基于GF-1影像和测高卫星的河流存量计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于GF‑1影像和测高卫星的河流存量计算方法，包括：(1)选取典型河道断面确定实测水文站和观测水文站点，基于高分遥感影像和深度学习技术对站点间水体范围进行监测，获取关键水力学参数；(2)下载和处理选取河流的测高卫星数据，获取指定断面的水位变化数据；(3)通过实测站点的流量数据计算观测站的参考流量，利用水力学流量公式确定河道水体的最小深度；(4)计算观测站点河道流量并与实测值验证；(5)结合监测的流量、河宽和水体平均深度数据，计算断面水体流速，并计算实测站与观测站之间的河道槽蓄量。本发明专利技术实现了大尺度上的河道水量动态监测，有助于遥感监测技术在水资源管理业务中的应用和推广。

【技术实现步骤摘要】
基于GF-1影像和测高卫星的河流存量计算方法
本专利技术涉及水资源遥感监测
，特别涉及一种基于GF-1影像和测高卫星的河流存量计算方法。
技术介绍
河道槽蓄量是地表水资源量的重要组成部分，同时槽蓄量计算也是河道演变分析、防洪调度的重要内容(陈望春，2017)。实现对河道槽蓄量的准确监测和模拟，不仅对流域开发及河道治理关系重大，同时也可直接服务于地表水资源量评估，支撑水资源的科学管理。常见的监测河道槽蓄量的方法包括断面法(王伟，2014)、基于DEM的方法(李欣，2016)、水沙平衡法等。断面法是根据实测水下地形，按几何方法直接计算河道泥沙冲淤体积，并累加得到河道槽蓄量；基于DEM的方法是根据计算河道的数字高程模型，累积构成TIN的每个三角形区域上的槽蓄量；水沙平衡法分别计算上、下测站和区间输沙量，基于沙量平衡进行河道槽蓄量计算(张夏林，2006)。这些方法已在不同河段得到应用，并取得较好效果。但上述方法均受实际观测资料的限制，如地形、输沙量等，且只能监测指定断面间的槽蓄量，难以实现全河道的槽蓄量观测。随着遥感技术的发展，通过遥感监测可获取越来越多的河道水力学参数，如河道宽度、河长等。而测高卫星技术的进步，又使通过卫星监测河道水位高度成为可能，由此产生了基于遥感数据的河道断面流量监测技术(Birkinshaw，2014)。同时，河道槽蓄量可根据断面流量及水体在断面间的传播时间确定(聶日霍夫斯基，1958)，但需以获取准确的水体流速为基础。因此，将遥感监测技术用于河道槽蓄量监测，可充分发挥空间覆盖广、监测频次高的优势。但基于遥感数据获取高精度河道水体分布、并基于遥感监测计算槽蓄量的技术问题尚未解决。参考文献陈望春，郑静，张涛，等.汉江下游沙洋至汉口河段槽蓄量计算分析[J].水利水电快报，2017,38(1)：41-44。王伟，叶敏，刘静波.河道槽蓄量计算模块功能设计与实现[J].人民长江，2014,45(2)：66-70。李欣，张学明.水文传感网环境下的河道槽蓄量自动计算[J].测绘地理信息，2017,42(6)：50-52。张夏林，翁正平，田宜平.基于DEM模型的河道槽蓄量计算方法与结果可视化[J].长江科学院院报，2006,23(2)：13-16。BirkinshawSJ,MooreP,KilsbyCG,etal.Dailydischargeestimationatungaugedriversitesusingremotesensing[J].HydrologicalProcess,2014,28:1043-1054。聶日霍夫斯基，岳進.多支流河段河槽蓄水量的确定[J].水文工作通讯，1958,(5)：7-9。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的缺陷，将深度学习与已有的河道流量监测技术结合，提供了一种基于GF-1影像和测高卫星的河流存量计算方法，解决了如何基于现有的遥感监测技术，获取河道断面间的槽蓄量的问题。为了实现以上专利技术目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种基于GF-1影像和测高卫星的河流存量计算方法，包括以下步骤：步骤1、选取典型河道断面确定实测水文站和观测水文站点，基于高分遥感影像和深度学习技术对站点间水体范围进行监测，获取关键水力学参数；步骤2、下载和处理选取河流的测高卫星数据，获取指定断面的水位变化数据；步骤3、通过实测站点的流量数据计算观测站的参考流量，利用水力学流量公式确定河道水体的最小深度；步骤4、计算观测站点河道流量并与实测值验证；步骤5、结合监测的流量、河宽和水体平均深度数据，计算断面水体流速，并计算实测站与观测站之间的河道槽蓄量。进一步地，所述步骤1包括以下子步骤：步骤11、选定要观测河道的两个断面水文站，并获取相关实测水位和流量过程数据，以其中一个站点为实测站，另一个为目标站，通过分析目标站的流量变化，并与目标站的实测数据进行对比来验证方法的有效性；步骤12、指定研究期，下载研究期内5-6景能覆盖两个断面间河道范围的GF-1遥感影像，并对下载的影像进行预处理，标定水体样本；步骤13、基于深度学习方法和标定的水体样本，对研究河道的水体范围进行识别，获取各遥感观测日的河道水面监测数据；步骤14、基于河道水体的遥感监测结果和水文站的地形数据，计算两水文站间的河道长度、坡度及各监测日目标站的河道宽度等水力学参数。进一步地，所述步骤2包括以下子步骤：步骤21、下载监测河道水文站附近的测高卫星数据，根据卫星测高原理，将读取的测高数据代入水面测高公式进行计算，河道测高水位计算公式为：Height＝Altitude–Range–Geo–Cor(1)其中，Height为河道水位正高；Altitude为测高仪的椭球高；Range为测高仪的观测距离；Geo为大地基准面相对于参考椭球面高度；Cor为各项观测误差修正。步骤22、结合河道水体范围的遥感监测结果，提取水文站断面范围内的测高数据点，经算数平均，得到观测日水文站的测高监测水位高度。进一步地，所述步骤3包括以下子步骤：步骤31、分析研究期内实测水文站的流量数据，获取实测站90％频率下的流量；步骤32、根据实测站流量和汇流面积信息，计算目标站的参考流量，计算公式为：其中，Q90是实测站点流量的90％；AT是目标水文站的汇流面积；AM是实测断面的汇流面积。步骤33、根据水力学经验流量公式，计算河道水体的最小深度，流量的计算公式为：Q＝7.22W1.02Y1.74S0.35(3)其中，7.22是流量系数；W为河道宽度；S为河道纵向坡度。因此利用该式求解Q的关键是如何建立河道水面高度(H)与河道平均水深(Y)的联系。进一步地，所述步骤4包括以下子步骤：步骤41、利用式(3)计算目标站的流量；步骤42、将目标站的遥感监测流量与实测值进行比对，验证遥感观测的结果精度。进一步地，所述步骤5包括以下子步骤：步骤51、基于目标站的河道流量、河宽及平均水深数据，计算断面面积和流速，计算公式为：其中，v是断面水体流速；W为河宽；Y为水体平均深度。步骤52、利用断面流速和流量数据，计算两断面间的河道槽蓄量，计算方法如下：步骤521、当断面为自河源起第一个断面时，槽蓄量为：其中，Qriv是槽蓄量；Q1是断面流量；t是水体从河源流至监测断面的时间(以日计)。步骤522、当两断面间无支流汇入，或汇入支流水量较小时，槽蓄量为：其中，Q1和Q2是两断面的流量，t是水体在两断面间的传播时间。步骤523、当两断面间有明显支流汇入时，槽蓄量为：其中，Q3是支流汇入的流量。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：融合了高分遥感数据、测高卫星数据和深度学习技术，具有有效、适用性强的特点，可以基于遥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于GF-1影像和测高卫星的河流存量计算方法，包括以下步骤：/n步骤1、选取典型河道断面确定实测水文站和观测水文站点，基于高分遥感影像和深度学习技术对站点间水体范围进行监测，获取关键水力学参数；/n步骤2、下载和处理选取河流的测高卫星数据，获取指定断面的水位变化数据；/n步骤3、通过实测站点的流量数据计算观测站的参考流量，利用水力学流量公式确定河道水体的最小深度；/n步骤4、计算观测站点河道流量并与实测值验证；/n步骤5、结合监测的流量、河宽和水体平均深度数据，计算断面水体流速，并计算实测站与观测站之间的河道槽蓄量。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于GF-1影像和测高卫星的河流存量计算方法，包括以下步骤：
步骤1、选取典型河道断面确定实测水文站和观测水文站点，基于高分遥感影像和深度学习技术对站点间水体范围进行监测，获取关键水力学参数；
步骤2、下载和处理选取河流的测高卫星数据，获取指定断面的水位变化数据；
步骤3、通过实测站点的流量数据计算观测站的参考流量，利用水力学流量公式确定河道水体的最小深度；
步骤4、计算观测站点河道流量并与实测值验证；
步骤5、结合监测的流量、河宽和水体平均深度数据，计算断面水体流速，并计算实测站与观测站之间的河道槽蓄量。


2.根据权利要求1所述的河流存量计算方法，其特征在于：所述步骤1包括以下子步骤：
步骤11、选定要观测河道的两个断面水文站，并获取相关实测水位和流量过程数据，以其中一个站点为实测站，另一个为目标站，通过分析目标站的流量变化，并与目标站的实测数据进行对比来验证方法的有效性；
步骤12、指定研究期，下载研究期内5-6景能覆盖两个断面间河道范围的GF-1遥感影像，并对下载的影像进行预处理，标定水体样本；
步骤13、基于深度学习方法和标定的水体样本，对研究河道的水体范围进行识别，获取各遥感观测日的河道水面监测数据；
步骤14、基于河道水体的遥感监测结果和水文站的地形数据，计算两水文站间的河道长度、坡度及各监测日目标站的河道宽度等水力学参数。


3.根据权利要求1所述的河流存量计算方法，其特征在于：所述步骤2包括以下子步骤：
步骤21、下载监测河道水文站附近的测高卫星数据，根据卫星测高原理，将读取的测高数据代入水面测高公式进行计算，河道测高水位计算公式为：
Height＝Altitude–Range–Geo–Cor(1)
其中，Height为河道水位正高；Altitude为测高仪的椭球高；Range为测高仪的观测距离；Geo为大地基准面相对于参考椭球面高度；Cor为各项观测误差修正；
步骤22、结合河道水体范围的遥感监测结果，提取水文站断面范...

【专利技术属性】
技术研发人员：段浩，贾玲，文京川，汪林，韩昆，赵红莉，蒋云钟，曹引，郝震，秦长海，陈非，王镕，毛文山，刘海滢，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11