中山大学地理科学与规划学院-熊龙海-9-基于SPOT5遥感影像和DEM的河流流量估算

主题：主题：9. 遥感数据处理与信息获取 基于基于 SPOT5 遥感影像和遥感影像和 DEM 的河流流量估算的河流流量估算 熊龙海，邓孺孺，刘英飞，梁业恒 中山大学地理科学与规划学院，广东 广州， 510275，xionglonghai1990 摘要：摘要：针对目前遥感手段估算流量的方法适用性不强的问题，本文提出一种基于 SPOT5 遥感影像和 DEM 的河流流量估算方法。 该方法借助 DEM 数据获取河段上某一断面位置处 的地形剖面，从 SPOT5 遥感影像中提取水域并得到水面宽度，进而得到过水断面面积和 水力半径，然后通过该河段上下游断面的水面高差及河段长度求取水面比降，确定糙率 后使用曼宁公式估算该断面的流量。利用该方法对选取的东江干流及秋香江、西枝江上 7 个断面的流量进行了估算，并用实测流量数据对其精度进行了验证。结果显示绝对误 差最小为-2.71 m 3/s，最大为-78.28 m3/s，相对误差最小为 9.02%，最大为 37.69%，有 6 个断面的相对误差皆小于 20%，而平均相对误差为 15.87%。在这 7 个断面中，河宽最 小达到 75.51 m，3 个在 150 m 以内。结果表明本文估算流量的方法可行，并实现了对 宽度在 100 m 以下河流流量进行估算。该方法对获取缺乏水文资料地区的河流流量有借 鉴意义。 关键词关键词: : SPOT5；DEM；河流过水断面；曼宁公式；河流流量 1 1 引言引言 在有关水资源管理及洪灾管理的科学研究和业务化应用中， 河流流量是一个重要变 量。通常情况下，它并不是直接被测量的，而是由观测的水位通过水位流量关系曲 线求取，然而此方法费时费力花费大。由于自然条件的限制，对某些地区河流径流进行 实地测量较为困难，因此，寻求一种能够解决上述问题的河流流量估算方法对于区域乃 至全球河流径流监测具有十分重要的意义。 卫星遥感技术具有实时性、宏观性、周期性和费用低等特点，将其应用在河流流量 估算中比传统方法具有更多优势。 目前利用遥感估算河流流量研究主要分为两大类: （1） 通过遥感手段获取的宽度等单个水文变量与实测流量建立回归关系模型估算河流流量 1-4，所建立的关系模型只适用于特定河段，并不具有广泛适用性； （2）基于曼宁公式估 算流量，但是在获取曼宁公式中相应的变量时，目前的研究存在着依赖于实测断面 5,6 或以平均水深代替水力半径 7的问题。针对这些问题，本文提出基于 SPOT5 遥感影像和 DEM 数据的河流流量估算方法。 2 2 实验实验区区 选定广东省东江流域为实验区域，在东江干流及秋香江、西枝江上共选取 7 个断面 进行河流流量的估算。实验区内 7 个断面所在位置的空间分布如图 1。 E E E E E E E % % % % % % % 龙川 河源 蓝塘 岭下 博罗 平山 枫树坝 115 E 115 E 114 E 114 E 25 N 25 N 24 N 24 N 23 N 23 N 09045km % 水文站点 E断面 图 1 7 个断面位置的空间分布 3 3 研究方法研究方法 分别基于 NDWI（Normalized Difference Water Index）从 SPOT5 遥感影像得到实 验区 7 个河流断面宽度、利用比例尺为 1：50 000 的 DEM 提取河道地形剖面，从而得到 过水断面面积 A 和水力半径 r，再根据河段上下游断面的水面高差及河段长度求取水面 比降 S，河道的糙率 n 可根据是否有实测水文资料选择不同方法确定，本文使用实测水 文资料分别推算 7 个断面所在河段的糙率，最后利用曼宁公式估算流量。 4 4 结果结果 基于 SPOT5 遥感影像和 DEM 估算了东江流域 7 个断面的流量， 并将各断面估算的流 量与实测流量进行对比和验证，具体见表 1。 表 1 估算流量结果验证表 断面名称 遥感提 取的河 宽/m 估算流 量/(m3/s) 实测流 量/(m3/s) 绝对误 差/(m3/s) 相对误 差 枫树坝 75.51 102.91 92.10 10.81 11.73% 龙川 126.58 165.23 120.00 45.23 37.69% 河源 331.37 313.89 345.00 -31.11 9.02% 岭下 344.96 739.91 818.19 -78.28 9.57% 博罗 689.09 637.29 579.00 58.29 10.07% 蓝塘 89.34 17.29 20.00 -2.71 13.57% 平山 161.89 90.24 75.55 14.69 19.44% 平均值 259.82 295.26 292.84 2.42 15.87% 从表 1 中可发现：绝对误差最小的是在蓝塘，为-2.71 m 3/s，而绝对误差最大的断 面在博罗，为-78.28 m 3/s。相对误差最小的为河源，为 9.02%，相对误差最大的为龙川， 达到 37.69%，而平均相对误差在 20%以内，为 15.87%。整体上除了龙川断面的相对误差 超过了 30%， 其他 6 个断面的相对误差皆小于 20%。 在这 7 个断面中， 河宽最小达到 75.51 m，2 个河宽在 100 m 以内，3 个在 150 m 以内。因为采用的 DEM 和 SPOT5 影像的空间分 辨率较高，本文提出的方法能够对宽度在 100 m 左右的河流流量进行估算。 5 5 结论结论 本文探讨了基于 SPOT5 遥感影像和 DEM 进行河流流量估算的方法，该方法利用 DEM 和 SPOT5 遥感影像直接生成过水断面，通过曼宁公式对河流流量进行估算，结果表明本 文估算流量的方法可行，并实现了对宽度在 100 m 以下河流流量进行估算。该方法对获 取缺乏水文资料地区的河流流量有借鉴意义。 参考文献参考文献: 1 Smith L C, Isacks B L, Forster R R, Bloom A L and Preuss I. 1995. Estimation of discharge from braided glacial rivers using ERS 1 synthetic aperture radar: First resultsJ. Water Resources Research, 31(5): 1325-1329. 2 Kouraev A V, Zakharova E A, Samain O, Mognard N M and Cazenave A. 2004. Obriver discharge from TOPEX/Poseidon satellite altimetry (19922002)J. Remote Sensing of Environment, 93(1): 238-245. 3 Zakharova E A, Kouraev A V, Cazenave A and Seyler F. 2006. Amazon River discharge estimated from TOPEX/Poseidon altimetryJ. Comptes Rendus Geoscience, 338(3): 188-196. 4 Vachtman D and Laronne J B. 2014. Remotely sensed estimation of water discharge into the rapidly dwindling Dead SeaJ. Hydrological Sciences Journal, 59 (8): 15931605. 5 Jung H C, Hamski J, Durand M, Alsdorf D, Hossain F, Lee H, Hossain A K M, Hasan K, Khan A S and Hoque A K M. 2010. Characterization of complex fluvial systems using remote sensing of spatial and temporal water level variations in the Amazon, Congo, and Brahmaputra RiversJ. Earth Surface Processes and Landforms, 35(3): 294-304. 6 Woldemichael A T, Degu A M and Hossain F. 2010. Role of LandWater Classification and Mannings Roughness Parameter in Space-Borne Estimation of Discharge for Braided Rivers: A Case Study of the Brahmaputra River in BangladeshJ. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 3(3): 395-403. 7 L