CN105894741A - 一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置及方法，包括水文实况模块、流量预报模块、天气预报模块、雷达分析模块、预报融合模块和产品显示与预警发布模块。方法为1)水文实况模块读取监测点数据并监测；2)天气预报模块读取输入数据及参数，进行气象模式预报；3)流量预报模块根据气象模式预报和水文实况模块提供的监测点数据，进行流量预报；4)雷达分析模块读取雷达基本数据并进行估测降水与光流法外推；5)预报融合模融合流量预报模块和雷达分析模块的信息并输出；6)产品显示与预警发布模块完成产品显示与预警发布。既考虑了雷达外推预报在预报降水***位置方面的准确性，又考虑了数值模式预报的能力，避免了单个方法的局限性。

Description

一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置及方法
技术领域
本发明涉及气象灾害预警领域，具体涉及一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置及方法。
背景技术
基于观测降水的传统水文预报方法无法满足洪水预报与防洪减灾的要求，随着数值模式预报的发展，利用数值预报的定量降水产品，能够提高洪水预报的精度。但存在的问题是，洪水预报过于依赖气象模式的定量降水产品，定量降水产品的微小误差，如降水中心位置和雨量等，会导致流量预报的巨大误差。而定量降水产品的准确率除了取决于模式动力框架，还取决于资料同化。从目前来看，模式动力框架和资料同化都有很大的改进空间，解决这些问题，成为现有技术发展的方向。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置及方法，通过将雷达外推技术与洪水预报技术的结合，解决了现有技术的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置，其特征在于，包括水文实况模块、流量预报模块、天气预报模块、雷达分析模块、预报融合模块和产品显示与预警发布模块；
所述水文实况模块和天气预报模块分别接入流量预报模块输入端；所述流量预报模块输出端和雷达分析模块输出端分别接入预报融合模块；所述预报融合模块输出端接入产品显示与预警模块。
进一步的，水文实况模块包括河道监测子模块和雨量检测子模块，该两个子模块的输出端作为水文实况模块的输入端；所述河道监测子模块采集河道的水情信息，所述雨量检测子模块采集雨情实况数据；所述水文实况模块实现水量报警。
进一步的，所述天气预报模块包括GFS气象预报子模块和实时天气子模块。
进一步的，所诉雷达分析模块包括实时雷达信息子模块、雷达光流分析子模块和人工权重分配子模块；所述雷达信息子模块输出端分为两路，一路接入雷达光流分析子模块输入端，另一路接入人工权重分配子模块输入端；所述雷达光流分析子模块输出端连接人工权重分配子模块输入端；所述人工权重分配子模块输出端作为雷达分析模块输出端。
进一步的，所述预报融合模块用于获得融合后流量的时间分布情况和空间分布情况。
进一步的，所述产品显示与预警发布模块包括产品显示子模块和预警发布子模块。
一种多资源融合的洪水灾害监测预警方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)水文实况模块读取监测点数据并监测；
2)天气预报模块读取输入数据及参数，进行气象模式预报；
3)流量预报模块根据气象模式预报和水文实况模块提供的监测点数据，进行流量预报；
4)雷达分析模块读取雷达基本数据并进行估测降水与光流法外推；
5)预报融合模融合流量预报模块和雷达分析模块的信息并输出；
6)产品显示与预警发布模块完成产品显示与预警发布。
进一步的，步骤1)中，所述水文实况模块通过对采集数据库的读写操作，对采集数据库中的水情信息和雨情实况数据进行解码显示，当实时水位或降雨量超出设定的警戒水位时自动报警；
步骤2)中，所述输入数据及参数作为天气预报模块的初始场和边界条件，包括GFS气象预报子模块提供的GFS格点数据和实时天气子模块提供的本地天气资料；每天北京时10点和16点定时自动下载输入数据及参数，并在下载完毕后配置预报模式参数，所述预报模式参数选取15km和5km的两层嵌套，垂直分辨率为27层，顶层气压为50hPa，积分时间步长为60s，结果为每小时输出一次；得到降水预报值；
步骤3)中，所述流量预报模块提取天气预报模块中的降水预报值，采用算术平均法或泰森多边形法计算降水的面雨量，若降水序列的预报流量达到关注流域警戒水位流量的75％，判定该流域达到发生洪水的气象风险值，输出流量预报值；
步骤4)中，所述雷达分析模块根据预先设定的计划任务时间，根据预先设定的计划任务时间，实时雷达信息子模块主动获取气象数据文件，并将气象数据文件分类存放到***存储区中；并进行雷达基数据解码、光流法外推算法的执行，输出关注流域的未来0-2小时雷达外推降水值；
步骤5)中，预报融合模块首先根据预先设定的权重分配参数，确定雷达外推降水值的权重系数，然后读取步骤3)获得的中流量预报值，通过融合公式计算，生成融合值，获得融合后流量的时间分布情况和空间分布情况；
步骤6)中，通过步骤5)得出的流量的时间分布情况和空间分布情况进行预警判断，若无预警信息，进入常规检测状态，返回步骤1)，进入水文实况模块进行实况检测；若有预警信息，则调用预警计划及方案，并根据预警方案的级别进行预警信息的发布。
进一步的，所述步骤4)中，通过计算索贝尔算子计算每一格点数据的x，y方向的梯度以及由连续两个时次同一坐标的数据相减而得的时间差分；按照光流法的迭代方程求解各个格点的运动矢量，进行强对流识别外推；当外推出关注流域内有出现强对流天气时，输出关注流域的未来0-2小时降水趋势为雷达外推降水值。
进一步的，所述步骤5)中，所述融合公式为：f(t)＝x·e(1-t)+wy·[1-e(1-t)]
式中：
t为预报时间；
x为流量预报值，若未超出流量正常值，则x＝0；
w为气象预报主观订正的权重因子；
y代表与x相应区域内的雷达分析的降水趋势。
有益效果：本发明提供的一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置及方法，重视雷达外推算法的信息和主观订正因子，将气象预报模型、水文模型以及雷达外推等产品，通过融合公式产生融合产品，弥补了传统预报方法的不足，实现了更精确的逼近真解,提高洪水预报的准确率。既考虑了雷达外推预报在预报降水***位置方面的准确性,又考虑了数值模式预报的能力,避免了单个方法的局限性。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置，其特征在于，包括水文实况模块1、流量预报模块2、天气预报模块3、雷达分析模块4、预报融合模块5和产品显示与预警发布模块6；
所述水文实况模块和天气预报模块分别接入流量预报模块输入端；所述流量预报模块输出端和雷达分析模块输出端分别接入预报融合模块；所述预报融合模块输出端接入产品显示与预警模块。
水文实况模块包括河道监测子模块和雨量检测子模块，该两个子模块的输出端作为水文实况模块的输出端；所述河道监测子模块采集河道的水情信息，所述雨量检测子模块采集雨情实况数据，并在河道水情超过警戒或者雨量检测站的雨情超过警戒时，发出报警。
所述天气预报模块包括GFS气象预报子模块和实时天气子模块。本发明中，GFS资料为美国国家环境预测中心提供的GFS资料，为格点数据信息；实时天气子模块提供本地的站点数据信息。
所诉雷达分析模块包括实时雷达信息子模块、雷达光流分析子模块和人工权重分配子模块；所述雷达信息子模块输出端分为两路，一路接入雷达光流分析子模块输入端，另一路接入人工权重分配子模块输入端；所述雷达光流分析子模块输出端连接人工权重分配子模块输入端；所述人工权重分配子模块输出端作为雷达分析模块输出端。
所述预报融合模块按照一种多资源融合的洪水灾害监测预警方法，获得融合后流量的时间分布情况和空间分布情况；
所述产品显示与预警发布模块包括产品显示子模块和预警发布子模块两个部分。
一种多资源融合的洪水灾害监测预警方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：选取一块区域，作为关注流域，记录区域的面积、河道数量，沿河道等间隔设置河道监测子模块的监测点；在关注流域内均匀设置雨量检测站子模块的监测点。
1)水文实况模块读取监测点数据并监测；
水文实况模块包括河道监测子模块和雨量检测子模块两个子模块。其中，河道监测子模块将部署在河道重点区域水位计的水位变化信息进行采集并通过网络传至采集数据库；雨量检测子模块将各个雨量观测站点的降雨量信息进行采集并通过网络传至采集数据库。
在水文实况模块中，采集数据库用于存放河道监测子模块和雨量检测子模块的采集数据。水文实况模块主要负责通过对采集数据库的读写操作，对采集数据库中的水情信息和雨情实况数据进行解码显示，以及当实时水位或降雨量超出设定的警戒水位、危险水位时自动报警。
2)天气预报模块读取输入数据及参数，进行气象模式预报；
所述输入数据及参数作为天气预报模块的初始场和边界条件，包括GFS气象预报子模块提供的GFS格点数据和实时天气子模块提供的本地天气资料；每天北京时10点和16点定时自动下载输入数据及参数，并在下载完毕后配置预报模式参数，所述预报模式参数选取15km和5km的两层嵌套，垂直分辨率为27层，顶层气压为50hPa，积分时间步长为60s，结果为每小时输出一次；得到降水预报值；
3)流量预报模块根据气象模式预报和水文实况模块提供的监测点数据，进行流量预报；
所述流量预报模块提取天气预报模块中的降水预报值，采用算术平均法或泰森多边形法计算降水的面雨量，若降水序列的预报流量达到关注流域警戒水位流量的75％，判定该流域达到发生洪水的气象风险值，输出流量预报值；
4)雷达分析模块读取雷达基本数据并进行估测降水与光流法外推；
所述雷达分析模块根据预先设定的计划任务时间，根据预先设定的计划任务时间，实时雷达信息模块主动获取气象数据文件，并将气象数据文件分类存放到***存储区中；并进行雷达基数据解码、光流法外推算法的执行，输出关注流域的未来0-2小时雷达外推降水值；
具体的，通过计算索贝尔算子计算每一格点数据的x，y方向的梯度以及由连续两个时次同一坐标的数据相减而得的时间差分；按照光流法的迭代方程求解各个格点的运动矢量，进行强对流识别外推；当外推出关注流域内有出现强对流天气时，输出关注流域的未来0-2小时降水趋势为雷达外推降水值。
5)预报融合模融合流量预报模块和雷达分析模块的信息并输出；
预报融合模块首先根据预先设定的权重分配参数，确定雷达外推降水值的权重系数，然后读取步骤3)获得的中流量预报值，通过融合公式计算，生成融合值，获得融合后流量的时间分布情况和空间分布情况；将f(x)进行图形绘制，以填色图和曲线图的形式进行数据展示。
所述融合公式为：f(t)＝x·e(1-t)+wy·[1-e(1-t)]
式中：
t为预报时间；
x为流量预报值，若未超出流量正常值，则x＝0；
w为气象预报主观订正的权重因子；
y代表与x相应区域内的雷达分析的降水趋势。
6)产品显示与预警发布模块完成产品显示与预警发布；
通过步骤5)得出的流量的时间分布情况和空间分布情况通过产品显示子模块来展示步骤5)的结论；业务人员可以通过步骤5)得出的流量的时间分布情况和空间分布情况进行预警判断，若无预警信息，进入常规检测状态，返回步骤1)，进入水文实况模块进行实况检测；若有预警信息，则调用预警计划及方案，并根据预警方案的级别进行预警信息的发布。
基于一种多资源融合的洪水灾害监测预警方法开展洪水样本预警试验，对某站两次洪水过程进行预报，对比实况发现，对于实际发生山洪的洪水场次能正确预警，且在河道实测流量达到安全泄量之前3～6h就已发出了预警，为山洪抢险提供了3～6h的响应时间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置，其特征在于，包括水文实况模块(1)、流量预报模块(2)、天气预报模块(3)、雷达分析模块(4)、预报融合模块(5)和产品显示与预警发布模块(6)；
所述水文实况模块和天气预报模块分别接入流量预报模块输入端；所述流量预报模块输出端和雷达分析模块输出端分别接入预报融合模块；所述预报融合模块输出端接入产品显示与预警模块。
2.如权利要求1所述的一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置，其特征在于，水文实况模块包括河道监测子模块和雨量检测子模块，该两个子模块的输出端作为水文实况模块的输入端；所述河道监测子模块采集河道的水情信息，所述雨量检测子模块采集雨情实况数据；所述水文实况模块实现水量报警。
3.如权利要求1所述的一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置，其特征在于，所述天气预报模块包括GFS气象预报子模块和实时天气子模块。
4.如权利要求1所述的一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置，其特征在于，所诉雷达分析模块包括实时雷达信息子模块、雷达光流分析子模块和人工权重分配子模块；所述雷达信息子模块输出端分为两路，一路接入雷达光流分析子模块输入端，另一路接入人工权重分配子模块输入端；所述雷达光流分析子模块输出端连接人工权重分配子模块输入端；所述人工权重分配子模块输出端作为雷达分析模块输出端。
5.如权利要求1所述的一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置，其特征在于，所述预报融合模块用于获得融合后流量的时间分布情况和空间分布情况。
6.如权利要求1所述的一种多资源融合的洪水灾害监测预警装置，其特征在于，所述产品显示与预警发布模块包括产品显示子模块和预警发布子模块。
7.一种多资源融合的洪水灾害监测预警方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)水文实况模块读取监测点数据并监测；
2)天气预报模块读取输入数据及参数，进行气象模式预报；
3)流量预报模块根据气象模式预报和水文实况模块提供的监测点数据，进行流量预报；
4)雷达分析模块读取雷达基本数据并进行估测降水与光流法外推；
5)预报融合模融合流量预报模块和雷达分析模块的信息并输出；
6)产品显示与预警发布模块完成产品显示与预警发布。
8.如权利要求7所述的一种多资源融合的洪水灾害监测预警方法，其特征在于，
步骤1)中，所述水文实况模块通过对采集数据库的读写操作，对采集数据库中的水情信息和雨情实况数据进行解码显示，当实时水位或降雨量超出设定的警戒水位时自动报警；
步骤2)中，所述输入数据及参数作为天气预报模块的初始场和边界条件，包括GFS气象预报子模块提供的GFS格点数据和实时天气子模块提供的本地天气资料；每天北京时10点和16点定时自动下载输入数据及参数，并在下载完毕后配置预报模式参数，所述预报模式参数选取15km和5km的两层嵌套，垂直分辨率为27层，顶层气压为50hPa，积分时间步长为60s，结果为每小时输出一次；得到降水预报值；
步骤3)中，所述流量预报模块提取天气预报模块中的降水预报值，采用算术平均法或泰森多边形法计算降水的面雨量，若降水序列的预报流量达到关注流域警戒水位流量的75％，判定该流域达到发生洪水的气象风险值，输出流量预报值；
步骤4)中，所述雷达分析模块根据预先设定的计划任务时间，根据预先设定的计划任务时间，实时雷达信息子模块主动获取气象数据文件，并将气象数据文件分类存放到***存储区中；并进行雷达基数据解码、光流法外推算法的执行，输出关注流域的未来0-2小时雷达外推降水值；
步骤5)中，预报融合模块首先根据预先设定的权重分配参数，确定雷达外推降水值的权重系数，然后读取步骤3)获得的中流量预报值，通过融合公式计算，生成融合值，获得融合后流量的时间分布情况和空间分布情况；
步骤6)中，通过步骤5)得出的流量的时间分布情况和空间分布情况进行预警判断，若无预警信息，进入常规检测状态，返回步骤1)，进入水文实况模块进行实况检测；若有预警信息，则调用预警计划及方案，并根据预警方案的级别进行预警信息的发布。
9.如权利要求7所述的一种多资源融合的洪水灾害监测预警方法，其特征在于，所述步骤4)中，通过计算索贝尔算子计算每一格点数据的x，y方向的梯度以及由连续两个时次同一坐标的数据相减而得的时间差分；按照光流法的迭代方程求解各个格点的运动矢量，进行强对流识别外推；当外推出关注流域内有出现强对流天气时，输出关注流域的未来0-2小时降水趋势为雷达外推降水值。
10.如权利要求7所述的一种多资源融合的洪水灾害监测预警方法，其特征在于，所述步骤5)中，所述融合公式为：f(t)＝x·e(1-t)+wy·[1-e(1-t)]
式中：
t为预报时间；
x为流量预报值，若未超出流量正常值，则x＝0；
w为气象预报主观订正的权重因子；
y代表与x相应区域内的雷达分析的降水趋势。
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