【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及遥感水文和水利工程，尤其涉无水文资料地区流量数据获取和无水文测站重要支流和中小河流防洪抗旱及水资源管理，具体为一种基于卫星、无人机和地面测量构建三维数字河道模型而获取和监测长序列连续自然河流流量的遥感水文站方法。
技术介绍
1、河流流量，特别是长序列连续的流量资料是表征水循环过程的重要指标，是水文循环过程中的积极因子，在区域水资源开发利用和河流生态保护中占有重要地位。从社会发展需求的角度看，河流流量在水利设施高程设计、农业灌溉、水利发电、航运、水产养殖等方面也具有重要的作用。但长序列且连续的河流流量资料的获取途径都是通过建立水文站点进行人工观测，然而部分地区受制于多变的气候、崎岖的道路及恶劣的地理环境等不利因素，缺乏建立水文站的基础条件，成为广泛存在的水文资料匮乏区。特别是世界范围内广泛存在的中、小型河流，流域面积及河道流量都较小，在此类河流上建立水文站的成本大，政府部门很少投资设站，是水文资料匮乏区的主体部分，但这些地区河流的中、下游往往存在固定的人类聚集地，由于水文资料的缺乏在应对突发水灾害时往往缺少足够的资料支持。因此，亟需一种更加低成本且有效的方法获取河流流量，特别是中小河流流量的方法。
2、目前主要有三种方式能够长期监测河道流量：水文站点实测、水文模型计算、借助遥感数据计算。传统的水文站实地测量依赖地面人工测站，受自然和经济条件限制，站网分布稀疏且不均匀，许多地区难以获得流量数据。加之测站数据往往不被共享公开，实测的长序列流量难以被利用起来。水文模型可以针对需要研究的区域展开长期模拟河道流量工
3、为了利用遥感技术和方法获取和监测河流流量，研究人员设计了多种利用无人机、卫星和水文模型计算和监测河流流量的方法。如申请号为201720075875.7的中国专利技术专利，设计利用无人机搭载无线遥控雷达测流仪直接对河流进行流量测定。申请号为201710206658.1的中国专利技术专利，采用浮标断面设立，水深测量，中断面架设航拍无人机，投放浮标，当投下的浮标通过上断面、中断面、下断面时，利用航拍无人机连续拍摄，进而判读浮标、测流历时、计算起点距和计算流量。申请号为201810440985.8的中国专利技术专利，设计利用无人机获取河道断面信息，结合水力学中的曼宁公式推求监测断面流量。申请号为202011373524.7的中国专利技术专利，设计利用无人机搭载多普勒超声波流量计测量河道流量。申请号为202011169716.6的中国专利技术专利，利用无人机和pc机测流软件相结合的方法对河流横断面进行多点测量，进而求出该断面平均流量。申请号为202110370971.5的中国专利，设计利用无人机、水文测量雷达、流速测量雷达、增稳平台、无线数传装置和地面接收装置进行河道断面流量监测。
4、上述现有技术一定程度上解决了河流流量的监测和数据获取问题，但存在不足：1)连续监测成本高昂，无人机搭载观测河道流量或者流速的设备价格不菲，同时能够搭载这样设备的无人机也十分昂贵，很难进行长时间序列和高频次的河道流量监测，特别对我国青藏高原或者西北等自然条件恶劣区域。2)相关方法复杂，对流量的监测不够直接有效，部分步骤难以实现，如需要对监测断面进行人为修缮和改建，破坏了河流生态同时大大增加了方法的实施成本，难以快速应对防洪抗旱等紧急事件的要求，同时也难以快速建成大范围遥感径流监测网络，对现有水文观测站不足问题的解决和帮助意义有限。3)对于基础水文数据要求较高，解决广大水文资料问题困难，针对许多无资料的河流和流域，基础数据的获取十分困难，因此造成无真正法解决我国广大水文资料缺乏地区水文数据获取难题。4)数据来源不够广泛、便捷，没有充分利用日益丰富的卫星数据，进而导致连续监测和数据反演困难。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于攻克无水文资料区河流流量数据获取难题，克服以上现有技术中的各种技术缺陷，提出一种获取和监测长序列连续河流流量的遥感水文站方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
2、一种获取和监测长序列连续自然河流流量的遥感水文站方法，包括无人机河道断面测量、河道断面水下地形测量、三维数字河道构建生成、卫星遥感水面宽度批量提取、断面流量计算和历史数据反演。选定河流监测断面后，无需对河道断面进行修缮，利用消费级无人机开展控制飞行，获取断面的相关信息，利用声纳、流速仪和gps等工具测量断面水力和水文参数，利用野外数据构建精准的三维数字河道，利用多源卫星遥感数据和自主研发的水面宽提取算法，获取断面水面宽度数据驱动三维数字河道模型及流量计算公式开展河流流量监测；利用卫星遥感数据反演断面历史水面宽度数据，实现断面长时间序列连续历史流量计算。具体包括以下步骤：
3、步骤一、无人机河道断面测量：根据所选的河流关键断面的位置，到达现场后开展无人机野外控制飞行，通过无人机河道断面测量，获取监测断面无人机影像。
4、步骤二、河道断面水下地形测量：包括实际的水深测量、多点流速测量、坡降测量和糙率测量数据。
5、步骤三、三维数字河道模型构建及流量计算公式的驱动：对步骤一获得的无人机影像数据进行处理，输出数字表面模型(dsm)和数字正射影像(dom)，获得水面上基础地形数据，结合步骤二获得的河道断面水下地形测量数据，将水面以上的高程变化和水下地形进行拟合，合并生成完整的三维数字河道模型；对于每个三维数字河道模型，指定的每个河宽对应着相应的水位、过流面积、水力半径和湿周长；所述过流面积、水力半径和湿周长为驱动流量计算公式的关键参数。
6、三维数字河道为利用无人机获取的地形数据和水下地形实测数据构建的连续的监测断面曲线(数学函数)。
7、三维数字河道的作用：1)能够计算湿周、水力半径、过水断面面积和水位高度等重要参数；其中湿周、水力半径、过流流量面积和水力梯度可以用于驱动流量计算公式，计算流量；2)能够对监测断面进行三维可视化；3)通过多个流量变化，可以调整三维数字河道，反应了河床演变。
8、三维数字河道模型如何驱动：通过河流水面宽度数据，实现了过水断面的闭合，进而能够计算得到过水断面面积，水力半径和湿周等关键参数。因此，水面宽度数据是计算上述参数的重要输入数据，也是驱动三维数字河道的重要输入数据。
9、如果后期河道流量产生极值或者产生明显超过均值的系统误差，在排除降雨影响下，多由河川演变导致，因此可以通过三维数字河道对长时间尺度上河床演变进行监测和并通过流量反算河床的形态参数，如水深、河面宽、湿周等，通过三维数字河道的调整实现长序列河道流量的精准控制。
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【技术保护点】
1.一种获取和监测长序列连续自然河流流量的遥感水文站方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的获取和监测长序列连续自然河流流量的遥感水文站方法，其特征在于：步骤一中，所述无人机影像数据包括带有目标河流断面的河道形状、高程及附近地物信息的图像数据。
3.根据权利要求1所述的获取和监测长序列连续自然河流流量的遥感水文站方法，其特征在于：步骤二中，水深测量采用声纳连续观测；多点流速测量采用表面流速测量方法，每间隔1米测量一个流速值，仪器选用电波流速仪或转子流速仪；河道坡降选取单站RTK卫星定位测量方法。
4.根据权利要求1所述的获取和监测长序列连续自然河流流量的遥感水文站方法，其特征在于：步骤三中，所述流量计算关键参数及流量公式的表示如下：
5.根据权利要求1所述的获取和监测长序列连续自然河流流量的遥感水文站方法，其特征在于：步骤四中，所述卫星遥感数据源为Landsat系列卫星数据或Sentinel系列卫星数据。
6.根据权利要求1所述的获取和监测长序列连续自然河流流量的遥感水文站方法，其特征在于：步骤四中，混
...【技术特征摘要】
1.一种获取和监测长序列连续自然河流流量的遥感水文站方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的获取和监测长序列连续自然河流流量的遥感水文站方法，其特征在于：步骤一中，所述无人机影像数据包括带有目标河流断面的河道形状、高程及附近地物信息的图像数据。
3.根据权利要求1所述的获取和监测长序列连续自然河流流量的遥感水文站方法，其特征在于：步骤二中，水深测量采用声纳连续观测；多点流速测量采用表面流速测量方法，每间隔1米测量一个流速值，仪器选用电波流速仪或转子流速仪；河道坡降选取单站rtk卫星定位测量方法。
4.根据权利要求1所述的获取和监测长序列连续自然河流流量的遥感水文站方法，其特征在于：步骤三中，所述流量计算关键参数及流量公式的表示如下：
5.根据权利要求1所述的获取和监测长序列连续自然河流流量的遥感水文站方法，其特征在于：步骤四中，所述卫星遥感数据源为l...
【专利技术属性】
技术研发人员：娄和震，杨胜天，赵长森，王鹏飞，王雪蕾，巩同梁，王娟，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：
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