中:θ 1、θ 2为顶角,°。
因此,水力半径R的计算公式为:
由曼宁公式知:
平均水深d的计算公式为:
因此,d ∝ w。
联立式(13)、(14)和式(5)可得,三角型断面的三个指数分别为b=0.375,f=0.375,m=0.25。
在没有相关资料的情况下,根据遥测水面宽进行流量反演的步骤为:
(1)利用得到的高精度遥感影像并结合地面增强标识点的尺寸辨识河流该断面水面宽w t 。
(2)利用下述反演方法和公式预测流量Q t 。
由实测数据可得某一流量Q 0对应的水面宽w 0、断面平均水深d 0和断面平均流速v 0。将上述参数代入方程(1)~(3)可得:
根据公式(1)可求得t时刻的流量Q t :
将式(16)和(18)代入式(2)即可求得t时刻的断面平均水深d t :
将式(17)和(18)代入式(3)即可求得t时刻的断面平均流速v t :
本实施例所述方法的具体步骤如下,流程如图4所示:
一、河道基础信息勘测的步骤:在被监测河流选取一垂直于水流方向的断面作为监测断面,在监测断面的河岸两侧建立增强标识,收集被监测河流的原始资料,对没有河流资料的河段进行实地勘测,获取监测断面某一时刻的原始参数并进行相应计算,原始参数包括:断面形状、断面流量Q 0、水面宽w 0、断面平均水深d 0和断面平均流速v 0。
二、河段断面模拟及参数求解的步骤:对于少资料区域,也就是原来有水位测站,但由于经济、政治原因导致数据监测中断的,根据原始资料绘制监测断面形态和水位与流量关系曲线;或者对没有河流资料的河段使用V字形模拟山区河道断面形状:即使用一个以监测断面的水面宽度w为底边的三角形模拟山区河道的断面形状,与底边相对的顶角为θ,顶角两侧的两个斜边为湿周χ;根据原始参数计算监测断面的三角形参数;
三、实时监测水面宽的步骤:通过遥感实时测量监测断面的水面宽度w t ;
四、河道流量定量反演的步骤:对于少资料区,通过监测断面形态由水面宽度w t 推得水位,由水位通过水位与流量关系曲线推得监测断面的实时流量Q t ;或者对没有河流资料的河段,使用公式计算监测断面的实时流量Q t :
实施例二:
本实施例是实施例一所述方法所使用的增强标识,包括:锚固在监测断面河岸上明显区别于河岸色泽的多个片状构件。
本实施例所述的增强标识可以使用各种材料,如:柔性的布料、塑料布等,也可以是刚性的板材,材料表面涂以色泽鲜艳的涂料,如红色、蓝色、黄色、白色等。以便在航拍照片上识别。
识别构件应设置在比河流最高水位还要高的位置,以避免被洪水淹没。
片状结构的形状可以使用各种多边形,如使用三角形、矩形等形状。片状结构也可以是梯形、六边形等,只是为遥感提供一个明显的参照点。片状结构拼接的方式也可以多种,如可以纵横排列,也可以圆周排列,以尽可能适应各种地形。
实施例三:
本实施例是实施例二的改进,是实施例二关于构件色泽的细化。本实施例所述的片状构件为两种对比度明显的颜色,例如:红色、蓝色等,或其他区别于河岸色泽颜色,如图5、6所示,图中斜线和网状线分别表示两种不同颜色。
实施例四:
本实施例是实施例三的改进,是实施例三关于构件排列的细化。本实施例所述的片状结构为三角形,两种颜色的片状结构交错排列,如图5所示。
图5中是一种横向排列的结构,也可以纵横排列。
实施例五:
本实施例是实施例三的改进,是实施例三关于构件排列的细化。所述的片状结构为矩形,两种颜色的片状结构交错排列,如图6所示,也可以纵横排列。
最后应说明的是,以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案(比如反演模拟所使用的曲线、各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种山区河流流量监测定量反演方法,其特征在于,所述方法的步骤如下:
河道基础信息勘测的步骤:在被监测河流选取一垂直于水流方向的断面作为监测断面,在监测断面的河岸两侧建立增强标识;收集被监测河流的原始资料;对没有河流资料的河段进行实地勘测,获取监测断面某一时刻的原始参数并进行相应计算,原始参数包括:断面形状、断面流量Q 0、水面宽w 0、断面平均水深d 0和断面平均流速v 0;
河段断面模拟及参数求解的步骤:对于少资料区域,根据原始资料绘制监测断面形态和水位与流量关系曲线;对没有河流资料的河段使用V字形模拟山区河道断面形状:即使用一个以监测断面的水面宽度w为底边的三角形模拟山区河道的断面形状,与底边相对的顶角为θ,顶角两侧的两个斜边为湿周χ;根据原始参数计算监测断面的三角形参数;
实时监测水面宽的步骤:通过遥感实时测量监测断面的水面宽度w t ;
河道流量定量反演的步骤:通过监测断面形态由水面宽度w t 推得水位,由水位通过水位与流量关系曲线推得监测断面的实时流量Q t ;对没有河流资料的河段使用公式计算监测断面的实时流量Q t :
2.根据权利要求1所述的反演方法,其特征在于,所述的增强标识包括:锚固在监测断面河岸上明显区别于河岸色泽的多个片状构件。
3.根据权利要求2所述的反演方法,其特征在于,所述的片状构件为两种对比度明显的颜色。
4.根据权利要求3所述的反演方法,其特征在于,所述的片状构件为三角形,两种颜色的片状结构交错排列。
5.根据权利要求3所述的反演方法,其特征在于,所述的片状构件为矩形,两种颜色的片状结构交错排列。
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