李 闖,趙建輝,2,3,戚雯雯,常繼科

1(河南大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,開(kāi)封 475004)

2(河南大學(xué) 河南省大數(shù)據(jù)分析與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,開(kāi)封 475004)

3(河南大學(xué) 河南省智能技術(shù)與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心,開(kāi)封 475004)

近年來(lái),由于氣候變化,極端天氣增多,洪災(zāi)仍是給人類社會(huì)帶來(lái)?yè)p失最大的自然災(zāi)害[1].水庫(kù)作為一種重要的水利樞紐,對(duì)攔截洪水、保障供水、調(diào)配水資源等工作具有積極作用,也為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供著不可忽略的助力.水庫(kù)蓄水量是水庫(kù)健康運(yùn)行的重要指標(biāo)之一,與區(qū)域的氣候、濕度、降水等密切相關(guān).因此,研究水庫(kù)蓄水量對(duì)合理保護(hù)和利用水資源以及制定相關(guān)政策十分必要[2].

傳統(tǒng)的水庫(kù)蓄水量測(cè)量方法主要依靠人力到現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)各種監(jiān)測(cè)儀器來(lái)獲取數(shù)據(jù)[3],通過(guò)繪制庫(kù)區(qū)地圖并將其分割成等高線、三角網(wǎng)等,進(jìn)行水域面積的提取,然后結(jié)合等高距,計(jì)算水庫(kù)蓄水量.傳統(tǒng)方法不僅耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力,而且水域面積的測(cè)量精度受制圖精度的影響較大,所利用的儀器也常常會(huì)因?yàn)樘鞖鈵毫雍腿粘Ｏ亩鴵p壞,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的缺失.相對(duì)于傳統(tǒng)方法,遙感方法具有監(jiān)測(cè)范圍廣、收集信息快和工作平臺(tái)多樣化等優(yōu)勢(shì).單一遙感方法主要利用遙感技術(shù)對(duì)水庫(kù)的一種參數(shù)進(jìn)行提取[4],其他參數(shù)則采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的方式獲取,這種方法研究手段單一,在同一時(shí)期獲取的可用遙感數(shù)據(jù)少,精度相對(duì)較低.而對(duì)于我國(guó)國(guó)土面積遼闊、水庫(kù)分布零散的現(xiàn)狀而言,并不是所有的水庫(kù)都適合到現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展調(diào)查.例如青藏高原,由于海拔高、氣候惡劣、地形地貌復(fù)雜等原因,會(huì)在一定時(shí)期造成人類難以到達(dá)的無(wú)人區(qū),使之不宜開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查.采用多源遙感能夠豐富數(shù)據(jù)源,使不同遙感技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),獲取比單一遙感更好的監(jiān)測(cè)效果.因此,基于多源遙感信息進(jìn)行水庫(kù)蓄水量估算研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.

目前已有許多基于多源遙感信息的水資源監(jiān)測(cè)研究.2016年,文獻(xiàn)[5]基于Envisat、Jason-2和Terra/Aqua MODIS 等多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),獲取了河流水位和河寬數(shù)據(jù),利用改進(jìn)的曼寧公式估算了亞馬遜和尼羅河的徑流量.2017年,文獻(xiàn)[6]利用合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)影像、光學(xué)遙感影像和機(jī)載激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging,LiDAR)數(shù)據(jù),建立了3 個(gè)數(shù)據(jù)集的融合分類模型,采用多級(jí)決策樹(shù),通過(guò)最小化單個(gè)數(shù)據(jù)集的模型之間的差異實(shí)現(xiàn)水體的高精度提取.2019年,文獻(xiàn)[7]綜合運(yùn)用衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)和光學(xué)遙感岸線監(jiān)測(cè)技術(shù),研制了高時(shí)間分辨率的2000年-2017年青藏高原湖泊水位、水量變化數(shù)據(jù)集.多源遙感衛(wèi)星技術(shù)已在地表水資源監(jiān)測(cè)研究中得到廣泛應(yīng)用,為地表水資源監(jiān)測(cè)提供了可靠的理論和技術(shù)支撐,但目前基于多源遙感信息的水庫(kù)蓄水量估算研究非常少見(jiàn),基于多源遙感信息的水庫(kù)蓄水量估算系統(tǒng)更是鮮有報(bào)道.

近年來(lái),已有研究人員開(kāi)發(fā)了水庫(kù)防洪調(diào)度[8,9]、庫(kù)容計(jì)算[10]、水庫(kù)地質(zhì)災(zāi)害視頻監(jiān)測(cè)預(yù)警[11,12]等多種水庫(kù)信息管理系統(tǒng),但是這些系統(tǒng)所利用的數(shù)據(jù)多是地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或是第三方提供的數(shù)據(jù),很少利用多源遙感技術(shù)直接在軟件系統(tǒng)中提取水庫(kù)參數(shù).2018年,文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一款基于SAR 遙感監(jiān)測(cè)的水庫(kù)參數(shù)計(jì)算系統(tǒng),利用從SAR 影像提取的水域面積、從國(guó)家水利部“全國(guó)水雨情信息網(wǎng)”獲取的實(shí)測(cè)水位和標(biāo)準(zhǔn)蓄水量等數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)同化,對(duì)丹江口水庫(kù)的面積和蓄水量等參數(shù)進(jìn)行了估算研究,但該文的蓄水量估算模型僅利用SAR 遙感影像自動(dòng)提取水域面積參數(shù),模型所需的實(shí)測(cè)水位等關(guān)鍵參數(shù)仍需從第三方網(wǎng)站獲取,對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的依賴較大,而且受限于網(wǎng)絡(luò)傳輸速率等方面的限制,一旦缺乏數(shù)據(jù)支持(如重大災(zāi)害導(dǎo)致數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中斷等),該模型和系統(tǒng)將無(wú)法獨(dú)立工作.因此,開(kāi)發(fā)出一款具有獨(dú)立工作能力的多源遙感水庫(kù)蓄水量估算系統(tǒng)具有十分重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值.

針對(duì)上述問(wèn)題,本文利用星載雷達(dá)高度計(jì)(Rader Altimetry,RA)[14]提取水庫(kù)水位,利用優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的星載多光譜成像儀(Multi-Spectral Instrument,MSI)影像和星載SAR 影像提取水庫(kù)的水域面積,采用數(shù)據(jù)同化法建立了多源遙感水域面積差異的定量函數(shù)關(guān)系,構(gòu)建了多源遙感水庫(kù)蓄水量估算模型,并基于該模型,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一款多源遙感水庫(kù)蓄水量估算系統(tǒng).

1 基礎(chǔ)理論與相關(guān)技術(shù)

本系統(tǒng)在水庫(kù)參數(shù)提取中,基于多源遙感技術(shù)獲取水位和水域面積等參數(shù),利用數(shù)據(jù)同化法建立了多源遙感水庫(kù)蓄水量估算模型,其技術(shù)路線如圖1所示.在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上,采用Matlab和Java 混合編程技術(shù)來(lái)完成數(shù)據(jù)處理功能;利用虛擬水文站點(diǎn)技術(shù)使水位以點(diǎn)標(biāo)形式呈現(xiàn)在百度地圖API 上;使用ECharts 技術(shù)將系統(tǒng)中數(shù)字化信息轉(zhuǎn)化成可視化圖表信息.

1.1 多源遙感提取水庫(kù)參數(shù)

1.1.1 提取遙測(cè)水位

系統(tǒng)利用RA 數(shù)據(jù)提取水庫(kù)的遙測(cè)水位.提取過(guò)程中,要進(jìn)行一系列的誤差校正,包括干對(duì)流層Rangedt、濕對(duì)流層Rangewt、電離層Rangei、固體潮Rangeset和極潮Rangept等測(cè)距誤差校正,之后需要進(jìn)行水面橢球高GeoEGM96轉(zhuǎn)化,使遙測(cè)水位與實(shí)測(cè)水位一樣,都以中國(guó)黃海水準(zhǔn)面為基準(zhǔn),如式(1)、式(2)所示,其中H為遙測(cè)水位,Altitude為衛(wèi)星到地球橢球面距離,Range為衛(wèi)星到水面距離,RangeCorrected為誤差校正距離.

圖1 多源遙感水庫(kù)蓄水量估算模型的技術(shù)路線

1.1.2 提取水域面積

系統(tǒng)使用MSI 影像和SAR 影像作為獲取水域面積的數(shù)據(jù)源,對(duì)多源遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,利用水陸分割算法提取水庫(kù)的水體輪廓,根據(jù)水體輪廓計(jì)算面積[15].水域面積提取原理為:先統(tǒng)計(jì)整幅影像中總像元個(gè)數(shù)M,再統(tǒng)計(jì)水庫(kù)水域面積的像元個(gè)數(shù)N,設(shè)整幅影像對(duì)應(yīng)到現(xiàn)實(shí)地面中的實(shí)際大小為S,則實(shí)際水域面積P的計(jì)算公式如式(3).

1.1.3 估算蓄水量

多源遙感水域面積提取后,對(duì)其精度進(jìn)行定量分析,基于數(shù)據(jù)同化技術(shù),構(gòu)建兩者水域面積差異的定量函數(shù)關(guān)系,以SAR 影像為基準(zhǔn),修正水域面積差異,構(gòu)建“遙測(cè)水位-多源遙感水域面積”模型和“多源遙感水域面積-標(biāo)準(zhǔn)蓄水量”模型,然后將上述兩種模型進(jìn)行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化,建立本系統(tǒng)所使用的多源遙感水庫(kù)蓄水量估算模型,如式(4)所示,其中Impoundage為估算蓄水量,H為遙測(cè)水位.

在上述過(guò)程中,標(biāo)準(zhǔn)蓄水量用于輔助建模,模型建成后,在模型使用過(guò)程中無(wú)需再使用標(biāo)準(zhǔn)蓄水量,克服了當(dāng)前蓄水量估算模型建立之后仍需輸入實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的不足,在一定程度上完善了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺失情況下的研究工作,具有一定現(xiàn)實(shí)意義.

1.2 混合編程

系統(tǒng)采用C/S (Client/Server,客戶端-服務(wù)器)架構(gòu),使用Matlab和Java 混合編程技術(shù)來(lái)完成數(shù)據(jù)處理功能.利用Matlab 強(qiáng)大的影像處理功能,進(jìn)行遙感影像水陸分割算法以及RA 提取遙測(cè)水位算法的編程實(shí)現(xiàn).利用Java 統(tǒng)計(jì)水陸分割之后水庫(kù)水體輪廓的像素信息,進(jìn)而獲得具體水域面積的值.在Java 與Matlab 混合編程過(guò)程中,先將各種處理算法的Matlab 程序打包,通過(guò)設(shè)置調(diào)用方法的Class 類名導(dǎo)入Java 工程中,然后配置MCR (Matlab Compiler Runtime,Matlab 編譯運(yùn)行)環(huán)境,并安裝MCR 插件,即可完成相關(guān)的調(diào)用.系統(tǒng)調(diào)用框架圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)調(diào)用框架圖

1.3 虛擬水文站點(diǎn)

處理RA 原始數(shù)據(jù)時(shí),僅根據(jù)處理之后遙測(cè)數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度數(shù)值,難以判斷所提取位置是否在水庫(kù)水體上.系統(tǒng)利用百度地圖API 抽取RA 數(shù)據(jù)中每一個(gè)數(shù)值數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度,以點(diǎn)標(biāo)形式將其顯示在百度地圖上,從而達(dá)到虛擬水文站的效果.百度地圖API 使用獨(dú)立的坐標(biāo)體系,因此在地圖上使用經(jīng)緯度坐標(biāo)前還需要調(diào)用百度地圖API 接口進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,之后就可以以點(diǎn)標(biāo)形式顯示在地圖上,如圖3所示,用戶能夠直觀看到RA 數(shù)值數(shù)據(jù)的位置信息,并可以通過(guò)點(diǎn)擊水庫(kù)水體上的各個(gè)點(diǎn)標(biāo),來(lái)查看相應(yīng)的水位值.

圖3 在百度地圖中顯示的虛擬水文站點(diǎn)

1.4 ECharts 數(shù)據(jù)可視化

ECharts是一個(gè)使用JavaScript 實(shí)現(xiàn)的開(kāi)源可視化庫(kù),不僅提供了折線圖、雷達(dá)圖、和弦圖等各種常用的圖表類型來(lái)滿足不同用戶的需求,還提供了一些相對(duì)專業(yè)的圖表來(lái)滿足專業(yè)性較高的要求.本系統(tǒng)中ECharts 可視化處理流程如圖4所示.

圖4 ECharts 可視化處理流程

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文從系統(tǒng)框架、流程以及數(shù)據(jù)庫(kù)等3 個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行分析與介紹.

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果展示等3 個(gè)功能模塊,模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

(1)數(shù)據(jù)管理模塊

本模塊主要包括水文數(shù)據(jù)管理、遙感數(shù)據(jù)管理和模型管理等功能.水文數(shù)據(jù)管理主要是記錄水文站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);遙感數(shù)據(jù)管理主要進(jìn)行RA 數(shù)據(jù)、MSI 影像數(shù)據(jù)和SAR 影像數(shù)據(jù)的上傳、檢索以及處理后的下載與刪除等操作;模型管理主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各算法和模型的增加、刪除和修改等功能.

(2)數(shù)據(jù)處理模塊

本模塊主要實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)處理功能,包括利用RA 提取算法提取遙測(cè)水位;利用水陸分割算法對(duì)預(yù)處理后的SAR 影像和MSI 影像進(jìn)行水陸分割,從而得到水體輪廓;調(diào)用面積統(tǒng)計(jì)算法計(jì)算具體的水域面積值;結(jié)合遙測(cè)水位、水域面積、標(biāo)準(zhǔn)蓄水量,建立蓄水量估算模型,并估算水庫(kù)蓄水量.

(3)結(jié)果展示模塊

本模塊主要實(shí)現(xiàn)水庫(kù)水位、水域面積和蓄水量等結(jié)果的展示功能,利用建好的相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)水位、水域面積和蓄水量之間的相互匹配,并以曲線圖和表格等方式予以展示.

2.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖6所示,通過(guò)數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果展示等3 大步驟,實(shí)現(xiàn)基于多源遙感數(shù)據(jù)的水庫(kù)蓄水量估算功能.

圖6 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

(1)數(shù)據(jù)輸入

該步驟用于輸入模型處理所需的各種數(shù)據(jù),主要包括實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、RA 數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)等3 種類型.

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù):用戶上傳每日記錄的Excel 文件,或者直接在系統(tǒng)里利用爬蟲(chóng)技術(shù)爬取互聯(lián)網(wǎng)上的相關(guān)數(shù)據(jù),包括實(shí)測(cè)水位和蓄水量.

RA 數(shù)據(jù):從網(wǎng)上下載原始的RA 數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)解壓之后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)里.

遙感影像數(shù)據(jù):包括預(yù)處理后的MSI 影像和SAR影像,上傳時(shí)需要填寫(xiě)時(shí)間、衛(wèi)星名稱、所屬水庫(kù)等相關(guān)信息.

(2)數(shù)據(jù)處理

該步驟通過(guò)調(diào)用各種算法來(lái)計(jì)算水位、水域面積、蓄水量等水庫(kù)參數(shù),是水庫(kù)蓄水量估算模型的主要實(shí)現(xiàn)步驟.

水位計(jì)算:遙測(cè)水位是調(diào)用RA 提取算法處理RA原始數(shù)據(jù)而得到的水位,在百度地圖中顯示了遙測(cè)水位對(duì)應(yīng)在RA 衛(wèi)星星下點(diǎn)的位置,方便用戶選取合適的虛擬水文站點(diǎn).

水域面積計(jì)算:輸入系統(tǒng)的SAR 影像已進(jìn)行斑點(diǎn)濾波和輻射定標(biāo)等預(yù)處理操作,在系統(tǒng)中只需調(diào)用水陸分割算法區(qū)分水體和非水體就能完成水庫(kù)輪廓提取;輸入系統(tǒng)的MSI 影像已進(jìn)行水體信息增強(qiáng)、水體與非水體區(qū)分等預(yù)處理步驟,在系統(tǒng)中僅需進(jìn)行連通域識(shí)別,以去除非水體小連通域.通過(guò)以上步驟獲得MSI 影像和SAR 影像中的水體輪廓后,再調(diào)用面積統(tǒng)計(jì)算法,計(jì)算水庫(kù)水域面積值.

蓄水量估算:基于數(shù)據(jù)同化技術(shù),將遙測(cè)水位、水域面積和標(biāo)準(zhǔn)蓄水量輸入蓄水量估算模型,估算水庫(kù)蓄水量,并繪制多種過(guò)程曲線圖和表格來(lái)展示結(jié)果.

(3)結(jié)果展示

該步驟主要以曲線圖和表格等方式展示各種處理結(jié)果.系統(tǒng)里的過(guò)程曲線主要有“水位-日期”、“水位-水域面積”和“水位-蓄水量”等過(guò)程曲線,其中,當(dāng)用戶點(diǎn)擊“水位-日期”過(guò)程曲線圖時(shí),在“水位-水域面積”和“水位-蓄水量”等過(guò)程曲線圖里相應(yīng)的標(biāo)記會(huì)隨之改變,在結(jié)果表格中會(huì)顯示具體的數(shù)值,包括日期、實(shí)測(cè)水位、遙測(cè)水位、水域面積和蓄水量等.

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存放系統(tǒng)處理過(guò)程中所涉及到的各種數(shù)據(jù).該系統(tǒng)的實(shí)體-聯(lián)系圖(Entity Relationship diagram,E-R 圖)如圖7所示.根據(jù)系統(tǒng)E-R 圖,共設(shè)計(jì)了水庫(kù)信息表、實(shí)測(cè)水位結(jié)果表、RA 原始數(shù)據(jù)表、遙測(cè)水位結(jié)果表、MSI 影像信息表、SAR 影像信息表、影像處理算法表、水域面積表、蓄水量模型表、水庫(kù)蓄水量表等共計(jì)10 個(gè)數(shù)據(jù)表.

圖7 系統(tǒng)E-R 圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu),客戶端提供數(shù)據(jù)管理、功能選擇、結(jié)果顯示等用戶交互界面,服務(wù)器端提供數(shù)據(jù)處理、參數(shù)計(jì)算等后臺(tái)響應(yīng)功能.

3.1 數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)管理模塊主要對(duì)系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、遙測(cè)水位、水域面積、影像管理、模型管理、水庫(kù)管理等數(shù)據(jù)的上傳、查詢、修改、下載和刪除等功能.在圖8所示的系統(tǒng)首頁(yè)中,點(diǎn)擊左側(cè)的“數(shù)據(jù)管理”按鈕,即可進(jìn)入圖9所示的數(shù)據(jù)管理頁(yè)面,對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種管理操作.其中,SAR 影像的上傳功能如圖10所示,用戶填好相關(guān)信息之后,選擇SAR影像路徑或直接把SAR 影像文件拖拽到上傳控件,點(diǎn)擊“下一步”按鈕,客戶端即可調(diào)用文件傳輸接口,以流式文件方式向服務(wù)器端上傳SAR 影像文件.影像下載功能實(shí)現(xiàn)方式類似,在圖9數(shù)據(jù)管理頁(yè)面中點(diǎn)擊右側(cè)“下載”按鈕后,客戶端會(huì)向服務(wù)器端發(fā)送SAR 影像記錄ID,服務(wù)器端收到請(qǐng)求后會(huì)將SAR 影像流式文件傳輸至客戶端,并彈出如圖11所示的下載任務(wù)確認(rèn)窗口,用戶可以選擇存放SAR 影像的路徑,點(diǎn)擊“下載”按鈕后,完成SAR 影像的下載.

圖8 多源遙感水庫(kù)蓄水量估算系統(tǒng)首頁(yè)

圖9 數(shù)據(jù)管理頁(yè)面

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理模塊主要包含水位提取、水域面積提取、蓄水量估算等3 個(gè)功能.系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用RA 提取算法的Matlab 包來(lái)處理RA的原始數(shù)據(jù)進(jìn)而提取水庫(kù)的遙測(cè)水位;調(diào)用水陸分割算法的Matlab 包實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感影像中水體輪廓的提取,然后調(diào)用面積統(tǒng)計(jì)算法的Java 程序?qū)λw輪廓所代表的水域面積進(jìn)行計(jì)算;最后結(jié)合數(shù)據(jù)同化算法估算出水庫(kù)蓄水量.

圖10 上傳SAR 影像

圖11 下載SAR 影像

(1)水位提取

系統(tǒng)中使用的水位數(shù)據(jù)主要有兩種,一種是水文站的實(shí)測(cè)水位,另一種是從RA 數(shù)據(jù)中提取的遙測(cè)水位,其中實(shí)測(cè)水位的作用是對(duì)遙測(cè)水位進(jìn)行驗(yàn)證.對(duì)于水文站實(shí)測(cè)水位,系統(tǒng)提供了兩種獲取方式,一種是人工導(dǎo)入方式,由用戶每天登錄國(guó)家水利部“全國(guó)水雨情信息網(wǎng)”進(jìn)行記錄,并以Excel 文件形式人工導(dǎo)入系統(tǒng);另一種是自動(dòng)爬取方式,系統(tǒng)利用爬蟲(chóng)技術(shù)自動(dòng)從“全國(guó)水雨情信息網(wǎng)”爬取水文站實(shí)測(cè)水位及官方公布的標(biāo)準(zhǔn)蓄水量,并自動(dòng)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù).圖12是利用爬蟲(chóng)技術(shù)爬取實(shí)測(cè)水位的開(kāi)始頁(yè)面,用戶點(diǎn)擊圖中右上角“獲取今日實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)”按鈕后,系統(tǒng)將自動(dòng)爬取相關(guān)數(shù)據(jù)并直接存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù).

圖12 利用爬蟲(chóng)技術(shù)爬取實(shí)測(cè)水位的開(kāi)始頁(yè)面

(2)水域面積提取

SAR 影像和MSI 影像的水域面積提取過(guò)程類似,這里以SAR 影像提取水域面積過(guò)程為例予以說(shuō)明.首先,設(shè)置調(diào)用方法的class 類名與Program()方法名,將.m 程序打包成.jar 文件,與JavaBuilder.jar 文件一起導(dǎo)入Java 工程.然后,調(diào)用接口訪問(wèn)上傳至系統(tǒng)的SAR影像,若影像為空,則用戶需再次提交SAR 影像;非空時(shí),先隨機(jī)初始化模糊矩陣并根據(jù)SAR 影像建立目標(biāo)函數(shù),然后根據(jù)目標(biāo)函數(shù)建立聚類中心,之后更新模糊矩陣并分割出水體輪廓,再統(tǒng)計(jì)水體輪廓和整個(gè)SAR 影像像素點(diǎn)個(gè)數(shù).最后,利用經(jīng)緯度信息計(jì)算出SAR 影像水域面積.水陸分割后的SAR 影像數(shù)據(jù)示例如圖13所示,SAR 影像水域面積提取結(jié)果示例如圖14所示.

圖13 水陸分割后的SAR 影像數(shù)據(jù)示例

圖14 SAR 影像水域面積提取結(jié)果示例

(3)蓄水量估算

基于不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的不同組合方式,系統(tǒng)提供了多種面積提取模型和蓄水量估算模型,方便用戶針對(duì)目標(biāo)水庫(kù)實(shí)際情況對(duì)比分析和擇優(yōu)選出精度更高的蓄水量估算模型.對(duì)于系統(tǒng)提供的各種模型,用戶可以進(jìn)行添加、修改和刪除等編輯操作,模型編輯界面如圖15所示.用戶對(duì)編輯界面中的各模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并保存后,系統(tǒng)會(huì)使用保存的各模型參數(shù)進(jìn)行后續(xù)計(jì)算.各模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比示例如圖16所示.

圖15 模型編輯界面

圖16 各模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比示例

3.3 結(jié)果展示模塊實(shí)現(xiàn)

結(jié)果展示模塊調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)并以圖表形式將其繪制在系統(tǒng)頁(yè)面上,實(shí)現(xiàn)“水位-日期”、“水位-水域面積”和“水位-蓄水量”等數(shù)據(jù)的可視化展示.系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)后,利用ECharts 可視化技術(shù)將數(shù)字化信息轉(zhuǎn)化成可視化的圖表信息,最后把轉(zhuǎn)化后的圖表信息呈現(xiàn)在系統(tǒng)的前端頁(yè)面上,如圖17所示.

圖17 結(jié)果展示頁(yè)面

4 系統(tǒng)測(cè)試

本文以丹江口水庫(kù)為例進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)例測(cè)試,以從星載RA 數(shù)據(jù)提取的遙測(cè)水位、從星載MSI和SAR數(shù)據(jù)提取的水域面積,作為多源遙感水庫(kù)蓄水量估算模型的輸入?yún)?shù),將輸出的蓄水量與“全國(guó)水雨情信息網(wǎng)”上公布的標(biāo)準(zhǔn)蓄水量進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖18所示,日期范圍是2019年1月1日至2019年12月31日.由圖18可知,本系統(tǒng)所使用的多源遙感水庫(kù)蓄水量估算模型得到的蓄水量和標(biāo)準(zhǔn)蓄水量的波動(dòng)趨勢(shì)具有較高吻合度.在7～10月的汛期,丹江口水庫(kù)地區(qū)降雨較多,蓄水量增長(zhǎng)迅速,在11月17日左右達(dá)到最高峰,然后蓄水量開(kāi)始慢慢減少,逐漸進(jìn)入枯水期,在5月初達(dá)到最低值.整體上,隨著旱季和汛季的轉(zhuǎn)換,丹江口水庫(kù)的蓄水量呈現(xiàn)規(guī)律性變化.

圖18 蓄水量估算結(jié)果對(duì)比圖

采用擬合優(yōu)度(R-square,R2)和均方根誤差(Root Mean Squared Error,RMSE)對(duì)多源遙感水庫(kù)蓄水量估算模型得到的蓄水量和標(biāo)準(zhǔn)蓄水量進(jìn)行定量分析.分析結(jié)果顯示R2=0.99,說(shuō)明該模型所得蓄水量與標(biāo)準(zhǔn)蓄水量具有很高的吻合度,能夠真實(shí)地反映水庫(kù)蓄水量的變化情況;此外RMSE=1.055,表明該模型估算的水庫(kù)蓄水量標(biāo)準(zhǔn)差在1.055 億m3以內(nèi),相對(duì)誤差控制在1%以內(nèi).

5 結(jié)論與展望

本文開(kāi)發(fā)了一款基于多源遙感技術(shù)的水庫(kù)蓄水量估算系統(tǒng),在數(shù)據(jù)同化法的基礎(chǔ)上,通過(guò)建立多源遙感水庫(kù)蓄水量估算模型,實(shí)現(xiàn)水庫(kù)蓄水量估算功能.以丹江口水庫(kù)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明本文建立的估算模型所估算的蓄水量與官方公布的標(biāo)準(zhǔn)蓄水量具有很高的吻合度,能夠真實(shí)地反映水庫(kù)蓄水量的變化情況.該系統(tǒng)能夠以多源遙感方式獲取水位、水域面積、蓄水量等水庫(kù)參數(shù),可以很好地彌補(bǔ)目前單一遙感水庫(kù)蓄水量估算系統(tǒng)的不足,有望應(yīng)用于防汛抗旱、水庫(kù)調(diào)度等領(lǐng)域,為管理部門科學(xué)化、高效化管理水庫(kù)提供技術(shù)支撐.

本文所提出的水庫(kù)蓄水量估算模型在建模階段僅使用了數(shù)據(jù)同化法,為了使蓄水量模型的估算結(jié)果更加精確,在未來(lái)的研究工作中,還可以嘗試使用水文公式法、積分法、均值法等其他估算方法,通過(guò)對(duì)比分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,構(gòu)建和選用更合適的蓄水量估算模型,以進(jìn)一步提高蓄水量估算精度.同時(shí),在系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)方面,還可以添加出/入庫(kù)徑流量監(jiān)測(cè)、水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)等功能,為多角度、全方位、立體化的水庫(kù)監(jiān)測(cè)研究提供更多的技術(shù)支撐.