基于3S技术的城市水文站网布设方法及系统与流程

基于3s技术的城市水文站网布设方法及系统
技术领域
1.本发明属于水文监测技术领域，具体涉及一种基于3s技术的城市水文站网布设方法及系 统。


背景技术：

2.水文站网是水文监测工作的基础，直接为水文工作乃至水利工作提供必要的水雨情信息。 目前，我国已初步建成了认识流域水文规律的水文要素观测站网，各类水文测站从新中国成 立之初的353处发展到截至2020年底的119914处，为国民经济建设提供了大量的水文信息， 发挥了重要作用，实现了对大江大河及其主要支流、有防洪任务的中小河流水文监测全面覆 盖，并向水资源水生态水环境领域延伸。
3.然而，现有的观测站网监测体系不完善，现有的监测站网主要为河湖水文基础资料的积 累和防汛抗旱服务，而水资源管理、水生态保护和水土保持、水环境保护等综合监测能力相 对较弱，与水资源、水生态、水环境的管理要求还有较大差距。再加上气候变化和高强度人 类活动的影响，使得观测站网的作用和观测方式受到影响，尤其是城市化地区，依据传统的 《水文站网规划技术导则》布设的水文监测站网得到的监测信息已经不能反应实际的水雨情 信息，水文监测站网布局也不能满足城市水文研究的要求。随着水文研究的不断发展，各项 要求也在不断提升，要求强化预报、预警、预演、预案“四预”措施，加强实时雨水情信息 的监测和分析研判，要强化科技引领，推进建立流域洪水“空天地”一体化监测系统，建设 数字流域。在此基础之上，还要加快建设国家水文站网，加强水文规律分析研究，提升水文 监测能力。因此，越来越需要考虑多种因素来布设和优化调整水文观测站网。但目前现有技 术中尚缺乏较为精准有效的水文站网布设方法。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明公开了一种基于3s技术的城市水文站网布设方法及系统，无需 精确的现场勘查，就能快速准确确定水文站布设地点。本发明基于遥感数据、土地利用类型 数据和历史灾情数据，在研究区城市暴雨洪涝灾害风险区划的基础上求取站网需求指数，然 后在研究区现有水文站网布设基础上，基于gis空间分析技术，同时综合考虑研究区站网密 度、行政管理等多方面因素，根据求出的站网需求指数建议增加站网布设点，给规划设计者 提供技术支撑，以便更快、更准确的对现有水文站网布设进行整体优化。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.基于3s技术的城市水文站网布设方法，包括如下步骤：
7.步骤一：建立城市暴雨高风险模型
8.选用modismodlt1m地表温度中国合成产品，通过裁剪得到研究区域的地表温度数 据，并对得到的温度数据进行统计计算，最后得到研究区域地表温度数据，得到地面温度分 布并用其表征城市暴雨空间分布，通过以下公式来进行计算：
9.vh＝dn
×
0.02-273.15
ꢀꢀꢀ
(1)
10.式中，dn为像元的灰度值，0.02为辐射缩放比，-273.15为云掩模值；
11.步骤二：建立城市洪涝风险模型
12.假定城市设计暴雨与设计洪水为同频率，根据城区暴雨频率分析结果和所建立的雨洪仿 真模型来推求相应频率下城区的设计洪水，考虑到城市地区相对于自然流域地形结构极为复 杂，对降雨径流具有较大的阻碍作用，不会出现降雨径流在研究区内随意流动的情况，将研 究区按照排水片区划分为多个子区域，对各个子区域进行洪涝模拟；
13.根据研究区的地形分布情况，用某时间步长的总积水量与该时间步长积水淹没范围内总 积水量体积相等的原理来模拟暴雨内涝风险，计算公式为：
[0014][0015]
式中a为积水区，ew(x,y)为积水水面高程，eg(x,y)为地面高程，dσ为积水区面积微元；
[0016]
步骤三：建立城市承灾体易损性模型
[0017]
采用精细化土地类型和历史灾情数据相结合的方法，建立承灾体易损性模型如下：
[0018]
vs＝ωg·
a ω
p
·bꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0019]
式中，ωg是经济易损失系数，ω
p
是人口易损失的系数；a是经济易损失指数，该值是 根据不同场次洪涝灾害下不同土地类型单位面积灾损值进行两两比较，然后利用层次分析法 计算得到不同土地利用类型经济易损性指数的平均值；b是人口易损失指数，同理，该值是 根据不同场次洪水灾害下不同土地类型单位面积人口损失进行两两比较，而后利用层次分析 法计算得到不同土地利用类型人口易损性指数的平均值；
[0020]
步骤四：建立城市水文站网规划
[0021]
结合城市暴雨高风险、洪涝风险、承灾体易损性3个方面的分析，从数据融合的角度综 合考虑水文站网布设需求指数模型，建立城市水文站网布设模型如下：
[0022][0023]
对暴雨高风险、洪涝风险和承灾体易损性三个评价因子分别赋予不同的权重值，然后再 根据构建的城市水文站网规划需求指数模型进行计算：
[0024]
fdri＝(wh
·
vh)(we
·
ve)(ws
·
vs)
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0025]
上式中，fdri为城市站网规划需求指数，vh、ve、vs分别表示城市站网规划需求指数 模型中三个评价因子的指数值，wh、we、ws分别是各评价因子对应的权重值。
[0026]
进一步的，所述步骤四还包括：由城市站网规划需求指数模型，利用gis空间分析技术， 结合步骤一至步骤三得到的结果进行计算，得到城市水文站网需求指数分布图，基于水文站 网需求指数分布图和gis空间分析技术，进行镇江市城市水文站网整体优化布设。
[0027]
进一步的，所述步骤四中，各因子对应的权重取值范围为0到1之间。
[0028]
基于3s技术的城市水文站网布设系统，其特征在于，用于实现权利要求1-3中任意一项 所述的基于3s技术的城市水文站网布设方法，包括：因子权重模块、暴雨风险模块、洪
涝风 险计算模块、承灾体易损性模块，所述因子权重模块用于实现基于3s技术的城市水文站网布 设方法中步骤四功能，所述暴雨风险模块用于实现基于3s技术的城市水文站网布设方法中步 骤一功能，所述洪涝风险计算模块用于实现基于3s技术的城市水文站网布设方法中步骤二功 能，所述承灾体易损性模块用于实现基于3s技术的城市水文站网布设方法中步骤三功能。
[0029]
本发明的有益效果为：
[0030]
1.本发明提供的方法基于遥感数据、土地利用类型数据、历史灾情数据和3s技术(3s技术 是遥感技术(remote sensing，rs)、地理信息系统(geography information systems，gis) 和全球定位系统(global positioning systems，gps)的统称，是空间技术、传感器技术、卫 星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、 处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术)，分别从城市暴雨高风险区划、洪 涝风险区划、承灾体易损性3个方面进行详细分析，再从数据融合的角度综合考虑水文站网 布设需求指数模型来进行水文站网整体优化布设，实现省时省力、准确高效的城市水文站网 布设方案。
[0031]
2.本发明方法可以准确、快速、智能地确定水文站网的具体布设位置，相比于传统水文站网 布设方法，省去了很多实地考察所需要的时间和人力，结果准确可靠。
附图说明
[0032]
图1为镇江城市暴雨高风险区划图；
[0033]
图2为镇江市城区洪涝淹没图；
[0034]
图3为镇江城市灾体易损性图；
[0035]
图4为镇江城区水文站网需求指数图；
[0036]
图5为镇江城区水文站网布设图。
具体实施方式
[0037]
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方 式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。本发明提供的方法可以在诸如一组计算机 可执行指令的计算机系统中执行。
[0038]
本发明提供的基于3s技术的城市水文站网布设方法，包括如下步骤
[0039]
步骤一：城市暴雨高风险区划
[0040]
城市不透水面的扩张会使城市中建筑、道路等高蓄热体增加，同时伴随着植被和绿地的 减少，这会使城市区域的气温升高，造成“城市热岛”效应。在城市扩张区域，近地面气温 全年持续升高。我们认为，城市的热力强迫有利于对流降水的维持，也就是说，城市热岛效 应除了会使城区气温升高之外，还能影响区域的降水过程。
[0041]
首先分析中分辨率成像光谱仪(moderate-resolutionimagingspectroradiometer,缩写 modis)中国区域温度合成产品反演的地温分布与采用对应地面站网观测数据插值得到地温 分布的一致性检测，能够得出结论：利用modis来反演地温是可行的。然后选用中国1km 地表温度月合成产品(modismodlt1m)，地理坐标为wgs-84，根据研究区域的范围在 gis中提取得到研究区域的地表温度数据，并对得到的温度数据进行统计计算，最后得
到研 究区域地表温度数据。因原始数据为栅格影像，因此可以通过城市与郊区的边界来划分城市 区域与郊区，将城市和郊区的温度划分开来单独计算。我们发现“城市热岛”效应造成城市区 域温度的上升在夏季会更明显，且建筑物在夜间对温度的持续能力更强。最后，采用皮尔逊 积矩相关系数法对夏季城市热岛与夏季降水是否存在相关关系进行了分析。研究结果表明， 由皮尔逊相关系数r求得的检验量t的值通过了置信度90％的t检验，说明城市热岛效应与 夏季降水存在强的相关关系。因此认为城市暴雨空间分布可由地面温度分布特征来表征，通 过以下公式来进行计算。
[0042]
vh＝dn
×
0.02-273.15
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0043]
式中，dn为像元的灰度值，0.02为辐射缩放比，-273.15为云掩模值。
[0044]
本发明以镇江市城区为例，通过分析计算得到如图1所示的镇江市城区暴雨高风险区划 图。
[0045]
步骤二：建立城市洪涝风险模型
[0046]
可根据研究区的地形分布情况，用某时间步长的总积水量与该时间步长积水淹没范围内 总积水量体积相等的原理来模拟暴雨内涝风险，计算公式为：
[0047][0048]
式中a为积水区，ew(x,y)为积水水面高程，eg(x,y)为地面高程，dσ为积水区面积微元。
[0049]
考虑到城市暴雨内涝积水流速较小，对水面可进行近似和简化以便于计算，将水面近似 简化为平面。将公式(2)简化为：
[0050][0051]
该式中ew为整个区域统一的积水水面高程。本文通过离散研究区的方法对该值进行求 解。把整个积水区a离散为若干个栅格区域，利用空间插值给地面高程栅格赋值。离散后上 式可以化为：
[0052][0053]
式中，δσ为栅格面积，n为积水区域栅格总数，eg(i)为第i个栅格的高程。当栅格面积 足够小，此式与上式的结果越接近。此时的未知量为n和ew，而n参数可通过ew和eg的关 系获得，通通过二分法对积水水面高程ew进行求解。首先定义ew的取值范围(e
min
,e
max
), 确保e
min
的值不大于研究区地面高程的最小值，e
max
不小于地面高程的最大值与该时段降雨 量高度之和，此时设定ew的初始值e
ave
＝(e
min
e
max
)/2，将此值带入式中，并对整个研究区的 栅格进行求和计算。若e
w-eg(i)＞0，即在ew＝e
ave
时，该栅格有积水，则w增加[e
w-eg(i)]δσ， 而e
w-eg(i)≤0则表示该栅格无积水，w值不增加。对研究区所有栅格计算完成后即可得到 ew＝e
ave
的情况下积水淹没范围内总水量w的值。将w与通过产流模拟得出的积水总水量p 进行比较，若p-w＞0,则说明设定的积水水面高程偏低，再重新设定积水水面高程，具体实 现方法为：e
min
＝e
ave
，e
ave
＝(e
min
e
max
)/2，再重新计算ew＝e
ave
的情况下积水淹没范围内总 水量w的值；若p-w＜0则说明设定的积水水面高程偏高，再重新设定积水水面高程，具体 实
现方法为：e
max
＝e
ave
，e
ave
＝(e
min
e
max
)/2。通过上述的计算方法使得p与w的值逐渐逼 近，直到其差值小于允许误差为止，最后即可得到积水水面高程ew。
[0054]
最后计算研究区的积水分布情况，具体方法为:首先对栅格进行判断，若e
w-eg＞0，则 表示该栅格区域有积水，将其积水水深赋值为d＝e
w-eg；若e
w-eg＜0，则表示该栅格区域 无积水，积水水深赋值为0。通过此方法对研究区内所有栅格进行一次计算，即得到研究区 积水空间分布数据。
[0055]
本发明以镇江市城区为例，通过模型计算和gis空间分析技术，得出镇江市城区5、10、 20、50、100年一遇的洪涝淹没图。5幅图研究结果表明镇江市5年一遇积涝点有5处且积水 面积比较小，10年一遇和20年一遇积涝点也是5处但集水面积明显增大，50年一遇积涝点 增加至6处且积水面积继续增大，100年一遇的积涝点增加至7处且集水面积更大。由于篇 幅所限，仅给出100年一遇的镇江市城区洪涝淹没图图2。
[0056]
步骤三：建立城市承灾体易损性模型
[0057]
多数研究者从可能受到洪涝灾害对人员及财产方面进行承灾体易损性分析，但由于该法 得出的结果比较粗糙且与实际易损性不相符合的情况，因此，本发明提出了使用精细化土地 类型和历史灾情数据相结合的方法来计算承灾体易损性。
[0058]
灾情数据里的损失可分为两种情况，一种是可以用财富来衡量的损失，还有一个就是人 口的损失。分别利用改进的层次分析法计算得到两种损失在不同土地类型上的系数，根据系 数生成经济易损失和人口易损失分布图，构建承灾体易损性模型如下：
[0059]
vs＝ωg·
a ω
p
·bꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0060]
式中，ωg是经济易损失系数，ω
p
是人口易损失的系数。本模型中认为在任一场洪涝灾 害评估中，经济损失和人口损失同等重要，因此易损失系数分别取0.5；a是经济易损失指数。 该值是根据不同场次洪涝灾害下不同土地类型单位面积灾损值进行两两比较，然后利用层次 分析法计算得到不同土地利用类型经济易损性指数的平均值；b是人口易损失指数。同理， 该值是根据不同场次洪水灾害下不同土地类型单位面积人口损失进行两两比较，而后利用层 次分析法计算得到不同土地利用类型人口易损性指数的平均值。
[0061]
本发明以镇江市城区为例，通过模型算法和3s技术得到如图3所示的镇江市城区承灾体 易损性分布图。
[0062]
步骤四：城市水文站网规划
[0063]
本城市水文站网布设方法提出结合城市暴雨高风险、洪涝风险、承灾体易损性3个方面 的分析，从数据融合的角度综合考虑水文站网布设需求指数模型，城市水文站网布设模型如 下：
[0064][0065]
考虑到暴雨高风险、洪涝风险和承灾体易损性这三个评价因子对站网规划的重要性可能 不同，故对它们分别赋予不同的权重值，然后再根据构建的城市水文站网规划需求指数模型 进行计算：
[0066]
fdri＝(wh
·
vh)(we
·
ve)(ws
·
vs)
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0067]
式中：fdri为城市站网规划需求指数，其值越大，则站网设置需求度越高。vh、ve、
vs 分别表示城市站网规划模型中三个评价因子的指数值，wh、we、ws分别是各评价因子对应 的权重值，其大小取0到1之间。城市站网规划需求指数模型中三个评价因子权重值由层次 分析法原理构造判断矩阵后求出。本发明采用镇江市城区为例，由城市站网规划需求指数模 型，利用gis空间分析技术，结合步骤一至步骤三得到的结果进行计算，得到如图4所示的 镇江城区水文站网需求指数图。
[0068]
基于上述步骤得到的镇江市城区水文站网需求指数分布图，基于gis空间分析技术，结 合镇江市现有站网密度、行政管理考虑，进行镇江市城市水文站网布设，最终得到如图5所 示的镇江城区水文站网整体优化布设分布图。
[0069]
最后，开发一个数据批量导入、处理，模型运算、产品制作为一体，界面友好、流程简 单，便于站网管理者使用的交互式业务系统，变手动为自动，增加劳动效率，实现从无平台 到有平台的改变，满足业务需求促进城市水文站网规划水平。将上述步骤以模块化的方式呈 现，构造出城市水文站网规划系统。城市水文站网规划系统由因子权重计算、暴雨高风险、 洪涝风险计算和承灾体易损性四个模块组成。因子权重模块、暴雨风险模块、洪涝风险计算 模块、承灾体易损性模块分别是依据层次分析理论模型、暴雨高风险模型、洪涝风险计算模 型、承灾体易损性模型编成的，它们最终构成城市水文站网布设系统。具体的，暴雨风险模 块、洪涝风险计算模块、承灾体易损性模块分别用于实现上述步骤一～三的功能，因子权重计 算用于实现步骤四中功能。层次分析理论模型其权重的确定是通过构造判断矩阵，依据矩阵 求出其特征向量，而后将特征向量进行归一化处理，从而得出各评价因子的权重值，最后为 了保证所求因子权重的可信性，需要对判断矩阵进行一致性检验，用一致性比率来判断矩阵 一致性。
[0070]
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范 围，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，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。