CN108896117A - 一种遥感水文站监测河流径流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种遥感水文站监测河流径流的方法：步骤一、缺少测站区关键河道断面选取；步骤二、缺少测站区河道断面信息低空遥感反演：对步骤一所选的河道断面监测点进行实时的无人机控制飞行，并对获取的数据进行预处理和进行地表信息提取，在此基础上获得河道断面纵断面比降、橫断面面积和水面宽度，并结合地面水位监测和水下地形测绘，从而利用曼宁公式推求监测断面流量。本发明：(1)耦合卫星遥感与低空遥感，开展优势互补，填补水文数据缺乏的空白。(2)在应急管理时，获取适时河段河面宽度，计算得出河川径流。河川径流数据为适时上报，径流监测精度<8％。(3)填补干旱区水文测站稀少，不能满足防洪抗旱和水污染等突发事件的需要。

Description

一种遥感水文站监测河流径流的方法

技术领域

本发明一种遥感水文站监测河流径流的方法，属于河流径流量遥感监测技术领域，尤其是在干旱内陆区缺少水文测站地区涉及的一种耦合卫星遥感与低空遥感技术在河流径流遥感监测的估算方法。

背景技术

当今世界范围内，存在着大量的无资料或稀缺资料地区，如何进行无资料或稀缺资料地区的水文预报一直是困扰国内外水文学家的难题之一。当前大多数水文预报方法的一个共同特点是根据已有的水文资料建立一定的经验的或物理机制的水文模型对复杂的水文现象进行描述。然而，在全球范围内，特别是发展中国家，水文气象测站分布极其稀少。另外，一些原先已具备资料的流域可能因为气候变化或人类活动的影响使得历史资料不可用而成为缺资料流域。资料的完全缺失或不完整使得水文预报模型参数很难通过率定的方法确定。迫于当前大量无资料或稀缺资料地区在防洪抗旱、水资源管理以及水利工程设计等方面对水文特征的需要，国际科学合作计划PUB(Prediction in Ungauged Basins)以减少水文预报中的不确定性为核心，强调从水文现象的机理着手完善现有的模型并发展全新的水文模拟系统，减少水文模拟对参数率定的依赖。PUB汇集水文理论、遥感技术、科学计算等多方面成果，运用新的系统理论和方法来解决传统水文学所遇到的困难。

以往在进行无资料地区的水文计算时，大都选择降水比较丰富的流域进行计算，对于降水稀少、径流变化较大的干早、半干早地区的无资料流域来说，这些方法通常存在较大的局限性：(1)基于实测资料在输入和输出之间建立关系预报输出时，当流域输入、输出和模型这三个环节中的任何一个未知时，水文预报就面临严峻的挑战。(2)一个流域内获取的水文特征值直接移植到特征条件相似流域，增加了结果的不确定性。(3)侧重于径流预报且多为流域出口的总径流量，刻画流域内水文过程空间变化及各水文分量特征受到局限。(4)经验型多、定量型少，以一个相对稳定和静止的环境下来研究流域水文现象为假设，对于变化环境下流域水文过程无法加以描述，不能满足人类活动影响下流域水文响应的分析，无法与全球气候模式(Global Climate Model,GCM)等气候模式进行耦合，难以真正指导流域水资源管理。

遥感技术的发展为全球河流流量的观测提供了一种新的手段，利用遥感可以弥补地面流量观测的不足。然而，由于分布式遥感水文模型所需要的数据与参数众多，且难以获取，限制了其在稀缺资料地区的广泛应用。目前在稀缺资料区遥感水文模型应用的最大障碍是缺乏足够的输入和模型验证数据。

综上，常规遥感监测到的水文参数和变量，已难以满足保障稀缺资料地区水资源安全对水文参数和变量的精度要求。因此，为了揭示稀缺资料区产汇流机制，亟待发挥低空遥感优势，建立一种行之有效的便捷的河道流量反演算法，后期可对卫星编程控制，实时监测获取实时遥感数据，推求监测断面流量，填补水文数据缺乏的空白。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种遥感水文站监测河流径流的方法，利用消费级无人机开展缺少测站区河流水系遥感观测，耦合中国高分系列卫星影像，采用河道流量低空遥感反演技术进行河道水文信息监测。只需获取河道的高分卫星影像，即可快速有效地预测估算该研究区河流流量。

2、技术方案：本发明可通过下述技术方案实现：

本发明属于一种遥感水文站监测河流径流的方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：缺少测站区关键河道断面选取

(1)研究区域的选择

选取典型的稀缺资料地区，在该区域范围内方能被选为建立遥感水文站的典型研究区。具体如下：

当今世界范围内,存在着大量的无资料或稀缺资料地区，如何进行无资料或稀缺资料地区的水文预报一直是困扰国内外水文学家的难题之一。然而，在全球范围内，特别是发展中国家，水文气象测站分布极其稀少。另外，一些原先已具备资料的流域可能因为气候变化或人类活动的影响使得历史资料不可用而成为缺资料流域。迫于当前大量无资料或稀缺资料地区在防洪抗旱、水资源管理以及水利工程设计等方面对水文特征的需要。

国内外学者以往在进行无资料地区的水文计算时，大都选择降水比较丰富的流域进行计算，对于降水稀少、径流变化较大的干早、半干早地区的无资料流域来说，这些方法通常存在较大的局限性。

西北内陆干旱区内发源于高寒山区的主要河流，水文部门所设雨量站大部分位于流域出山口及以下位置，海拔3000m以上雨量站极少，气象站主要分布在平原区。受高海拔山区复杂的地形条件和地理结构影响，流域内的水文参数具有很强的空间异质性，加之水文气象监测站点稀少，使得大尺度山区流域水文过程模拟的难度加大。因此，我国西北内陆干旱区属于典型的稀缺资料地区，在该区域范围内方能被选为建立遥感水文站的典型研究区。

(2)中小河流河段规划

在研究区范围内，针对研究区域进行整体规划分析，明确需要开展遥感监测的中小河流，规划出需要监测的河流河段。根据研究区内的河流分布情况，确定该区域的子流域分布格局，进而确定全部子流域出口控制断面位置并在缺少测站区选取多个特征关键河道断面监测点，主要分布在河流出山口及河流渠首等缺少资料地区。

在此基础上，为实现构建遥感水文站，指导稀缺资料地区/流域实现变化环境下水资源科学化、定量化管理，需建立统一的监测站点数据管理规范和编码系统，便于后期数据管理。

步骤二：缺少测站区河道断面信息低空遥感反演

对步骤一所选的河道断面监测点进行实时的无人机控制飞行，并对获取的数据进行预处理和进行地表信息提取，在此基础上获得河道断面纵断面比降、橫断面面积和水面宽度，并结合地面水位监测和水下地形测绘，从而利用曼宁公式推求监测断面流量。

其中，数据的预处理包括几何纠正和影像拼接，并对获取的高精度影像进行进一步的加工处理，得到点云数据、DEM数据及正射影像图。地表信息提取的主要的参数类型包括土地利用与土地覆盖信息(LUCC，Land use and cover change)，地形信息和土壤信息；获取的方法主要包括直接观测，遥感反演和利用GIS手段提取。

本发明是一种遥感水文站监测河流径流的方法，其优点及功效在于：

(1)卫星遥感具有监测范围广、时间尺度丰富、产品多等优势，低空遥感则具有空间分辨率高、监测频次高、获取时间灵活可控等优点。耦合卫星遥感与低空遥感，开展优势互补，加强高新技术研发，建立内陆区缺少水文测站河流径流遥感监测信息平台，填补水文数据缺乏的空白。

(2)在应急管理时，可适时对中小河流遥感监测河段进行低空无人机飞行，获取适时河段河面宽度，通过建立的河段内相应断面水深-河面宽度关系计算得出河川径流。河川径流数据为适时上报，径流监测精度<8％。

(3)填补西北干旱区水文测站稀少，不能满足防洪抗旱和水污染等突发事件的需要。遥感水文站建立后，无需人员到达即可用遥感技可适时开展径流监测，克服缺少资料区地广人稀，交通不便的困难，开展防洪抗旱和水污染的突发事件监测，服务于应急灾害管理，具有十分重要的社会效益。

附图说明

图1为本发明方法流程框图。

图2a、2b为遥感增强水文站示例图。

图3为研究区径流遥感增强监测点位示意图。

图4为研究区监测断面控制流域示意图。

图5为研究区水文站控制流域示意图。

图6为河道断面示意图。

图7河道断面水深-河面宽度关系曲线图。

图8河流剖面示意图。

具体实施方式

本发明提出的遥感水文增强站，填补新疆干旱内陆区水文测站稀少的缺点，平台建立后将在现有流域水文测站数量基础上，增加100个水文监测断面，提供径流水文数据。

见图1，本发明是一种遥感水文站监测河流径流的方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：缺少测站区关键河道断面选取

本案例选择亚洲水塔关键区域的叶尔羌河和喀什噶尔河流域作为实例分析。在本实例中遥感水文站监测断面主要在水文站、河流出山口及水库等监测断面开展地面测量和控制飞行实验。其中地面测量包括流速测量、水深测量等；在控制飞行实验中，一个监测控制点同时用两架无人机分别飞行70米和150米，获取精细的河道监测影像。

为实现构建遥感水文站，指导稀缺资料地区/流域实现变化环境下水资源科学化、定量化管理，需建立统一的监测站点数据管理规范和编码系统，便于后期数据管理，主要分为原始数据管理和监测站点编码两个部分。

首先，对于获取的原始数据采用12位字符串进行编码，格式如下：

以2017112201为例，2017年11月22日1号点。其次，对于监测站点而言，具体编码规则如下：

测站编码仅用于标识测站(断面)的地理位置，将选取的每个监测站点按照同一条河流先上游后下游，先左支流后右支流进行编码。监测测站编码由两部分组成，分别为：①河流名称首字母缩写；②编码采用4位字符串，格式如下：

以XJYEQH-0001为例，由两部分组成，XJYEQH为河流名称，即新疆叶尔羌河的简称；0001则表示叶尔羌河干流1号监测点。XJKLKSH-1001表示新疆喀拉喀什河左岸一级支流第一个遥感水文监测站，XJTZNFH-2203表示新疆提孜那甫河右岸二级支流第三个遥感水文监测站。本案例遵照以上编码规则，对获取的监测断面进行编码，便于后期数据管理。研究区监测站点选择控制区域主要分布在冰川、山地、河流出山口、山前冲积平原、绿洲上游渠首和绿洲下游，具体监测站点编码见下表1。

步骤二：缺少测站区河道断面信息低空遥感反演

飞行航带和地面控制点布设(GCP，Ground Control Point)是保证测量精度的前提。根据喀什葛尔河流域、叶尔羌河流域河流分布及水情状况，根据研究区的子流域分布格局，确定全部子流域出口控制断面位置并选择控制断面监测点(图2a、b)，主要分布在河流出山口及河流渠首等缺少资料地区。根据研究区域的植被覆盖、土地利用、土壤类型、地形起伏等下垫面特征预先确定飞行航带通过计算无人机传感器视场角、焦距、CCD数量等指标精确计算各条航带上无人机的飞行高度，沿预定航带布设地面控制点；考虑到低空无人机飞行易受气象条件影响，拟增加地面控制点数量，保证单景影像至少有4个控制点。根据预设航带、高度、控制点开展控制飞行，飞行时保证每次起飞点高度统一，每条航带保持相同的飞行高度，同时保证相邻两景影像具有30～40％的重叠度，以便进行后续影像的几何校正和镶嵌分割。在研究区内，低空无人机共起飞100余次，获取500多条航带及18000多张高精度航拍影像，建立100余个遥感水文监测站(图3)，共控制干流大流域31个，控制面积约为208122.463km²，见图4。研究区内原有水文站控制干流大流域11个(图5)，面积约为125743.839km²。在原有水文站的基础上，新增了大量的监测控制断面，控制流域的面积约增加180000km²，能够更加全面的补充缺少测站区关键河道的水文资料，为建立高分遥感地面河道增强设施提供丰富的数据。

外业低空遥感影像获取结束后，对获取的数据进行预处理和进行地表信息提取。其中，数据的预处理包括几何纠正和影像拼接，并对获取的高精度影像进行进一步的加工处理，得到点云数据、DSM数据、DOM数据、DEM数据及正射影像图。在此基础上，获得河道断面纵断面比降、橫断面面积和水面宽度，并结合地面水位监测和水下地形测绘，最终得到河流大断面形态(图6)，建立水深与河流断面宽度的关系(图7)，从而利用曼宁公式推求监测断面流量。地表信息提取的主要的参数类型包括土地利用与土地覆盖信息(LUCC，Land useand cover change)，地形信息和土壤信息。获取的方法主要包括直接观测，遥感反演和利用GIS手段提取。其中，曼宁公式具体计算步骤如下：

式中：n为现场糙率值；A₁为过流断面面积；X₁为过水断面湿周；J为水力坡度。其中河床糙率(n)可查表得到(许念曾，河道水力学)，河道剖面如图8所示。获取河流橫断面面积A、湿周X₁和纵断面比降J的具体计算步骤如下：

式中：D_y代表第y个像元的水深，X_y代表第y个像元的宽度；

式中：H₂为下游某一断面的河流水位，L_1-2为断面1和断面2的距离。基于此，本发明通过低空遥感技术结合地面水位监测和水下地形测绘，建立水深与河流断面宽度的关系，后期通过利用高分辨率遥感数据获取断面水面宽度，进而推求该时段的水深数据，进而估算流量。

Claims (2)

1.一种遥感水文站监测河流径流的方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：缺少测站区关键河道断面选取

(1)研究区域的选择

选取典型的稀缺资料地区，在该区域范围内方能被选为建立遥感水文站的典型研究区；

(2)中小河流河段规划

在研究区范围内，针对研究区域进行整体规划分析，明确需要开展遥感监测的中小河流，规划出需要监测的河流河段；根据研究区内的河流分布情况，确定该区域的子流域分布格局，进而确定全部子流域出口控制断面位置并在缺少测站区选取多个特征关键河道断面监测点，主要分布在河流出山口及河流渠首的缺少资料地区；

步骤二：缺少测站区河道断面信息低空遥感反演

对步骤一所选的河道断面监测点进行实时的无人机控制飞行，并对获取的数据进行预处理和进行地表信息提取，在此基础上获得河道断面纵断面比降、橫断面面积和水面宽度，并结合地面水位监测和水下地形测绘，从而利用曼宁公式推求监测断面流量；

其中，所述的预处理包括几何纠正和影像拼接，并对获取的高精度影像进行进一步的加工处理，得到点云数据、DEM数据及正射影像图；地表信息提取的主要的参数类型包括土地利用与土地覆盖信息，地形信息和土壤信息。

2.根据权利要求1所述的一种遥感水文站监测河流径流的方法，其特征在于：所述的地表信息提取的方法主要包括直接观测，遥感反演和利用GIS手段提取。