一种基于地统计和优化算法的雨量站网布设方法技术

本发明专利技术涉及一种基于地统计和优化算法的雨量站网布设方法，涉及雨量站网优化技术领域，包括，步骤S101，采集近五年目标区域已有雨量站网的实时监测数据；步骤S102，采集目标区域的遥感日降雨产品；步骤S103，进行Cokriging插值计算，生成目标区域的降雨空间分布特性；步骤S104，根据目标区域的气候带、地形、土地利用和水文特征构建影响降雨的指标体系；步骤S105，对影响降雨的各个因素进行探测，计算出单因子的贡献力和多因子的交互作用力；步骤S106，对目标区域进行分区，形成多个子区；步骤S107，生成各子区的候选站点位置；步骤S108，计算单个候选站点的信息熵；步骤S109，构建目标区域的雨量站网分布示意图。本发明专利技术有效提高了雨量站网布设的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于地统计和优化算法的雨量站网布设方法
本专利技术涉及雨量站网优化
，尤其涉及一种基于地统计和优化算法的雨量站网布设方法。
技术介绍
研究雨量站网在区域分布上的科学性、合理性及其最优化是水文测验工作首先要解决的问题。密度适中、布局合理的雨量站网，既要保证其观测值在所在区域的任何地点都具有足够的内插精度，同时又要避免因站网过密所造成的不必要的浪费。自20世纪50-60年代,国家进行了大规模流域治理工程,陆续配置了相应的水文配套设施。建设之初,各地根据“以最稀容许站网来发挥最大效率”的原则,相继在各地规划和布置了各类水文站网。80年代以来，我国常用的雨量站网规划方法为流域水文模型法，而流域水文模型所追求的恰恰是考虑下垫面的空间变异性和水文信息的空间差异性的物理模型。随着对地观测技术的发展，大面积、高精度遥感影像数据、数字高程模型获取变得愈加简单，地理信息软件的发展对大数据量模拟运算提供了平台。现有的雨量站网布设方法存在的问题是：①早期利用水文模型布置雨量站网，主要输入变量是下垫面和水文等信息，这些信息在一定程度上取决于专家的主观经验，致使布局的合理性和可靠性存在一定争议；②利用新技术，如结合遥感数据的雨量站网布设方法，容易受到遥感数据精度和质量的影响，并且雨天的遥感数据总体质量存在一定的误差；还有一些方法纯粹依赖大量数据成果，其代表性和时效性都存在不足之处。
技术实现思路
为此，本专利技术提供一种基于地统计和优化算法的雨量站网布设方法，用以克服现有技术中无法通过准确的参数计算确定站点位置导致的雨量站网布设可靠性低的问题。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于地统计和优化算法的雨量站网布设方法，包括：步骤S101，采集模块采集预设时间内目标区域已有雨量站网的实时监测数据；步骤S102，所述采集模块选取目标区域内空间分辨率最小的遥感日降雨产品作为雨量站网布设使用产品；步骤S103，计算模块根据所述采集模块采集的日降雨数据和选取的遥感日降雨产品，进行Cokriging插值计算，并生成目标区域的降雨空间分布特性；步骤S104，所述计算模块根据目标区域的气候带、地形、土地利用和水文特征构建影响降雨的指标体系；步骤S105，所述计算模块基于GeoDetector的空间分层方法，对影响降雨的各个因素进行探测；步骤S106，所述计算模块选中对降雨的解释力最大的因子或因子集作为分区依据，对目标区域进行分区，形成多个子区；步骤S107，所述计算模块设定目标区域的降雨量估计值，并设定降雨量估计值的目标偏差，同时，使用模拟退火算法生成各子区的候选站点位置；步骤S108，所述计算模块分别计算每个候选站点的信息熵；步骤S109，输出模块根据预设信息熵取值范围选取满足条件的候选站点，并以此构建目标区域的雨量站网分布示意图；在所述步骤S107中，当所述计算模块设定目标区域的降雨量估计值时，所述计算模块根据所述目标区域的平均日降雨量B选取对应的降雨量估计值，所述计算模块根据子区内各地点的日均温度差异将各所述子区划分出若干个预备站点，并分别将各所述预备站点的气候影响参数、地形影响参数、土地利用影响参数和水文特征影响参数带入降雨估计函数中，并根据函数计算值选取候选站点；在进行降雨估计函数计算时，所述计算模块通过将预备站点的日均空气湿度E与各预设空气湿度进行比对选取对应的气候影响参数，当气候影响参数选取完成后，所述计算模块通过将预备站点的海拔高度F与各预设海拔高度进行比对选取对应的地形影响参数，当地形影响参数选取完成后，所述计算模块通过将预备站点的土地利用率G与各预设土地利用率进行比对选取对应的土地利用影响参数，当土地利用影响参数选取完成后，所述计算模块通过将预备站点的河流水位高度H与各预设河流水位高度进行比对选取对应的水文特征影响参数，当各所述影响参数均选取完成后，所述计算模块通过将预备站点的日均温度T与各预设日均温度进行比对选取对应的调节系数对选取的各所述影响参数进行调节。进一步地，所述计算模块在设定所述目标区域的降雨量估计值时，所述计算模块将所述采集模块采集到的所述目标区域的平均日降雨量B与各预设日降雨量进行比对，并根据比对结果选取对应的降雨量估计值；当B＜B1时，所述计算模块将A1作为降雨量估计值；当B1≤B＜B2时，所述计算模块将A2作为降雨量估计值；当B2≤B＜B3时，所述计算模块将A3作为降雨量估计值；其中，B1为第一预设日降雨量，B2为第二预设日降雨量，B3为第三预设日降雨量，B1＜B2＜B3；A1为第一预设降雨量估计值，A2为第二预设降雨量估计值，A3为第三预设降雨量估计值，A1＜A2＜A3。进一步地，所述计算模块中还设置有目标偏差m,设定m为常数，0＜m＜1，所述计算模块根据子区内各地点的日均温度差异将各子区划分出若干个预备站点，并分别将各所述预备站点带入降雨估计函数中，并计算出因变量Y的值，当Y∈Ai±m时，所述计算模块将该预备站点作为候选站点，其中Ai为选取的第i预设降雨量估计值，设定i=1,2,3；所述计算模块中设置有降雨估计函数，如下式所示，Y=（a×0.3+b×0.2+c×0.1+d×0.4）×B式中，Y为因变量，a、b、c、d为自变量，B为所述目标区域的平均日降雨量，其中，a为气候影响参数,0＜a＜1，b为地形影响参数，0＜b＜1，c为土地利用影响参数，0＜c＜1，d为水文特征影响参数，0＜d＜1。进一步地，当所述计算模块选取预备站点的气候影响参数时，所述计算模块将预备站点的日均空气湿度E与各预设空气湿度进行比对，并根据比对结果选取对应的气候影响参数；当E＜E1时，所述计算模块将a1作为气候影响参数；当E1≤E＜E2时，所述计算模块将a2作为气候影响参数；当E2≤E＜E3时，所述计算模块将a3作为气候影响参数；其中，E1为第一预设日均空气湿度，E2为第二预设日均空气湿度，E3为第三预设日均空气湿度，E1＜E2＜E3；a1为第一预设气候影响参数，a2为第二预设气候影响参数，a3为第三预设气候影响参数，a1＜a2＜a3。进一步地，当气候影响参数选取完成后，所述计算模块在对选取的第i预设气候影响参数ai进行调节时，设定i=1,2,3，所述计算模块将预备站点的日均温度T与各预设日均温度进行比对，并根据比对结果选取对应的气候影响参数调节系数对ai进行调节；当所述计算模块选取第j预设气候影响参数调节系数rj对ai进行调节时，设定j=1,2,3，调节后的气候影响参数为ai’，设定ai’=ai×rj；当T＜T1时，所述计算模块选取r1对ai进行调节；当T1≤T＜T2时，所述计算模块选取r2对ai进行调节；当T2≤T＜T3时，所述计算模块选取r3对ai进行调节；其中，T1为第一预设日均温度，T2为第二预设日均温度，T3为第三预设日均温度，T1＜T2＜T3；r1为第一预设气候影响参数调节系数，r本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于地统计和优化算法的雨量站网布设方法，其特征在于，包括：/n步骤S101，采集模块采集预设时间内目标区域已有雨量站网的实时监测数据；/n步骤S102，所述采集模块选取目标区域内空间分辨率最小的遥感日降雨产品作为雨量站网布设使用产品；/n步骤S103，计算模块根据所述采集模块采集的日降雨数据和选取的遥感日降雨产品，进行Cokriging插值计算，并生成目标区域的降雨空间分布特性；/n步骤S104，所述计算模块根据目标区域的气候带、地形、土地利用和水文特征构建影响降雨的指标体系；/n步骤S105，所述计算模块基于GeoDetector的空间分层方法，对影响降雨的各个因素进行探测；/n步骤S106，所述计算模块选中对降雨的解释力最大的因子或因子集作为分区依据，对目标区域进行分区，形成多个子区；/n步骤S107，所述计算模块设定目标区域的降雨量估计值，并设定降雨量估计值的目标偏差，同时，使用模拟退火算法生成各子区的候选站点位置；/n步骤S108，所述计算模块分别计算每个候选站点的信息熵；/n步骤S109，输出模块根据预设信息熵取值范围选取满足条件的候选站点，并以此构建目标区域的雨量站网分布示意图；/n在所述步骤S107中，当所述计算模块设定目标区域的降雨量估计值时，所述计算模块根据所述目标区域的平均日降雨量B选取对应的降雨量估计值，所述计算模块根据子区内各地点的日均温度差异将各所述子区划分出若干个预备站点，并分别将各所述预备站点的气候影响参数、地形影响参数、土地利用影响参数和水文特征影响参数带入降雨估计函数中，并根据函数计算值选取候选站点；/n在进行降雨估计函数计算时，所述计算模块通过将预备站点的日均空气湿度E与各预设空气湿度进行比对选取对应的气候影响参数，当气候影响参数选取完成后，所述计算模块通过将预备站点的海拔高度F与各预设海拔高度进行比对选取对应的地形影响参数，当地形影响参数选取完成后，所述计算模块通过将预备站点的土地利用率G与各预设土地利用率进行比对选取对应的土地利用影响参数，当土地利用影响参数选取完成后，所述计算模块通过将预备站点的河流水位高度H与各预设河流水位高度进行比对选取对应的水文特征影响参数，当各所述影响参数均选取完成后，所述计算模块通过将预备站点的日均温度T与各预设日均温度进行比对选取对应的调节系数对选取的各所述影响参数进行调节。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于地统计和优化算法的雨量站网布设方法，其特征在于，包括：
步骤S101，采集模块采集预设时间内目标区域已有雨量站网的实时监测数据；
步骤S102，所述采集模块选取目标区域内空间分辨率最小的遥感日降雨产品作为雨量站网布设使用产品；
步骤S103，计算模块根据所述采集模块采集的日降雨数据和选取的遥感日降雨产品，进行Cokriging插值计算，并生成目标区域的降雨空间分布特性；
步骤S104，所述计算模块根据目标区域的气候带、地形、土地利用和水文特征构建影响降雨的指标体系；
步骤S105，所述计算模块基于GeoDetector的空间分层方法，对影响降雨的各个因素进行探测；
步骤S106，所述计算模块选中对降雨的解释力最大的因子或因子集作为分区依据，对目标区域进行分区，形成多个子区；
步骤S107，所述计算模块设定目标区域的降雨量估计值，并设定降雨量估计值的目标偏差，同时，使用模拟退火算法生成各子区的候选站点位置；
步骤S108，所述计算模块分别计算每个候选站点的信息熵；
步骤S109，输出模块根据预设信息熵取值范围选取满足条件的候选站点，并以此构建目标区域的雨量站网分布示意图；
在所述步骤S107中，当所述计算模块设定目标区域的降雨量估计值时，所述计算模块根据所述目标区域的平均日降雨量B选取对应的降雨量估计值，所述计算模块根据子区内各地点的日均温度差异将各所述子区划分出若干个预备站点，并分别将各所述预备站点的气候影响参数、地形影响参数、土地利用影响参数和水文特征影响参数带入降雨估计函数中，并根据函数计算值选取候选站点；
在进行降雨估计函数计算时，所述计算模块通过将预备站点的日均空气湿度E与各预设空气湿度进行比对选取对应的气候影响参数，当气候影响参数选取完成后，所述计算模块通过将预备站点的海拔高度F与各预设海拔高度进行比对选取对应的地形影响参数，当地形影响参数选取完成后，所述计算模块通过将预备站点的土地利用率G与各预设土地利用率进行比对选取对应的土地利用影响参数，当土地利用影响参数选取完成后，所述计算模块通过将预备站点的河流水位高度H与各预设河流水位高度进行比对选取对应的水文特征影响参数，当各所述影响参数均选取完成后，所述计算模块通过将预备站点的日均温度T与各预设日均温度进行比对选取对应的调节系数对选取的各所述影响参数进行调节。


2.根据权利要求1所述的基于地统计和优化算法的雨量站网布设方法，其特征在于，所述计算模块在设定所述目标区域的降雨量估计值时，所述计算模块将所述采集模块采集到的所述目标区域的平均日降雨量B与各预设日降雨量进行比对，并根据比对结果选取对应的降雨量估计值；
当B＜B1时，所述计算模块将A1作为降雨量估计值；
当B1≤B＜B2时，所述计算模块将A2作为降雨量估计值；
当B2≤B＜B3时，所述计算模块将A3作为降雨量估计值；
其中，B1为第一预设日降雨量，B2为第二预设日降雨量，B3为第三预设日降雨量，B1＜B2＜B3；A1为第一预设降雨量估计值，A2为第二预设降雨量估计值，A3为第三预设降雨量估计值，A1＜A2＜A3。


3.根据权利要求2所述的基于地统计和优化算法的雨量站网布设方法，其特征在于，所述计算模块中还设置有目标偏差m,设定m为常数，0＜m＜1，所述计算模块根据子区内各地点的日均温度差异将各子区划分出若干个预备站点，并分别将各所述预备站点带入降雨估计函数中，并计算出因变量Y的值，当Y∈Ai±m时，所述计算模块将该预备站点作为候选站点，其中Ai为选取的第i预设降雨量估计值，设定i=1,2,3；
所述计算模块中设置有降雨估计函数，如下式所示，
Y=（a×0.3+b×0.2+c×0.1+d×0.4）×B
式中，Y为因变量，a、b、c、d为自变量，B为所述目标区域的平均日降雨量，其中，a为气候影响参数,0＜a＜1，b为地形影响参数，0＜b＜1，c为土地利用影响参数，0＜c＜1，d为水文特征影响参数，0＜d＜1。


4.根据权利要求2所述的基于地统计和优化算法的雨量站网布设方法，其特征在于，当所述计算模块选取预备站点的气候影响参数时，所述计算模块将预备站点的日均空气湿度E与各预设空气湿度进行比对，并根据比对结果选取对应的气候影响参数；
当E＜E1时，所述计算模块将a1作为气候影响参数；
当E1≤E＜E2时，所述计算模块将a2作为气候影响参数；
当E2≤E＜E3时，所述计算模块将a3作为气候影响参数；
其中，E1为第一预设日均空气湿度，E2为第二预设日均空气湿度，E3为第三预设日均空气湿度，E1＜E2＜E3；a1为第一预设气候影响参数，a2为第二预设气候影响参数，a3为第三预设气候影响参数，a1＜a2＜a3。


5.根据权利要求4所述的基于地统计和优化算法的雨量站网布设方法，其特征在于，当气候影响参数选取完成后，所述计算模块在对选取的第i预设气候影响参数ai进行调节时，设定i=1,2,3，所述计算模块将预备站点的日均温度T与各预设日均温度进行比对，并根据比对结果选取对应的气候影响参数调节系数对ai进行调节；
当所述计算模块选取第j预设气候影响参数调节系数rj对ai进行调节时，设定j=1,2,3，调节后的气候影响参数为ai’，设定ai’=ai×rj；
当T＜T1时，所述计算模块选取r1对ai进行调节；
当T1≤T＜T2时，所述计算模块选取r2对ai进行调节；

【专利技术属性】
技术研发人员：王妍，邹晓涛，张新，雷健，刘建国，杨朴，沈玉亭，王雪岚，
申请(专利权)人：北京市水利自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11