基于多源雷达遥感技术的河流径流监测系统研究与实现

论文摘要

河流是人类重要的用水来源,与人类的生活、生产息息相关,同时也是地球水循环的重要组成部分,在区域经济发展和气候变化中发挥着至关重要的作用。河流径流是陆地上最重要的水文要素之一,也是水量平衡的基本要素。近些年来,随着科技的进步和人类社会的发展,人们越来越重视对河流径流的监控。然而,受全球气温上升的影响,使得洪涝、干旱等极端水文现象和雷电、暴雨等灾害性天气发生的可能性增加,河流径流监测任务将直接影响到周边地区人民的安危。因此利用遥感技术监测河流径流成为一个重要的研究课题。雷达遥感具有全天时、全天候观测能力,且有一定穿透云、雨、雾的能力,不易受到天气影响。因此,利用雷达高度计测高技术与合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）信息提取技术开展河流遥感监测研究,具有非常重要的现实意义。本文以中国的第二长河——黄河为研究区域,基于雷达高度计测高技术和SAR图像信息提取技术,开展河流河宽、水位、径流等方面的遥感监测研究。河流径流是指某一时段内通过河流某一过水断面的水量,可由河宽、水位、流速等水文参量计算得到。本文基于多源雷达遥感技术,利用雷达高度计数据提取河流水位,利用SAR图像处理获取河流区域信息,并以此计算河流河宽。然后以曼宁公式为基础,通过关系拟合法处理河宽、水位等参数与实测径流数据,从而构建河流径流计算模型。通过实验验证,雷达高度计测高技术和SAR图像信息提取技术可以有效地用于河流相关参数的监测工作中,并在本文研究的基础上还具有一定的监测精度提高的潜力。本文的主要工作以及创新点可以总结为以下的三个方面:（1）基于多源雷达遥感技术获取河流参数本文提出了一种基于多源雷达遥感技术提取河流参数的处理方法。考虑到河流流域广阔,地理环境复杂,在利用遥感技术监测河流时,需要考虑到夜间、天气、环境等多方面的影响。根据以上需要,本文采用雷达高度计测高技术和SAR图像信息提取技术获取河流水位与河宽数据,该方法具有全天时全天候且不受天气影响的特点,不仅可以在恶劣气候条件下完成河流径流的监测任务,且获取的河宽与水位结果准确度较高。（2）构建多源雷达遥感径流计算模型本文提出了一种基于多源雷达遥感的河流径流计算模型（Multi-source Radar Remote Sensing-Runoff Calculation Model,MRRS-RCM）。在计算河流径流时,通常需要河流河宽、水深、流速等参数,但是以目前的SAR遥感技术获取河流流速具有一定难度,且河底高程、河底宽度等某些参数难以获取。本文以曼宁公式为基础,将流速转化为河宽与水深的数值关系,以近些年实测水位最低值为相对河底高程,对应实测径流为基准径流,将雷达遥感提取到的水位结果转换为相对水深,结合河宽提取结果与实测径流数据,利用关系拟合法得到河流经验参数rep（用于表示曼宁公式中未知的水面坡度S和曼宁粗糙系数n）,以此构建MRRS-RCM模型。（3）设计并实现河流径流监测系统本文以MRRS-RCM模型为基础,设计并实现了一款河流径流监测系统。本系统主要实现了河流河宽计算功能、河流水位计算功能、河流径流计算功能以及径流过程线绘制功能。其中,河流河宽计算功能是根据系统提取SAR图像数据中的河流水面,结合其经纬度信息计算水面面积,再除以河段长度,实现河宽计算;河流水位计算功能由系统选取研究站点处雷达高度计数据,提取过水面上方的高程信息,实现水位计算;河流径流计算功能是系统将上述计算所得的河流河宽与河流水位,代入河流径流计算模型,计算河流径流;径流过程线绘制功能的实现是通过系统查找用户选择时间与研究站点下的径流数据,绘制径流过程线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 河流径流监测研究现状
•     1.2.2 雷达高度计监测河流研究现状
•     1.2.3 SAR监测河流研究现状
•   1.3 主要研究内容
•   1.4 论文的组织结构
• 第2章 基础理论与技术研究
•   2.1 雷达遥感基础理论
•     2.1.1 雷达高度计基础理论
•     2.1.2 SAR基础理论
•     2.1.3 SAR图像预处理
•   2.2 算法介绍
•     2.2.1 雷达高度计重跟踪算法介绍
•     2.2.2 SAR图像分割算法介绍
•   2.3 河流径流计算方法介绍
•     2.3.1 关系拟合法
•     2.3.2 曼宁公式
•   2.4 本章小结
• 第3章 多源雷达遥感径流计算模型研究
•   3.1 研究区域与实验数据
•     3.1.1 研究区域概况
•     3.1.2 实验数据概况
•   3.2 多源雷达遥感径流计算模型构建
•     3.2.1 河流水位提取方法
•     3.2.2 河流河宽提取方法
•     3.2.3 多源雷达遥感径流计算模型
•   3.3 实验结果与讨论
•     3.3.1 水位提取结果验证
•     3.3.2 河宽提取结果验证
•     3.3.3 径流计算结果验证
•   3.4 本章小结
• 第4章 河流径流监测系统设计与实现
•   4.1 系统设计
•     4.1.1 系统框架设计
•     4.1.2 系统流程设计
•     4.1.3 数据库设计
•   4.2 系统实现
•     4.2.1 系统关键技术实现
•     4.2.2 数据管理模块实现
•     4.2.3 参数处理模块实现
•     4.2.4 径流分析模块实现
•   4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文与参加的项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王宁

导师: 闵林

关键词: 河流径流监测系统,河流径流计算模型,关系拟合,合成孔径雷达,雷达高度计

来源: 河南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 地球物理学,工业通用技术及设备,自动化技术

单位: 河南大学

分类号: TP79;P332

总页数: 76

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