一種基于Google Earth影像的河道地形數(shù)據(jù)提取方法

蘇程佳，陳曉宏

(1. 中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心， 廣東 廣州 510275;2. 華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510275)

河道地形資料是構(gòu)建水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型最為重要的基礎(chǔ)資料之一，也是研究河道演變過(guò)程以及河道管理、治理的重要參考依據(jù)[1-3]。當(dāng)前，獲取河道地形資料的最直接方法是實(shí)地測(cè)量，如傳統(tǒng)的人工布設(shè)大斷面定點(diǎn)測(cè)量法，現(xiàn)代化技術(shù)的水下地形自動(dòng)測(cè)量等。然而，這些測(cè)量方法測(cè)量得到的河道地形資料雖然精度較高，但需要耗費(fèi)大量的人力物力，費(fèi)用極高[4]。因此，除了重要的大江大河外，我國(guó)仍有數(shù)量巨大的中小河流未進(jìn)行河道地形測(cè)量。

對(duì)于沒(méi)有河道地形資料的河流，大多數(shù)的研究都希望通過(guò)DEM數(shù)據(jù)獲取，因?yàn)镈EM數(shù)據(jù)易于獲取且免費(fèi)[5-6]。此外，也有不少的研究通過(guò)給定不同參數(shù)來(lái)擬合過(guò)流能力相似的河道橫斷面[7]，如俞茜等[4]通過(guò)DEM數(shù)據(jù)獲取了普渡河的斷面資料并用于一維水動(dòng)力模型的構(gòu)建，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于該數(shù)據(jù)的水動(dòng)力模型模擬的流量、水位與基于實(shí)測(cè)河道地形數(shù)據(jù)的模型的結(jié)果基本吻合，證明了基于DEM數(shù)據(jù)獲取的河道斷面數(shù)據(jù)用于水動(dòng)力過(guò)程模擬的可行性。但基于DEM資料獲取河道地形數(shù)據(jù)存在以下幾點(diǎn)不足：一是DEM數(shù)據(jù)水平方向以及縱向的分辨率不足[8]，二是所得的斷面數(shù)據(jù)沒(méi)有包含水下地形，三是難以確定河道的斷面寬度。Google Earth影像資料易于獲取，且可以免費(fèi)使用，還具有可視化的河道斷面寬度及邊界等特點(diǎn)，因此，本文提出了一種基于Google Earth影像的河道地形數(shù)據(jù)提取方法，利用該方法提取河道地形數(shù)據(jù)，用于一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，并加以驗(yàn)證。研究成果旨在豐富河段地形數(shù)據(jù)的獲取手段，為解決無(wú)實(shí)測(cè)資料地區(qū)的河道地形獲取提供參考。

圖1 利用Google Earth影像提取河道地形數(shù)據(jù)的步驟

1 數(shù)據(jù)提取

1.1 提取步驟

圖1給出了基于Google Earth影像提取河道地形數(shù)據(jù)的步驟。為了驗(yàn)證該方法的有效性，本文還給出了利用該方法提取河道地形數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用案例。

1.2 高程數(shù)據(jù)修正

由于Google Earth影像采用的地理坐標(biāo)系統(tǒng)與目標(biāo)河道所在位置采用的地理坐標(biāo)系統(tǒng)可能并不一致，因此需要對(duì)從Google Earth影像中提取的河道地形高程數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正公式為

Z=ZGE-ΔZ

(1)

式中：Z為修正后的河道高程數(shù)據(jù)；ZGE為從Google Earth影像中提取的河道地形高程數(shù)據(jù)；ΔZ為Google Earth影像采用的地理坐標(biāo)系統(tǒng)與目標(biāo)河道所在位置采用的地理坐標(biāo)系統(tǒng)基準(zhǔn)面的差值。

2 一維水動(dòng)力模型

對(duì)于感潮河網(wǎng)水系，可采用水動(dòng)力學(xué)模型對(duì)其水流進(jìn)行模擬。水流控制方程采用一維非恒定流圣-維南方程組，其連續(xù)方程和動(dòng)量方程分別為

(2)

(3)

式中：z為斷面水位；Q為流量；A為河道過(guò)水面積；g為重力加速度；B為過(guò)水寬度；q為旁側(cè)入流流量；R為水力半徑；c為謝才系數(shù)；x、t分別為位置坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)。

利用Preissmann四點(diǎn)隱式差分格式對(duì)式(2)和式(3)進(jìn)行離散，再運(yùn)用網(wǎng)河三級(jí)聯(lián)合解法[9-12]進(jìn)行求解，計(jì)算得到各河道斷面的水位、流量等。

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 鑒江流域概況

鑒江(圖2)發(fā)源于信宜市的虎豹坑，流經(jīng)茂名市高州、化州、電白市區(qū)，在湛江市吳川沙角旋注入南海，干流全長(zhǎng)231 km，總落差220 m，平均坡降0.374‰。流域范圍為東經(jīng)110°20′～111°20′，北緯21°15′～22°30′，總面積9 464 km2，多年平均年降雨量1 768 mm，但在時(shí)間上分布不均。

圖2 鑒江流域水系

3.2 河道概化及邊界條件

根據(jù)鑒江流域的水系特點(diǎn)進(jìn)行河道概化。河道概化后一共有河道14條，其中內(nèi)河道5條，外河道9條；內(nèi)節(jié)點(diǎn)6個(gè)，外節(jié)點(diǎn)9個(gè)。概化結(jié)果見圖3。另外，考慮到水文數(shù)據(jù)獲取的可能性，水動(dòng)力模型模擬范圍的上游邊界取為鑒江支流羅江的合江水文站、大井河的良德水庫(kù)、曹江的石骨水庫(kù)、小東江的茂名水文站、袂花江的新河水文站以及鑒江干流的潭頭水文站；下游邊界取為鑒江下游入海口的鑒江口閘壩、塘尾閘以及博茂閘。根據(jù)第一部分提出的基于Google Earth影像提取河道數(shù)據(jù)的方法獲得了圖3中各河道的地形數(shù)據(jù)，根據(jù)河道斷面布設(shè)的原則，本文一共布設(shè)了639個(gè)斷面，圖4給出了基于該方法獲得的河道斷面(編號(hào)為3的河段的第1個(gè)斷面)數(shù)據(jù)示例。

基于Google Earth影像得到的河道高程數(shù)據(jù)是基于WGS84(world geodetic system—1984 coordinate system)基準(zhǔn)的結(jié)果，而實(shí)測(cè)的邊界水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是基于珠江基準(zhǔn)面的結(jié)果，兩者存在一定的差值。由于缺乏可直接參考的兩者之間的差值，故本文參考了文獻(xiàn)[13]的結(jié)果，即1985國(guó)家高程基準(zhǔn)與WGS84的系統(tǒng)差為0.357 m，再結(jié)合1985國(guó)家高程基準(zhǔn)與珠江基準(zhǔn)面之間的差值0.557 m，計(jì)算得到WGS84與珠江高程基準(zhǔn)的差值為0.200 m，即前者比后者高0.200 m，再利用式(1)對(duì)Google Earth影像提取的河道高程數(shù)進(jìn)行修正。

(a)水系概化圖

(b)編碼圖

圖4 基于Google Earth影像提取的河道斷面數(shù)據(jù)示例

一維水動(dòng)力模型的上游邊界采用實(shí)測(cè)流量過(guò)程，下游邊界采用同期的潮位過(guò)程。考慮到鑒江流域下游邊界潮位站的潮位資料缺失，本文采用與下游邊界潮位站鄰近的西葛站同期實(shí)測(cè)潮位資料進(jìn)行替代。

3.3 一維水動(dòng)力模型率定及驗(yàn)證

考慮到鑒江流域內(nèi)地形較為復(fù)雜，山區(qū)、丘陵、和沿海平原交錯(cuò)的特點(diǎn)，本文參考了文獻(xiàn)[14-15]關(guān)于天然河道糙率值設(shè)定研究范圍內(nèi)各河道的糙率，山丘地區(qū)的河道初始糙率統(tǒng)一設(shè)置為0.05，沿海平原感潮河段的初始糙率統(tǒng)一設(shè)置為0.035。采用2014年1月5— 12日的鑒江流域上下游邊界同步水文測(cè)驗(yàn)資料進(jìn)行模型參數(shù)率定，時(shí)間步長(zhǎng)為Δt=600 s，空間步長(zhǎng)在200～1500 m，初始水位和流量統(tǒng)一賦值為0。通過(guò)上述條件調(diào)試率定出鑒江流域的河道糙率在0.023～0.045。

模型率定之后，選取化州水文站作為模型的驗(yàn)證站點(diǎn)，以與計(jì)算時(shí)刻同步監(jiān)測(cè)的2015年1月3日08:00至2015年1月10日08:00的觀測(cè)流量和水位資料對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果見表1。

表1 化州站流量、水位驗(yàn)證結(jié)果

由表1可以看出，模擬的流量、水位結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，表明基于Google Earth影像提取的河道地形數(shù)據(jù)是可行的。但同時(shí)需要指出的是，模擬水位與實(shí)測(cè)水位的相對(duì)誤差雖然較小，但是絕對(duì)誤差較大，如最高水位的模擬值與實(shí)測(cè)值的差值絕對(duì)值高達(dá)0.47m。分析原因可能是部分從Google Earth影像中提取到的地形數(shù)據(jù)是豐水期拍攝的，此時(shí)由于河道水流量大，水面覆蓋的河道橫斷面面積較大，因此得到的河道地形數(shù)據(jù)不能很好地反映出實(shí)際的河道斷面形狀，因此會(huì)存在一定的誤差。俞茜等[4]也有著相同的觀點(diǎn)。此外，由于本文下游邊界的潮位資料采用的是鄰近站的潮位，因此與實(shí)際下游邊界的潮位過(guò)程會(huì)有一定的出入。加之鑒江流域干流及支流閘壩眾多，本文為簡(jiǎn)便起見并未在水動(dòng)力模型中將其考慮進(jìn)去，導(dǎo)致模型的擬合效果不是十分理想。

4 結(jié) 語(yǔ)

為解決無(wú)實(shí)測(cè)資料地區(qū)的河道地形數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題，本文提出了一種基于Google Earth影像提取河道地形數(shù)據(jù)的方法，對(duì)提取的河道地形數(shù)據(jù)修正后應(yīng)用于鑒江流域的水動(dòng)力過(guò)程模擬。驗(yàn)證結(jié)果表明，基于Google Earth影像提取河道地形數(shù)據(jù)是解決無(wú)實(shí)測(cè)資料地區(qū)的河道地形獲取的一種行之有效的方法。但該方法豐水期提取的河道地形數(shù)據(jù)會(huì)與枯水期提取的有所差別，導(dǎo)致部分河道斷面的數(shù)據(jù)并不是十分理想，今后需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)行更多的案例應(yīng)用研究來(lái)驗(yàn)證該方法的適用性。