[發明專利]一種基于遙感解譯技術提取河流監測斷面水面寬度的方法

有效

• 申請號: 202010317714.0
• 申請日: 2020-04-21
• 公開（公告）號: CN111553226B
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發明（設計）人: 張盼偉;李昆;吳文強;黃偉;趙曉輝;王卓微;胡明明;劉來勝;王啟文;吳雷祥
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06N3/04;G06N3/08;G01C7/00;G01S13/89;G01B7/02
• 代理公司: 成都正華專利代理事務所(普通合伙) 51229
• 代理人: 李蕊

1.一種基于遙感解譯技術提取河流監測斷面水面寬度的方法，其特征在于，包括：

S1、獲取河道及其上下游若干年的歷史流量數據，并對歷史流量數據進行預處理，得到關于流量數據的時間序列數據；

S2、將時間序列數據作為輸入數據進行監督學習，得到訓練樣本數據和測試樣本數據；

S3、根據訓練樣本數據和測試樣本數據構建Bi-LSTM模型，并基于測試樣本數據對Bi-LSTM模型進行測試，獲取作為預測輸出結果的河道流量數據；

S4、根據步驟S3中得到的預測輸出結果河道流量數據Q和河道斷面水面寬w之間的水力函數關系，構建河道水面寬水力模型：

W＝α*Q*β

其中，α、β均為河道水面寬水力模型系數；

S5、基于遙感實時測量監測獲取河道斷面水面寬W0，將遙感所測河道斷面水面寬W0作為輸出，預測所得的河道流量數據Q作為輸入帶入河道水面寬水力模型中，得到N組系數α_i、β_i，其中，α_i、β_i分別為求解得到的第i組系數，i＝1、2、…N，N≥70000；

S6、在N組系數α_i、β_i中隨機選取M組系數α_j、β_j，j＝1、2、…M，1000≤M≤N，將M組系數分別帶入水面寬水力模型W_j＝α_j*Q*β_j中，并隨機選取預測所得的河道流量數據Q作為輸入帶入W_j＝α_j*Q*β_j中，計算得到河道斷面水面寬測試值；

S7、將河道斷面水面寬測試值與其對應的遙感所測河道斷面水面寬進行線性擬合：

y＝a+bx

其中，令y為河道斷面水面寬測試值，x為河道斷面水面寬真實值，設定遙感實時測量監測河道斷面水面寬即為河道斷面水面真實值，a、b為待定參數；

S8、設定河道斷面水面寬測試值的偏差加權平方和最小為目標函數D：

其中，y_i為第i組計算得到的河道斷面水面寬測試值，x_i為第i組通過遙感實時測量監測河道斷面水面寬，即為河道斷面水面寬真實值；

對參數a、b分別求取一階偏導：

對參數a、b分別求取二階偏導：

令一階偏導為0：

解得參數a、b分別為：

其中，為河道斷面水面寬真實值的平均值，為河道斷面水面寬測試值的平均值；為河道斷面水面寬真實值的平均值與河道斷面水面寬測試值平均值的乘積，為河道斷面水面寬真實值與河道斷面水面寬測試值乘積的均值，為河道斷面水面寬真實值平方的均值；

S9、將參數a、b帶入擬合方程，得到河道斷面水面寬測試值和遙感實時測量監測河道斷面水面寬真實值之間的線性擬合曲線；

S10、根據線性擬合曲線，去除河道斷面水面寬測試值和遙感所測河道斷面水面寬真實值之間相對誤差大于0.01對應的河道水面寬水力模型系數α、β；選取相對誤差小于等于0.01對應的河道水面寬水力模型系數α_k、β_k，其中，1≤k≤m；

S11、分別計算系數α_k、β_k的均值系數α’、β’，并將均值系數α’、β’作為最優系數帶入，得到河道斷面水面寬的最優解：

W＝α’*Q*β’。

2.根據權利要求1所述的基于遙感解譯技術提取河流監測斷面水面寬度的方法，其特征在于，所述步驟S1中對歷史流量數據進行預處理包括：

采用minmaxscaler算法對歷史流量數據進行歸一化處理，補充流量數據缺失值。

3.根據權利要求1所述的基于遙感解譯技術提取河流監測斷面水面寬度的方法，其特征在于，所述步驟S2中通過訓練樣本數據進行Bi-LSTM神經網絡訓練之前，設置與Bi-LSTM神經網絡訓練相關的Bi-LSTM神經網絡超參數，包括：采用Keras搭建Bi-LSTM神經網絡，確定Bi-LSTM的層數包括輸入層、Bi-LSTM層、輸出層的節點數，并選擇MAE作為損失函數，選擇adam作為優化器，relu函數作為激活函數。