CN116309783A - 一种基于遥感数据的河道复式断面水位观测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于遥感数据的河道复式断面水位观测方法，属于卫星遥感和河道测量技术领域。步骤为先获取河道复式断面的基础勘测数据，获取所需观测河道断面的遥感影像，通过计算归一化差异水体指数提取水体，测量待测河面河宽的像元个数n，计算待测河面的河宽，根据河道断面河面宽度计算分析该河道断面的水深h深，由该断面水深进而获得该断面的水位h。本发明根据遥感影像实时数据，能及时有效地观测水位，大大提高了效率。

Description

一种基于遥感数据的河道复式断面水位观测方法
技术领域
本发明涉及一种水位观测方法，特别涉及一种基于遥感数据的河道复式断面水位观测方法，属于卫星遥感和河道测量技术领域。
背景技术
水位是反映水体、水流变化的重要标志，水位观测可直接用于水文情报预报，为防汛抗旱、灌溉、水利工程的建设、运用和管理等及时提供水情信息，同时水位也是水库、河道等防汛的重要资料，是防汛抢险的主要依据。目前水位的观测设备可分为直接观测和间接观测设备两种。直接观测以人工直接读取水尺为主，此方法设备简单，使用方便，但工作量大，需人值守。间接观测设备多采用电子、机械、压力等感应作用，间接反映水位变化，但设备构造复杂，需具备网络、电力等基础条件，后期维护费用和技术要求较高，因此需要投入较大的人力物力成本。
实际河道往往是复杂，通常是呈阶梯状的复式断面，特别是一些中小河道，测量的难度和成本更高。现有技术中有将河道横断面通过拟合观测数据与汇流过程中水文参数的关系曲线来观测水位变化的，但实际应用中精度和速度都不够理想，特别是防汛抢险紧急的时候。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足，而提供一种基于遥感数据的河道复式断面水位观测方法，以河道复式断面勘测数据为基础，结合遥感影像对河道复式断面的水位进行分析计算，可以有效减少人力、物力资源的浪费，并实现对河道复式断面的常态化监测。
本发明采取的技术方案为：
一种基于遥感数据的河道复式断面水位观测方法，包括步骤如下：
S1. 获取河道复式断面的基础勘测数据，包括河底高程h河底；河道复式断面的下断面河底宽B1，河道复式断面的上断面河底宽B2，河道复式断面的下断面右岸边坡系数m右1，河道复式断面的下断面左岸边坡系数m左1，河道复式断面的上断面右岸边坡系数m右2，河道复式断面的上断面左岸边坡系数为m左2，河道复式断面下断面的最大水深h1最高，河道复式断面的下断面河道最大宽度D1，河道复式断面的上断面河道最大宽度D2；
S2. 获取所需观测河道断面的遥感影像，影像分辨率设为R×R，通过计算改进的归一化差异水体指数提取水体；
S3. 以遥感影像提取的水体为基础，测量待测河道河面河宽的像元个数n，计算待测河道河面的宽度，则得到河面宽度D为：
D=n×R ；
S4. 根据河道断面河面宽度计算分析该河道断面的水深h深：
Figure SMS_1
；
S5.由该断面水深进而获得该断面的水位h：h=h河底+h深 。
上述方法中，步骤S2基于预处理后的遥感影像，采用改进的归一化差异水体指数提取河道水体，主要原理如下：
MNDWI=(p(Green)-p(MIR))/(p(Green)+p(MIR)) ，
MNDWI：改进的归一化水体指数，ρ(Green)：绿波段遥感反射率，ρ(MIR)：中红外波段遥感反射率。
步骤S4中根据河道断面河面宽度计算分析该河道断面的水深的具体过程如下：
根据边坡系数定义可知：
Figure SMS_2
（1） ，
Figure SMS_3
（2） ，
Figure SMS_4
（3） ，
Figure SMS_5
（4） ，
d左1：河道复式断面下断面左边坡面水平方向上的投影长度，
d右1：河道复式断面下断面右边坡面水平方向上的投影长度，
d左2：河道复式断面上断面左边坡面水平方向上的投影长度，
d右2：河道复式断面上断面右边坡面水平方向上的投影长度，
h1：河道复式断面下断面的水深，
h2：河道复式断面上断面的水深；
由于
D1=d左1+d右1+B 1 （5）
D2=d左2+d右2+B 2 （6） ，
D1：河道复式断面的下断面河道最大宽度，
D2：河道复式断面的上断面河道最大宽度，
当D<D1时，将式（1）、（2）代入式（5）得，h深=h1=
Figure SMS_6
；
当D1≤D≤ B2时，h深=h1最高 ；
当D>B2时，将式（3）、（4）代入式（6）得，h2=
Figure SMS_7
， h深= h1最高+h2 。
本发明的有益效果是：
（1）本发明以河道复式断面勘测数据为基础，结合遥感影像对河道复式断面的水位进行分析计算，可以有效减少人力、物力资源的浪费，并实现对河道复式断面的常态化监测；
（2）实际应用中提前获得勘测数据，根据遥感影像实时数据，能及时有效地观测水位，大大提高了效率，可用于如防汛抗险等紧急状态；
（3）适用性强、可用范围广，可以应用于河道的流量监测、防洪管理、调度管理等多个领域。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2 为本发明河道断面示意图，1：m左1为河道下断面左岸坡度，1：m左2为河道上断面左岸坡度，1：m右1为河道下断面右岸坡度，1：m右2为河道上断面左岸坡度；
图3为实施例小清河某一断面勘测图纸；
图4为实施例涵盖该河道断面的卫星遥感影像（长方框为该断面）；
图5为实施例水体提取结果图（长方框为该断面）。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和实施例进一步说明本发明。
一种基于遥感数据的河道复式断面水位观测方法，包括步骤如下：
S1. 获取河道复式断面的基础勘测数据：通过工程设计图纸、河道断面勘测图纸等基础测量信息，可知某一河道断面几个关键参数，包括河底高程h河底；河道复式断面的下断面河底宽B1，河道复式断面的上断面河底宽B2，河道复式断面的下断面右岸边坡系数m右1，河道复式断面的下断面左岸边坡系数m左1，河道复式断面的上断面右岸边坡系数m右2，河道复式断面的上断面左岸边坡系数为m左2，河道复式断面下断面的最大水深h1最高，河道复式断面的下断面河道最大宽度D1，河道复式断面的上断面河道最大宽度D2。
S2. 获取所需观测河道断面的遥感影像，影像分辨率设为R×R，通过计算改进的归一化差异水体指数提取水体：通过无人机或者卫星获取包括盖所需观测河道断面的遥感影像，获取的影像分辨率设为R×R，使用ENVI软件对遥感影像进行图像校准、正射校正、图像裁剪操作，实现遥感影像的预处理，基于预处理后的遥感影像，采用改进的归一化差异水体指数提取河道水体，主要原理如下：
MNDWI=(p(Green)-p(MIR))/(p(Green)+p(MIR)) ，
MNDWI：改进的归一化水体指数，ρ(Green)：绿波段遥感反射率，ρ(MIR)：中红外波段遥感反射率。
S3. 以遥感影像提取的水体为基础，测量待测河道河面河宽的像元个数n，计算待测河道河面的宽度：
以MNDWI方法提取的水体为基础，计算河宽的像元个数为n，遥感影像分辨率为R×R，则得到河面宽度D为：
D=n×R ；
D：河道断面河面宽度（m），n：覆盖河道断面河面像元的个数，R：影像分辨率（m）。
S4. 根据河道断面河面宽度计算分析该河道断面的水深h深：
根据河道断面示意图（图2），根据边坡系数定义可知：
Figure SMS_8
（1） ，
Figure SMS_9
（2） ，
Figure SMS_10
（3） ，
Figure SMS_11
（4） ，
d左1：河道复式断面下断面左边坡面水平方向上的投影长度（m），
d右1：河道复式断面下断面右边坡面水平方向上的投影长度（m），
d左2：河道复式断面上断面左边坡面水平方向上的投影长度（m），
d右2：河道复式断面上断面右边坡面水平方向上的投影长度（m），
h1：河道复式断面下断面的水深（m），
h2：河道复式断面上断面的水深（m）；
由于
D1=d左1+d右1+B 1 （5）
D2=d左2+d右2+B 2 （6） ，
D1：河道复式断面的下断面河道最大宽度（m），
D2：河道复式断面的上断面河道最大宽度（m），
当D<D1时，将式（1）、（2）代入式（5）得，h深=h1=
Figure SMS_12
；
当D1≤D≤ B2时，h深=h1最高 ；
当D>B2时将，式（3）、（4）代入式（6）得，h2=
Figure SMS_13
。
可得：
Figure SMS_14
。
S5.由该断面水深进而获得该断面的水位h：
h=h河底+h深。
实施例1：计算分析小清河某一河道断面的水位情况时，首先获取该断面的水文基础勘测资料，如图3，根据该断面勘测的图纸可知h河底为10.95m；河道复式断面的下断面河底宽为B1为45m，河道复式断面的上断面河底宽为B2为275m，河道复式断面的下断面河道最大宽度D1为85m，河道复式断面的上断面河道最大宽度D2为302米，河道复式断面的下断面右岸边坡系数m右1为2.5，河道复式断面的下断面左岸边坡系数为m左1为2.5，河道复式断面的上断面右岸边坡系数m右2为3，河道复式断面的上断面左岸边坡系数为m左2为3，河道复式断面下断面的最大水深h1最高为8m。
获取覆盖小清河河道断面的卫星遥感影像，获取的影像的分辨率为30×30m，如图4，对该影像的水体进行提取，提取结果如图5，计算河道断面像元n的个数为9.5个，则可得到河道水面宽D=9.5×30=285m，D>275m。
采用
Figure SMS_15
，计算水深h水深=8+（285-275）/(3+3)=9.66m ，
由水位h=h河底+h深，计算得水位h=10.95+9.66=20.61m ，
所以当前河道断面的水位为20.61m 。
以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于遥感数据的河道复式断面水位观测方法，其特征是，包括步骤如下：
S1. 获取河道复式断面的基础勘测数据，包括河底高程h河底；河道复式断面的下断面河底宽B1，河道复式断面的上断面河底宽B2，河道复式断面的下断面右岸边坡系数m右1，河道复式断面的下断面左岸边坡系数m左1，河道复式断面的上断面右岸边坡系数m右2，河道复式断面的上断面左岸边坡系数为m左2，河道复式断面下断面的最大水深h1最高，河道复式断面的下断面河道最大宽度D1，河道复式断面的上断面河道最大宽度D2；
S2. 获取所需观测河道断面的遥感影像，影像分辨率设为R×R，通过计算改进的归一化差异水体指数提取水体；
S3. 以遥感影像提取的水体为基础，测量待测河道河面河宽的像元个数n，计算待测河道河面的宽度，则得到河面宽度D为：
D=n×R ；
S4. 根据河道断面河面宽度计算分析该河道断面的水深h深：
Figure QLYQS_1
；
S5.由该断面水深进而获得该断面的水位h：
h=h河底+h深 。
2.根据权利要求1所述的一种基于遥感数据的河道复式断面水位观测方法，其特征是，步骤S2基于预处理后的遥感影像，采用改进的归一化差异水体指数提取河道水体，主要原理如下：
MNDWI=(p(Green)-p(MIR))/(p(Green)+p(MIR)) ，
MNDWI：改进的归一化水体指数，
ρ(Green)：绿波段遥感反射率，
ρ(MIR)：中红外波段遥感反射率。
3.根据权利要求1所述的一种基于遥感数据的河道复式断面水位观测方法，其特征是，步骤S4中根据河道断面河面宽度计算分析该河道断面的水深的具体过程如下：
根据边坡系数定义可知：
Figure QLYQS_2
（1） ，
Figure QLYQS_3
（2） ，
Figure QLYQS_4
（3） ，
Figure QLYQS_5
（4） ，
d左1：河道复式断面下断面左边坡面水平方向上的投影长度，
d右1：河道复式断面下断面右边坡面水平方向上的投影长度，
d左2：河道复式断面上断面左边坡面水平方向上的投影长度，
d右2：河道复式断面上断面右边坡面水平方向上的投影长度，
h1：河道复式断面下断面的水深，
h2：河道复式断面上断面的水深；
由于D1=d左1+d右1+B 1 （5），
D2=d左2+d右2+B 2 （6） ，
D1：河道复式断面的下断面河道最大宽度，
D2：河道复式断面的上断面河道最大宽度，
当D<D1时，将式（1）、（2）代入式（5）得，h深=h1=
Figure QLYQS_6
；
当D1≤D≤ B2时，h深=h1最高 ；
当D>B2时，将式（3）、（4）代入式（6）得，h2=
Figure QLYQS_7
， h深= h1最高+h2 。
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