基于遙感圖像的水文特征分析系統設計

巴達日夫

摘 要： 傳統基于LabVIEW的水文特征分析系統存在對水文特征監(jiān)測結果準確率低，監(jiān)測用時長的問題。因此設計基于遙感圖像的水文特征分析系統，采用B/S模式設計系統總體架構，確保用戶在搜索需要資料的同時提高系統整體的運行效率。設計的系統顯示界面可實現站點查詢、水文特征、水文形態(tài)、水質監(jiān)測和底圖切換的功能，系統采用的SQL Server數據庫包括遙感影像數據庫、水文特征信息數據庫和資料管理維護數據庫，完成水文特征數據的全面存儲。水文特征分析模塊采取數據預處理、水流的流向分析、匯流累積量計算以及河網生成等操作，對水文特征進行全面、準確分析，系統中的水位預警分析模塊通過對水域水位進行監(jiān)測，依照不同安全級別將水位監(jiān)測結果進行劃分，實現對危險水位的準確預警。實驗結果表明，所設計系統能對水文特征進行準確分析，具有較高的監(jiān)測效率。

關鍵詞： 水文特征分析； 水資源評價； 地下水； GIS； 水文地質結構； 遙感圖像

中圖分類號： TN911.73?34； TU991 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）08?0068?04

Abstract： The traditional hydrological characteristic analysis system based on LabVIEW has problems of low accurate hydrological characteristic monitoring results and long monitoring time. Therefore， a hydrological characteristic analysis system based on remote sensing images is designed. The B/S mode is adopted to design the overall architecture of the system to ensure that the overall operation efficiency of the system can be improved while users are searching the materials they need. Functions of site query， hydrological characteristic monitoring， hydrological pattern monitoring， water quality monitoring and base map switching are realized on the designed display interface of the system. The SQL Server database which includes remote sensing image database， hydrological characteristic information database and material management and maintenance database is adopted in the system to achieve overall storage of hydrological characteristic data. In the hydrological characteristic analysis module， operations such as data preprocessing， water flow direction analysis， river flow accumulation calculation， and river network generation are conducted for comprehensive and accurate analysis of hydrological characteristics. The water level warning analysis module is adopted in the system to execute monitoring according to the water level of water area and divide the security levels of water level monitoring results to achieve accurate warning of danger water levels. The experimental results show that the designed system can accurately analyze hydrological characteristics and has high monitoring efficiency.

Keywords： hydrological characteristic analysis； water resource assessment； underground water； GIS； hydrogeological structure； remote sensing image

0 引 言

近年來，隨著經濟的發(fā)展、人口數量的增長以及大量的能源消耗，導致洪災旱災的發(fā)生日益頻繁，使水域附近的生態(tài)環(huán)境承受巨大壓力。為降低水域周邊環(huán)境的惡化速度，以及加強政府部門對水域的動態(tài)掌握，有必要建立水文特征分析系統。遙感技術以其監(jiān)測范圍廣[1]，獲取有效信息的用時短以及不受地理條件約束等特點，被廣泛地應用在水文特征分析中。中分辨率成像光譜儀（Moderate?Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）遙感數據在數據的監(jiān)測頻率上明顯高出其他星源，MODIS遙感數據較高的數據獲取頻率能夠滿足對水文特征動態(tài)監(jiān)測的需求。傳統基于LabVIEW的水文特征分析系統對水文特征監(jiān)測結果存在準確率和效率低的問題。本文設計基于遙感圖像的水文特征分析系統，對減輕洪水災害對水域環(huán)境的威脅，促進水域環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有良好作用。

1 基于遙感圖像的水文特征分析系統

MODIS遙感圖像應用于水文特征分析的主要原因為：通過GIS獲得的MODIS傳感圖像是免費使用的，這就造就MODIS遙感圖像的廣泛應用；MODIS遙感圖像涵蓋范圍廣，波段的涵蓋多達36個且對250 m，500 m和1 000 m外拍攝影像都有較高的分辨率；TERRA和AQUA衛(wèi)星均為太陽的同步衛(wèi)星，在同一個監(jiān)測點處分別在上午和下午經過，拍攝影像的時間頻率互相替換，因此MODIS遙感影像的實用性較高。

1.1 系統總體架構設計

本文設計的基于遙感圖像的水文特征分析系統是B/S模式。該結構共分為表示層、業(yè)務邏輯層以及數據訪問層。其中表示層主要將用戶的瀏覽器作為運行平臺；業(yè)務邏輯層包括系統程序開發(fā)以及系統的各項業(yè)務的更新[2]；數據訪問層涵蓋數據管理、更新以及維護等功能。這種層次結構分明的設計模式能極大提高系統的運行效率。圖1為本文的系統總體架構圖。

表示層主要表達用戶系統的頁面，讓用戶可以使用系統的各種功能，用戶輸入需要查詢的內容經過業(yè)務邏輯層來對數據內容進行提取[3]，提取結果在表示層顯示給用戶。系統的業(yè)務邏輯層負責進行系統的開發(fā)、運行調試等一系列工作，屬于系統的核心操作層。在表示層和數據訪問層間起到承接的作用。數據訪問層存儲系統所有數據，并對數據實施更新、修改及刪除等功能。

1.2 系統數據庫模塊設計

本文系統建立的數據庫為SQL Server數據庫，同樣為三層B/S模式。SQL Server數據庫具有結構簡便、適用于分布式環(huán)境效果好、反應快速快以及經濟性能好等優(yōu)點，因此被廣泛使用。其中數據庫的組成包括：

1） 基本地理信息數據：地理信息數據包括湖泊、河流以及水文監(jiān)測站的地理坐標信息；

2） 遙感圖像本文選取的是MODIS 250左右的圖像數據，以及少量的資源環(huán)境衛(wèi)星拍攝的影像數據；

3） 各個監(jiān)測站點需要對水文特征包括水位、含沙量、輸沙量、流量以及徑流量進行實時監(jiān)測[4]，除此之外，還需利用3 s技術對地下水的質量進行監(jiān)測，對水資源進行詳細的評價。

1.3 系統實現

1.3.1 水文特征分析模塊實現

在進行水文特征分析前需要對DEM數據進行預處理。處理內容包括平滑操作和填坑處理。填坑處理的操作過程為先填平再墊高，水流的流向計算采用D8，對上游的積水面積進行計算，提取水系，水文特征分析步驟如圖2所示。

水文特征的分析需要經過一系列處理步驟，進行水文特征分析前需要進行數據預處理，即DEM格網數據生成操作。采用在ArcMap中添加離散點數據，使用空間分析插值工具的方法將數據轉變?yōu)閇Spatial Analyst]>；>；[Interpolate to Raster]>；>；[Spline]。網格設置大小即可得到分辨率為多少的DEM網格數據。水域流向分析是研究水文特征的關鍵。本文使用Flow Direction命令應用于DEM數據可生成水域的流向圖。確定水流方向后，通過水流方向計算匯流積累量，對于不同的柵格[5?6]，柵格的匯流積累量越大，表明該地區(qū)形成的表徑流越容易。

1.3.2 水位預警分析模塊實現

水位預警模塊是確保水位安全的最后防線，在水文特征分析系統具有重要地位。系統對水域進行水位監(jiān)測[7]，與程序的設定值進行比較分析，得到不同的安全級別。根據不同的水位監(jiān)測結果分為安全、危險和非常危險三個等級[8]，并設置三個報警指示燈。根據季節(jié)的不同和水位變化的特點不同可對參數進行修改，也可以采取增加其他變量來提高系統的危險預警能力[9]。系統通過水位監(jiān)測裝置測得水位若處于最低水位和警戒水位之間，說明該水域當前處于安全范圍內；若測得的水位值在警戒值和危險值之間說明水體處于危險狀態(tài)，處于危險水位以上可能會出現嚴重的洪災，水位監(jiān)測裝置見圖3。

系統針對不同的危險等級設置不同的警報聲音，以便工作人員對不同的危險等級做不同的對應措施。

2 實驗分析

實驗為驗證本文系統對水文特征的分析效果，現對某市的某條河流進行水文特征分析，利用遙感技術能從整體看出河流的所有支流的走向以及河道的寬度，對分析水文特征起到較好的輔助作用。實驗現采用本文系統對水文特征的實地監(jiān)測，以基于LabVIEW的水文特征分析系統的水文特征監(jiān)測結果為對比實驗，分析兩種系統對不同水文特征的監(jiān)測結果準確率。

實地的監(jiān)測對象為上述實驗中的河流，為了保證實驗結果具有較高的普遍性，分別在該河流的12個不同地點采用本文系統和基于LabVIEW的水文特征分析系統進行實地監(jiān)測，實驗結果見表1和表2。

從表1和表2系統的實地水文特征監(jiān)測結果可以看出，本文系統對不同水文特征的監(jiān)測結果的正確率均在90%以上，對水文特征分析結果準確率高，而基于LabVIEW的水文特征分析系統的準確率最高值為78.2%，遠低于本文系統的最低水平。結果說明，本文系統在應用實際中監(jiān)測結果的準確性好。

為了使系統監(jiān)測結果用時對比效果更明顯，用圖4和圖5所示的折線圖進行表示。

從圖4和圖5監(jiān)測用時可以明顯看出，本文系統的監(jiān)測用時在2.5 s以內，對水文特征分析的效率和準確性均較高；基于LabVIEW的水文特征分析系統用時在6 s左右，用時較高于本文系統用時。綜合上述結論說明，本文系統對水文特征的監(jiān)測結果正確率以及監(jiān)測效率高。

3 結 論

本文設計的以及遙感圖像的水文特征分析系統，能夠基于衛(wèi)星遙感拍攝的圖像對水文特征進行分析，提高系統對水文特征監(jiān)測結果的正確率，提高系統的效率。

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