阅读说明：本技术 无地面水文数据支持的水库蓄水变化量遥感监测方法 (Reservoir storage variation remote sensing monitoring method without ground hydrological data support ) 是由 俞雷 郗晓菲 张薇 姚勇航 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了无地面水文数据支持的水库蓄水变化量遥感监测方法,属于遥感图像应用领域。首先光学遥感卫星和合成孔径雷达遥感卫星获取监测水库图像,并进行处理。然后利用GIS技术提取水库水体面积,根据水库经纬度位置,获取数字高程模型DEM数据,读取DEM数据的最大值和最小值,以高程最小值为基准,按照1米的间隔计算高程差值,作为有效水位值的区间。最后采用Arcmap软件,输入区间内的各有效水位值,利用GIS技术计算水体面积。利用Matlab软件对不同水位值和对应水体面积进行二阶拟合,求解二阶系数。根据棱台模型,按照需要选择遥感数对应的两个时相,计算两个时相间水库蓄水量的变化值V。本发明突破了原有技术的限制,发挥了遥感数据的优势。(The invention discloses a reservoir storage variation remote sensing monitoring method without ground hydrological data support, and belongs to the field of remote sensing image application. Firstly, an optical remote sensing satellite and a synthetic aperture radar remote sensing satellite acquire and monitor reservoir images and process the reservoir images. And then extracting the water body area of the reservoir by using a GIS technology, acquiring digital elevation model DEM data according to the longitude and latitude positions of the reservoir, reading the maximum value and the minimum value of the DEM data, and calculating an elevation difference value according to an interval of 1 meter by taking the elevation minimum value as a reference to be used as an interval of an effective water level value. And finally, inputting each effective water level value in the interval by adopting Arcmap software, and calculating the water area by utilizing a GIS technology. And carrying out second-order fitting on different water level values and corresponding water areas by using Matlab software, and solving a second-order coefficient. And according to the prism table model, selecting two time phases corresponding to the remote sensing number as required, and calculating the change value V of the reservoir water storage capacity between the two time phases. The invention breaks through the limitation of the prior art and exerts the advantages of remote sensing data.)

无地面水文数据支持的水库蓄水变化量遥感监测方法

技术领域

本发明属于遥感图像应用领域，具体涉及一种无地面水文数据支持的水库蓄水变化量遥感监测方法。

背景技术

水库和湖泊是地表水体的主要存在形式，它既是一个自然综合体，又是一个经济综合体，具有多方面的功能，如调节河川径流、防洪、供水、灌溉、发电、养殖、航运、旅游以及改善环境等，具有重要的社会、经济和生态意义。

据水利部数据统计，2017年，我国已建成各类水库98795座，总库容达9035亿立方米。然而我国大部分的中小型水库缺乏直接、客观的水文监测设备，不具备地面水文数据条件，从而给当地的水资源调度和管理带来了困难。同时水力发电具备可再生、可调节和洁净等多种优势，目前全世界水利发电量占所有发电量总和的19％，有62个国家依靠水电为其提供40％以上的能源。而水库蓄水变化量将能够直观的反应水电站运行状态，间接体现当地的电力供应情况。同时水库通过调节蓄水量，能够保障防洪安全、供水安全、粮食安全和生态安全，但是在国际流域内的各个国家之间，特别是在发展中国家之间，并不能分享近实时水库蓄水量变化信息。因此及时掌握全球水库蓄水量的变化具有重要的意义。

卫星遥感信息具有周期性、宏观性和现势性等特点，因此，运用遥感技术进行水库水资源的监测，有着快速、同步对比和实时性等优势。传统求取水库库容的方法是依托于测绘手段，通过对水底地形成图，结合水位合成三维信息，并计算库容生成库容曲线。后续通过地面水文设备获取水库某时刻的水位，利用水库固有的“库容曲线”，并以此推算实际库容。而基于遥感的水库库容监测方法主要是利用地面水文观测数据、卫星遥感影像计算水库面积以及高程数据，通过建立面积-库容模型，完成水库库容测算。

这两种方法都需要获取地面的水文信息，对于缺乏水文观测数据的情况，则很难求取库容，计算水库蓄水变化量。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种水库蓄水变化量的监测方法，在无地面水文数据的情况下，利用卫星遥感图像和DEM数据，准确提取水库两个时间段内的水量变化；具体是一种无地面水文数据支持的水库蓄水变化量遥感监测方法。

所述方法包括如下步骤：

步骤一、利用光学遥感卫星和合成孔径雷达遥感卫星对某监测水库进行检测，获取若干监测图像，并对各图像分别进行处理。

对光学遥感卫星采集的遥感图像进行大气校正和正射校正处理；

对雷达遥感卫星采集的遥感图像进行正射校正处理。

步骤二、在经过处理后的遥感图像中利用GIS技术提取水库水体面积S_RS。

具体为：利用GIS软件进行人工解译，在每张遥感图像上勾画水体图斑矢量，从而获取各个时间点的水体的面积。

步骤三、根据水库经纬度位置，获取对应区域范围内的数字高程模型DEM数据。

步骤四、根据该水库区域范围，对DEM数据进行裁切，确保DEM数据完整覆盖该水库区域范围。

步骤五、读取DEM数据的最大值和最小值，以高程最小值为基准，按照1米的间隔计算高程差值，从而作为有效水位值的区间。

步骤六、采用Arcmap软件，输入区间内的各有效水位值，利用GIS技术计算各水位值对应的淹没面积，即水体面积S。

水体面积S的取值范围要覆盖遥感图像提取的水库水体面积S_RS值的范围。

步骤七、利用Matlab软件对不同水位值和对应水体面积S进行二阶拟合，根据拟合的二次函数求解二阶系数。

二阶拟合的函数关系式为：S＝a*h²+b*h+c

a、b、c分别为二阶系数；h为确定的有效水位值。

步骤八、根据棱台模型，按照需要选择遥感数对应的两个时相，分别提取对应的遥感图像的水库面积S_RS1和S_RS2，计算两个时相的水位间的水体积，即两个时相间水库蓄水量的变化值V；

计算公式如下：

本发明的优点在于：

1)、一种无地面水文数据支持的水库蓄水变化量遥感监测方法，基于卫星遥感图像和DEM数据，构建了水库蓄水量变化和水体面积的数学模型关系，通过测量遥感图像中水库水体面积，得到遥感图像对应两个时间内水库蓄水量的变化情况，从而突破了原有技术依靠地面水文数据的限制，充分发挥了遥感数据的优势。

2)、一种无地面水文数据支持的水库蓄水变化量遥感监测方法，可以快速实现全球主要水体的水量变化监测分析，从而获取各国水资源情况，对于掌握各国的农业生产、洪涝/干旱灾害和水电力供应等战略信息具有重要意义。

附图说明

图1为本发明无地面水文数据支持的水库蓄水变化量遥感监测方法流程示意图；

图2为本发明实例中针对浙江梁辉水库，利用本方法计算结果和实际的浙江梁辉水库水文数据的蓄水变化量结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明所述的无地面水文数据支持的水库蓄水变化量遥感监测方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：、利用光学遥感卫星和合成孔径雷达遥感卫星对某监测水库进行检测，获取若干监测图像，并对各图像分别进行处理。

根据目前遥感卫星数据的特点和数据获取时间等情况，结合监测要求和遥感数据成本，合理选择遥感数据源，要求卫星单次成像的数据能够全覆盖监测水库范围。

遥感数据源包括光学遥感卫星和合成孔径雷达遥感卫星数据。

根据获取的遥感数据产品等级，对遥感数据进行处理：对光学遥感卫星采集的遥感图像主要进行大气校正和正射校正处理，对雷达遥感卫星采集的遥感图像进行正射校正处理。

步骤二、在经过处理后的遥感图像中利用GIS技术提取水库水体面积S_RS。

直接利用GIS软件进行人工解译，在每张遥感图像上勾画水体图斑矢量，从而获取水体的面积。在遥感数据量较大的情况下，可以利用计算机辅助进行水体的自动分类处理，然后再进行人工作业。通常对于多光谱光学遥感图像采用归一化水体指数NDWI进行水体提取；合成孔径雷达遥感图像采用阈值分割的方法进行水体提取；多极化合成孔径雷达遥感图像还可以采用极化分割的方法提取水体。

步骤三、根据水库经纬度位置，获取对应区域范围内的数字高程模型DEM数据。

获取的数据包括：采用NASA发布的航天飞机雷达地形测绘使命SRTM(ShuttleRadar Topography Mission)的30米高程数据或者日本发布的ALOS World 3D的30米高程数据，也可以采用更高精度的其它DEM数据。

步骤四、根据监测水库区域范围，对DEM数据进行裁切，确保DEM数据完整覆盖监测水库区域范围。

步骤五、读取DEM数据的最大值和最小值，以高程最小值为基准，按照1米的间隔计算高程差值h，即水位值。

有效水位值的取值范围根据水库和裁切的DEM数据情况来选取，通常水位最小值为5-10米，水位最大值要比DEM高程最大值和最小值的差小10米以上。

步骤六、基于DEM数据，采用Arcmap软件里的面积与体积统计工具，输入区间内的各有效水位值，利用GIS技术计算各水位值对应的淹没面积，即水体面积S。

进行拟合的水体面积S的取值范围要覆盖遥感图像提取的水库水体面积S_RS值的范围。

步骤七、利用Matlab软件里的polyfit函数，对不同水位值和对应水体面积S进行二阶拟合，根据拟合的二次函数求解二阶系数a、b、c。

建立水位值h和对应水体面积S的二次函数关系：S＝a*h²+b*h+c。

根据函数关系，求解二次方程得到根据有效水位值区间确定h关于S的正确解。

步骤八、根据棱台模型，按照需要选择遥感数对应的两个时相，分别提取两个时相对应的遥感图像的水库面积S_RS1和S_RS2，计算两个时相的水位间的水体积，即两个时相间水库蓄水量的变化值V：

实施例

下面选取我国浙江的梁辉水库为例，对本发明提供的无地面水文数据支持的水库蓄水变化量遥感监测方法进行说明。

在处理过程中，选取了5个时间点的合成孔径雷达遥感卫星采集的图像数据，利用30米的SRTM数据进行了正射校正处理；利用GIS技术手工进行了水库水体图斑面积的勾勒，从而获得各个时间点的水体面积；利用高程数据，通过GIS技术建立水位值h和水体面积S的二次函数关系：S＝-0.1883*h²+8.7962*h+60.3299；将遥感图像提取的水体面积和二次函数系数带入数学模型对水库蓄水变化量进行计算，分别得到两个时相蓄水变化量。最后根据当地水文气象部门提供的这5个时间点的水库水位和库容等水文数据，计算实际的水库蓄水变化量，并将两者进行对比，得到如图2所示的图像。

表1为梁辉水库蓄水变化量结果

上述实例的结果说明利用本发明提出的方法，计算的水库蓄水变化量能够较为准确的反映水库水文信息给出的蓄水变化量的情况，且两者具有较好的相关性。该方法突破了原有获取水库蓄水变化量的模式，建立了基于遥感图像和DEM的水库蓄水变化量的数学模型，为全球范围水资源的监测提供了有效的技术支撑，具有较好的实用价值。