CN110110910B - 一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法 - Google Patents

一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法，属于水文技术领域，利用流域DEM数据计算出口点以上每个栅格单元的汇流累积值；提取流域中的河道栅格；利用流域遥感影像数据进行流域水体识别，栅格化水体识别结果；计算水体栅格的水体聚集度；计算水体栅格的水体可靠度，剔除水体可靠度低于可靠度阈值的水体栅格；选取若干水体栅格作为样本，在数字地图中量取或估算样本水体栅格的测量水深；基于选取的样本水体栅格的测量水深与水体聚集度，建立水深与水体聚集度的关系曲线，逐水体栅格估算对应的计算水深；进行水体划分，根据计算水深求得各水利工程的蓄量。本发明估算效率高，结果客观合理，有利于无资料地区库塘坝蓄量的快速估算。

Description

一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法
技术领域
本发明属于水文技术领域，具体涉及一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法。
背景技术
我国河流众多，流域面积200至3000km2的中小河流近9000条，洪水灾害 频发，这些中小流域多位于山区，流域中沿岸水土条件好，耕地多，人口密集， 一旦发生洪灾，会严重威胁人民群众的生命安全和财产安全。
目前全国中小河流水文监测系统建设项目全面实施，部分新建站点已投入应 用。水文概念模型是洪水预报研究中主要方法，多年来在我国大江大河洪水预报 研究中取得了比较丰富的成果，而中小河流洪水预报的研究与应用则刚刚起步。
由于中小河流源短流急、站网偏稀，洪水具有暴雨强度大、历时短、难预报、 难预防等特点。此外，流域内修建了大量中小型水库、塘坝等水利工程，改变了 流域下垫面情况，影响了流域降雨径流的水文规律。目前大型水库可获得水位流 量关系曲线、水库调度过程中流量数据；而中小水库和塘坝数量多，分布广，多 是在20世纪50-60年代修建的，受历史条件的限制，不少较复杂的技术问题没 有彻底解决，建坝时没有留下技术资料，增加了洪水预报和调度的难度，甚至可 能威胁到水库及流域的防洪安全。
近年来随着计算机、遥感和地理信息系统等信息技术的发展，人们能够较为 容易地获取流域的空间信息，但是水库等大型水体的地形资料精度不高。快速准 确计算水库库容，对水库水情管理和防洪监测具有重要的意义。
针对无资料地区无水库特性信息情况下，如何提取中小水库、蓄水塘坝的蓄 量为受水库影响的洪水预报提供数据支持，正是发明人需要解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法， 实现快速估算库塘坝蓄量，对水库水情管理和防洪监测具有重要的意义。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法，包括以下步骤：
步骤1，利用流域DEM数据计算流域出口点以上的每一个栅格单元的汇流 累积值，生成汇流累积栅格；
步骤2，根据汇流累积栅格提取流域中的河道栅格；
步骤3，利用流域遥感影像数据进行流域水体识别，栅格化水体识别结果， 生成水体栅格；
步骤4，以每一水体栅格为中心，统计到该水体栅格的距离在聚集容许值范 围内的水体栅格，计算该中心水体栅格的水体聚集度；
步骤5，根据水体栅格的水体聚集度、水体栅格到河道栅格的最短距离计算 水体栅格的水体可靠度，剔除水体可靠度低于可靠度阈值的水体栅格；
步骤6，选取若干水体栅格作为样本，在数字地图中量取或估算样本水体栅 格的测量水深；
步骤7，基于选取的样本水体栅格的测量水深与水体聚集度，建立水深与水 体聚集度的关系曲线，根据水体聚集度，逐水体栅格估算对应的计算水深；
步骤8，判定相互距离在一定范围内的水体栅格属于同一水利工程，进行水 体划分，根据计算水深求得各水利工程的蓄量。
进一步地，所述的步骤1中，利用流域DEM数据计算流域出口点以上的每 一个栅格单元的汇流累积值，生成汇流累积栅格，具体如下：
步骤1.1，初始化流域中每一个栅格单元的汇流累积值，取值为1；
步骤1.2，以栅格单元Cell为中心，计算周围栅格与该栅格单元的高程差与 距离的比值，找出比值最大值对应的栅格单元CellD；
步骤1.3，将Cell作出流栅格，CellD作为入流栅格，方向由Cell指向CellD， 入流栅格的汇流累积值在自身原有汇流累积值上加出流栅格的汇流累积值；
步骤1.4，逐栅格循环，计算得到每一个栅格单元的汇流累积值。
进一步地，所述的步骤2具体如下：
步骤2.1，结合流域实际自然地理情况，设置汇流累积值的阈值T；
步骤2.2，利用阈值T对步骤1中计算得到的汇流累积栅格进行重分类，汇 流累积栅格中汇流累积值大于等于T的判定为河道栅格，汇流累积值小于T的 判定为坡地栅格。
进一步地，所述的步骤3具体如下：利用不同地物光谱特征，采用基于遥感 影像的水体指数的计算方法，得到栅格化的水体识别结果，被识别为水体的栅格 记为水体栅格。
进一步地，所述的步骤4具体如下：
步骤4.1，假定以某一水体栅格为中心，一定范围内的水体栅格距该水体栅 格越近，数量越多，则该水体栅格越可能属于较大的水利工程，该水体栅格的水 深越可能较大，称该水体栅格为中心水体栅格，周围一定范围内的水体栅格的聚 集程度为水体聚集度，设定该范围的最大值为聚集容许值R；
步骤4.2，逐次访问每一个水体栅格，寻找以该水体栅格为中心，聚集容许 值R为半径范围内的水体栅格集合；
步骤4.3，根据步骤4.2中已选择的水体栅格集合，计算中心水体栅格的水 体聚集度；
Figure BDA0002040926240000031
其中，C为中心水体栅格的水体聚集度，n为水体栅格集合内水体栅格的总 数，i为水体栅格集合内水体栅格的编号，xi为第i个水体栅格的行号，yi为第i 个水体栅格的列号，x为中心水体栅格的行号，y为中心水体栅格的列号，α为水 体栅格距离权重。
进一步地，所述的步骤5具体如下：
步骤5.1，找寻距离水体栅格最近的河道栅格，最短距离为Dmin；
步骤5.2，计算水体栅格的水体可靠度P；
P＝C*Dminβ；其中，β为河道栅格距离权重；
步骤5.3，设定水体栅格的水体可靠度的阈值为可靠度容许值Pmax，若水体 栅格的水体可靠度小于可靠度容许值Pmax，则剔除该水体栅格。
进一步地，所述的步骤6具体如下：
步骤6.1，选取若干水体栅格作为样本，选择出的水体栅格从空间上一般要 求分布均匀，使得选择出的水体栅格具有一定的代表性；
步骤6.2，在数字地图上量取样本点所属水利工程的坝顶高程与坝下高程， 计算差值作为水深，或者根据样本点周围高程变化趋势估算水深。
进一步地，所述的步骤7具体如下：
步骤7.1，判断步骤6中样本的测量水深与水体聚集度的函数关系，拟合水 深与水体聚集度的关系曲线；
步骤7.2，根据水体聚集度，逐水体栅格估算对应的计算水深。
进一步地，所述的步骤8具体如下：
步骤8.1，若两个水体栅格相互距离在一定范围X内，则判定两水体栅格属 于同一水利工程，对各水体栅格进行划分；
步骤8.2，统计各水利工程对应的水体栅格，计算对应的水体栅格的水深之 和，将计算水深之和与栅格单元面积的乘积作为该水利工程的蓄量。
有益效果：与现有技术相比，本发明的为估算无资料地区库塘坝蓄量提供了 一种方便有效的方法，提出了一种较为合理可靠地估算无资料地区库塘坝蓄量的 方法，快速估算库塘坝蓄量，对水库水情管理和防洪监测具有重要的意义；提取 中小水库、蓄水塘坝的库容为受水库影响的洪水预报提供数据支持，有利于水文 预报模型的直接调用，降低洪水预报和调度的难度，促进水库科学管理的深入发 展；且本方法主要应用流域数字高程模型及遥感影像资料，数据来源稳定可靠， 方法中变量之间的函数关系明确，有利于库塘坝蓄量的自动化生成，保证了结果 的客观合理性。
附图说明
图1为计算流程示意图；
图2为研究流域高程栅格示意图；
图3为计算出的研究流域汇流累积栅格示意图；
图4为计算出的研究流域河道栅格示意图；
图5为计算出的研究流域水体栅格示意图；
图6为计算出的研究流域水体聚集度栅格示意图；
图7为计算出的研究流域水体可靠度栅格示意图；
图8为研究流域的水体栅格样本点分布示意图；
图9为计算出的研究流域水深与水体聚集度的关系曲线示意图；
图10为计算出的研究流域水体计算水深栅格示意图；
图11为计算出的研究流域水体划分结果示意图；
图12为计算出的研究流域水利工程蓄量示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明中一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法，包括以下步 骤：
S1、利用流域DEM数据(图2)计算流域出口点以上的每一个栅格单元的 汇流累积值，生成汇流累积栅格(图3)，包括以下步骤：
1)初始化流域中每一个栅格单元的汇流累积值，取值为1；
2)以栅格单元Cell为中心，计算周围栅格与该栅格单元的高程差与距离的 比值，找出比值最大值对应的栅格单元CellD；
3)将Cell作出流栅格，CellD作为入流栅格，方向由Cell指向CellD，入流 栅格的汇流累积值在自身原有汇流累积值上加出流栅格的汇流累积值；
4)逐栅格循环，计算得到每一个栅格单元的汇流累积值。
S2、根据汇流累积栅格提取流域中的河道栅格(图4)，包括以下步骤：
1)结合流域实际自然地理情况，设置汇流累积值的阈值T；
2)利用阈值T对S1中计算得到的汇流累积栅格进行重分类，汇流累积栅 格中汇流累积值大于等于T的判定为河道栅格，汇流累积值小于T的判定为坡 地栅格。
S3、利用流域遥感影像数据进行流域水体识别，栅格化水体识别结果，生成 水体栅格(图5)，包括以下步骤：
利用不同地物光谱特征，采用基于遥感影像的水体指数的计算方法，得到栅 格化的水体识别结果，被识别为水体的栅格记为水体栅格。
S4、以每一水体栅格为中心，统计到该水体栅格的距离在聚集容许值范围内 的水体栅格，计算该中心水体栅格的水体聚集度(图6)，包括以下步骤：
1)假定以某一水体栅格为中心，一定范围内的水体栅格距该水体栅格越近， 数量越多，则该水体栅格越可能属于较大的水利工程，该水体栅格的水深越可能 较大，称该水体栅格为中心水体栅格，周围一定范围内的水体栅格的聚集程度为 水体聚集度，设定该范围的最大值为聚集容许值R；
2)逐次访问每一个水体栅格，寻找以该水体栅格为中心，聚集容许值R为 半径范围内的水体栅格集合；
3)根据2)中已选择的水体栅格集合，计算中心水体栅格的水体聚集度；
Figure BDA0002040926240000061
其中，C为中心水体栅格的水体聚集度，n为水体栅格集合内水体栅格的总 数，i为水体栅格集合内水体栅格的编号，xi为第i个水体栅格的行号，yi为第i 个水体栅格的列号，x为中心水体栅格的行号，y为中心水体栅格的列号，α为水 体栅格距离权重。
S5、根据水体栅格的水体聚集度、水体栅格到河道栅格的最短距离计算水体 栅格的水体可靠度，剔除水体可靠度低于可靠度阈值的水体栅格(图7)，包括 以下步骤：
1)找寻距离水体栅格最近的河道栅格，最短距离为Dmin；
2)计算水体栅格的水体可靠度P；
P＝C*Dminβ；
其中，β为河道栅格距离权重。
3)设定水体栅格的水体可靠度的阈值为可靠度容许值Pmax，若水体栅格的 水体可靠度小于可靠度容许值Pmax，则剔除该水体栅格。
S6、选取若干水体栅格作为样本(图8)，在数字地图中量取或估算样本水 体栅格的测量水深，包括以下步骤：
1)选取若干水体栅格作为样本，选择出的水体栅格从空间上一般要求分布 均匀，使得选择出的水体栅格具有一定的代表性；
2)在数字地图上量取样本点所属水利工程的坝顶高程与坝下高程，计算差 值作为水深，或者根据样本点周围高程变化趋势估算水深。
S7、基于选取的样本水体栅格的测量水深与水体聚集度，建立水深与水体聚 集度的关系曲线(图9)，根据水体聚集度，逐水体栅格估算对应的计算水深(图 10)，包括以下步骤：
1)判断S6中样本的测量水深与水体聚集度的函数关系，拟合水深与水体聚 集度的关系曲线；
2)根据水体聚集度，逐水体栅格估算对应的计算水深。
S8、判定相互距离在一定范围内的水体栅格属于同一水利工程，进行水体划 分(图11)，根据计算水深求得各水利工程的蓄量(图12)，包括以下步骤：
1)若两个水体栅格相互距离在一定范围X内，则判定两水体栅格属于同一 水利工程，对各水体栅格进行划分；
2)统计各水利工程对应的水体栅格，计算对应的水体栅格的水深之和，将 计算水深之和与栅格单元面积的乘积作为该水利工程的蓄量。
以浙江省屯溪流域为例，流域面积2678km2，上游存在多个中小型水库，存 在多个塘坝。本例的研究区中运用到GDEMDEM 30M分辨率数字高程数据与 Landsat 8OLI_TIRS卫星数字产品，数据均来源于中国科学院计算机网络信息中 心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)。
步骤一、利用流域DEM数据(图2)计算流域出口点以上的每一个栅格单 元的汇流累积值，生成汇流累积栅格(图3)，包括以下步骤：
1)初始化流域中每一个栅格单元的汇流累积值，取值为1；
2)以栅格单元Cell为中心，计算周围栅格与该栅格单元的高程差与距离的 比值，找出比值最大值对应的栅格单元CellD；
3)将Cell作出流栅格，CellD作为入流栅格，方向由Cell指向CellD，入流 栅格的汇流累积值在自身原有汇流累积值上加出流栅格的汇流累积值；
4)逐栅格循环，计算得到每一个栅格单元的汇流累积值。
步骤二、根据汇流累积栅格提取流域中的河道栅格(图4)，包括以下步骤：
1)结合流域实际自然地理情况，设置汇流累积值的阈值T，T取值70000；
2)利用阈值T对S1中计算得到的汇流累积栅格进行重分类，汇流累积栅 格中汇流累积值大于等于T的判定为河道栅格，汇流累积值小于T的判定为坡 地栅格。
步骤三、利用流域遥感影像数据进行流域水体识别，栅格化水体识别结果， 生成水体栅格(图5)，包括以下步骤：
利用不同地物光谱特征，采用基于遥感影像的水体指数的计算方法，得到栅 格化的水体识别结果，被识别为水体的栅格记为水体栅格。
步骤四、以每一水体栅格为中心，统计到该水体栅格的距离在聚集容许值范 围内的水体栅格，计算该中心水体栅格的水体聚集度(图6)，包括以下步骤：
1)假定以某一水体栅格为中心，一定范围内的水体栅格距该水体栅格越近， 数量越多，则该水体栅格越可能属于较大的水利工程，该水体栅格的水深越可能 较大，称该水体栅格为中心水体栅格，周围一定范围内的水体栅格的聚集程度为 水体聚集度，设定该范围的最大值为聚集容许值R，R取值10；
2)逐次访问每一个水体栅格，寻找以该水体栅格为中心，聚集容许值R为 半径范围内的水体栅格集合；
3)根据2)中已选择的水体栅格集合，计算中心水体栅格的水体聚集度；
Figure BDA0002040926240000081
其中，C为中心水体栅格的水体聚集度，n为水体栅格集合内水体栅格的总 数，i为水体栅格集合内水体栅格的编号，xi为第i个水体栅格的行号，yi为第i 个水体栅格的列号，x为中心水体栅格的行号，y为中心水体栅格的列号，α为水 体栅格距离权重，α取值2。
步骤五、根据水体栅格的水体聚集度、水体栅格到河道栅格的最短距离计算 水体栅格的水体可靠度，剔除水体可靠度低于可靠度阈值的水体栅格(图7)， 包括以下步骤：
1)找寻距离水体栅格最近的河道栅格，最短距离为Dmin；
2)计算水体栅格的水体可靠度P；
P＝C*Dminβ；
其中，β为河道栅格距离权重，β取值1。
3)设定水体栅格的水体可靠度的阈值为可靠度容许值Pmax，Pmax取值200， 若水体栅格的水体可靠度小于可靠度容许值Pmax，则剔除该水体栅格。
步骤六、选取若干水体栅格作为样本(图8)，在数字地图中量取或估算样 本水体栅格的测量水深，包括以下步骤：
1)选取若干水体栅格作为样本，选择出的水体栅格从空间上一般要求分布 均匀，使得选择出的水体栅格具有一定的代表性；
2)在数字地图上量取样本点所属水利工程的坝顶高程与坝下高程，计算差 值作为水深，或者根据样本点周围高程变化趋势估算水深。
步骤七、基于选取的样本水体栅格的测量水深与水体聚集度，建立水深与水 体聚集度的关系曲线(图9)，根据水体聚集度，逐水体栅格估算对应的计算水 深(图10)，包括以下步骤：
1)判断S6中样本的测量水深与水体聚集度的函数关系，由图9可以看出研 究流域水深与水体聚集度符合对数函数关系，拟合水深与水体聚集度的关系曲线， 得H＝2.9380+5.8755lnC，其中C为水体聚集度，H为水深；
2)根据水体聚集度，逐水体栅格估算对应的计算水深。
步骤八、判定相互距离在一定范围内的水体栅格属于同一水利工程，进行水 体划分(图11)，根据计算水深求得各水利工程的蓄量(图12)，包括以下步骤：
1)若两个水体栅格相互距离在一定范围X内，则判定两水体栅格属于同一 水利工程，对各水体栅格进行划分，X取值1；
2)统计各水利工程对应的水体栅格，计算对应的水体栅格的水深之和，将 计算水深之和与栅格单元面积的乘积作为该水利工程的蓄量。根据计算结果，研 究流域存在中型水库一座，蓄量2853.7万m3，小型水库42座，蓄量1081.9万 m3，塘坝155座，蓄量420.3万m3。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述 实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明 宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，利用流域DEM数据计算流域出口点以上的每一个栅格单元的汇流累积值，生成汇流累积栅格；
步骤2，根据汇流累积栅格提取流域中的河道栅格；
步骤3，利用流域遥感影像数据进行流域水体识别，栅格化水体识别结果，生成水体栅格；
步骤4，以每一水体栅格为中心，统计到该水体栅格的距离在聚集容许值范围内的水体栅格，计算该中心水体栅格的水体聚集度；
步骤5，根据水体栅格的水体聚集度、水体栅格到河道栅格的最短距离计算水体栅格的水体可靠度，剔除水体可靠度低于可靠度阈值的水体栅格；
步骤6，选取若干水体栅格作为样本，在数字地图中量取或估算样本水体栅格的测量水深；
步骤7，基于选取的样本水体栅格的测量水深与水体聚集度，建立水深与水体聚集度的关系曲线，根据水体聚集度，逐水体栅格估算对应的计算水深；
步骤8，判定相互距离在一定范围内的水体栅格属于同一水利工程，进行水体划分，根据计算水深求得各水利工程的蓄量；
所述的步骤4具体如下：
步骤4.1，假定以某一水体栅格为中心，一定范围内的水体栅格距该水体栅格越近，数量越多，则该水体栅格越可能属于较大的水利工程，该水体栅格的水深越可能较大，称该水体栅格为中心水体栅格，周围一定范围内的水体栅格的聚集程度为水体聚集度，设定该范围的最大值为聚集容许值R；
步骤4.2，逐次访问每一个水体栅格，寻找以该水体栅格为中心，聚集容许值R为半径范围内的水体栅格集合；
步骤4.3，根据步骤4.2中已选择的水体栅格集合，计算中心水体栅格的水体聚集度；
Figure FDA0003475068310000011
其中，C为中心水体栅格的水体聚集度，n为水体栅格集合内水体栅格的总数，i为水体栅格集合内水体栅格的编号，xi为第i个水体栅格的行号，yi为第i个水体栅格的列号，x为中心水体栅格的行号，y为中心水体栅格的列号，α为水体栅格距离权重；
所述的步骤5具体如下：
步骤5.1，找寻距离水体栅格最近的河道栅格，最短距离为Dmin；
步骤5.2，计算水体栅格的水体可靠度P；
P＝C*Dminβ；其中，β为河道栅格距离权重；
步骤5.3，设定水体栅格的水体可靠度的阈值为可靠度容许值Pmax，若水体栅格的水体可靠度小于可靠度容许值Pmax，则剔除该水体栅格。
2.根据权利要求1所述的一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法，其特征在于，所述的步骤1中，利用流域DEM数据计算流域出口点以上的每一个栅格单元的汇流累积值，生成汇流累积栅格，具体如下：
步骤1.1，初始化流域中每一个栅格单元的汇流累积值，取值为1；
步骤1.2，以栅格单元Cell为中心，计算周围栅格与该栅格单元的高程差与距离的比值，找出比值最大值对应的栅格单元CellD；
步骤1.3，将Cell作出流栅格，CellD作为入流栅格，方向由Cell指向CellD，入流栅格的汇流累积值在自身原有汇流累积值上加出流栅格的汇流累积值；
步骤1.4，逐栅格循环，计算得到每一个栅格单元的汇流累积值。
3.根据权利要求1所述的一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法，其特征在于，所述的步骤2具体如下：
步骤2.1，结合流域实际自然地理情况，设置汇流累积值的阈值T；
步骤2.2，利用阈值T对步骤1中计算得到的汇流累积栅格进行重分类，汇流累积栅格中汇流累积值大于等于T的判定为河道栅格，汇流累积值小于T的判定为坡地栅格。
4.根据权利要求1所述的一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法，其特征在于，所述的步骤3具体如下：利用不同地物光谱特征，采用基于遥感影像的水体指数的计算方法，得到栅格化的水体识别结果，被识别为水体的栅格记为水体栅格。
5.根据权利要求1所述的一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法，其特征在于，所述的步骤6具体如下：
步骤6.1，选取若干水体栅格作为样本，选择出的水体栅格从空间上一般要求分布均匀，使得选择出的水体栅格具有一定的代表性；
步骤6.2，在数字地图上量取样本点所属水利工程的坝顶高程与坝下高程，计算差值作为水深，或者根据样本点周围高程变化趋势估算水深。
6.根据权利要求1所述的一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法，其特征在于，所述的步骤7具体如下：
步骤7.1，判断步骤6中样本的测量水深与水体聚集度的函数关系，拟合水深与水体聚集度的关系曲线；
步骤7.2，根据水体聚集度，逐水体栅格估算对应的计算水深。
7.根据权利要求1所述的一种估算无资料地区库塘坝蓄量的方法，其特征在于，所述的步骤8具体如下：
步骤8.1，若两个水体栅格相互距离在一定范围X内，则判定两水体栅格属于同一水利工程，对各水体栅格进行划分；
步骤8.2，统计各水利工程对应的水体栅格，计算对应的水体栅格的水深之和，将计算水深之和与栅格单元面积的乘积作为该水利工程的蓄量。
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