基于GIS的降雨徑流預(yù)報方法分析

基于GIS的降雨徑流預(yù)報方法分析【摘要】降水徑流的準確預(yù)測直接關(guān)系到該流域人民生活的各個方面，因此為了更好的滿足降雨徑流預(yù)報的需求，需要尋找高效的預(yù)測手段來對降雨徑流進行預(yù)測。本文從GIS的降雨徑流預(yù)報方法出發(fā)，分析了影響水文過程的各方面因素并闡述了對獲得數(shù)據(jù)信息的預(yù)處理方法。提出了以遺傳算法為基礎(chǔ)結(jié)合GIS技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，這種模型的應(yīng)用有效的提高了信息預(yù)測的精度和效率。并且本文中也介紹了GIS降雨徑流預(yù)報方法，通過對降雨信息的處理，有效的提高了降雨徑流預(yù)報模型在計算機數(shù)據(jù)輸入時精度，結(jié)合GIS空間分析方法，對降雨區(qū)域的降雨徑流進行數(shù)值模擬，從而得到了降水區(qū)域的徑流量與影響系數(shù)之間的關(guān)系?！娟P(guān)鍵詞】降雨徑流；地理信息系統(tǒng)(GIS)；預(yù)報方法引言GIS(GeographicInformationSystem)即地理信息系統(tǒng)，是在地理空間的基礎(chǔ)上，以信息科學和系統(tǒng)工程的理論知識為根本，利用計算機管理和分析地理數(shù)據(jù)，從而提供管理、決策等所需信息的技術(shù)系統(tǒng)?？偠灾痪湓?， GIS是綜合處理和分析地理空間數(shù)據(jù)的一種技術(shù)系統(tǒng)，是以測繪測量為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)儲存和使用的數(shù)據(jù)源，以計算機編程為平臺的全球空間分析即時技術(shù)。地理信息系統(tǒng)作為獲取、存儲、分析和管理地理空間數(shù)據(jù)的重要工具、技術(shù)和學科，近年來得到了廣泛關(guān)注和迅猛發(fā)展。最近的30年內(nèi)，地理信息技術(shù)取得了十分顯著的發(fā)展，在國土管理、農(nóng)林牧業(yè)、郵電通訊、公共設(shè)施管理、資源的調(diào)查、軍事公安、環(huán)境的評估、城市規(guī)劃、災(zāi)害的預(yù)測、交通運輸、水利電力、統(tǒng)計、商業(yè)金融等幾乎所有領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。降雨徑流的概述所謂降雨徑流就是由降雨形成的徑流，這些徑流通過地表或者是地下水流入河道，并向流域出口斷面匯集。降雨徑流會受到多種因素的制約，比若說是地形、地貌、植被、降水和土地的使用以及人類活動等，從這些種種因素我們可以看到徑流的形成過程是非常復(fù)雜的。長時間以來，降雨徑流的研究一直備受水文界的青睞。隨著地理信息系統(tǒng)、遙感和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，降雨徑流模型的應(yīng)用所涉及的領(lǐng)域也越來越廣，像是水生態(tài)系統(tǒng)的保護、修復(fù)，水資源的重復(fù)利用，防洪防水等都以降雨徑流模型作為基礎(chǔ)的。流域降雨徑流的模型對于研究氣候的變化也是十分有幫助的。2.1研究降雨徑流的發(fā)展歷程最早的關(guān)于降雨徑流的記載始于遠古至14世紀，這些記載主要是記錄了對降雨、徑流現(xiàn)象的觀測、描述。徑流理論的最終形成追溯到15世紀至19世紀末，1674年佩羅提出河流的年徑流量只是降水量的33%，揭開了研究降雨徑流的序幕。1856年達西提出的達西定律和1871年圣維南導(dǎo)出的圣維南方程組為徑流理論的研究奠定了基礎(chǔ)。20世紀中后期，計算機以及3S技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，同時也帶動了GIS、自動雨量計、流量計、雷達測雨等先進設(shè)備在水文觀測中的應(yīng)用，也使的對于降雨徑流的研究進入快速發(fā)展階段。當今階段，研究降雨徑流主要包括下面內(nèi)容，對降雨徑流過程、不同土地利用、土地覆被類型特別是森林植被的降雨徑流響應(yīng)以及流域降雨徑流過程的模擬[2]。降雨徑流變化的影響因素對于降雨徑流的預(yù)測,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前最流行也是最常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的自學習能力強，適應(yīng)性好，計算的速度快。然而如何合理有效的構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，首先要做的就是選擇合適的影響因子，影響降雨徑流的因素有很多，其中最主要的有降雨歷時、降雨總量、河道基流以及前一時刻出口斷面流量等。降雨徑流的數(shù)據(jù)信息的預(yù)處理通過對降雨徑流所獲得的數(shù)據(jù)信息整理、分析、計算，我們可以發(fā)現(xiàn)隱藏在這些數(shù)據(jù)背后的某些規(guī)律。要想這些數(shù)據(jù)能夠反映作用對象的內(nèi)在本質(zhì)，需要對獲得的這些數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，這項工作主要有下面幾個方面。3.1.對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理由于平常的水文預(yù)報中預(yù)報的重點有所差異，因此我們在整理所獲得的數(shù)據(jù)時，要舍棄那些偏離預(yù)報重點較嚴重的數(shù)據(jù)，保留下那些與預(yù)報重點相差不大的數(shù)據(jù)，以此方法來提高預(yù)報精度。3.2.數(shù)據(jù)的歸一化處理我們在對網(wǎng)絡(luò)輸入的降雨徑流的預(yù)報數(shù)據(jù)進行歸一化處理時，需要對網(wǎng)絡(luò)輸入的數(shù)據(jù)向量進行放大或者是壓縮，通過一定比例的轉(zhuǎn)換，使得每一個數(shù)據(jù)的數(shù)值都處在0和1之間。對于時間延遲數(shù)據(jù)的處理徑流的來水過程是隨著時間變化的，因此該過程是一個具有時態(tài)性的動態(tài)過程，但是我們使用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，沒有處理時間問題的能力。針對上述常見的問題從時間序列中直接提取出特征參量進行分析，構(gòu)造特定的時間單元，從而形成一系列具有時間分析能力的的時延性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?；贕IS的降雨徑流預(yù)報模型我們在上文中提到流域降雨徑流的形成，會受到多種因素的共同制約，比如說：降雨量、土壤含水量、蒸散發(fā)量、地形以及地貌等。而雷達和遙感信息就有以面信息代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的點信息的優(yōu)點。應(yīng)用雷達和遙感技術(shù)所收集和分析的降水量、洪峰流量、降雨歷時等具有一定的空間分布，然后我們利用GIS建立起降雨徑流的形成要素與地理坐標之間的數(shù)值關(guān)系并通過圖形將其顯示。這樣可以預(yù)報資料的獲取速度和獲取精度做到有效的提高，并且可以大大加強對資料的存儲和處理的效率，從而提高降水徑流的預(yù)報精度。4.1.應(yīng)用GIS獲取流域綜合信息降雨徑流預(yù)報的基礎(chǔ)是獲取流域降雨信息，只有獲取了準確的降雨信息，才可以對降雨徑流進行精確的預(yù)報，但是，單一的降雨信息是不能準確的預(yù)報降雨徑流的，除此之外我們還要獲得諸如地形等其他的相關(guān)信息。應(yīng)用GIS技術(shù)可收集到如下的信息。降雨發(fā)生的區(qū)域，對降雨的區(qū)域的分析會對流域降雨徑流的研究有著極其重要的意義。如果降雨區(qū)域覆蓋流域或者是離流域越近，則該流域由降水產(chǎn)生的徑流量越大；反之，則由此產(chǎn)生的徑流量就越小。降雨開始時間，我們從區(qū)域降水開始的時間可以知道流域降雨徑流開始變化的時間。降雨量，也就是說區(qū)域降水的多少。每個降雨區(qū)域的降水量的多少與流域的降雨徑流量成正比。降雨時間的長短，降雨時間的長短將直接關(guān)系到流域降雨徑流變化所持續(xù)的時間。各降雨時段的降雨量強度，通過此信息我們可以知道流域各時段徑流量的大小，以及每一個時段的洪峰量，這對于降雨徑流的預(yù)報是非常有價值的。流域周邊的地貌信息，我們首先通過遙感技術(shù)獲得該區(qū)域地形地貌的航拍圖片，并通過GIS軟件，將其貼在具有三維數(shù)字的高線圖上，通過這樣我們就能夠得到反映該流域周邊地區(qū)地貌信息的的三維立體地形圖。徑流區(qū)域內(nèi)土地分類，通過對所拍航片的色調(diào)、形狀、分布等進行分析，我們可以對流域周邊地區(qū)的土質(zhì)進行分類[3]。4.2.流域徑流信息數(shù)據(jù)庫的建立我們把通過遙感技術(shù)獲得的降水方面的相關(guān)數(shù)據(jù)保存到所建立的數(shù)據(jù)庫之中，數(shù)據(jù)庫分為三種：歷史降雨數(shù)據(jù)庫、歷史降雨徑流數(shù)據(jù)庫還有當前降雨數(shù)據(jù)庫。每一種數(shù)據(jù)庫中的表都包括該時期的大、中和小雨表，，每一個表中有含有以下方面的信息：降雨時間、區(qū)域、歷時、強度、降雨量等。4.3．流域降雨信息圖形庫的建立對于所建立的流域降雨模擬圖形以及其他一些附屬信息的存儲就需要用到圖形數(shù)據(jù)庫，建立的降雨信息圖形庫便于GIS在空間上分析流域降雨對降雨徑流的影響因素，從而考慮降雨情況的不同對流域徑流的影響。圖層，ArcView以圖層作為最基本單元，每一次的降雨設(shè)為一個圖層，圖形把該次降雨所覆蓋的區(qū)域直接顯示出來。圖層均采用數(shù)字化方式掃描，然后把所得到的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為ArcView的矢量文件?？臻g編碼，要想對空間數(shù)據(jù)庫建立起有效索引機制，需要對分層格網(wǎng)和空間關(guān)系建立相對的函數(shù)關(guān)系式，也就是說，對每層的格網(wǎng)進行空間編碼。屬性數(shù)據(jù)庫顯示了每一數(shù)據(jù)對象的屬性特征，庫中的內(nèi)容與圖形數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容一一對應(yīng)。流域降雨影響空間分析就像前文中所提到的，降雨發(fā)生的地點以及降雨與流域的相對位置都會對流域的徑流產(chǎn)生影響，利用GIS區(qū)別于神經(jīng)系統(tǒng)所特有的對空間分析功能，我們可以對流域降雨徑流的影響因素基于地圖進行緩沖分析。所謂的緩沖分析，常常用于構(gòu)造影響帶，比如說是面實體緩沖區(qū)，就是以點、線、面實體為中心，在其周圍建立緩沖區(qū)多邊形的過程。對于所作流域的降雨狀況影響到緩沖區(qū)分析， 因此要重點考慮各方面的因素，因為降雨對流域的影響程度會隨著周圍地形、 地貌不同而產(chǎn)生差異，因此在GIS中建立的影響區(qū)是非對稱的緩沖區(qū)。首先要做的就是通過對空間進行整體的掃描，將流域各測站控制區(qū)以實體表達和存儲，因此以空間位置形式對數(shù)據(jù)進行分析相對來說要容易的多。 然后建立起緩沖區(qū)的多邊形與各測站控制區(qū)實體周圍，緩沖各區(qū)的影響系數(shù)與所在區(qū)域相對控制區(qū)的距離以及高差有關(guān)，距離控制區(qū)越近，緩沖區(qū)的影響系數(shù)越大，反之,離緩沖區(qū)越遠，影響系數(shù)就會越小。流域與控制區(qū)之間的高差越高，坡度越陡，則緩沖區(qū)的系數(shù)值越大，反之就會越?、?該系數(shù)的具體計算需要根據(jù)大、中和小雨情況下各因素的作用分值以及權(quán)重

分值，通過多種因素共同作用，也就是說計算網(wǎng)格上的每種因素綜合作用的分值，n即：Fj二7fi「'ii最后，將各檢測站的影響區(qū)域及徑流的影響系數(shù)存入我們設(shè)計好的數(shù)據(jù)庫中，當這一區(qū)域內(nèi)存有降雨時，按照各檢測站降雨影響緩沖區(qū)將該降雨區(qū)域劃分成幾個區(qū)域，某一區(qū)域某一時段的有效降雨量，就是用該區(qū)域中當前時段的降雨量乘上該區(qū)域的影響系數(shù)，并將所得的結(jié)果累計相加所得。結(jié)語以地理信息系統(tǒng)(GIS)為手段研究降雨徑流是本文所討論的重點，該方法結(jié)合流域的實際情況利用GIS來獲取降雨徑流的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，建立起了以遺傳算法為基礎(chǔ)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)降雨徑流預(yù)測模型，GIS與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合不僅能夠高效科學的利用和管理降雨信息，還為降雨徑流提供了適用的預(yù)報模型，并且對于設(shè)計的成果實現(xiàn)了可視化表達，該模型不僅提高了預(yù)測的精度，還在預(yù)測的效率上有了很大的進步，因此未來的應(yīng)用前景十分的廣闊。【參考文獻】吳煥平.GIS技術(shù)在氣象領(lǐng)域中