內陸湖泊水體流態提取算法研究進展

摘 要：湖泊水體的運動情況屬于湖泊水動力學的范疇，是湖泊最重要的物理特性之一，其直接影響湖泊水體的物質、能量和運輸，以及湖泊與外界的轉換、物質與能量的轉移。本文通過對當今國內外湖泊水體流態提取算進行系統歸納與分析，得出傳統方法、水動力數值模擬、多時相跟蹤物探測法和光學遙感技術等四種方法的優劣。

關鍵詞：流態；水動力數值模擬；多時相跟蹤物探測法；光學遙感

中圖分類號：TP79 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）10-0084-02

Research Progress of Algorithms for Extracting Water

Flow Patterns in Inland Lakes

WANG Jifeng ZHAO Yanfu

（School of Architectural and Surveying Mapping Engineering， Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou Jiangxi 341000）

Abstract： The motion of lake water belongs to the category of lake hydrodynamics， which is one of the most important physical characteristics of lake. It directly affects the matter， energy and transportation of lake water， the transformation between lake and the outside world， and the transfer of matter and energy. This paper systematically summarized and analyzed current domestic and international lake water body flow extraction calculations， and obtained the advantages and disadvantages of the traditional methods， hydrodynamic numerical simulation， multi-temporal tracking material detection method and optical remote sensing technology.

Keywords： flow pattern information；hydrodynamic numerical simulation；multiphase tracking method；optical remote sensing

湖泊水體的運動情況屬于湖泊水動力學的范疇，其直接影響湖泊水體的物質、能量和運輸，以及湖泊與外界的轉換、物質與能量的轉移[1]。因此，掌握湖泊水體的流態信息是人們進一步認識和評估水中污染物及懸浮物質對湖泊生態環境的影響和湖泊水資源保護的重要基礎。本文對國內外湖泊水體流態提取方法進行了系統歸納總結，為深入研究流態信息提供重要參考。

1 水體流態提取方法現狀分析

確定水體流向，即水流方向場提取的方法有很多。這些方法的運用較為廣泛，在海洋、河口、湖泊和河流等方面都有重要實踐。在內陸湖泊水體流向提取研究方面，目前運用較為普遍的方法有現場觀測法和計數值模擬法。傳統的現場觀測法是利用水文測流儀器現場對水體進行流向和流速的觀測。數值模擬方法則是依據水動力學、泥沙動力學和數值計算等方法仿真模擬出湖泊水體的動力特征。隨著計算機技術和航空航天技術的迅速發展，出現了更多新的方法來探測水體流向信息，如利用多時相示蹤物探測、光學遙感影像分析等。

1.1 現場觀測法

傳統的水流方向測量主要采用流速儀等儀器來實地測量水體。常見的流速測量儀器有：畢托管測速技術、機械測速技術、電磁測速技術、聲學多普勒測速技術、熱線熱膜風速儀測速技術、激光多普勒測速技術及粒子成像測速技術[2]。

薛元忠等[3]利用ADCP儀，采用走航測量的方式，獲取了2002年5月到6月重慶至江陰水域水體流速剖面的大量實測資料。這一研究為ADCP技術在復雜地形和水文條件的使用提供了理論參考。

1.2 水動力數值模擬法

水動力的數值模擬最先是應用在海岸工程、水運工程中的，其實隨著現代計算機技術、流體力學和GIS技術等的發展而發展起來的。目前，國際上已研發出了大量的水動力研究模型，如丹麥水力研究所研制的MIKE模型，美國的SMS模型、WASP模型、QUAL模型、EFPC模型和CE-QUAL-W2模型，荷蘭的Delft3D模型及美國密西西比大學水科學與工程計算中心研發的CCHE模型等。

王領元[4]利用MIKE 11對某一入海口位置的水位、流量變化情況進行了數值模擬，并將關鍵斷面的模擬值與實際值進行比較，計算結果與實際的測量值較為吻合，精度可以滿足預測要求，研究取得了較理想的結果。

1.3 多時相示蹤物探測法

多時相示蹤物探測法的原理是利用衛星遙感影像中在海流作用下的示蹤劑來對海流進行測量。其中，示蹤物的選擇包括海洋表面溫度（SST）、葉綠素數據及影像灰度值等。Crocker等[5]利用最大相關系數法反演得到加利福尼亞南部海岸的海表溫度圖像，其與海色圖像的相關系數為0.50～0.89，平均相關系數為0.74，反演的海面洋流流速度均方根誤差是7.4cm/s，平均誤差小于2cm/s。

國內毛志華等[6]利用AVHRR衛星遙感影像反演臺灣海峽SST溫度，并比較最大相關系數法和相關松弛法兩種不同方法下得到的海表流場矢量圖。研究表明，在一定條件下利用相關松弛方法來計算海面表層的流場是可行的。該方法的運用常常需要時間連續且特征明顯的影像，除此之外，湖泊表面溫度的反演不同于海洋表面情況，可選取的示蹤物較少，因此多時相示蹤物探測法在湖泊方面運用較少。

1.4 光學遙感影像圖像分析法

目前，商用的衛星可以提供10m到亞米級別空間分辨率的衛星影像。在這些具有較高分辨率特性的影像上，道路、大型建筑物、河流和湖泊的規則形狀和紋理特征都清晰可辨，這為紋理分析在遙感圖像識別中的應用提供了客觀基礎[7]。

王鳳鈴等[8]對呼倫湖的TM影像進行數據分析，通過彩色合成圖像的亮度變化判斷出懸浮物的空間分布情況，利用湖流特征與懸浮物空間分布之間的關系確定出湖流的速度和方向。研究表明，該方法所得結果與實際狀況基本一致。

2 總結與展望

2.1 總結

通過對現有湖流研究方法進行分析可以看出：傳統現場觀測法的精度最高，但由于空間方位等的限制，很難全面了解湖流的時空變化；水動力數值模擬是應用最為廣泛的方法，但該方法的應用需要研究者具有較強的專業知識，不僅對數據和硬件設備要求較高，而且需要大量同時難以確定的實際觀測數據，特別是當模擬時間周期較長（如幾年或者十幾年）時，運算比較慢；多時相示蹤物探測法受示蹤物的影響，多應用在海洋領域，且對遙感影像具有較為嚴格的時間要求。光學遙感影像的圖像分析方法具有前三種無法比擬的優勢，但目前較多的是結合人工目視解譯的方式，沒有深入到定量或者半定量化的研究。

2.2 展望

關于內陸湖泊水體流態信息提取算法，應該從這幾面方面深入開展工作。①深入研究大氣校正算法。大氣校正作為影像處理關鍵環節，對水體信息作用很大。②分析多時相影像水體流態信息，結合計算機語言實現智能化提取。③利用更高分辨率影像，從定量角度分析水體流態信息。④結合物理定義，增加水動力數值模擬的參數，改變運算速度。

參考文獻：

[1]Toyota M，Taira A，Hikida M，et al. Field measurememts of lake currents in Lake Suwa by means of ADCP[J]. Japanese Journal of Limnology，2010（1）：45-52.

[2]馬駿，劉德富，紀道斌，等.三峽水庫支流庫灣低流速條件下測流方法探討及應用[J].長江科學院院報，2011（6）：30-34.

[3]薛元忠，顧靖華，韋桃源.聲學多普勒流速剖面儀原理及其在長江中下游的應用[J].海洋科學，2004（10）：24-28.

[4]王領元.丹麥MIKE11水動力模塊在河網模擬計算中的應用研究[J].中國水運（學術版），2007（2）：108-109.

[5]Crocker R I，Matthews D K，Emery W J，et al. Computing Coastal Ocean Surface Currents From Infrared and Ocean Color Satellite Imagery[J]. IEEE Transactions on Geoscience Remote Sensing，2007（2）：435-447.

[6]毛志華，潘德爐.利用衛星遙感SST估算海表流場[J].海洋通報，1996（1）：84-90.

[7]曹忠權，謝平，金花.星載合成孔徑雷達遙感技術的地學應用[J].地球物理學進展， 2004（2）：291-295.

[8]王鳳玲，劉惠敏，丁克旭.呼倫湖航天遙感綜合調查──湖流特征和地下水補給的遙感信息提取原理[J].環境與發展，1996（3）：22-23.