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基于“3S”技术的新疆融雪洪水预测预警及决策支持研究

作　者: 刘志辉
导　师: 高井祥
学　校: 中国矿业大学
专　业: 地图制图学与地理信息工程
关键词: “3S”技术积雪信息提取 WRF 大气水文模式耦合分布式融雪径流模型融雪洪水预警DSS
分类号: X43
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

我国(尤其是新疆)是一个积雪广布、雪灾和春洪多发的国家(地区)。在全球气候变化的大背景下,新疆洪水灾害尤其是冰、雪融水洪水频次存在增大的趋势,而且洪灾损失巨大。可以讲,任何灾害的预防都应该建立在预警基础上。只有弄清融雪机制、水量及过程,准确的监测、预测和预警,制定科学有效的防范措施,才能避免灾害或将灾害损失降低到最低限度。而且,遥感(RS)、地理信息系统(GIS)以及全球定位系统(GPS)即“3S”技术和计算机技术以及大气数值预报模式,为积雪信息的大面积动态监测、分布式融雪径流模型和融雪洪水预警预报决策支持系统的建立提供了有力的基础和保障。因此,对积雪和融雪信息实时提取、模型分析和计算,及时、准确地向政府部门提供融雪洪水预警预报,对于防灾减灾具有重要意义,同时也可以产生巨大的社会、经济和生态效益。本研究结合新疆春季融雪及洪水过程的特点,基于“3S”技术以及较高分辨率DEM的流域下垫面和积雪信息提取研究,利用大气模式WRF V2.2,采用国家气象局T213L13预报场数据,对典型研究区(天山北坡军塘湖流域)2008年融雪期进行24h短期气象场预报,以及借助于GPS进行同步野外现场的气象、水文和积雪观测获得了第一手数据,为融雪径流模型的分布式输入奠定了基础。利用WRF预报出的气象场和积雪、融雪数据驱动分布式新疆融雪径流模型,对融雪洪水过程进行短期预报。并利用新疆融雪洪水预警模式计算评价洪水的灾害级别和预警级别。通过新疆融雪洪水预警决策支持系统(DSS)为决策者提供融雪洪水预警,辅助决策者生成决策方案,为正确的防洪减灾决策提供有利的技术和信息支持。本研究基于“3S”技术着重对新疆融雪洪水预测预警以及决策支持进行研究,提出了相应的思路和方法,研究的内容和结论如下:(1)基于GIS和计算机技术,在融雪洪水预警DSS中开发研制了GIS数据的空间分析模块包括流域信息提取子模块,使得分布式流域信息提取,如DEM、坡度、坡向、流向、水系等数字地图,不必依赖于其它GIS软件即可完成,而且,时间和空间分辨率可根据需要灵活调整,在新疆典型研究区的应用中精度和效果比较理想。(2)基于易于获取的高时间分辨率的MODIS遥感影像和GIS技术对研究区积雪和融雪信息进行了定量提取,并借助于GPS进行了同步野外现场观测,予以分析和检验。结果表明,经“雪盖系数(SF)”提取的雪盖信息较经“归一化雪盖指数(NDSI)”提取的雪盖信息精度要高,SF提取雪盖面积的平均精度为相对误差8%以内。在积雪雪深进行分级的基础上建立了雪深与MODIS的CH1和CH3的双线性回归方程,即新疆稳定积雪期积雪深度的反演模型,经检验,平均绝对误差为1.47cm,相对误差的平均值为10.96%。但在融雪期中该模型不适宜使用。(3)应用覃志豪等人的劈窗算法,由MODIS数据的解译和计算得到了典型研究区融雪期内的地表温度(LST)结果,经过检验,误差在0.5～3.0℃之间,经过局部修正基本可以满足模型输入的需求。(4)利用大气模式WRF V2.2,采用国家气象局T213L31预报场作为初始场及侧边界条件,选择适合的物理方案,实现了研究区2008年融雪期的24h数值天气预报。预报的空间分辨率为1km,时间步长为1h。预报的结果与实测基本相符,满足精度要求。(5)在“3S”技术支持下,自主设计和建立了基于能量平衡和水量平衡的分布式融雪径流模型。设计思路上以RS(ETM、MODIS)和现场观测数据为主要数据来源,考虑模型参数的时空分布差异,对其进行空间分布式处理。模型应用时,在新疆典型研究区WRF预报出的气象场数据(气温、相对湿度、风速、辐射)和现场积雪、融雪观测数据的基础上,驱动分布式融雪径流模型,做出融雪洪水过程的短期预报。应用和验证结果表明,预报的径流过程与实际观测值基本吻合,可为今后水文预报及无资料或少资料区水资源管理以及气候变化研究提供重要参考。(6)结合新疆当地实际建立了适用于新疆融雪洪水的预警模式和预警标准。在融雪洪水预警指标研究中,既考虑融雪洪水发生的大小量级和时空分布,还结合洪水可能发生的地区的经济社会状况,选择能够反映融雪洪水灾害的主要因子,即致灾因子、承灾因子和防洪设施贡献因子。并使用经过量化处理后的预警指数来综合反映区域融雪洪水的风险大小,以此作为划分春季融雪洪水预警等级的依据。可根据预测的洪峰和洪量,按照灾害的严重性和紧急程度,提前进行融雪洪灾预警。(7)针对新疆融雪洪水的特点和预警决策需求,提出了融雪洪水预警DSS的结构,并且在B/S和J2EE的结构下提出了该DSS的总体框架和软件实现方法,包括DSS的总体框架设计、基于B/S和J2EE结构的DSS的软件开发环境以及程序设计方法的选择等。应用实例表明,该DSS为模型参数的自动获取、模型之间的数据交换、模型结果的可视化表达等提供了有效的工具。实现了J2EE技术在融雪洪水预警DSS中的应用,设计效果良好。本文最后,作者对本文的研究进行了总结,并提出进一步研究的一些关键问题及其研究的发展方向。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-19
1 绪论  19-41
  1.1 研究背景  19-20
  1.2 国内外研究现状  20-36
    1.2.1 地形特征和雪盖及雪深信息的提取研究现状  20-26
    1.2.2 融雪径流模型研究进展  26-28
    1.2.3 大气水文模式耦合研究进展  28-30
    1.2.4 融雪洪水预警DSS 的国内外研究现状  30-34
    1.2.5 目前存在的问题  34-36
  1.3 研究的目的及意义  36
  1.4 研究内容  36-37
  1.5 研究方法及技术路线  37-39
  1.6 本章小结  39-41
2 基于 GIS 技术的流域信息提取方法  41-52
  2.1 流域信息提取流程  41
  2.2 DEM 的生成以及预处理  41-47
    2.2.1 DEM 的生成  41-44
    2.2.2 填洼处理  44-46
    2.2.3 平地起伏处理  46-47
  2.3 坡度坡向的计算  47-48
  2.4 流向判定与水流累积  48-50
  2.5 水系、流域及河道提取  50-51
  2.6 本章小结  51-52
3 基于"3S" 技术的分布式积雪及融雪信息提取方法  52-69
  3.1 雪盖信息提取方法  52-57
    3.1.1 雪盖信息提取  52-53
    3.1.2 雪盖指数法结合混合像元分解法提取雪盖信息  53-57
  3.2 雪深信息提取方法  57-58
  3.3 地表温度反演  58-63
    3.3.1 热红外遥感技术的发展  59
    3.3.2 地表温度反演方法  59-60
    3.3.3 地表温度反演的理论基础  60-62
    3.3.4 利用MODIS 数据进行地表温度反演计算流程  62-63
  3.4 太阳辐射空间分布  63-64
  3.5 区域风速空间分布  64-66
  3.6 大气温度空间分布  66-67
  3.7 本章小结  67-69
4 基于“3S”技术的分布式融雪径流模型  69-84
  4.1 分布式融雪径流模型的设计  69-71
    4.1.1 分布式融雪径流模型设计思路  69
    4.1.2 分布式融雪径流模型的基本结构  69-71
  4.2 基于“3S”技术的分布式融雪径流模型的微结构  71-82
    4.2.1 分布式输入模块  71
    4.2.2 单元（栅格）产流模型  71-76
    4.2.3 分布式栅格汇流模型  76-82
  4.3 模型参数及其确定  82-83
  4.4 本章小结  83-84
5 春季融雪洪水预警模式  84-91
  5.1 预警  84
  5.2 天山北坡春季融雪洪水特征  84-85
  5.3 新疆融雪洪水洪灾等级划分  85-86
  5.4 洪水预警指数  86-89
    5.4.1 洪水预警指示因子的构成  86-87
    5.4.2 致灾因子指数Z  87-88
    5.4.3 承灾因子指数C  88-89
    5.4.4 防洪设施贡献指数F  89
  5.5 预警指数的分级  89-90
  5.6 本章小结  90-91
6 融雪洪水预警 DSS 框架与软件实现方法  91-103
  6.1 概述  91
  6.2 DSS 与融雪洪水预警  91-94
    6.2.1 决策支持系统的结构  91-93
    6.2.2 DSS 在融雪洪水预警中的作用  93-94
  6.3 融雪洪水预警DSS 分析  94-95
    6.3.1 融雪洪水预警决策的一般过程  94-95
    6.3.2 融雪洪水预警DSS 的基本特征  95
  6.4 融雪洪水预警DSS 的总体框架  95-101
    6.4.1 系统框架  95-96
    6.4.2 基于B/S 和J2EE 结构的融雪洪水预警DSS 实现方法  96-101
  6.5 融雪洪水预警DSS 的开发环境和程序设计方法  101-102
    6.5.1 J2EE 软件开发环境的选择  101
    6.5.2 面向对象的程序设计方法  101-102
  6.6 本章小结  102-103
7 模型在新疆军塘湖流域的应用  103-134
  7.1 研究区概况  103-104
  7.2 研究资料  104-105
    7.2.1 气象数据  104
    7.2.2 水文数据  104
    7.2.3 基础地理数据  104-105
    7.2.4 遥感数据  105
  7.3 流域信息提取  105-108
  7.4 分布式积雪及融雪信息提取  108-114
    7.4.1 雪盖信息提取  108-112
    7.4.2 雪深信息提取  112-114
  7.5 地表温度反演  114-116
  7.6 WRF 区域数值天气预报  116-121
    7.6.1 数值实验方案  116-117
    7.6.2 气象场数据处理  117-118
    7.6.3 数值天气预报结果分析  118-121
  7.7 融雪径流过程模拟  121-126
    7.7.1 模型中地表数据的准备  122-124
    7.7.2 模型的初始状态  124
    7.7.3 融雪径流预报结果分析  124-126
  7.8 融雪洪水预警  126-127
  7.9 新疆融雪洪水预警决策支持系统应用  127-132
    7.9.1 新疆融雪洪水预警DSS 的主界面  127-128
    7.9.2 系统的主要功能  128-129
    7.9.3 DSS 的数据库应用实例  129
    7.9.4 知识库应用实例  129-131
    7.9.5 模型库应用实例  131-132
  7.10 本章小结  132-134
8 结论及展望  134-138
  8.1 结论  134-136
  8.2 创新  136-137
  8.3 展望  137-138
参考文献  138-149
学术成果  149-152
学位论文数据集  152

基于“3S”技术的新疆融雪洪水预测预警及决策支持研究

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