基于多源数据的城市下垫面信息提取与内涝模拟模型研究

在全球气候变化与中国城市化加速的背景下,城市内涝发生的频次、风险和造成的损失不断增加。城市内涝灾害模拟预测及内涝影响分析评估是防治城市内涝自然灾害、控制和降低减少灾害损失的核心内容,是分析内涝过程中内涝积水时空分布及其对社会经济影响的重要手段,对于提高城市管理水平、完善城市规划设计、切实有效地降低灾害造成的损失和影响具有重要作用,也是国际社会、学术界高度重视的热点问题之一。本文以城市内涝灾害模拟预测及影响分析评估为应用目标,基于多源空间数据,研究了服务于内涝模拟的多尺度城市汇水区划分方法、基于真正射影像和高度信息融合的下垫面信息快速提取方法,构建TGFMS-SWMM流域-城市内涝模拟模型与方法,开展了基于该模型模拟情境下的内涝影响评估应用研究。论文主要创新总结如下:(1)提出了GFMS-SWMM流域-城市内涝模拟模型与方法,解决了城市管网与自然河流接口边界条件难以获取的问题,提高了城市内涝模拟精度与准确度。将自然流域水文过程与城市雨洪过程耦合,充分发挥了 GFMS中陆面水文过程模型在全球尺度、流域尺度方面的模拟优势,尤其是提供全分布式和实时的城市管网排水与自然流域汇流干道所有接口的边界条件等,通过耦合SWMM模型,将精细的城市地形、排水管网、地表覆盖等纳入模型计算,从而模拟城市内涝的时空分布,体现了自然河道水体与地下排水管网系统之间的相互作用,实现了流域水文与城市内涝模拟的有机结合。(2)针对城市航空遥感真正射影像光谱分辨率较低、空间分辨率超高、数据量大、基本无几何畸变和位移、遮挡少、能同期获得地形数据等特点,提出了一种基于规则集的下垫面信息快速提取方法,并验证了方法的有效性、实用性。该方法基于真正射影像和地形数据,采用高度、植被颜色指数、高度纹理、亮度等特征信息,在面向对象的基础上,综合阈值分层逐步提取下垫面信息,计算量小、效率高、适用范围广。(3)提出了内涝情境下基于可达性分析的设施服务人口覆盖率、改进步行指数等指标与评估方法,建立了内涝模型模拟结果与城市居民日常生活需求之间的联系,为内涝影响评估提供了新视角、新维度。利用互联网地图、交通流量、手机信令、车行网络、步行网络等海量空间数据,面向居民生活需求,分车行和步行两种出行方式,基于可达性分析提出了内涝情境下相应指标的评估方法。

利用AB算法进行高分四号卫星数据反照率反演

地表反照率(Albedo)是地表能量收支平衡的重要地表参数。作为新近发射的地球同步轨道卫星,高分四号(GF-4)卫星拥有优于同类卫星的高时间高空间分辨率,然而由于其观测角度单一,基于双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)的传统反演方法难以实现地表反照率的精确快速反演,因此采用基于单一观测角度的角度格网法(angular bin,AB1)。首先,利用先验的多角度地球反射极化和方向测量仪(POLarization and Directionality of the Earth’s Reflectances,POLDER)卫星观测数据,建立反照率与某一方向反射率之间的经验关系;然后,利用POLDER卫星和GF-4卫星的光谱响应函数与光谱库数据,将该经验关系转换为基于GF-4卫星的反照率与反射率经验关系(即查找表);通过输入单一角度的GF-4卫星反射率数据,得到GF-4卫星反照率结果;最后,利用中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,MODIS)与Landsat 8地表反照率结果对反演结果进行交叉验证。结果表明,MODIS反照率与GF-4反照率的均方根误差(root mean square error,RMSE)为0.027 3,Landsat 8反照率与GF-4反照率的RMSE为0.017 6,说明基于AB1算法的反照率反演结果精度可靠,这对于GF-4卫星的反照率产品生产具有一定的应用意义。