测高卫星数据在我国湖库水位监测中的应用研究

发布时间：2020-08-26 13:36

【摘要】：湖泊和水库是重要的地表水资源,与人类的生产、生活紧密相关。及时获取湖库水位变化对水资源监测工作具有重要意义。卫星测高技术用于监测湖库水位,具有高精度、全天候、周期性重访、监测成本低以及可覆盖无资料地区等独特优势,使用该技术来一定程度上填补地面监测已成为发展趋势[1-5]。但在目前的研究中,特别是在国内还主要处于对水面面积较大的单一湖泊或特定区域少数湖泊的研究阶段,还未能将丰富的测高数据在全国范围内应用起来,离业务化监测我国湖库水位的目标还有很大差距[6-9]。为此,本文开展了对测高卫星数据在我国湖库水位监测的应用研究,主要的研究工作和成果如下:(1)基于测高数据质量评价筛选提取水位的方法为解决卫星测高数据噪声多、质量不稳定问题,提出了一种基于测高数据质量筛选提取水位的方法。重点选取数据质量不稳定的洪泽湖地区为例进行方法验证。结果表明,该方法可快速、有效的去除异常数数据,在改善数据精度方面明显优于传统方法。提取的测高水位与实测水位间相关系数从传统方法的0.11提高到0.59,均方根误差也从2 m减少到0.5 m,使得Jason-3数据用于湖库水位监测时具有较高的可信度。解决了传统方法对于噪声较多、质量不一的湖区数据不太适用的问题,提高了测高数据的可用性和监测精度。此外,对于那些数据质量不好的周期,提取的水位精度整体较差,基于数据质量评价结果将它们舍去,可进一步提高了整体的监测精度,相关系数可提高到0.9,均方根误差减少到0.19 m,这对于无资料湖库精确库容曲线的构建具有重要意义。(2)测高卫星数据对我国湖库水位变化监测能力分析基于测高卫星特性、测高数据监测湖库水位基本原理,结合卫星地面轨迹文件、全国水体分布信息,运用GIS技术进行一系列空间分析实验,获取目前在轨典型的测高卫星(Jason-2、Jason-3、Sentinel-3A、Sentinel-3B)各自潜在可监测全国湖库具体数量、名录以及基本监测条件。据此,在五大湖区(青藏湖区、西南湖区、东部湖区、东北湖区以及西北湖区)基于周边地形、水面大小、湖岸形状等特征,系统性挑选多个湖库作为实验研究的特征湖库。(3)测高数据监测我国湖库水位实验和适用性分析分别使用Jason和Sentinel-3两个系列测高数据,对44个典型湖库进行水位监测实验。构建测高监测评价指标体系,使用实测数据对监测结果验证评价。在满足最低有效监测条件时(Jason数据地势起伏大的湖库,需沿轨截距1.6 km左右且最窄水面宽0.5 km左右。在地势平坦时,需沿轨截距1.4 km左右且最窄水面宽0.4 km左右。Sentinel数据需沿轨截距0.6 km左右且最窄水面宽0.2 km左右),两种数据都有良好的监测结果。Jason数据监测湖库平均绝对误差(MAE)集中在15 36 cm范围、均方根误差(RMSE)集中在17 43 cm范围、相关系数(R2)集中在0.5-0.96范围。Sentinel-3数据监测湖库MAE集中在5 29 cm范围、RMSE集中在7 38 cm范围、R2集中在0.7-0.99范围。进一步,对湖区、水面大小、地形等因素对监测精度的影响进行了差异性分析。湖区差异上,不同湖区带来了的纬度、海拔差异对监测精度没有明显影响;水面大小差异上,湖库水面面积越大,两种数据整体监测精度都更高;地形差异上,Jason数据在相同监测条件下,地势越平坦监测精度越高。而Sentinel-3数据受周边地形起伏影响较小,监测精度更高,未见显著差异。这与其改进了跟踪模式,大大缩小了星下点沿轨分辨率有关。使得在不同类型的湖库监测中,整体都优于Jason数据,尤其中小型,并且可监测到更小的湖库,大大提升了监测能力。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P332
【图文】：

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