基于遥感图像的水文特征分析系统设计

巴达日夫

摘 要： 传统基于LabVIEW的水文特征分析系统存在对水文特征监测结果准确率低，监测用时长的问题。因此设计基于遥感图像的水文特征分析系统，采用B/S模式设计系统总体架构，确保用户在搜索需要资料的同时提高系统整体的运行效率。设计的系统显示界面可实现站点查询、水文特征、水文形态、水质监测和底图切换的功能，系统采用的SQL Server数据库包括遥感影像数据库、水文特征信息数据库和资料管理维护数据库，完成水文特征数据的全面存储。水文特征分析模块采取数据预处理、水流的流向分析、汇流累积量计算以及河网生成等操作，对水文特征进行全面、准确分析，系统中的水位预警分析模块通过对水域水位进行监测，依照不同安全级别将水位监测结果进行划分，实现对危险水位的准确预警。实验结果表明，所设计系统能对水文特征进行准确分析，具有较高的监测效率。

关键词： 水文特征分析； 水资源评价； 地下水； GIS； 水文地质结构； 遥感图像

中图分类号： TN911.73?34； TU991 文献标识码： A 文章编号： 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，随着经济的发展、人口数量的增长以及大量的能源消耗，导致洪灾旱灾的发生日益频繁，使水域附近的生态环境承受巨大压力。为降低水域周边环境的恶化速度，以及加强政府部门对水域的动态掌握，有必要建立水文特征分析系统。遥感技术以其监测范围广[1]，获取有效信息的用时短以及不受地理条件约束等特点，被广泛地应用在水文特征分析中。中分辨率成像光谱仪（Moderate?Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）遥感数据在数据的监测频率上明显高出其他星源，MODIS遥感数据较高的数据获取频率能够满足对水文特征动态监测的需求。传统基于LabVIEW的水文特征分析系统对水文特征监测结果存在准确率和效率低的问题。本文设计基于遥感图像的水文特征分析系统，对减轻洪水灾害对水域环境的威胁，促进水域环境的可持续发展具有良好作用。

1 基于遥感图像的水文特征分析系统

MODIS遥感图像应用于水文特征分析的主要原因为：通过GIS获得的MODIS传感图像是免费使用的，这就造就MODIS遥感图像的广泛应用；MODIS遥感图像涵盖范围广，波段的涵盖多达36个且对250 m，500 m和1 000 m外拍摄影像都有较高的分辨率；TERRA和AQUA卫星均为太阳的同步卫星，在同一个监测点处分别在上午和下午经过，拍摄影像的时间频率互相替换，因此MODIS遥感影像的实用性较高。

1.1 系统总体架构设计

本文设计的基于遥感图像的水文特征分析系统是B/S模式。该结构共分为表示层、业务逻辑层以及数据访问层。其中表示层主要将用户的浏览器作为运行平台；业务逻辑层包括系统程序开发以及系统的各项业务的更新[2]；数据访问层涵盖数据管理、更新以及维护等功能。这种层次结构分明的设计模式能极大提高系统的运行效率。图1为本文的系统总体架构图。

表示层主要表达用户系统的页面，让用户可以使用系统的各种功能，用户输入需要查询的内容经过业务逻辑层来对数据内容进行提取[3]，提取结果在表示层显示给用户。系统的业务逻辑层负责进行系统的开发、运行调试等一系列工作，属于系统的核心操作层。在表示层和数据访问层间起到承接的作用。数据访问层存储系统所有数据，并对数据实施更新、修改及删除等功能。

1.2 系统数据库模块设计

本文系统建立的数据库为SQL Server数据库，同样为三层B/S模式。SQL Server数据库具有结构简便、适用于分布式环境效果好、反应快速快以及经济性能好等优点，因此被广泛使用。其中数据库的组成包括：

1） 基本地理信息数据：地理信息数据包括湖泊、河流以及水文监测站的地理坐标信息；

2） 遥感图像本文选取的是MODIS 250左右的图像数据，以及少量的资源环境卫星拍摄的影像数据；

3） 各个监测站点需要对水文特征包括水位、含沙量、输沙量、流量以及径流量进行实时监测[4]，除此之外，还需利用3 s技术对地下水的质量进行监测，对水资源进行详细的评价。

1.3 系统实现

1.3.1 水文特征分析模块实现

在进行水文特征分析前需要对DEM数据进行预处理。处理内容包括平滑操作和填坑处理。填坑处理的操作过程为先填平再垫高，水流的流向计算采用D8，对上游的积水面积进行计算，提取水系，水文特征分析步骤如图2所示。

水文特征的分析需要经过一系列处理步骤，进行水文特征分析前需要进行数据预处理，即DEM格网数据生成操作。采用在ArcMap中添加离散点数据，使用空间分析插值工具的方法将数据转变为[Spatial Analyst]>；>；[Interpolate to Raster]>；>；[Spline]。網格设置大小即可得到分辨率为多少的DEM网格数据。水域流向分析是研究水文特征的关键。本文使用Flow Direction命令应用于DEM数据可生成水域的流向图。确定水流方向后，通过水流方向计算汇流积累量，对于不同的栅格[5?6]，栅格的汇流积累量越大，表明该地区形成的表径流越容易。

1.3.2 水位预警分析模块实现

水位预警模块是确保水位安全的最后防线，在水文特征分析系统具有重要地位。系统对水域进行水位监测[7]，与程序的设定值进行比较分析，得到不同的安全级别。根据不同的水位监测结果分为安全、危险和非常危险三个等级[8]，并设置三个报警指示灯。根据季节的不同和水位变化的特点不同可对参数进行修改，也可以采取增加其他变量来提高系统的危险预警能力[9]。系统通过水位监测装置测得水位若处于最低水位和警戒水位之间，说明该水域当前处于安全范围内；若测得的水位值在警戒值和危险值之间说明水体处于危险状态，处于危险水位以上可能会出现严重的洪灾，水位监测装置见图3。

系统针对不同的危险等级设置不同的警报声音，以便工作人员对不同的危险等级做不同的对应措施。

2 实验分析

实验为验证本文系统对水文特征的分析效果，现对某市的某条河流进行水文特征分析，利用遥感技术能从整体看出河流的所有支流的走向以及河道的宽度，对分析水文特征起到较好的辅助作用。实验现采用本文系统对水文特征的实地监测，以基于LabVIEW的水文特征分析系统的水文特征监测结果为对比实验，分析两种系统对不同水文特征的监测结果准确率。

实地的监测对象为上述实验中的河流，为了保证实验结果具有较高的普遍性，分别在该河流的12个不同地点采用本文系统和基于LabVIEW的水文特征分析系统进行实地监测，实验结果见表1和表2。

从表1和表2系统的实地水文特征监测结果可以看出，本文系统对不同水文特征的监测结果的正确率均在90%以上，对水文特征分析结果准确率高，而基于LabVIEW的水文特征分析系统的准确率最高值为78.2%，远低于本文系统的最低水平。结果说明，本文系统在应用实际中监测结果的准确性好。

为了使系统监测结果用时对比效果更明显，用图4和图5所示的折线图进行表示。

从图4和图5监测用时可以明显看出，本文系统的监测用时在2.5 s以内，对水文特征分析的效率和准确性均较高；基于LabVIEW的水文特征分析系统用时在6 s左右，用时较高于本文系统用时。综合上述结论说明，本文系统对水文特征的监测结果正确率以及监测效率高。

3 结 论

本文设计的以及遥感图像的水文特征分析系统，能够基于卫星遥感拍摄的图像对水文特征进行分析，提高系统对水文特征监测结果的正确率，提高系统的效率。

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