一种基于下垫面阻力的长时序洪水监测系统和方法

摘要

本发明监测系统根据下垫面分类图、DEM数据、降雨数据进行大尺度的洪水长时序演进模拟分析，可预测各时刻的洪水覆盖情况。通过下垫面分类数据、坡度数据来计算格网对水流的阻力大小，定量分析在一定时间内洪水的运动状态，另通过降雨数据估算在特定时间内的降雨信息，用以分析洪水的淹没范围；将模拟得到的洪水淹没覆盖图与同时刻从遥感影像上提取的洪水淹没图进行对比分析，从而调整模型的参数以提高模拟精度。该系统避免了洪水演进中对二维非稳定流模型的计算，简单易操作，适应范围广，扩展性好，可适用于大范围的洪水运动监测。

说明书

技术领域

本发明涉及洪水监测领域，尤其是涉及一种基于下垫面阻力的长时序洪水监测系统。

背景技术

流域洪涝灾害及其风险研究的内容广泛，全面涉及自然科学领域和社会科学领域，涉及气象学、地理学、水利水文学以及经济、社会等，问题异常复杂。在洪水模拟预测和预报研究方面，从径流形成的物理概念和洪水形成规律出发，模拟降雨经过流域调节后形成径流的整个过程是当前洪水模拟的主要发展方向，而探讨适应不同尺度的以流域栅格为基础的洪水预估模型和以栅格为单元的分布式产汇流模型则成为目前水文模型的研究方向。另外，通过概念性模型来模拟降雨径流已取得较好成果，推动了整个水文模型的研究和发展，其中较著名的模型有Stanford模型、Sacramento模型以及我国的新安江模型等。在河道及洪泛区洪水演进研究方面，非稳定流方程和不稳定流数值计算方法随着计算设备的高速发展也得到广泛应用。

随着遥感和地理信息系统的不断发展，利用遥感信息可实现实时的洪水淹没范围动态监测，同时利用遥感信息和GIS可以分析确定流域下垫面高程、不透水面面积，辅助确定模型参数。同时利用定时遥感、遥感监测，借助数字高程模型(DEM)，可以进行洪水淹没及灾情损失预估。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于下垫面阻力的长时序洪水演进监测系统，简单易操作，适应范围广，扩展性好，具体方案如下：

一种基于下垫面阻力的长时序洪水监测系统，包括输入模块、流域河网提取模块、阻力计算模块、洪水动态演进监测单元、判断单元、输出模块以及显示模块。

所述输入模块用于输入监测系统的参数，所述参数包括流域坡度数据、流域降雨数据、下垫面分类数据、时刻信息以及输入和输出时刻的洪水覆盖数据。

所述流域河网提取模块，其根据数字高程模型DEM提取河网数据，该河网数据用于结合输入时刻的洪水覆盖数据进行后续的洪水演进模拟。

所述阻力计算模块根据输入的分类数据、下垫面坡度数据计算下垫面的阻力大小。

所述洪水动态演进监测单元对洪水的动态演进过程进行模拟，从而监测研究区内各个时刻洪水的覆盖情况，其中，所述模拟的过程包括基于输入的所述参数、提取的河网数据以及所述阻力大小计算未来时刻的洪水覆盖数据。

所述判断单元将模拟得到的洪水覆盖数据与真实数据进行对比，评价模拟效果。

当模拟效果评价为优时，所述输出模块输出模拟得到的各个时刻的洪水覆盖数据。

当模拟效果评价为差时，修正下垫面阻力计算时所用参数，以提高模拟精度。

所述显示模块基于输出的洪水覆盖数据将所需时刻的洪水覆盖图显示在显示屏幕上。

优选的，所述下垫面分类数据为地物的粗糙度分类数据。

优选的，所述洪水动态演进监测单元基于输入的降雨信息以及时刻信息获取区域内的总雨量，然后根据计算得到的阻力大小进行雨量动态分配，从而得到洪水的动态演进数据。

优选的，所述雨量动态分配采用基于规则格网型数据的种子蔓延算法。

优选的，所述真实数据由遥感影像获得。

优选的，所述判断单元将模拟得到的某一时刻的洪水覆盖数据与同时刻的真实的洪水覆盖数据进行对比。

优选的，所述阻力取最小累计阻力，其计算公式为：

式中Dij表示水体从源j到景观单元i的空间距离，Ri表示景观单元i对水文运动的阻力系数，根据坡度和下垫面粗糙度r来计算；Σ表示水体从j运动到景观i所穿越的所有单元的距离和阻力系数的累计，h是反映任一点的最小累计阻力与其到源的距离和土地景观特征的正相关函数，min表示评价单元对于不同的源的累积阻力取最小值。

本发明还提供一种基于下垫面阻力的长时序洪水的监测方法，包括以下步骤：

一、输入参数，参数包括:流域坡度数据，根据DEM计算得到；流域降雨数据，该流域降雨不均匀，通过地面站点的降雨量数据插值得到；下垫面分类数据；时刻信息以及输入、输出时刻洪水覆盖数据；

二、提取流域河网数据，根据DEM数据提取河网数据，然后结合输入时刻的洪水覆盖数据进行洪水的后续演进；

三、结合输入的分类数据、下垫面坡度数据计算下垫面阻力；

四、基于所输入的参数、河网数据以及阻力大小模拟洪水的动态演进过程；

五、通过比较模拟得到的洪水覆盖数据与真实数据，判断模拟效果；

六、当模拟效果为优时，输出模拟的各个时刻的洪水覆盖数据，并显示所需时刻的洪水覆盖数据；当模拟效果为差时，修正所输入的参数，重新获得模拟得到的洪水覆盖数据。

本发明提供一种新的洪水预测方法，基于下垫面阻力对洪水的动态演进进行模拟，避免了洪水演进中对二维非稳定流模型的计算，简单易操作，适应范围广，扩展性好，可适用于大范围的洪水运动监测。

附图说明

下面通过具体实施方式并参照附图介绍本发明的其它细节和优点，附图如下：

图1为本发明监测系统的工作流程图；

图2为本发明监测系统的网格流向位移图；

图3为本发明监测系统的河网数据图；

图4为本发明监测系统的洪水模拟流程图；

图5为本发明监测系统的洪水演进模拟图；

图6为本发明监测系统的洪水模拟效果图。

具体实施例

下面结合附图进一步详细说明本发明的监测系统的具体实施方式，但不用来限制本发明的保护范围。

该系统对真实的洪水演进过程做了适当的简化，模系统的假设条件如下：

设研究区无蒸散、下渗作用；

假设流域是闭合的，上下游水量无交换；

假设降雨不均匀；

假设下垫面粗糙度不同，其对洪水的阻力大小也不同。

该系统的主要模块包括地表下垫面的阻力计算和洪水动态模拟两大部分。

系统的工作流程图如图1所示，其模拟过程如下：

(一)输入系统的参数：

从输入模块输入以下数据：

(1)流域坡度数据，根据DEM计算得到；

(2)流域降雨数据，该区域降雨不均匀，通过地面站点的降雨量数据插值得到；

(3)下垫面分类数据；

(4)时刻信息及输入、输出时刻洪水淹没覆盖图。

(二)系统的流域河网提取

河网提取模块根据DEM数据提取河网，河网数据如图3所示。然后结合输入时刻的洪水覆盖数据进行洪水的后续演进。

(三)阻力计算

阻力计算模块从下垫面的粗糙度出发，考虑不同类型的地物对洪水演进的阻力作用。将下垫面主要分为旱地、城镇用地、水田、水域和林草地5大类，定义五种地物的粗糙度以及其阻力大小，从而进行洪水演进的阻力分析中。

r＝f₁r_v+f₂r_w+f₃r_s+f₄r_is+f₅r_f(1.1)

f₁+f₂+f₃+f₄+f₅＝1(1.2)

式中r为下垫面粗糙度，r_v为林草地粗糙度，r_w为水域粗糙度，r_s为旱地粗糙度，r_is为城镇用地粗糙度，r_f为水田粗糙度。f₁、f₂、f₃、f₄、f₅分别各类地物在该像元所占的比重。

阻力的计算基于最小累计阻力(minimum cumulative resistance，MRC)，其计算公式如下：

R＝r+φ(1.3)

式中R为下垫面阻力，Dij表示水体从源j到景观单元i的空间距离，Ri表示景观单元i对水文运动的阻力系数，根据坡度和下垫面粗糙度r来计算；Σ表示水体从j运动到景观i所穿越的所有单元的距离和阻力系数的累计，h是反映任一点的最小累计阻力与其到源的距离和土地景观特征的正相关函数，min表示评价单元对于不同的源的累积阻力取最小值。

结合输入的分类数据、下垫面坡度数据计算下垫面阻力大小。依据分类数据对相应的计算单元内插得出合适的粗糙度系数，系数的选取如下表所示：

表1粗糙度系数

依据坡度数据，对其进行分级，得到相应的阻力系数，分级情况如表2所示：

表2坡度阻力系数

(四)洪水模拟

洪水动态演进监测单元，通过输入的降雨信息与时刻信息获取该区域总的雨量输入，然后根据计算得到的阻力大小进行雨量分配，得到动态的洪水演进过程。

雨量的计算公式如下：

式中Q为总雨量，qi,j为每个栅格的降雨量。

雨量的动态分配采用基于规则格网型数据的种子蔓延算法，其核心思想是将给定的种子点作为一个对象，赋予特定的属性，在某一平面区域上沿4个(或8个)方向游动扩散，如图2所示，求取满足给定条件、符合数据采集分析精度、且具有连通关联分布的点的集合。

通过输入的时刻信息，阻力大小，以及降雨数据模拟洪水的演进过程。研究区的洪水演进过程如图4所示，模拟得到研究区洪水的演进效果，如图5所示。

(五)模拟评价

判断单元将模拟得到的洪水淹没与真实数据进行对比，评价模拟效果。洪水的演进结果如下表所示：

表3洪水演进结果

洪水演进的效果与真实的洪水淹没对比如图6所示。

本发明的模型简单，计算量小，可以实时调整参数，适用性广。能长时序大范围地动态监测洪水的演进情况，为洪涝灾害预警提供了有利的监测技术。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域普通技术人员能够显而易见想到一些雷同替代方案，均应落入本发明的保护范围。