一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法

1.本发明涉及数据湖泊水动力模拟领域，具体涉及一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法。


背景技术：

2.目前，水动力模型参数率定主要依据湖泊内实测站点的监测数据，在率定过程中通过不断的调整参数使湖泊水动力模型在各个水位站点的模拟结果与该站点的实测数据尽可能的吻合，然而，由于湖泊面积一般相对较大，仅通过有限的站点去校正湖泊水动力模型的参数，一方面对于站点以外水域的模拟精度难以保证，另一方面，即使通过调整参数使得湖泊水动力模型在有限站点上的模拟结果与实测结果吻合度较高，但此时的参数取值可能与实际过程并不相符，基于此参数值进行未来情景模拟时，会导致模拟结果的准确性降低，对水资源和水环境的管理决策产生一定的影响。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法，旨在通过在采用水位站进行湖泊水动力模型点上的参数率定时，再进一步结合遥感影像从空间面上进行水位参数的进一步校正，避免率定过程中模型参数取值不符合实际情况，模型模拟精度降低。
4.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法，其包括如下步骤：步骤s1，收集湖泊上游入口流量数据、下游出口水位数据以及湖泊水下地形数据作为湖泊水动力模型的边界条件；步骤s2，进行湖泊区域网格划分与地形插值，基于上游入口流量数据和下游出口水位数据驱动湖泊水动力模型进行湖泊水位的模拟，将湖泊水动力模型在湖泊内水位站处的水位模拟数据与该水位站点对应的水位实测数据进行对比初步调整模型水位参数，并计算不同时期湖泊水面的湖泊水动力模型模拟面积；步骤s3，收集模拟时不同时期的遥感影像，采用归一化差异水体指数获得遥感影像的湖泊解译水面面积，进行同期湖泊水面的遥感解译面积和模型模拟面积对比，根据对比差异，进行湖泊水动力模型水位参数校正，直至模型水位参数能够使水动力模拟结果同时较好的吻合站点水位和同期遥感解译水面面积。
5.作为优选的，步骤s2中进行湖泊区域网格划分时，网格划分采用非结构化三角网格将整个区域覆盖，重点区域加密处理。
6.作为优选的，步骤s2中湖泊水动力模型进行水位的模拟时，湖泊水动力模型的基本方程采用静水压力假设，根据布西内斯克方程（boussinesq equation）近似，得到的控制方程包括连续性方程、动量方程以及密度方程：采用内外模式的连续性方程如公式（1）和公式（2）所示：
（1）；（2）；式中，x, y为水平方向的曲线-正交坐标；z为垂向σ坐标；t为时间，m
x
，my为x坐标变换系数和y坐标变换系数，在笛卡尔坐标系下取值为1；ζ为相对参考高度的水面高程，单位为m；h为总水深，单位为m；u, v, w分别为x方向和y方向的水平速度分量以及z方向上的垂向速度分量，单位为m/s；u,v分别为x方向和y方向上的深度平均速度分量, 单位为m/s；sh为连续性方程的源汇项,单位为m3/s。
7.动量方程如公式（3）和公式（4）和公式（5）所示：动量方程在x方向上：（3）；式中，f 为科里奥利力系数，包含网格曲率加速度；g为重力加速度；p为参考密度下的附加静水压，单位为pa；p
atm
为大气压强，单位为pa；h 为基准面高度以下的水深，单位为m；ah为水平动量扩散系数，单位为m2/s；mz为z坐标变换系数，在笛卡尔坐标系下取值为1；av为垂向紊动黏性系数，单位为m2/s；c
p
为植被阻力系数；d
p
为与每单位水平面积的流量相交的投影植被区域；su为 x 方向上动量方程的源汇项，单位为m2/s2；动量方程在y方向上：（4）；式中，sv为y方向上动量方程的源汇项，单位为m2/s2；动量方程在z方向上：
（5）；式中，b为浮力；密度方程如公式（6）和公式（7）和公式（8）所示（6）；（7）；（8）；式中，s为盐度，单位为ng/l；t为温度，单位为℃；c为总悬浮无机颗粒浓度，单位为g/m3；p、q 分别为 x 方向和 y方向上的质量通量分量，单位为m2/s。
8.作为优选的，步骤s2中将湖泊水动力模型在湖泊内水位站处的水位模拟数据与该水位站点对应的水位实测数据进行对比初步调整模型水位参数，并计算不同时期湖泊水面的湖泊水动力模型模拟面积；具体为：（1）当湖泊水动力模型在水位站处的水位模拟数据与该水位站点对应的水位实测数据的相对误差大于10%时，调整糙率参数继续运行湖泊水动力模型，获得调整糙率参数后的湖泊水动力模型的水位模拟数据；（2）继续对比湖泊水动力模型的水位模拟数据和对应水位站点的水位实测数据之间的差异，不断的调整糙率参数，直至湖泊水动力模型的水位模拟数据与对应水位站点的水位实测数据的相对误差小于10%，确定此时的糙率参数结果为湖泊水动力模型的水位参数初步取值；（3）并基于此糙率参数利用湖泊水动力模型直接统计计算并输出不同时期湖泊水面的模型模拟面积。
9.作为优选的，步骤s3中采用归一化差异水体指数获得遥感影像的湖泊解译水面面积，具体为：采用归一化差异水体指数直接计算遥感影像中的湖泊水面面积，具体计算如公式（9）所示：（9）；式中，ndwi为归一化差异水体指数，green代表绿光波段，nir代表红光波段。
10.作为优选的，步骤s3中进行同期湖泊水面的遥感解译面积和模型模拟面积对比，根据对比差异，进行湖泊水动力模型水位参数校正，直至模型水位参数能够使水动力模拟结果同时较好的吻合站点水位和同期遥感解译水面面积；具体为：（1）利用某一时期遥感影像的湖泊解译水面面积进一步校正湖泊水动力模型的水位参数时，需要与湖泊水动力模型计算的同时期湖泊水面模拟面积进行对比；（2）当湖泊解译水面面积大于湖泊水面模拟面积时，该时期的糙率取值需要进一步减小，当湖泊水面解译面积大于湖泊水面模拟面积时，该时期的糙率取值则需要进一步增大；（3）调整糙率后再运行湖泊水动力模型，提取不同时期遥感影像的解译水面面积
与湖泊水动力的模拟水面面积进行对比，进一步调整和校正水位参数糙率，直至各个时期湖泊水动力模型的湖泊水面模拟面积与同时期遥感影像的湖泊水面解译面积较为吻合时，确定此时的糙率参数为校正后的最后糙率取值。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用不同时期遥感影像获得的湖泊水面解译面积来和湖泊水动力模型获得的湖泊水面模拟面积进行对比，进一步调整和校正湖泊水动力模型的水位参数，减轻了通过采用有限个水位站的水位实测数进行水位参数率定时，导致的湖泊水位模拟结果仅在站点处于实际水位过程相近，而在湖泊其余位置的水位模拟结果与实际水位存在偏差的问题，能够有效提升湖泊水动力模型的水位模拟精度。
附图说明
12.图1是本发明的一个实施例的流程示意图。
13.图2是构建湖泊水动力模型时的网格划分情况。
14.图3是不同时期（2010年1月和8月以及2011年1月和8月四个时期）湖泊水动力模型的湖泊水面模拟面积。
15.图4是不同时期（2010年1月和8月以及2011年1月和8月四个时期）遥感影像的湖泊水面解译面积。
具体实施方式
16.以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
17.如图1所示，本发明实施例公开的一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法，包括以下步骤：（1）收集鄱阳湖上游五河(赣江、抚河、信江、饶河、修河)2010~2018年的入口流量数据以及下游湖口2010~2018年的出口水位数据，同时收集鄱阳湖的实测水下地形数据，精度为5m
×
5m。
18.（2）进行鄱阳湖的网格划分，模型概化后的网格数为72564个，节点数为36458个，具体如图2所示，然后利用上游五河入口流量和下游湖口水位数据驱动水动力模型进行鄱阳湖的水位模拟，其中湖泊水动力模型的基本方程采用静水压力假设，根据布西内斯克方程（boussinesq equation）近似，得到的控制方程包括连续性方程、动量方程以及密度方程：连续性方程（内、外模式）（1）；（2）；动量方程x方向
（3）；y方向（4）；z方向（5）；密度方程
19.（6）；（7）；（8）；式中，（x, y）为水平方向的曲线-正交坐标；z 为垂向 σ 坐标；t为时间；（u, v, w）分别为 x 方向和 y 方向的水平速度分量以及z方向上的垂向速度分量（m/s）；h 为总水深（m）；ζ 为相对参考高度的水面高程（m）；h 为基准面高度以下的水深（m）；m
x
，my，mz为坐标变换系数，在笛卡尔坐标系下取值为 1；g为重力加速度；p atm 为大气压强（pa）；p 为参考密度下的附加静水压（pa）；b 为浮力；f 为科里奥利力系数，包含网格曲率加速度；a
h 为水平动量扩散系数（m2/s）；a
v 为垂向紊动黏性系数（m2/s）；c
p 为植被阻力系数；d
p 为与每单位水平面积的流量相交的投影植被区域；（su, sv）分别为 x 方向和 y 方向上动量方程的源汇项（m2/s2）；s
h 为连续性方程的源汇项（m3/s）；s 为盐度（ng/l）；t 为温度（℃）；c 为总悬浮无机颗粒浓度，g/m3；（u, v）分别为 x 方向和 y 方向上的深度平均速度分量（m/s）；p、q 分别为 x 方向和 y方向上的质量通量分量（m2/s）。
20.利用湖泊水动力模型获得整个湖泊的水位模拟情况后，提取湖泊内4个水位站位置（星子、都昌、棠阴以及康山）的湖泊水动力模型的模拟水位数据与对应站点的实测水位数据进行对比，并不断调整水位参数糙率使湖泊水动力模型的模拟水位数据与四个水位站的实测水位数据的相对误差小于10%，初步确定湖泊水动力模型的水位参数糙率的取值，同时，进行湖泊水动力模型模拟的不同时期湖泊水面模拟面积的统计，例如2010年1月和8月以及2011年1月和8月四个时期的湖泊水动力模型的湖泊水面模拟面积如图3所示。
21.（3）选取不同时期的遥感影像进行解译获得湖泊水面解译面积，采用归一化差异水体指数（ndwi）直接计算遥感影像中的湖泊水面面积，具体计算公式表示为：（9）；式中，ndwi为归一化差异水体指数，green代表绿光波段，nir代表红光波段。
22.例如2010年1月和8月以及2011年1月和8月四个时期的基于遥感影像的湖泊水面解译面积如图4所示。将四个时期遥感影像的湖泊解译水面面积与同时期湖泊水动力模型计算的湖泊水面模拟面积进行对比，当湖泊解译水面面积大于湖泊水面模拟面积时，该时期的糙率取值需要进一步减小，而当湖泊水面解译面积大于湖泊水面模拟面积时，该时期的糙率取值则需要进一步增大，调整糙率后再运行湖泊水动力模型，提取不同时期遥感影像的解译水面面积与湖泊水动力的模拟水面面积进行对比，进一步调整和校正水位参数糙率，直至各个时期湖泊水动力模型的湖泊水面模拟面积与同时期遥感影像的湖泊水面解译面积较为吻合时，确定此时的糙率参数为校正后的最后糙率取值。
23.综上，本发明通过融合遥感影像进行湖泊水动力模型水位参数的校正，能够减轻通过采用有限个水位站的水位实测数进行水位参数率定时，导致的湖泊水位模拟结果仅在站点处于实际水位过程相近，而在湖泊其余位置的水位模拟结果与实际水位存在偏差的问题，有效提升湖泊水动力模型的水位模拟精度。
24.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤s1，收集湖泊上游入口流量数据、下游出口水位数据以及湖泊水下地形数据作为湖泊水动力模型的边界条件；步骤s2，进行湖泊区域网格划分与地形插值，基于上游入口流量数据和下游出口水位数据驱动湖泊水动力模型进行湖泊水位的模拟，将湖泊水动力模型在湖泊内水位站处的水位模拟数据与该水位站点对应的水位实测数据进行对比初步调整模型水位参数，并计算不同时期湖泊水面的湖泊水动力模型模拟面积；步骤s3，收集模拟时不同时期的遥感影像，采用归一化差异水体指数获得遥感影像的湖泊解译水面面积，进行同期湖泊水面的遥感解译面积和模型模拟面积对比，根据对比差异，进行湖泊水动力模型水位参数校正，直至模型水位参数能够使水动力模拟结果同时较好的吻合站点水位和同期遥感解译水面面积。2.根据权利要求1所述的一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法，其特征在于：步骤s2中进行湖泊区域网格划分时，网格划分采用非结构化三角网格将整个区域覆盖，重点区域加密处理。3.根据权利要求2所述的一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法，其特征在于：步骤s2中湖泊水动力模型进行水位的模拟时，湖泊水动力模型的基本方程采用静水压力假设，根据布西内斯克方程近似，得到的控制方程包括连续性方程、动量方程以及密度方程：采用内外模式的连续性方程如公式（1）和公式（2）所示：（1）；（2）；式中，x, y为水平方向的曲线-正交坐标；z为垂向σ坐标；t为时间，m
x
，m
y
为x坐标变换系数和y坐标变换系数，在笛卡尔坐标系下取值为1；ζ为相对参考高度的水面高程，单位为m；h为总水深，单位为m；u, v, w分别为x方向和y方向的水平速度分量以及z方向上的垂向速度分量，单位为m/s；u,v分别为x方向和y方向上的深度平均速度分量, 单位为m/s；s
h
为连续性方程的源汇项,单位为m3/s。4.根据权利要求3所述的一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法，其特征在于：动量方程如公式（3）和公式（4）和公式（5）所示：动量方程在x方向上：
（3）；式中，f 为科里奥利力系数，包含网格曲率加速度；g为重力加速度；p为参考密度下的附加静水压，单位为pa；p
atm
为大气压强，单位为pa；h 为基准面高度以下的水深，单位为m；a
h
为水平动量扩散系数，单位为m2/s；m
z
为z坐标变换系数，在笛卡尔坐标系下取值为1；a
v
为垂向紊动黏性系数，单位为m2/s；c
p
为植被阻力系数；d
p
为与每单位水平面积的流量相交的投影植被区域；s
u
为 x 方向上动量方程的源汇项，单位为m2/s2；动量方程在y方向上： （4）；式中，s
v
为y方向上动量方程的源汇项，单位为m2/s2；动量方程在z方向上：（5）式中，b为浮力。5.根据权利要求4所述的一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法，其特征在于：密度方程如公式（6）和公式（7）和公式（8）所示（6）；（7）；
（8）；式中，s为盐度，单位为ng/l；t为温度，单位为℃；c为总悬浮无机颗粒浓度，单位为g/m3；p、q 分别为 x 方向和 y方向上的质量通量分量，单位为m2/s。6.根据权利要求5所述的一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法，其特征在于：步骤s2中将湖泊水动力模型在湖泊内水位站处的水位模拟数据与该水位站点对应的水位实测数据进行对比初步调整模型水位参数，并计算不同时期湖泊水面的湖泊水动力模型模拟面积；具体为：（1）当湖泊水动力模型在水位站处的水位模拟数据与该水位站点对应的水位实测数据的相对误差大于10%时，调整糙率参数继续运行湖泊水动力模型，获得调整糙率参数后的湖泊水动力模型的水位模拟数据；（2）继续对比湖泊水动力模型的水位模拟数据和对应水位站点的水位实测数据之间的差异，不断的调整糙率参数，直至湖泊水动力模型的水位模拟数据与对应水位站点的水位实测数据的相对误差小于10%，确定此时的糙率参数结果为湖泊水动力模型的水位参数初步取值；（3）并基于此糙率参数利用湖泊水动力模型直接统计计算并输出不同时期湖泊水面的模型模拟面积。7.根据权利要求6所述的一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法，其特征在于：步骤s3中采用归一化差异水体指数获得遥感影像的湖泊解译水面面积，具体为：采用归一化差异水体指数直接计算遥感影像中的湖泊水面面积，具体计算如公式（9）所示：（9）；式中，ndwi为归一化差异水体指数，green代表绿光波段，nir代表红光波段。8.根据权利要求7所述的一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法，其特征在于：步骤s3中进行同期湖泊水面的遥感解译面积和模型模拟面积对比，根据对比差异，进行湖泊水动力模型水位参数校正，直至模型水位参数能够使水动力模拟结果同时较好的吻合站点水位和同期遥感解译水面面积；具体为：（1）利用某一时期遥感影像的湖泊解译水面面积进一步校正湖泊水动力模型的水位参数时，需要与湖泊水动力模型计算的同时期湖泊水面模拟面积进行对比；（2）当湖泊解译水面面积大于湖泊水面模拟面积时，该时期的糙率取值需要进一步减小，当湖泊水面解译面积大于湖泊水面模拟面积时，该时期的糙率取值则需要进一步增大；（3）调整糙率后再运行湖泊水动力模型，提取不同时期遥感影像的解译水面面积与湖泊水动力的模拟水面面积进行对比，进一步调整和校正水位参数糙率，直至各个时期湖泊水动力模型的湖泊水面模拟面积与同时期遥感影像的湖泊水面解译面积较为吻合时，确定此时的糙率参数为校正后的最后糙率取值。

技术总结
本发明涉及一种融合遥感影像的湖泊水动力模型水位参数校正方法，其步骤为：收集湖泊入口流量、出口水位以及地形数据；进行研究区域网格划分，根据入口、出口边界驱动水动力模型进行湖泊水动力模拟，采用水位站监测数据进行模型参数率定，统计各时期模型的湖泊模拟水面面积；收集模拟时段内的遥感影像，采用归一化差异水体指数获得遥感影像的湖泊解译水面面积，进行同期湖泊水面的遥感解译面积和模型模拟面积对比，根据对比差异，进行模型水位参数校正，直至模型参数能够使水动力模拟结果同时较好的吻合站点水位和同期遥感解译水面面积。本发明的有益效果：采用水位站并结合遥感影像从点到面校正湖泊水动力模型参数，提升模型水位模拟精度。型水位模拟精度。型水位模拟精度。


技术研发人员：李港 刘章君 张静文 刘鑫 吴佳琪 吴向东
受保护的技术使用者：江西省水利科学院（江西省大坝安全管理中心、江西省水资源管理中心）
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/8/9