一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法
本发明涉及河流水位监测研究领域，尤其涉及一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法。
背景技术：
1、河流水位作为水文循环的重要表征指标和水量平衡的基本组成要素，是水资源管理和生态环境保护措施制定的主要依据，对于预警强降雨和对抗洪涝、干旱等自然灾害，有着巨大的应用价值。
2、自然灾害频发已成为当今世界面临的重要挑战之一。洪水、台风等灾害不断影响着人们的生活和财产安全，因此灾害监测变得刻不容缓。在这个背景下，卫星遥感技术的飞速进步为灾害变化的监测提供了前所未有的支持。
3、卫星遥感技术以其全天候、长时间、高精度的特点，为灾害监测带来了革命性的改变。其中，雷达遥感具有较强的穿透云和雾的特点，极大程度上弥补了光学遥感影像易受干扰、数据严重缺失的不足。另外，河流水位与降水密切相关。引入降水量数据，结合卫星遥感技术，可以实现对地表变化的监测。但是，雷达遥感影像的重返周期较长，1周到2周的时间难以实现实际水位变化的监测以及灾害的实时防控和预警。另外，随着水利工程现代化的发展，人工河道在总河道的占比越来越大。人工河道的剖面为垂直的。相对于现在科学研究中，往往基于河宽（非垂直剖面）进行水位以及径流量的遥感监测，是不能适用的。
4、其中专利1：基于多源雷达遥感技术的河流径流监测反演方法，该专利使用了基于合成孔径雷达（sar）影像提取的河宽数据和基于雷达高度计数据提取的相对水深数据，并利用曼宁公式进行河流流量的计算。该方法存在几个不足之处，第一，基于河宽数据进行的径流监测，不适用于人工河道。第二，由于依赖雷达高度计数据的限制，该方法只适用于雷达高度计覆盖区域内的河流数据。第三，因为该专利中未采用插值方法，而这会导致数据较为稀疏，从而限制了长时序河流流量监测的可能。
5、专利2：一种基于gnss反射波的水流动态监测方法，该专利利用全球导航卫星系统（gnss）反射波数据对短时序的河宽数据进行插值，以合成具有长时间序列特征的河宽数据集。与本发明所提供的一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法，主要区别有：第一，机理不同，它通过gnss反射波对河宽数据进行插值，继而通过河宽对水位进行预测；第二，可达效果不同，河宽提取法无法用于人工河道，本技术专利法不依赖于河宽参数，可用于人工河道的跃变监测。另外，对比文件主要面向的是自然河道水位信息的获取。本技术专利对水位具体的跃变等级进行判断，实现目的不同。
6、因此，本专利采用对于粗糙度变化敏感的雷达后向散射系数的变化，来捕捉河道水位的涨落。这种方法不受河流宽度的限制，特别适用于剖面为垂直的人工河道，能够有效监测水流的跃变。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本发明公开了一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法，使其提供精细、近实时监测和早期水位预警信息；本发明不仅可以追踪洪水的形成过程，还能提前预警和及时应对灾害的发生，有效减少灾害带来的损失；为各种河道提供全天候、高准确性和及时性的动态特征描述，以更好地应对自然灾害频发的挑战。
2、技术方案：本发明提供一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法，包括：
3、步骤1：获取观测地点观测日期内雷达遥感影像数据；
4、步骤2：获取观测地点观测日期内基于全球卫星降水计划gpm数据集获取的降水数据，并将其插值处理到3km网格内；
5、步骤3：获取观测地点观测日期内基于第五代ecmwf大气再分析全球气候数据获取的风速数据；
6、步骤4：获取观测地点观测日期内全球30米srtm高程dem数据；
7、步骤5：对获取的雷达影像数据进行数据预处理，包括轨道校正、辐射定标、滤波、地形校正及分贝化预处理步骤；
8、步骤6：基于雷达遥感影像数据，以观测地点为中心，建立半径为500m的圆形缓冲区，并提取该范围内对应观测日期的雷达后向散射系数数据集；
9、步骤7：基于雷达后向散射系数数据集，结合日期生成雷达后向散射系数变化量数据集；
10、步骤8：获取观测地点观测日期内实测水位数据，根据所获取实测数据的平均值，最大值、最小值以及方差统计指标建立十个水位标签，其中包括涨水五级和落水五级；
11、步骤9：将所获取的时序遥感影像数据，进行对应的雷达后向散射系数变化量数据提取，结合获取的连续日期降水量数据对获取的雷达后向散射系数变化量数据集进行插值处理，得到具有连续日期的雷达后向散射系数变化量数据；
12、步骤10：将水文站实测对应日期水位标签信息，与插值后的基于卫星遥感影像所获取的雷达后向散射系数变化量数据、降水量数据、风速数据以及高程数据进行时空匹配；基于雷达后向散射系数变化量、降水量数据、风速数据、高程数据、日期、经度、纬度数据，以及所建立的十个水位标签，即涨水五级和落水五级，利用svm算法建立河流水位跃变分级模型；
13、步骤11：后续获取任意时刻雷达后向散射系数变化量、降水量数据、风速数据、高程数据、日期、经度及纬度数据，代入河流水位跃变分级模型以进行河流水位跃变的实时监测，得到实时的水位预警信息。
14、具体的，基于双线性插值的方法对gpm降水量数据进行处理，双线性插值的计算过程如下：
15、在一个二维网格中，假设有四个点的坐标和对应的数值：
16、q11 (x1, y1) --------- q21 (x2, y1)
17、| |
18、| |
19、| |
20、q12 (x1, y2) --------- q22 (x2, y2)
21、其中，q11、q21、q12、q22是四个已知点，它们在坐标轴上分别位于(x1, y1)、(x2,y1)、(x1, y2)、(x2, y2)处。
22、计算双线性插值的计算公式如下：
23、
24、其中，(x, y)是要进行插值的目标点的坐标，f(x, y)是该点的插值结果，f(q11)、f(q21)、f(q12)、f(q22)分别是四个已知点的函数值。
25、具体的，获取的某些日期d1 (年/月/日) 雷达遥感影像数据n个，需要进行辐射校正、大气定标一系列遥感图像预处理过程；
26、具体的，获取的雷达后向散射系数数据包括，观测地点中心坐标经纬度 {x, y}，以及观测点的雷达后向散射系数，雷达后向散射系数采用下列公式计算:
27、
28、其中,系统参数包括波长、入射角、极化方式，目标参数包括复介电常数、表面粗糙度、不均匀介质中的体散射系数。
29、基于此，本专利提出了一种与传统方法不同的水位信息提取方法。通常，水位的涨落判定是基于河流宽度的变化来决定的，这种方法主要适用于河道剖面非垂直的天然宽河道。然而，本专利采用的方法是通过雷达后向散射系数的变化来捕捉河道水位的涨落。这种方法不受河流宽度的限制，特别适用于剖面为垂直的人工河道，能够有效监测水流的跃变；
30、具体的，按照获取的雷达遥感影像数据时间d1(年/月/日) 顺序形成历史序列如下：
31、
32、其中，表示经纬度，表示 t1时间观测点的雷达后向散射系数, l表示观测时间序列的日期个数。
33、具体的，基于雷达后向散射系数数据集，结合日期生成雷达后向散射系数变化量数据集：
34、，
35、其中，表示经纬度，表示第个雷达后向散射系数变化量，
36、即
37、其中，l表示观测时间序列的日期个数，和均表示雷达后向散射系数数据集的时间序列数。
38、具体的，进行雷达后向散射系数变化量数据、降水量数据、风速数据以及高程数据的时空匹配，根据有雷达遥感影像数据的日期找到对应时间的降水量数据、风速数据以及高程数据，得到雷达后向散射系数变化量数据及其匹配降水量数据、风速数据以及高程数据，具体为：在雷达遥感影像日期d1日期中，查找日期d1所对应的降水量数据、风速数据以及高程数据，从而提取对应的雷达后向散射系数变化量数据、降水量数据、风速数据以及高程数据，即可获得n个d1日期的雷达后向散射系数变化量数据、降水量数据、风速数据以及高程数据。
39、具体的，水文站实测数据包括日期d2、水位，找到d2日期和d1日期的交集，获得d2日期对应雷达后向散射系数变化量数据、插值后的降水量数据、风速数据以及高程数据，并结合水文站所对应的经度和纬度数据，建立时空匹配后的日期、经度、纬度、雷达后向散射系数变化量、降水量数据、风速数据以及高程数据集；
40、具体的，通过svm算法建立河流水位跃变分级模型：首先，根据研究区实测水位平均值，以及最大最小水位，进行分级操作，分为涨水五级，落水五级，一共十个标签；其次，把所有的输入和标签对应起来进行训练和建模，即得到河流水位跃变分级模型；
41、具体的，对于l-n个遥感影像雷达后向散射系数变化量缺失的日期，采用缺失的降水量数据乘以前一日的雷达后向散射系数变化量进行离散或者连续的插值补足，得到l个具有连续日期d1的雷达后向散射系数变化量数据。
42、具体的，根据l个连续日期的雷达后向散射系数变化量数据值，结合连续时序的日期、经纬度、日均降水量数据、风速数据以及高程数据，和已建立的河流水位跃变分级模型，即可进行连续、高时空分辨率、近实时的水位标签信息的获取。
43、本发明的有益效果：
44、1、利用雷达后向散射系数变化可有效进行非自然河道水位变化的判别，同时可获取连续不间断长时间序列的水位变化信息，时间分辨率高;可以解决河道水位研究中的数据源受限，时间分辨率低和难以监测等问题。
45、2、通常，水位的涨落判定是基于河流宽度的变化来决定的，这种方法主要适用于河道剖面非垂直的天然宽河道;然而，本专利采用的方法是通过雷达后向散射系数的变化来捕捉河道水位的涨落。这种方法不受河流宽度的限制，特别适用于剖面为垂直的人工河道，能够有效监测水流的跃变。
46、3、本专利选择建立圆形缓冲区来提取雷达后向散射系数，相对于传统的方形缓冲区，使用圆形缓冲区可以保持分析区域的空间一致性，使得对于给定区域的后向散射特征能够更加统一和标准化。圆形缓冲区可以为数据分析提供具有更高空间均匀性的区域;由于圆形的几何特性，它能够提供一个等距的边界，从中心点向各个方向扩展的距离相等，有助于保持提取的后向散射系数的均一性，提高分析结果的可靠性。而传统的方形缓冲区，虽然同样可以围绕目标提供一个明确的界定区域，但由于角落区域较中心到边缘的距离较远，这可能在分析时引入了额外的变异性，导致在分析中包括更多不必要的背景信息，从而影响后向散射系数的计算和解释。
技术特征：
1.一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法，其特征在于，所述步骤1中确定观测地点，观测日期，获取对应日期和地点的雷达遥感卫星的原始数据。
3.根据权利要求1所述的一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法，其特征在于，所述步骤2中基于双线性插值的方法对gpm降水量数据进行处理，双线性插值的计算过程如下：
4.根据权利要求1所述的一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法，其特征在于，所述步骤6中获取的雷达后向散射系数数据包括观测地点中心坐标经纬度，以及观测点的雷达后向散射系数，雷达后向散射系数采用下列公式计算:其中,系统参数包括波长、入射角、极化方式，目标参数包括复介电常数、 表面粗糙度、不均匀介质中的体散射系数；
5.根据权利要求1所述的一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法，其特征在于，所述步骤7中基于雷达后向散射系数数据集，结合日期生成雷达后向散射系数变化量数据集：
6.根据权利要求1所述的一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法，其特征在于，所述步骤9：对于l-n个遥感影像雷达后向散射系数变化量缺失的日期，采用缺失日期对应的降水量数据变化率乘以前一日的雷达后向散射系数变化量进行离散或者连续的插值补足，得到l个具有连续日期d1的雷达后向散射系数变化量数据。
7.根据权利要求1所述的一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法，其特征在于，所述步骤10：根据有雷达遥感影像数据的日期找到对应时间的降水量数据、风速数据以及高程数据，得到雷达后向散射系数变化量数据及其匹配降水量数据、风速数据以及高程数据，具体为：在雷达遥感影像日期d1日期中，查找日期d1所对应的降水量数据、风速数据以及高程数据，从而提取对应的雷达后向散射系数变化量数据、降水量数据、风速数据以及高程数据，获得n个d1日期的雷达后向散射系数变化量数据、降水量数据、风速数据以及高程数据；水文站实测数据包括日期d2、水位，找到d2日期和d1日期的交集，获得d2日期对应雷达后向散射系数变化量数据、插值后的降水量数据、风速数据以及高程数据，并结合水文站所对应的经度和纬度数据，建立时空匹配后的日期、经度、纬度、雷达后向散射系数变化量、降水量数据、风速数据以及高程数据集。
8.根据权利要求1所述的一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法，其特征在于，所述步骤10中通过svm算法建立河流水位跃变分级模型,首先，根据研究区实测水位最大值、平均值以及方差统计指标，进行分级并赋予标签操作；其次，把所有的输入和标签对应起来进行训练和建模，得到河流水位跃变分级模型。
9.根据权利要求1所述的一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法，其特征在于，所述步骤11中根据l个连续日期的雷达后向散射系数变化量数据，结合连续时序的日期、经纬度、日均降水量数据、风速数据以及高程数据，和已建立的得到河流水位跃变分级模型，进行连续、高时空分辨率和近实时的水位跃变的监测和预警。
技术总结
本发明提供一种可用于人工河道的河流水位跃变监测方法，获取雷达遥感数据影像，建立圆形缓冲区进行雷达后向散射系数数据提取，建立雷达后向散射系数变化量数据集；利用GPM降水量数据对雷达后向散射系数变化量数据和进行插值处理，获取具有连续时序特征的雷达后向散射系数变化量和降水量数据集；基于所获取的高时间分辨率雷达后向散射系数变化量数据、插值后的降水量数据，以及已建立的十级水位标签，利用SVM算法建立河流水位跃变分级判别模型；后续获取任意时刻雷达后向散射系数等变量输入已训练模型，可实时获取河道水位涨落级别以及预警信息。本发明可以解决人工河道水位监测及预警研究中的数据源受限，时空分辨率低和难以判别等问题。
技术研发人员：贾燕,刘泉,肖智宇,朱奇,乐洋,杨立君,郭俊跃
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23