洪水期间,复杂地形和水域边界的快速变化极大增加了准确提取洪水淹没范围的难度。传统的人工和卫星遥感方法常因云层覆盖、光照变化和传感器限制等因素,导致其精度不足,且效率低下、成本高昂。基于此,利用深度学习与机器视觉技术,构建了针对洪水监测的“RiverDataset”数据集,并基于此数据集评估Segformer模型在洪水淹没范围提取中的效果。同时对比分析Segformer模型与基于ResNet50和VGG16的U-Net模型的水体分割性能。研究结果表明:Segformer模型凭借其Transformer结构,有效捕捉了广泛的上下文信息,并通过多尺度特征融合技术,保证了在复杂环境中的分割性能和信息的完整性;在平均交并比(mIoU)、平均像素准确率(mPA)、精确率和召回率等关键性能指标上,Segformer模型显著优于基于ResNet50和VGG16的U-Net模型。综上可知,Segformer模型在处理精确提取边界和有效排除干扰物的复杂分割任务中具有明显优势。

帷幕灌浆是抽水蓄能工程防渗加固的常用手段,注入率是帷幕灌浆的重要监测参数,直接影响灌浆的质量。注入率的波动段是灌浆施工过程中的关键阶段。目前对注入率过程监测数据的挖掘研究较少,灌浆中的合理注入率缺乏科学判据,也难以指导灌浆压力的调节。为此,提出一套帷幕灌浆波动段注入率区间分析和计算方法,对帷幕灌浆的历史注入率过程线形进行分类,选取出注浆过程的正常灌段,通过分析各灌浆参数与波动段单位平均注入率的相关性,选取灌浆强度数(GIN)、波动段浆液平均密度和灌浆孔序分别作为能量、裂隙和灌序指标;对注浆过程正常灌段进行聚类,计算各类的波动段注入率区间,最后判断各历史灌段的波动段单位平均注入率所处的具体波动段注入率区间,根据判断结果给予灌后评价。将提出的方法运用于五岳抽水蓄能电站上水库库盆坝趾帷幕灌浆工程实践中,结果表明:该方法的可行性及灌浆相似性假设得到了验证;评价等级处在Ⅰ级至Ⅳ级的灌段占93.5%,Ⅴ级到Ⅶ级的低评价灌段仅占一小部分。研究成果可供从事帷幕灌浆的工程技术人员参考。

科学有效地对河湖堤防决口险情进行动态实时监测,为灾后快速评估和防洪应急抢险决策提供技术支撑,具有迫切的现实需求。在分析决口险情监测任务需求的基础上,兼顾时-空-频-谱等约束,构建一种多源遥感协同监测方法,利用模糊多属性决策思路评价不同协同方案在决口险情及引发的次生洪涝灾害任务中的动态监测能力,并通过反演决口宽度、垸区淹没面积等指标,实现多卫星监测组合的统一量化评定及决口险情过程追踪。为验证多源遥感协同监测方法在决口险情及洪涝灾害应急处置中的性能,以“7·5洞庭湖团洲垸湖堤决口险情”为例进行论证分析。结果表明:决口及洪涝场景下分别求解的协同监测方案综合适应度最优,且决口宽度反演值与水文测报值相符,相对误差为0.98%;淹没面积反演值与洪水复演模型计算值大体一致,相对误差为-2.39%,协同监测方案可满足险情应急监测任务对响应时效性、协同性等实际需求。

水利水电工程中,灌浆是保障水工挡水建筑物稳定和防渗的关键施工环节,但传统灌浆监控设备在精确性、智能化和效率方面存在不足。研究旨在通过创新设计新一代灌浆参数智能感知与高效管控装备,实现灌浆过程的全自动化运行及预警反馈控制,提高工程管理效率、施工质量和安全。设计了智能集中制浆站、智能压力调节与冲洗装置、智能灌浆控制协调中心及数字化灌浆记录单元,并将其融合成新一代灌浆参数智能感知与高效管控装备;同时,开发了基于多重触控的多通道人机交互易用界面,以实现灌浆过程的配浆、送浆、调压、灌浆的全自动化运行管理,并通过实验与工程应用验证了该装备功能的可行性。与传统灌浆监控设备相比,施工质量显著提升,施工效率提高了30%以上。新一代灌浆参数智能感知与高效管控装备在水利水电工程灌浆施工中效果显著,实现了灌浆过程的自动化、智能化和高效化,为工程的高质量建设提供了有力支持,具有广阔的应用前景。

针对灌区水资源调度管理实时感知能力不足、智慧化程度不高的问题,研究数字孪生灌区水资源调度管理平台设计与实现,将物联网、数字孪生、水利专业模型与灌区水资源调度管理相结合,研究灌区水利实时感控体系与数字孪生可视化表达方法,设计数字孪生灌区水资源调度管理平台,实现数字孪生灌区水资源调度预演与决策。以数字孪生都江堰(渠首枢纽)工程为应用示范的实践证明,通过对灌区物理流域全要素与水资源管理活动进行数字化映射和智能化模拟,数字孪生灌区水资源调度管理平台能够及时感知水资源供应异常和设备故障,为管理者提供基于调度模拟结果的预测和优化建议,实现水资源精细化管理和调度智慧化决策。

DeepSeek作为先进的人工智能技术平台,给水利领域带来新的变革。基于工程水文的专业特点,分析了DeepSeek模型与工程水文分析计算的适配性,并选择水位频率分析作为评估DeepSeek在工程水文中应用前景的案例。结果表明通过采用结构化提问、合理拆分任务等技巧,DeepSeek能够准确地识别用户需求,其代码生成、解释、纠错、调优、改写功能极大地提升了工作效率,减小了学习成本,具有变革性潜力,未来结合洪水预测、水资源优化调度等相关专业技术将进一步拓展DeepSeek的应用场景与应用深度。

在移动互联网大数据的背景下,带有发布时间、发布位置等特征标签的社交媒体数据在自然灾害应对中的关键作用受到了广泛的关注。选择我国2022年长江流域特大干旱为应用案例,以主流的互联网社交媒体——微博文本作为数据源,基于机器学习与人工智能算法,抓取干旱演化过程数据,深入分析旱灾舆情时空特征与主题特征。研究结果表明:① 社交媒体关注热度时间变化与干旱发生演化过程较为同步,7月份长江全流域干旱在微博的讨论数据较小,到8月上旬陡然上升,至8月中下旬达到顶峰,12月初基本归零。从旱灾发生演化过程上看,四川、重庆、江西等受旱严重省市微博讨论热度时间特征与当地水文径流数据时间变化整体呈“此消彼长”趋势;② 社交媒体关注热度空间特征与区域受旱严重程度分布基本吻合,四川、重庆、江西等高热度省市微博讨论占比超过50%,而云南、西藏、上海、青海等省市的微博讨论占比较低;③ 社交媒体干旱主题特征差异较大,江西、湖南两省主题热词为“鄱阳湖面积萎缩”、“水位下降”,四川、重庆两省市舆情热词是“山火”、“地震”、“农户减产”、“用电紧张”。伴随旱情发展演化过程,公众干旱舆情的情感倾向经历了从负向逐步趋向正向的过程。研究成果可为流域旱灾跟踪分析与社会公众抗旱动员提供技术支撑。

灌溉面积是有效实施农业节水所需的基础性数据,传统调查统计方式已经不能满足当前灌溉面积监测需要。融合GF-1与Sentinel-2卫星影像,构建作物生育期的样本光谱,基于像元尺度光谱匹配方法协同提取江苏省宿迁市皂河灌区2017—2022年作物种植结构及实际灌溉面积。结果显示:皂河灌区的主要种植模式为水稻小麦轮作;灌区2017—2022年实际灌溉面积分别为85.11、91.91、103.65、95.85、97.72、88.24 km²。基于样本点利用混淆矩阵对提取的实际灌溉面积结果进行精度验证,总体精度为89.71%,Kappa系数为0.80,监测结果精度较高且提取效果优于目前公开产品中精度较高的IrriMap_Syn产品及IWMI产品。该方法适用于南方灌区实际灌溉面积提取,可为灌区管理部门日常监管、优化水资源配置等提供技术与数据支持。

三峡库区内支流众多,但因缺少基本水文站监测,支流的水文和水资源信息匮乏,影响了区域的水资源管理和防洪安全。为此,选择了三峡库区20条典型支流为研究对象,其中18条为无资料支流,应用自主研发的遥感水文站技术,结合卫星及无人机遥感数据构建了支流监测断面的三维数字河道模型,计算分析了2016年1月—2023年7月的河道流量、相对水位等信息。研究表明:①三峡库区内20条典型支流的河道横断面形状呈U形,属于典型的山区河流;遥感水文站技术在计算三峡库区无资料支流流量时具有良好的精度,平均NSE和R²分别可达到0.74和0.76。②在研究期内库区支流相对水位变化较小,库首、库中和库尾支流相对水位月际变化在1.2 m以下的月份占比可达93.1%、86.8%和87.4%。③库区典型无资料支流的平均流量总体平稳,但趋势分析结果表明,共有13条无资料支流的流量正在减少,库区支流流量总体上呈现下降趋势。④三峡库区20条支流年均流量和全年总流量十分丰富,年均入库流量达164.75亿m³,约占库区年入库流量的4.8%,为地区经济发展提供了有力的水资源支撑。

在水华遥感监测领域,水华面积是评估水体水华严重程度的重要指标,也是有关部门采取防治措施和确定应急响应等级的关键信息。针对中低分辨率影像采用传统方法估算水华面积精度较差的问题,以太湖为研究区,对比Sentinel-2、Sentinel-3数据提取水华面积的差异性,分析了Sentinel-3影像NDVI与混合像元中水华面积占比的关系,构建了基于NDVI密度分割法的蓝藻水华面积校正模型,对Sentinel-3提取的水华面积进行了校正;并对比分析了利用该模型与像元累加法、藻华像元生长算法进行水华面积统计与高分辨率Sentinel-2影像统计结果的一致性。研究结果表明:构建的校正模型在Sentinel-3影像水华面积估算中准确度和可靠性优于传统方法,能够有效提升该影像在水华监测领域的应用价值。

水环境质量预报预警是提升水污染防治现代化水平的重要支撑。提出了香溪河流域水环境磷风险平台技术体系,建立了香溪河流域水环境磷风险预报预警平台。该平台具备自动化收集多源异构的气象、水文、水质监测和污染源排放等底座数据并融合处理的功能,可为流域模型的边界条件和过程条件提供支撑,进一步对降雨过程、水文变化、总磷浓度和水环境风险提供预测和评价结果,并对2016年和2020年进行磷风险预报预警应用,为香溪河提升流域智慧化管理水平和推进磷风险管控提供技术支撑。

面向水资源监测任务需求,综合考虑时-空覆盖性、传感器参数、成像质量和目标重要性等准则,基于监测任务需求原型,提出一种自适应多传感器性能度量方案,构建模糊贪婪搜索决策的星载组合方法,实现对水资源监测任务的最大效益化观测。为验证组合方案的适应性,以丹江口库区为试验区,进行多传感器组合观测模型验证。试验结果表明,组合观测方案能满足在特定时空约束条件下对库区水质、库岸环境及常规干旱监测任务的需求,为水资源日常监测提供合理的决策依据。

2021年南水北调中线工程天津干线建立了包含102个国产北斗监测站点的沉降监测系统,每天新增约6.4 GB的原始观测数据和2 125个沉降监测结果。工程距离跨度大,人工巡检效率低,难以快速、及时地对监测站点的健康状况进行诊断。为解决此问题,提出了一种面向海量北斗变形监测数据的站点健康诊断自动化技术。利用多路径误差是否长期大于阈值、沉降序列是否发生突变,实现对北斗监测站点周围观测环境和稳定性的及时诊断,以较低的人力成本实现对北斗监测站点周围植被生长变化和土质沉陷异常变化的快速分析和诊断。

针对时间序列InSAR计算量大、时效性低、传统D-InSAR精度不高的问题,提出了TD-InSAR连续像对干涉测量方法,并利用HyP3云计算平台实现了长距离引调水工程沿线地表形变连续干涉像对快速分析。以珠江三角洲水资源配置工程为研究区,以传统PS-InSAR监测结果为参照数据对TD-InSAR地表形变探测精度进行了验证。试验结果表明:TD-InSAR取得的地表形变速率与PS-InSAR趋势一致,决定系数R²>0.7,精度相比传统D-InSAR方法提高了52.6%;基于云计算的TD-InSAR地表形变监测方法降低了时序分析的计算量,提高了时序分析的时效性,适用于大范围的地表形变快速普查分析。

为了探究上海近海区水体生态状况,采用水色遥感技术,对叶绿素a浓度进行反演,考虑BRDF对反演的影响,基于Landsat-8遥感数据和水质实测数据,结合Lee模型和QAA算法对上海近海水体进行BRDF校正。结果表明:悬浮泥沙浓度是影响水体BRDF的主要原因之一;日光在非垂直入射时,角度对水体BRDF影响较小;BRDF校正后模型R²平均值达到0.9,提高了22.2%,RMSE平均值降低至0.74;BRDF校正前上海近海区叶绿素a浓度平均被高估2 mg/m³。通过BRDF校正提高了叶绿素a反演精度,为近海水体水色反演研究提供新思路。

供水管网漏损精准监测对于避免水资源浪费具有重要意义,为此,提出一种面向供水管网漏损监测的传感器优化布置多准则决策分析方法。基于充分考虑传感器布置优化的权重、差异阈值和偏好阈值的不确定性,利用信息熵在整个决策空间内对传感器的初始位置进行筛选再根据漏损监测目标,通过定义一组传感器布置优化准则,利用多准则决策分析方法对初始方案进行排序,得到顾及多组参数及不同偏好场景下各种初始方案的概率排序。为了验证该方法的适用性,采用基准测试管网 k1模型开展仿真试验并比较了几种不同的偏好场景。结果表明所提出的方法能够适应顺序优先和最重要的优先顺序,而且能够对方案进行排序和成对比较,避免了使用“黑匣子”对传感器布置方案进行选择。

河流仿真技术是流域数字孪生的重要组成部分,当前实现物理河流向虚拟流域保真建模还有不足。以实测地形、遥感影像与水文数据为基础,基于水文模型计算的沿程水面线,通过UE5与Fluid Flux插件渲染,重构、编译蓝图、训练数据资产,克服坐标系统差异,完成从二维水动力计算到三维模型的转换,最终实现与虎渡河真实场景有较高相似度的仿真效果。校验结果表明模型误差较小,可以反映真实情况。构建的仿真模型能展现不同时期的水流状态、水位与堤防相对高差、人工爆破分洪、水下情景等,通过参数调整,能进行不同预演方案之间的比较,为防洪决策提供可视化支撑。

鄱阳湖水体面积受气候变化的影响呈现季节性变化,为了更好地探究其变化规律,提出了一种结合多时相雷达影像和光学数据的水体信息提取方法。以Sentinel-1A雷达影像和Sentinel-2光学影像为研究数据,首先对遥感影像集进行一系列数据预处理,利用Sentinel-1双极化水体指数(SDWI)和改进的归一化差异水体指数(MNDWI)分别提取出雷达影像和光学数据中湖区边界,并根据湖区范围计算出水体面积,从精度、时序和变化检测3个方面评价水体提取结果的准确性,对比分析湖区面积变化趋势,为鄱阳湖管理与保护提供科学的灾害预警。结果表明:①利用雷达影像和光学遥感数据提取鄱阳湖的水体结果基本一致,在提取农田、细小水体及有云区域时,雷达影像提取效果优于光学影像提取效果,说明借助雷达影像提取完整水体信息更具优势。②鄱阳湖平水期、丰水期和枯水期水体面积的均值分别为3 686.49、4 077.73、2 612.81 km²,其中丰水期水量是枯水期水量的1.56倍。③雷达影像时序水体提取结果与星子站、都昌站、湖口站和康山站共4个水文站水位数据变化趋势具有较高的一致性,Pearson相关系数分别为0.89、0.87、0.90、0.81。

近60 a来,长江中下游地区干旱发生频率越来越高,强度不断增强,影响范围不断扩大,持续时间不断变长,对经济发展造成了严重的影响。通过构建长江中下游地区60 a长序列历史降水数据和40 a遥感数据集,基于标准化降水指数、植被健康指数等指标建立干旱监测指数序列库,分析时序干旱指数变化特征,开展旱情时空分布、季节差异、发生频次等指标统计分析,探究旱情发生频率及其时空分异特征、旱情程度等时空特征。研究结果表明:长江中下游地区干旱事件发生具有明显的季节性,春夏季干旱频率高,秋冬季干旱频率低;干旱存在明显区域性差异,易旱地区主要包括湖北北部、湖南南部等地。

针对突发性水污染事件应急监测和智能模拟分析需求,研究了多传感器立体协同监测模型,建立了突发性水污染事件的时间、空间属性和传感器观测性能之间的相关关系,实现了卫星、无人机、地面、水上平台的动态、协同组网。在丹江口库区开展了突发性水污染事件动态组网立体监测实验分析,根据水污染事件发生时、动态演变过程中和事件后期3个阶段的不同观测需求,基于多传感器立体协同监测模型,深入开展了多传感器协同优化求解,确定了相应的观测平台及传感器。实验结果表明,协同、高效的“天空地一体化”立体感知网能够全面、精准、快速获取水污染事件监测信息,可以科学支撑突发性水污染事件的应急处置。