多源遥感水库蓄水量估算研究与系统实现

笔者利用数据同化技术，构建了多源遥感水域面积差异的定量函数关系；通过建立“多源遥感水库蓄水量估算”模型，估算出了水库的蓄水量；最后，设计并实现了一款多源遥感水库蓄水量估算系统。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景与意义
近年来，由于气候变化，极端天气增多，洪灾仍是给人类社会带来损失的最大自然灾害。据联合国减灾办公室的最新数据显示，仅 2018 年洪水给全世界3540 万人带来了财产损失，导致 2859 人死亡。在洪灾泛滥的另一面，一些区域又是干旱严重，淡水资源匮乏，不仅居民生活用水的压力增大，工业和农业的用水量也在激增[1]。为此，各国政府都采取了大量的应对措施，而水库作为其中一项积极的水利枢纽，有效地缓解了上述情况。水库具有拦截洪水、保障供水、调配水资源等作用，为社会经济发展和生态文明建设提供着不可忽略的助力。水库蓄水量是水库健康运行的重要指标之一，与区域的气候、湿度、降水等密切相关。因此，研究水库蓄水量对合理地保护和利用水资源以及制定相关政策十分必要[2]。
传统方法主要依靠人力到现场布设各种监测仪器来获取数据，通过绘制库区地图并将其分割成等高线、三角网等来达到对水域面积的提取，上述方法不仅耗费大量的人力、物力和财力，而且水域面积的测量精度受制图精度的影响较大。传统方法所利用的仪器也常常会因为天气恶劣和日常消耗而损坏，从而导致数据的缺失。单一遥感方法主要利用遥感技术对水库的一种参数进行提取，其它参数则采用现场调查的方式获取，这种方法研究手段单一，在同一时期，获取的可用遥感数据少，精度相对较低，而对于国土面积辽阔，水库分布零散的我国而言，并不是所有的水库都适合到现场开展调查，例如青藏高原，由于海拔高、气候恶劣、地形地貌复杂等原因，会在一定时期造成人类难以到达的无人区，使之不宜开展现场调查。
........................

1.2 国内外研究现状
本文主要从星载 RA 提取水库水位研究现状、遥感影像提取水库水域面积研究现状和水库蓄水量估算系统研究现状三个方面进行介绍。
1.2.1 星载雷达高度计提取水库水位研究现状
上个世纪 70 年代，美国首先发射搭载 RA 的卫星，开启了人类在太空对大地和海洋的测量[5]。1973 年，第一颗测高卫星 SKYLAB 的精度就达到了 1 米；1978 年，第一颗 SAR 卫星 SEASAT 的测高精度优于 10 厘米；1985 年，利用GEOSAT 测高卫星第一次得到了全球范围内重力场的分布图，标志着 RA 进入技术成熟期。欧空局于 1991 年开始相继发射了 ERS 等测高卫星，我国于 2011 年发射了 HY-2A 测高卫星，2013 年法国和印度联合发射了一颗 SARAL 测高卫星[6]。至此，RA 逐步从传统的大足迹过渡到合成孔径的小足迹，从单频发展到多频，减少了测量误差，提高了测量精度。
相较于上个世纪 70 年代已有的 RA 技术，其在内陆水域的应用研究则起步稍晚，始于上个世纪 80 年代末。下面对国内外学者的研究进行简要介绍。
1995 年，文献[7]利用 RA 数据提取全球 21 个内陆水域的水位，均方根误差达到 4 厘米，其精度标志 RA 在水库的水位提取上进入高精度时代。2011 年，文献[8]采用 RA 提取了全球 34 个水库的水位，并结合星载 MSI 遥感影像提取的水域面积，对水库蓄水量进行了反演，得到蓄水量的相对误差为 4%。2013 年，文献[9]基于 ICESat RA 对我国最大的 10 个湖泊进行水位监测，并结合 Landsat 遥感数据进行蓄水量反演，得出北方干旱和半干旱地区水库水位和蓄水量均呈下降趋势，而长江流域中下游呈现季节性变化的结论。2015年，文献[10]利用CryoSat-2RA 对青藏高原纳木错湖进行水位监测，通过与实测水位数据对比，其平均误差为-0.12 米，均方根误差为 0.18 米。2018 年，文献[11]利用 LEGOS RA 和 MODISMSI 影像基于“水位-水域面积”关系曲线反演了 2001-2016 年青海湖的蓄水量，得出降水增加和蒸发减少是青海湖蓄水量增加的主要驱动因子的结论。
..........................

第 2 章 多源遥感基础理论研究

2.1 多源遥感基础理论
2.1.1 星载 RA 测高原理
星载 RA 是指搭载在卫星上以发射和接收电磁波来测量其到目标物体之间距离的传感器。其原理是从卫星上向其星下点垂直发射压缩脉冲信号，脉冲信号穿过云层到达地面后，再次反射到卫星并被传感器接收，通过计算发射时间与接收时间间隔计算出卫星到地面的距离[6]，如图 2-1 所示是 RA 脉冲与地面交互图。

...........................

2.2 遥感影像预处理
遥感影像进行预处理后才能应用到实际研究中[42]。星载 MSI 影像一般需要进行辐射定标和大气校正等操作；星载 SAR 影像的预处理步骤有辐射定标、多视处理、斑点滤波和几何校正等。
2.2.1 MSI 影像预处理
MSI 影像预处理中的辐射定标和大气校正又统称为辐射校正。辐射校正的目的是修正影像中失真的像元亮度，像元亮度失真的原因包括大气干扰、太阳因高度和位置不同对传感器造成干扰、地形变化造成辐射强度的变化、传感器性能的差异和影像处理时造成像元亮度的失真等[43]。
水库蓄水量模型是相关研究人员为了快速、准确地估算水库的蓄水量而建立的数学模型[49, 50]。水库一般可以分为湖泊型水库和河流型水库，湖泊型水库的特征是水域面积宽广，水体流动平缓，其各部分的水面基本保持在同一个高度；河流型水库的特征是水库形体狭长，过水面积较小，而水体流动较快，其入库区与出库区的水位存在着明显落差，这使得整个水库会频繁地淹没四周的消落区。
根据以上两者的特征，又可以把湖泊型水库看作是静库容水库，把河流型水库看作是静库容与动库容之和的水库。其中，河流型水库蓄水量的估算较为复杂，早期的方法难以准确地估算其动库容的蓄水量，而研究的关键就在于能否更加准确地估算河流型水库的动库容。本文在查找文献和资料的基础上，对主流的、经典的水库蓄水量估算模型进行了分类研究，分为水文公式法、数据同化法、累加法、均值法和积分法五种模型。在实际运用中，上述模型既可单独使用，亦可联合使用。
...............................

第 3 章 多源遥感水库蓄水量估算研究 ..........................23
3.1 研究区域与实验数据概况.............................23
3.1.1 研究区域 ..............................23
3.1.2 实验数据 .............................24
第 4 章 多源遥感水库蓄水量估算系统的设计与实现..........................46
4.1 系统设计.................................46
4.1.1 系统框架设计............................46
4.1.2 系统流程设计...........................47
第 5 章 总结与展望.........................66
5.1 总结.......................67
5.2 展望..........................68

第 4 章 多源遥感水库蓄水量估算系统的设计与实现

4.1 系统设计
多源遥感水库蓄水量估算系统主要包含数据管理、数据处理和结果展示三个功能模块，在后台数据库的支持下，通过数据输入、数据处理和结果展示等流程，实现基于多源遥感数据的水库蓄水量估算功能。本节主要介绍该系统的系统框架、系统流程和数据库等设计过程，为系统最终实现奠定基础。
4.1.1 系统框架设计
本系统主要目的是方便用户及时掌握水库的运行状态，除了能够获取水库的蓄水量之外，还能获得水库的水位和水域面积等，为此，本系统分为了数据管理、数据处理和结果展示三个模块，系统功能模块结构图如图 4-1 所示。
（1）数据管理模块
本模块主要包括水文数据管理、遥感数据管理和模型管理等功能。水文数据管理主要是记录水文站的实测数据，遥感数据管理是 RA 数据、MSI 影像数据和SAR 影像数据的上传、检索、查找以及处理后的下载与删除等，模型管理是对系统内各模型进行增加、删除和修改。
（2）数据处理模块
本模块主要实现各种数据处理功能，包括利用 RA 算法提取遥测水位；利用水陆分割算法对预处理过的 SAR 影像和 MSI 影像进行水陆分割，从而得到水体轮廓；调用面积统计算法计算具体的水域面积值；结合遥测水位、水域面积、标准蓄水量，建立蓄水量估算模型，并估算具体蓄水量。

...........................

第 5 章 总结与展望

5.1 总结
本文针对目前估算水库蓄水量的现状和不足，提出采用多源遥感的方式对水库参数进行提取，在验证所提取水域面积的精度后，利用数据同化技术，构建了多源遥感水域面积差异的定量函数关系；通过建立“多源遥感水库蓄水量估算”模型，估算出了水库的蓄水量；最后，设计并实现了一款多源遥感水库蓄水量估算系统。本文所做工作总结如下：
（1）多源遥感影像水库参数提取研究
在多完成多源遥感数据进行预处理之后，结合 RA 算法，提取水库的遥测水位和实测水位，与实测水位相比，遥测水位 R2=0.9998，RMSE=0.0933，说明遥测水位与实测水位具有较高的一致性；结合水陆分割算法和面积统计算法，提取水域面积，其准确率分别为 0.9895、0.9795，Kappa 系数分别为 0.9489、0.9167，说明提取的水域面积具有较高的精度，水库轮廓的细节也得到了较好的保留。
（2）多源遥感影像水域面积同化研究
星载 MSI 影像和星载 SAR 影像属于异源传感器影像，两者具有不同的成像机理。对于同一观测区域，两者获取影像的地物目标特性存在明显的差异，无法使用相同的方法提取水域面积；同时，异源影像不同的反射率，会导致两种遥感影像所提取的水域面积具有一定的差异。本文依据两种遥感影像的特点，利用相关算法分别提取了它们的水域面积，并对其精度进行了定量分析。另外，基于数据同化技术，构建了两者水域面积差异的四次多项式函数关系，以 SAR影像为基准，修正了水域面积的差异。
（3）多源遥感水库蓄水量估算研究
对多源遥感数据进行预处理，提取随时间变化的水位和水域面积信息。基于数据同化技术，建立水位与水域面积、水域面积与蓄水量的定量函数关系，从而获得水位与水库蓄水量的定量估算模型。最后，以“全国水雨情网”公布的标准蓄水量为参考，评估该模型的估算精度。实验结果显示，所提模型估算的蓄水量 R2为 0.99，RMSE 为 1.055，相对误差控制在 1%以内，表明所提模型估算的蓄水量具有较高精度，能够真实地反映水库蓄水量的变化情况。
参考文献（略）