应用地理信息系统和遥感技术综合研究流域森林水文效应

】在地理信息系统ＡＲＣ／ＩＮＦＯ软件的基础上，建立流域森林水文地理信息系统（ＷＦＨＧＩＳ）。该系统包括流域水文效应综合评价专家系统和流域水文模型专家系统，对流域森林状态因子的变化，对水文状态过程的影响做出分析，从而对水文过程做出预测预报，为流域的综合治理提供科学的决策依据。     

流域系统森林作用水文动态过程的仿真分析

该文对森林状态所引起的流域系统水文动态过程特征的变化作了计算机仿真分析。流域系统的森林状态随时间变化,包含森林的自然生长、采伐、造林等。而自然地质环境,如地形地貌等流域特征相对保持稳定。所以不同时期的流域水文动态过程特性变化主要由森林状态的变化所引起。选择长江流域湖南省境内三个集水面积在500-950KM^2的流域系统,收集连续30年的水文气象数据,以连续和5年数据作为一组,分成多个对比样本系列,辨别不同时期的水文动态过程模型。应用的模型有ARX和模糊神经网络。对模型作脉冲输入的响应仿真,得到不同时期的水文动态过程特性。比较各个时期的流域水文动态过程特性和相应时期的森林状态,得出了森林作用于水文动态过程的一些结论。     

流域水文信息系统研究与实践综述

流域水文信息系统是地理信息系统、互联网和数据库等技术与水文学研究的结合,集成观测和环境信息的水文信息系统已经成为“数字地球”技术在流域科学方面的重要应用。研究回顾了流域科学的研究方法、发展现状和技术背景,提出当前流域科学研究迫切需要建立水文信息系统,而水文信息系统的重点任务是流域数据建模与数据共享服务。针对目前Arc Hydro水文地理数据模型和开源“协同促进水文科学发展大学联盟”--水文信息系统(CUAHSI\|HIS)的研究进展,提出了一个适合于黑河流域的在线流域水文信息系统设计即“数字黑河”在线门户,集成流域地理数据、观测数据和数据共享服务于一体的流域水文信息系统将有效推动流域科学各方面的研究。     

龙岩市新罗区小流域水土保持综合效益指标定量评价方法

由于目前的水土保持效益评价方法对于不同区域的适宜性有待提高,研究新罗区小流域水土保持综合效益指标定量评价方法。构建评价指标体系,确定项目区域内的16个评价指标。通过水土保持指标权重的确定,获得判断矩阵。定量化评价指标,并建立模糊数学隶属度函数对指标进行标准化处理。经综合效益得分值计算,完成综合效益的定量评价。经评价结果分析,新罗区小流域内的蓄水效益为248.97×104m2、保土效益共为3.64×104t,经济效益为1676.92万元,生态环境得到了有效地改善。拱桥溪综合效益得分为57.1、硿溪综合效益得分为42,坪坑溪综合效益得分为40.6,本研究的综合效益评价结果与实际情况符合,证明所提方法具有有效性。     

基于机载激光雷达数据的森林结构参数反演

机载激光雷达(Light Detection And Ranging,LiDAR)技术对植被空间结构和地形的探测能力较强,在植被参数定量测量和反演方面具有显著优势。首先利用野外调查并结合高分辨率Geoeye-1影像数据,对黑河上游天涝池流域植被类型进行分类,提取研究区森林分布,然后结合0.5m×0.5m机载激光雷达(LiDAR)数据对森林结构参数(树高、冠幅、胸径和叶面积指数)进行反演,最后利用实际观测数据对反演结果进行验证。结果表明:机载激光雷达数据能够精确地反演森林结构参数,树高、冠幅、胸径和叶面积指数的实测值与估测值决定系数分别为0.98、0.84、0.57和0.73。本研究获得流域森林覆盖区域高精度树冠高度和叶面积指数空间分布图,同时分析了冠层高度和叶面积指数随高度的变化。本研究的结果为该流域分布式生态水文模型提供了重要的输入参数。     

基于克里金插值的SWAT参数率定大规模并行方法

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型是近几年国内外使用最广泛的分布式水文模型,因其良好的精度、广泛的适应度得到了众多水文工作者的欢迎。但由于其参数率定部分过高的计算量,给水文工作者建模调参过程中造成了大量的不便。为了提高SWAT参数率定的运行效率,本文基于克里金插值理论,对于SWAT原有的优化算法进行改进,提出了一种基于随机过程的参数率定方法,通过一种“期望优化”的方式对拟合曲面进行寻优。并通过Intel MKL和一个对等式并行框架加以并行实现。大大提高了SWAT参数寻优的计算效率以及参数精度,并通过天山北坡流域的模拟验证了此并行模型的有效性,说明了克里金优化方法在水文模拟参数寻优的过程中能够达到良好的精度。     

基于水系改进的数字高程模型内插研究

流域地形是决定水系生成的一个关键性因素，是数字流域和分布式水文模型研究的主要内容。针对现有应用数字高程模型进行水文分析时存在的若干问题，在对当前数字高程模型的生成算法进行讨论的基础上，提出在利用现有方法进行内插的过程中加入河流数据进行方向判断和高程修正的算法。通过试验与分析，得出应用本方法生成的数字高程模型在保留精度的基础上，较好地反映了地表水文特征和河流结构，利用它不仅可以进行一般的地学分析，还能够作为水文模拟与研究的数据源。     

地理国情普查数据在SWAT水文模拟中的适用性研究

针对以往SWAT水文模拟应用的精度较低的土地利用分类数据,论文研究了将高精度地理国情普查数据导入到SWAT模型土地利用分类系统的整合方法,以鹤壁汤河流域为研究区,构建了SWAT水文模型,以Landsat影像解译的土地利用/覆被数据作为参考,评价了地理国情普查数据在SWAT流域水文模型模拟中的适用性。模拟结果表明,地理国情数据模拟结果率定期和验证期相关系数(0.74、0.82)优于Landsat影像解译的土地利用/覆被数据模拟结果(0.71、0.80);基于地理国情数据构建SWAT模型模拟的月径流值与实测径流值吻合较好。     

基于模式挖掘的中小河流暴雨洪水模式库

传统神经网络预测方法在水文领域已经有较成功的应用,但对于一些资料匮乏地区进行洪水预报时,由于训练样本的缺失,模型参数难以满足要求,使用这些方法预报结果往往并不理想。本文提出构建适用于待预报流域的暴雨洪水模式库的新思想,对该流域历史水文数据进行符号化模式挖掘处理,然后通过分析频繁模式和洪水流量水文时间序列,完成中小河流暴雨洪水模式库构建。使用具有中小河流典型特征的昌化流域的历年水文数据进行实验,实验结果表明,采用本文模式挖掘方法构建中小河流暴雨洪水模式库,并利用模式库快速预报未来洪水流量过程线走势,具有准确性和流域适用性。     

随机森林中树的数量

随机森林是一种集成分类器,对影响随机森林性能的参数进行了分析,结果表明随机森林中树的数量对随机森林的性能影响至关重要。对树的数量的确定方法以及随机森林性能指标的评价方法进行了研究与总结。以分类精度为评价方法,利用UCI数据集对随机森林中决策树的数量与数据集的关系进行了实验分析,实验结果表明对于多数数据集,当树的数量为100时,就可以使分类精度达到要求。将随机森林和分类性能优越的支持向量机在精度方面进行了对比,实验结果表明随机森林的分类性能可以与支持向量机相媲美。     

都江堰市白沙河子流域划分与水系提取研究

文章以四川省都江堰市白沙河流域为研究对象,采用10×10m分辨率的DEM为基本地形数据,应用ArcGIS水文分析模块对该流域进行水系提取与子流域划分工作。率定不同的集水栅格阈值,分别将提取得到的水系与实际水系进行对比,结果表明集水栅格阈值为5000时提取的水系与实际河网最接近,说明0．5km。是该地区形成河网的集水面积阈值。在进行子流域划分汇水阈值取值时,如果仍采用与生成河网相当的阈值,则生成的子流域过多不利于做更深的水文分析。当集水栅格阈值取50000,即子流域面积为5km。时生成的子流域较为合理,以此将研究流域划分为37个子流域,为进一步的水文分析提供了流域基础数据。     

基于CUAHSI-HIS的黑河流域水文数据共享发布平台设计与实现

水文观测数据是进行流域水文科学及相关科学研究的基础。在回顾国内外水文信息系统及水文数据共享现状的基础上,通过系统收集和整理黑河流域水文观测数据,利用协同促进水文科学发展大学联盟水文信息系统(Consortium of Universities for the Advancement of Hydrologic Science,Inc.-Hydrologic Information System,CUAHSI\|HIS)提供的水文服务器(HydroServer)组件进行了黑河流域水文数据共享发布平台的设计与实现。系统主要采用了观测数据库模型、WebGIS地图缓存技术和Web Service技术,建立了一个具有水文观测数据检索与浏览\,在线服务与分析功能的水文信息共享发布系统。     

遥感与模糊评判在森林火灾后生态监测评价中的应用

以遥感资料为信息源，针对森林生态的复杂性与模糊性，采用模糊数学中“多层次模糊综合评判”的方法，对森林火灾后生态景观进行评价及动态监测，以期探索森林火灾后生态监测评价的新途径，为森林生态系统的恢复和重建提供科学依据和决策支持。     

一种基于TIN的多尺度流域河网提取算法

多尺度水文模拟是水文研究的重要领域,多尺度的流域河网是多尺度水文模拟的基础,而现有基于TIN提取算法存在河道定义单一、未处理平坦区域及不支持多尺度等不足。提出一种基于TIN的多尺度流域河网提取算法,定义谷线河道、重心—重心河道和重心—谷线河道等流域河网特征;利用回溯的方法确定平坦区域三角形的流向,进一步确定平坦区域的河道;定义基于TIN数据的汇水面积的概念,用以实现空间多尺度流域河网的提取。设计河网的二叉树拓扑结构和编码方案及算法,用于构建流域河网的空间拓扑结构为水文研究提供接口。研究及实验结果表明,提出的算法提取出的流域河网与地形数据中的实际河网吻合。     

基于Micaps3.1的暴雨洪涝预报预警模块的研发

文中利用C#.NET构建了基于MICAPS3.1系统应用的暴雨洪涝预报预警系统整体框架,重点介绍了该系统开发的基本情况、系统架构和系统中使用的关键技术和算法。并选取汉江丹江口为试验流域,初步完成了流域基础地理（边界、水系）、气象、水文监测站点的收集以及显示;流域QPE、QPF、实况监测等气象要素实时产品信息的提取以及气象要素产品与水文模型接口的设计;最后提供了流域实况降水监测场、流域实况降水雷达估算场、流域预报雨量场、流域水文预报信息数据、图形等产品文件。该模块的研发能为流域防洪决策提供支持,并为河流防汛精细化预报服务试点工作的推广提供经验和模式。     

基于 Micaps3.1的暴雨洪涝预报预警模块的研发

文中利用 C#. NET 构建了基于 MICAPS3.1系统应用的暴雨洪涝预报预警系统整体框架,重点介绍了该系统开发的基本情况、系统架构和系统中使用的关键技术和算法.并选取汉江丹江口为试验流域,初步完成了流域基础地理(边界、水系)、气象、水文监测站点的收集以及显示;流域 QPE、QPF、实况监测等气象要素实时产品信息的提取以及气象要素产品与水文模型接口的设计;最后提供了流域实况降水监测场、流域实况降水雷达估算场、流域预报雨量场、流域水文预报信息数据、图形等产品文件.该模块的研发能为流域防洪决策提供支持,并为河流防汛精细化预报服务试点工作的推广提供经验和模式     

基于图注意力网络与双阶注意力机制的径流预报模型

为了提高流域径流量预报的准确率,考虑数据驱动水文模型缺乏模型透明度与物理可解释性的问题,提出了一种使用图注意力网络与基于长短期记忆网络（LSTM）的双阶注意力机制（GAT-DALSTM）模型来进行径流预报。首先,以流域站点的水文资料为基础,引入图神经网络提取流域站点的拓扑结构并生成特征向量;其次,针对水文时间序列数据的特点,建立了基于双阶注意力机制的径流预报模型对流域径流量进行预测,并通过基于注意力系数热点图的模型评估方法验证所提模型的可靠性与透明度。在屯溪流域数据集上,将所提模型与图卷积神经网络（GCN）和长短期记忆网络（LSTM）在各个预测步长下进行比较,实验结果表明,所提模型的纳什效率系数分别平均提高了3.7%和4.9%,验证了GAT-DALSTM径流预报模型的准确性。从水文与应用角度对注意力系数热点图进行分析,验证了模型的可靠性与实用性。所提模型能为提高流域径流量的预测精度与模型透明度提供技术支撑。     

基于图注意力网络与双阶注意力机制的径流预报模型

为了提高流域径流量预报的准确率,考虑数据驱动水文模型缺乏模型透明度与物理可解释性的问题,提出了一种使用图注意力网络与基于长短期记忆网络（LSTM）的双阶注意力机制（GAT-DALSTM）模型来进行径流预报。首先,以流域站点的水文资料为基础,引入图神经网络提取流域站点的拓扑结构并生成特征向量;其次,针对水文时间序列数据的特点,建立了基于双阶注意力机制的径流预报模型对流域径流量进行预测,并通过基于注意力系数热点图的模型评估方法验证所提模型的可靠性与透明度。在屯溪流域数据集上,将所提模型与图卷积神经网络（GCN）和长短期记忆网络（LSTM）在各个预测步长下进行比较,实验结果表明,所提模型的纳什效率系数分别平均提高了3.7%和4.9%,验证了GAT-DALSTM径流预报模型的准确性。从水文与应用角度对注意力系数热点图进行分析,验证了模型的可靠性与实用性。所提模型能为提高流域径流量的预测精度与模型透明度提供技术支撑。     

基于SRTMDEM的流域特征信息提取——以鄱阳湖流域为例

基于DEM数据提取水文特征因其快速高效,得到了广泛的重视和应用,然而由于传统测绘DEM数据高程获取的问题,提取的水文特征结果的精度不甚理想.本研究选用遥感手段获取的、经过SWBD水系数据预处理的SRTM DEM数据,利用D8水系提取算法实现了鄱阳湖流域的边界提取和亚流域划分.提取结果表明,应用遥感源地形数据提取流域水文特征具有较高的精度和效率,显示了遥感面源数据在更新水文研究基础数据中的优势.     

基于GIS的泥石流流域分布式水文计算系统

基于GIS技术与分布式水文模型,设计并实现泥石流流域分布式水文计算系统。以流域降雨、高程、坡度等数据为输入,对泥石流流域的降雨产流、产沙进行模拟,自动批量计算指定时间段内每日流域出口清水流量、泥沙流量以及流水含沙量。将系统应用到云南蒋家沟泥石流流域中,计算得到的高含沙水流含沙量与实测的含沙量数据误差很小,表明系统具有较高的精度和适用性。