(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 107665338 A(43)申请公布日 2018.02.06
(21)申请号 201710866357.1(22)申请日 2017.09.22
(71)申请人 中国水利水电科学研究院
地址 100038 北京市丰台区车公庄西路20
号(72)发明人 雷晓辉 廖卫红 黄晓敏 王明元
桂梓玲 田雨 权锦 甘治国 王超 (74)专利代理机构 北京市盛峰律师事务所
11337
代理人 于国富(51)Int.Cl.
G06K 9/00(2006.01)G06F 17/30(2006.01)G06Q 50/06(2012.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图5页
(54)发明名称
基于遥感的小型水利工程水面面积及蓄水量推求方法(57)摘要
本发明公开了一种基于遥感的小型水利工程水面面积及蓄水量推求方法，涉及遥感反演/水库水资源信息/水文监测领域。所述方法：获取包含目标研究流域的遥感数据及目标研究流域内所有小型水利工程的分布位置和实际蓄水量数据；提取目标研究流域的水面分布图；获取小型水利工程水面的遥感反演图；对小型水利工程存蓄水体的水面遥感反演图中小型水利工程的遥感水面面积数据进行质量检查；以小型水利工程的遥感水面面积作为横坐标、小型水利工程的实际蓄水量作为纵坐标的坐标系中，绘制目标研究流域的遥感水面面积与蓄水量关系曲线。本发明提高小型水利工程水面提取的精度、通用性好且操作简单易行。
CN 107665338 ACN 107665338 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于遥感的小型水利工程水面面积及蓄水量推求方法，其特征在于，所述方法包括：
S1，获取数据
获取包含目标研究流域的遥感数据及目标研究流域内所有小型水利工程的分布位置、每个小型水利工程在目标研究时间的实际蓄水量数据；所述小型水利工程包括小型水库和塘坝；
S2，提取目标研究流域的水面分布图首先，在所述遥感数据的基础上，判断遥感数据中任意一个图像块的TM2+TM3与TM4+TM5的关系，如果TM2+TM3>TM4+TM5，则保留该图像块；如果TM2+TM3≤TM4+TM5，则去除该图像块，最终得到初步筛选谱图；
然后，剔除初步筛选谱图中DEM高程坡度大于预设阈值的内容，得到二次筛选谱图；最后，在二次筛选谱图的基础上，手动去除明显非水体内容，得到目标研究流域的水面分布图；
S3，获取小型水利工程水面的遥感反演图
获取水面分布图中各个水利工程存蓄水体的遥感水面面积，去除遥感水面面积超过预设范围的水体，得到小型水利工程存蓄水体的水面遥感反演图；
S4，质量检查
对小型水利工程存蓄水体的水面遥感反演图中小型水利工程的遥感水面面积数据进行质量检查；
S5，经过质量检查后，从所述目标研究流域的子流域中均匀选取多个存在工程实际运行资料的子流域作为样本，获取所有样本中的每个小型水利工程的遥感水面面积和实际蓄水量，然后将每个小型水利工程标记在以小型水利工程的遥感水面面积作为横坐标、小型水利工程的实际蓄水量作为纵坐标的坐标系中，绘制得到所述目标研究流域的遥感水面面积与蓄水量关系曲线。
2.根据权利要求1所述基于遥感的小型水利工程水面面积及蓄水量推求方法，其特征在于，步骤S1中，当小型水利工程在目标研究时间的实际蓄水量数据不全时，则将目标研究时间定为汛末时，此时各小型水利工程基本均能蓄满水，即可将汛末时各小型水利工程的总库容直接作为目标研究时间时的实际蓄水量数据，同时，使用目标研究流域的在汛末时的遥感数据进行步骤S2之后的处理。
3.根据权利要求1所述基于遥感的小型水利工程水面面积及蓄水量推求方法，其特征在于，步骤S4中，对小型水利工程存蓄水体的水面遥感反演图中小型水利工程的遥感水面面积数据进行质量检查，具体为：
判断水面遥感反演图任意一个子流域内部，水面遥感反演图所表示小型水利工程的位置与小型水利工程的实际位置和大小是否均一致，如果是，则质量检查结果合格；如果任意一个不吻合，则返回S2重新提取目标研究流域的水面分布图。
4.根据权利要求1所述基于遥感的小型水利工程水面面积及蓄水量推求方法，其特征在于，步骤S5中，所述目标研究流域中小型水利工程的遥感水面面积的log值与实际蓄水量的log值呈线性关系，表现公式为公式(1)：
log(V)＝a log(A)-b (1)
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权 利 要 求 书
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V表示小型水利工程的实际蓄水量，A表示小型水利工程的遥感水面面积，a和b是拟合系数。
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说 明 书
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基于遥感的小型水利工程水面面积及蓄水量推求方法
技术领域
[0001]本发明涉及遥感反演/水库水资源信息/水文监测领域，尤其涉及一种基于遥感的小型工程水面面积及蓄水量的推求方法。
背景技术
[0002]使用现有技术收集流域中小型水库及塘坝等小型水利工程的实时运行相当困难，且收集到的信息并不完整。目前，有使用水面面积与库容关系推求得到小型水利工程资料的方法，如：基于遥感进行流域小水库塘坝水面面积与库容关系推求、阈值法、差值法、比值法、密度分割法、色度判别法、比率测算法、谱间关系法以及基于知识的水体自动判别方法和根据形状信息进行水体识别与分类方法等，但是，现有涉及流域小水库塘坝水面面积与蓄水量推求方法存在以下不足：[0003](1)现有方法多面向于具有规模的水库，并不适用于小型水库及塘坝等小型水利工程的水面面积与蓄水量关系。[0004](2)现有方法因缺少对山体和云阴影的剔除，提取到的水面分布精度不高。[0005](3)现有方法在水体提取时，未筛除掉面积过大河流和大型水库的水体、细碎非塘坝水体等破碎因素，使得用于小水库塘坝水面面积库容关系推求的水面面积偏大。[0006]综上，现有流域小水库塘坝水面面积与蓄水量推求方法存在推求得到的水面面积与蓄水量不精确的问题。
发明内容
[0007]本发明的目的在于提供一种基于遥感的小型水利工程水面面积及蓄水量推求方法，综合利用遥感技术、GIS技术和空间可视化技术，通过遥感图像提取水面范围，拟合水面面积与蓄水量间关系，从而解决现有技术中存在的前述问题。[0008]为了实现上述目的，本发明所述基于遥感的小型水利工程水面面积及蓄水量推求方法，所述方法包括：[0009]S1，获取数据
[0010]获取包含目标研究流域的遥感数据及目标研究流域内所有小型水利工程的分布位置、每个小型水利工程在目标研究时间的实际蓄水量数据；所述小型水利工程包括小型水库和塘坝；[0011]S2，提取目标研究流域的水面分布图[0012]首先，在所述遥感数据的基础上，判断遥感数据中任意一个图像块的TM2+TM3与TM4+TM5的关系，如果TM2+TM3>TM4+TM5，则保留该图像块；如果TM2+TM3≤TM4+TM5，则去除该图像块，最终得到初步筛选谱图；[0013]然后，剔除初步筛选谱图中DEM高程坡度大于预设阈值的内容，得到二次筛选谱图；
[0014]最后，在二次筛选谱图的基础上，手动去除明显非水体内容，得到目标研究流域的
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水面分布图；[0015]S3，获取小型水利工程水面的遥感反演图
[0016]获取水面分布图中各个水利工程存蓄水体的遥感水面面积，去除遥感水面面积超过预设范围的水体，得到小型水利工程存蓄水体的水面遥感反演图；[0017]S4，质量检查
[0018]对小型水利工程存蓄水体的水面遥感反演图中小型水利工程的遥感水面面积数据进行质量检查；[0019]S5，经过质量检查后，从所述目标研究流域的子流域中均匀选取多个存在工程实际运行资料的子流域作为样本，获取所有样本中的每个小型水利工程的遥感水面面积和实际蓄水量，然后将每个小型水利工程标记在以小型水利工程的遥感水面面积作为横坐标、小型水利工程的实际蓄水量作为纵坐标的坐标系中，绘制得到所述目标研究流域的遥感水面面积与蓄水量关系曲线。[0020]优选地，步骤S1中，当小型水利工程在目标研究时间的实际蓄水量数据不全时，则将目标研究时间定为汛末时，此时各小型水利工程基本均能蓄满水，即可将汛末时各小型水利工程的总库容直接作为目标研究时间时的实际蓄水量数据，同时，使用目标研究流域的在汛末时的遥感数据进行步骤S2之后的处理。[0021]优选地，步骤S4中，对小型水利工程存蓄水体的水面遥感反演图中小型水利工程的遥感水面面积数据进行质量检查，具体为：[0022]判断水面遥感反演图任意一个子流域内部，水面遥感反演图所表示小型水利工程的位置与小型水利工程的实际位置和大小是否均一致，如果是，则质量检查结果合格；如果任意一个不吻合，则返回S2重新提取目标研究流域的水面分布图。[0023]优选地，步骤S5中，所述目标研究流域中小型水利工程的遥感水面面积的log值与实际蓄水量的log值呈线性关系，表现公式为公式(1)：[0024]log(V)＝alog(A)-b (1)
[0025]V表示小型水利工程的实际蓄水量，A表示小型水利工程的遥感水面面积，a和b是拟合系数。
[0026]如本领技术人员知，水库分布的位置、水库等工程资料较易获取。因而本发明公开了一种基于遥感技术来推求小型工程存蓄水体水面的方法，随后依据水面面积进一步反推工程的实时蓄水量。
[0027]本发明的有益效果是：
[0028]1)本发明所述基于遥感的小型水利工程水面面积及蓄水量推求方法综合运用遥感技术、GIS技术和空间可视化技术，通过遥感图像提取针对小型水利工程的水面范围，拟合得到小型水利工程的水面面积与蓄水量间关系。
[0029]2)本发明所述方法在采用改进的谱间关系法识别水体的基础上，进一步剔除山体和云阴影的影响，提高小型水利工程水面提取的精度。
[0030]3)本发明所述方法在利用遥感图像识别水体的基础上，将面积过大的河流、大型水库的水体和一些细碎的非塘坝水体等破碎因素筛除掉，进一步提高小型水利工程的水面分布精度，本发明所述方法具有通用性且操作简单易行，可广泛应用于小型水利工程的水面提取。
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说 明 书
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附图说明
[0031]图1是实施例提取目标研究流域的水面分布图的流程示意图；[0032]图2是第二松花江丰满以上流域水库位置与遥感水面对照图；[0033]图3是59号子流域水库位置与遥感水面对照图；
[0034]图4是2000年小型工程水面面积与蓄水量关系拟合曲线；[0035]图5是2001年小型工程水面面积与蓄水量关系拟合曲线；[0036]图6是2006年小型工程水面面积与蓄水量关系拟合曲线；[0037]图7是2007年小型工程水面面积与蓄水量关系拟合曲线。
具体实施方式
[0038]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0039]关于本申请中的几点说明：[0040](一)所述目标研究时间是一个时刻的概念，就是当前时刻的实际值。[0041](二)剔除初步筛选谱图中DEM高程坡度大于预设阈值的内容用于以剔除山体阴影的影响。[0042](三)所述非水体内容包括云体和照片产生的栅格部分。[0043](四)预设范围为遥感水面面积大于S和遥感水面面积小于s，而去除遥感水面面积超过预设范围的水体，以剔除大中型水库、湖泊、河流及坡洼等水体的影响。[0044](五)步骤S5中，从所述目标研究流域的子流域中均匀选取多个存在工程实际运行资料的子流域作为样本，其中记载的“均匀”表示：从目标研究流域在水面遥感反演图所对应的区域中选取多个子流域，且多个子流域在所述对应的区域中呈现均匀分布，具体体现为在所对应的区域的东、西、南、北均选择子流域。[0045]以第二松花江流域为实施例，按照图1实线箭头指示提取目标研究流域的水面分布图的流程对第二松花江丰满以上流域的小型水利工程进行水面分布图的提取并分析小型水利工程的水面面积与小型水利工程的实际蓄水量关系，然后再按照图1中虚线箭头的流程，根据在目标研究流域中的任意一个小型水利工程A的实时遥感水面面积获得该小型水利工程A的实时蓄水量，所述实时遥感水面面积的获取方法采用本申请所述方法中的S2和S3所述，所述小型水利工程包括小型水库和塘坝。其中，本申请中，实际蓄水量表示通过基本水利参数换算或收集得到的蓄水量；实时蓄水量表示在遥感水面面积与蓄水量关系曲线的基础上，根据实时下载的遥感数据，反演得到蓄水量；[0046]本实施例步骤如下：[0047]S1，在地球系统科学数据共享网(http://www.geodata.cn)与中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http://datamirror.csdb.cn)下载涵盖第二松花江流域2000年、2001年、2002年以及2006、2007、2010年的遥感数据(Landsat TM/ETM+)，再根据需求对数据进行拼接融合结果；收集松花江丰满以上流域的小水库和塘坝实测库容资料，由于工程运行资料的资料不全，尽量采用8月末到10月初的遥感数据，此时绝大多数的
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说 明 书
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小水库和塘坝都刚过汛期，利用小水库和塘坝的总库容，而资料完全的小水库和塘坝则直接利用其正常库容作为实时蓄水量进行研究计算。[0048]S2，采用改进的谱间关系法来提取水体。该方法利用水体在TM2和TM3波段上的反射率与滩涂、山体阴影存在较大差异，在TM4和TM5波段上反射率较小，与其它地物区别明显的特征，通过模型
进行图像增强，再选取合适的阈值来实现水体信息的提取，具体
的判别方式为：判断遥感数据中任意一个图像块的TM2+TM3与TM4+TM5的关系，如果TM2+TM3>TM4+TM5，则保留该图像块；如果TM2+TM3≤TM4+TM5，则去除该图像块。经过上述筛选，去除原始遥感数据中大部分的其他地物，剩下的部分即初步筛选谱图可视作水体、一部分的山体阴影和大部分的云和阴影的总和。
[0049]山体和云阴影可通过排除DEM高程坡度大于10％的部分进行剔除，剩余的部分即次筛选谱图是水体。
[0050]再通过对比遥感图片手动除去云体和照片融合产生的栅格部分即可得到水面分布。
[0051]S3，获取小型水利工程的水面遥感反演图
[0052]将水面分布图中面积大于107m2的河流和/或大型水库的水体和面积小于104m2的非塘坝水体及其他图像块去掉，即得到第二松花江流域中小水库及塘坝等小型工程的水面遥感反演图。[0053]S4，进行遥感反演的小型水利工程水面数据的质量检查。[0054]图2表示进行数据检查后，2007年第二松花江丰满以上流域的遥感反演水面与水库实际位置对照图，由遥感数据所得，丰满以上流域的绝大多数水库塘坝集中在流域的西北部，水库的大体位置与实际情况互相吻合。
[0055]图3为2007年第59号子流域的水库位置与遥感水面的对照图，由图3知：子流域内部，水面遥感反演图中任意一个水面的位置与实际水库的实际位置基本一一对应，且水面遥感反演图中任意一个水面的数量与小型水利工程的数量基本一致。由此可见，经过数据检查后的水面遥感反演图中各个水面与实际水库的大小及位置匹配度高。[0056]步骤5，进行数据质量检查后，选出采用资料较完整的子流域(32、48、59等区域)作为样本，并统计库容(研究时间时水库已基本蓄满，可以用水库库容作为工程的实际蓄水量)和水面遥感资料建立水面与库容关系曲线，结果如图4-7和表1所示。因此可得出结论，所述目标研究流域中小型水利工程的遥感水面面积的log值与实际蓄水量的log值呈线性关系，表现公式为公式(1)：[0057]log(V)＝alog(A)-b (其中a∈[0.6,0.65]，b∈[1.2,1.5] (1)[0058]V表示小型水利工程的实际蓄水量，A表示小型水利工程的遥感水面面积。a和b是曲线拟合系数，a和b取值范围均根据流域中部分已知数据水库的面积-库容曲线推求。[0059]所述子流域指目标研究流域按照实际水系划分为的若干小流域，为本发明统计小型水利工程面积和库容的基本单元。如果从目标研究流域共选取m个子流域作为样本，m个子流域中的小型水利工程的总数为M，获取每个小型水利工程的遥感水面面积和实际蓄水量，然后在以小型水利工程的遥感水面面积作为横坐标、小型水利工程的实际蓄水量作为纵坐标的坐标系中标记各个小型水利工程，标记的结果为坐标系有M个坐标点，根据M
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个坐标点在坐标系中的位置绘制遥感水面面积与蓄水量关系曲线。[0060]最后，得出各个目标研究时间，第二松花江流域中各个小型水利工程的水面面积与水库库容关系，如表1所示。有了表1中的关系式，即可将水面面积与水库库容相关关系推广至全流域以及其他时间，即得到最终的水面面积和蓄水量的对应关系，从而实现仅利用遥感卫片即可推求得出水库实时运行数据，为水利工程资料获取困难的流域水资源管理提供数据支撑。
[0061]表1实施例的各年水库水面面积与水库库容相关关系
[0062]
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
[00]1)本发明所述基于遥感的小型水利工程水面面积及蓄水量推求方法综合运用遥感技术、GIS技术和空间可视化技术，通过遥感图像提取针对小型水利工程的水面范围，拟合得到小型水利工程水面面积与蓄水量间的关系。
[0065]2)本发明所述方法在采用改进的谱间关系法识别水体的基础上，进一步剔除山体和云阴影的影响，提高小型水利工程水面提取的精度。
[0066]3)本发明所述方法在利用遥感图像识别水体的基础上，将面积过大的河流、大型水库的水体和一些细碎的非塘坝水体等破碎因素筛除掉，进一步提高小型水利工程的水面分布精度，从而通过遥感反演得到小型水利工程的水面面积以及相应的蓄水量大小，本发明所述方法具有通用性且操作简单易行，可广泛应用于小型水利工程的水面提取。[0067]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
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