一種基于圖像恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行流域水文資料插補(bǔ)延長(zhǎng)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于圖像恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行流域水文資料插補(bǔ)延長(zhǎng)的方法，包括以下步驟：1)確定中間測(cè)站及相鄰測(cè)站，中間測(cè)站缺乏資料為插補(bǔ)延長(zhǎng)的對(duì)象，相鄰測(cè)站為中間測(cè)站周圍距離較近的測(cè)站；2)基于中間測(cè)站和相鄰測(cè)站間的多重相關(guān)信息以及圖像恢復(fù)技術(shù)構(gòu)建測(cè)站間關(guān)系表達(dá)式；3)率定測(cè)站間關(guān)系表達(dá)式的系數(shù)向量，解得中間測(cè)站未知數(shù)據(jù)的計(jì)算表達(dá)式；4)根據(jù)未知數(shù)據(jù)的求解表達(dá)式，迭代計(jì)算中間測(cè)站的未知數(shù)據(jù)，完成中間測(cè)站資料的插補(bǔ)延長(zhǎng)。本發(fā)明能夠增強(qiáng)測(cè)站間相關(guān)性，提高測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)的估算精度，為水文模擬提供數(shù)據(jù)支持，避免“異參同效”現(xiàn)象的發(fā)生。
【專利說(shuō)明】
一種基于圖像恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行流域水文資料插補(bǔ)延長(zhǎng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于流域水文模擬領(lǐng)域，涉及水文資料插補(bǔ)延長(zhǎng)的方法，特別涉及到一種 基于圖像恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行流域水文資料插補(bǔ)延長(zhǎng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著空間信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于物理機(jī)制的分布式水文模型已成為 國(guó)內(nèi)外水文研究的重點(diǎn)之一。分布式水文模型較集總式水文模型有明顯的優(yōu)越性，可以取 得更好的預(yù)報(bào)效果，但同時(shí)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的要求也更高。若僅通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)來(lái)提高模擬 精度，而不考慮參數(shù)設(shè)置是否合理地反映流域特點(diǎn)，則極易出現(xiàn)"異參同效"問(wèn)題。我國(guó)早期 的水文觀測(cè)站布置稀疏，近些年新建測(cè)站的資料長(zhǎng)度又有限，或因信息采集設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行 故障造成缺測(cè)，大多數(shù)流域現(xiàn)有的水文資料難以滿足分布式水文模型的信息輸入要求。
[0003] 為解決水文數(shù)據(jù)缺失問(wèn)題，目前常用空間插值法和多元相關(guān)分析法對(duì)測(cè)站信息進(jìn) 行插補(bǔ)延長(zhǎng)?？臻g插值法因受地形地貌、土壤和植被等自然因素和人類活動(dòng)影響較大，對(duì)測(cè) 站信息進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)時(shí)容易產(chǎn)生較大的誤差。多元相關(guān)分析法從長(zhǎng)期觀測(cè)資料中挖掘相鄰 站點(diǎn)間的多重相關(guān)信息，與空間差值法相比可以取得較好的插補(bǔ)延長(zhǎng)效果，但相鄰站點(diǎn)僅 考慮長(zhǎng)系列資料完整的測(cè)站。兩種方法的上述不足使得其插補(bǔ)延長(zhǎng)效果受限，為此大連理 工大學(xué)水資源與防洪研究所提出一種基于圖像恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行流域水文資料插補(bǔ)延長(zhǎng)的方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于圖像恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行流域水文資料插 補(bǔ)延長(zhǎng)的方法。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0006] -種基于圖像恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行流域水文資料插補(bǔ)延長(zhǎng)的方法，包括以下步驟：
[0007] 第一步，選擇中間測(cè)站及相鄰測(cè)站。
[0008] 所述的中間測(cè)站為插補(bǔ)延長(zhǎng)的對(duì)象，該對(duì)象缺乏未知水文數(shù)據(jù);所述的相鄰測(cè)站 為中間測(cè)站周圍距離較近的測(cè)站，相鄰測(cè)站中增加同樣含有未知水文數(shù)據(jù)的測(cè)站，與常規(guī) 的插補(bǔ)延長(zhǎng)方法相比，增強(qiáng)了測(cè)站間的相關(guān)性，有利于信息的插補(bǔ)延長(zhǎng)。
[0009] 第二步，基于中間測(cè)站和相鄰測(cè)站間的多重相關(guān)信息以及圖像恢復(fù)技術(shù)，構(gòu)建測(cè) 站間水文數(shù)據(jù)的關(guān)系表達(dá)式;所述的基于圖像恢復(fù)技術(shù)構(gòu)建測(cè)站間關(guān)系表達(dá)式包括以下步 驟：
[0010] 2.1構(gòu)建中間測(cè)站水文系列的列向量3= &，其中，k表示中間測(cè)站的已知水文數(shù) _U_ 據(jù)構(gòu)成的列向量，u表示中間測(cè)站的未知水文數(shù)據(jù)構(gòu)成的列向量；
[0011] 2.2構(gòu)建相鄰測(cè)站水文系列的矩陣^，其中D的各列對(duì)應(yīng)各相鄰測(cè)站水文系 列，K表示相鄰測(cè)站中與向量k對(duì)應(yīng)的水文數(shù)據(jù)構(gòu)成的矩陣，U表示相鄰測(cè)站中與向量u對(duì)應(yīng) 的水文數(shù)據(jù)構(gòu)成的矩陣；
[0012] 2.3假定線性關(guān)系相互存在的前提下，引入矩陣D下向量數(shù)據(jù)d的系數(shù)向量0，得到 測(cè)站間水文數(shù)據(jù)的關(guān)系表達(dá)式卵=d。
[0013]第三步，率定測(cè)站間關(guān)系表達(dá)式的系數(shù)向量，求解中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)u的計(jì)算 表達(dá)式，具體步驟為：
[0014] 3.1根據(jù)列向量d、矩陣D的構(gòu)成，將測(cè)站間關(guān)系表達(dá)式卵=d分解為中間測(cè)站已知 水文數(shù)據(jù)的關(guān)系表達(dá)式K0 = k，和中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)的計(jì)算表達(dá)式耶=u;
[0015] 3.2使用最小二乘法求解表達(dá)式邸=k，獲得系數(shù)向量的最優(yōu)解r，代入表達(dá)式邱 =U，得到中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)的計(jì)算表達(dá)式u = U礦。
[0016] 第四步，根據(jù)u = Uf，迭代計(jì)算中間測(cè)站的未知水文數(shù)據(jù)，完成中間測(cè)站未知水文 數(shù)據(jù)的插補(bǔ)延長(zhǎng)。
[0017] 所述的迭代計(jì)算中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)包括以下步驟：
[0018] 4.1采用空間插值法或多元相關(guān)分析法計(jì)算相鄰測(cè)站中未知水文數(shù)據(jù)的初始值， 并將計(jì)算結(jié)果代入矩陣U;
[0019] 4.2利用公式u = U礦求得中間測(cè)站的未知水文數(shù)據(jù)u;
[0020] 4.3將中間測(cè)站作為已知測(cè)站，按照第一步到第三步修正U中的未知水文數(shù)據(jù)，并 依次進(jìn)行迭代計(jì)算，直到中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)的第i次迭代結(jié)果與第i_l次迭代結(jié)果差值 不大于0.01為止。
[0021] 本發(fā)明能夠增強(qiáng)測(cè)站間相關(guān)性，提高測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)的估算精度，為水文模擬 提供數(shù)據(jù)支持，避免"異參同效"現(xiàn)象的發(fā)生。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 附圖是本發(fā)明基于圖像恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行流域水文資料插補(bǔ)延長(zhǎng)的計(jì)算流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 本發(fā)明假定水文測(cè)站之間數(shù)據(jù)存在線性相關(guān)關(guān)系的前提下，基于圖像恢復(fù)技術(shù)構(gòu) 建中間測(cè)站與相鄰測(cè)站間的關(guān)系表達(dá)式，進(jìn)而采用最小二次法求解表達(dá)式中系數(shù)向量的最 優(yōu)解，并求得中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)的計(jì)算表達(dá)式，最后進(jìn)行迭代計(jì)算即可對(duì)測(cè)站水文數(shù) 據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)，其具體流程如附圖所示。
[0024] -種基于圖像恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行流域水文資料插補(bǔ)延長(zhǎng)的方法，包括以下步驟：
[0025]第一步，選擇中間測(cè)站及相鄰測(cè)站。
[0026] 所述的中間測(cè)站為插補(bǔ)延長(zhǎng)的對(duì)象，該對(duì)象缺乏未知水文數(shù)據(jù);所述的相鄰測(cè)站 為中間測(cè)站周圍距離較近的測(cè)站，相鄰測(cè)站中增加同樣含有未知水文數(shù)據(jù)的測(cè)站，與常規(guī) 的插補(bǔ)延長(zhǎng)方法相比，增強(qiáng)了測(cè)站間的相關(guān)性，有利于信息的插補(bǔ)延長(zhǎng)。
[0027] 流域水文測(cè)站容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象，為完善測(cè)站水文數(shù)據(jù)以便于進(jìn)行流域水文 模擬，通常需要對(duì)水文系列資料進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)。一種基于圖像恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行流域水文資料 插補(bǔ)延長(zhǎng)的方法的前提有三大假定：（1)觀測(cè)站之間的距離越小，即密度越大，則觀測(cè)站之 間水文數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系越強(qiáng)；（2)觀測(cè)站越靠近中間位置，其與周圍觀測(cè)站水文數(shù)據(jù)的相關(guān) 關(guān)系越強(qiáng)；（3)各年觀測(cè)站之間水文數(shù)據(jù)的相關(guān)關(guān)系變化不大?；谝陨先齻€(gè)假定，缺水文 資料的測(cè)站可由其周圍距離較近的幾個(gè)測(cè)站進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)，因此將缺水文資料的測(cè)站記為 中間測(cè)站，選取的用于插補(bǔ)延長(zhǎng)的周圍近距離測(cè)站記為相鄰測(cè)站。
[0028] 空間插值法和多元相關(guān)分析法的相鄰測(cè)站只考慮水文系列資料完整的測(cè)站，對(duì)于 中間測(cè)站周圍距離較近但同樣缺乏水文資料的測(cè)站沒(méi)有計(jì)入。本方法中的相鄰測(cè)站考慮中 間測(cè)站周圍距離較近的所有測(cè)站，包括水文系列資料完整的和不完整的。與前兩種方法相 比，本方法增強(qiáng)了測(cè)站間相關(guān)性，有利于信息的插補(bǔ)延長(zhǎng)。
[0029] 第二步，基于中間測(cè)站和相鄰測(cè)站間的多重相關(guān)信息以及圖像恢復(fù)技術(shù)，構(gòu)建測(cè) 站間水文數(shù)據(jù)的關(guān)系表達(dá)式。
[0030] 圖像恢復(fù)技術(shù)最早用于恢復(fù)圖像中模糊不清的地方，其原理為：圖像可以看成是 一個(gè)矩陣，組成圖像的各像素在行、列方向上都有一定的相關(guān)關(guān)系，因此可利用清晰像素與 模糊像素中清晰部分的對(duì)應(yīng)關(guān)系，去恢復(fù)模型像素中的模糊部分。中間測(cè)站和相鄰測(cè)站間 的多重相關(guān)信息也可表示為矩陣形式，基于圖像恢復(fù)技術(shù)原理，即可對(duì)水文資料進(jìn)行插補(bǔ) 延長(zhǎng)。
[0031] 將中間測(cè)站水文系列資料按時(shí)段排列可構(gòu)成一個(gè)列向量d，根據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)段是否有 水文數(shù)據(jù)，中間測(cè)站水文資料又可分為已知水文數(shù)據(jù)、未知水文數(shù)據(jù)兩部分，對(duì)應(yīng)形成兩個(gè) 新的列向量：已知水文數(shù)據(jù)列向量k和未知水文數(shù)據(jù)列向量u，因此中間測(cè)站的列向量又可 表示為&。與中間測(cè)站類似，各相鄰測(cè)站水文系列資料也可用列向量表示，這些列向 U 量即構(gòu)成相鄰測(cè)站的數(shù)據(jù)矩陣D。與中間測(cè)站對(duì)應(yīng)，相鄰測(cè)站數(shù)據(jù)也可分為兩部分，對(duì)應(yīng)矩 .【一 陣分別記為K和U，因此矩陣D又可表示為p，其中矩陣K中所有水文數(shù)據(jù)均已知，當(dāng)相 _V'_ 鄰測(cè)站中存在缺資料的測(cè)站時(shí)，矩陣U中則有未知水文數(shù)據(jù)。假定中間測(cè)站可由相鄰測(cè)站線 性表示，引入矩陣D下列向量d的系數(shù)向量0，即可將測(cè)站間水文數(shù)據(jù)的關(guān)系用公式(1)表示。
[0032] W = d (1)
[0033] 第三步，率定測(cè)站間關(guān)系表達(dá)式的系數(shù)向量，求解中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)u的計(jì)算 表達(dá)式。
[0034]為求解向量d中的未知水文數(shù)據(jù)，需先解出系數(shù)向量0。根據(jù)公式（1)和向量d、矩陣 D的表達(dá)式，可將公式(1)拆分為公式(2)和(3)。
[0035] KP = k (2)
[0036] U0 = u (3)
[0037]公式(2)中向量k、矩陣K均已知，使用最小二乘法求解公式(2)即可獲得系數(shù)向量 的最優(yōu)解礦，代入公式(3)即得中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)的計(jì)算表達(dá)式(公式4)。
[0038] U = U 礦(4)
[0039] 第四步，根據(jù)u = Uf，迭代計(jì)算中間測(cè)站的未知水文數(shù)據(jù)，完成中間測(cè)站未知水文 數(shù)據(jù)的插補(bǔ)延長(zhǎng)。
[0040] 運(yùn)用中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)的計(jì)算表達(dá)式時(shí)，應(yīng)分兩種情況考慮:若矩陣U中的數(shù) 據(jù)均已知，則可直接利用公式(4)計(jì)算出向量u，即完成中間測(cè)站水文數(shù)據(jù)的插補(bǔ)延長(zhǎng);若矩 陣U中含未知水文數(shù)據(jù)，中間測(cè)站的未知數(shù)據(jù)則要迭代計(jì)算。
[0041]進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí)先采用空間插值法或多元相關(guān)分析法計(jì)算相鄰測(cè)站中未知水文 數(shù)據(jù)的初始值，完成矩陣U中的未知水文數(shù)據(jù)的求解，再將求解出的矩陣U代入公式(4)即可 解得向量u。解出 u意味著可將中間測(cè)站作為已知測(cè)站，再按照步驟1、2、3修正相鄰測(cè)站中的 未知水文數(shù)據(jù)，并依次進(jìn)行迭代計(jì)算，直到中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)的i次迭代結(jié)果與第i_l 次迭代結(jié)果差值不大于0.01為止。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于圖像恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行流域水文資料插補(bǔ)延長(zhǎng)的方法，其特征在于，包括以下 步驟： 第一步，選擇中間測(cè)站及相鄰測(cè)站； 所述的中間測(cè)站為插補(bǔ)延長(zhǎng)的對(duì)象，該對(duì)象缺乏未知水文數(shù)據(jù);所述的相鄰測(cè)站為中 間測(cè)站周圍距離較近的測(cè)站，相鄰測(cè)站中增加同樣含有未知水文數(shù)據(jù)的測(cè)站； 第二步，基于中間測(cè)站和相鄰測(cè)站間的多重相關(guān)信息以及圖像恢復(fù)技術(shù)，構(gòu)建測(cè)站間 水文數(shù)據(jù)的關(guān)系表達(dá)式，具體步驟為： 2.1) 構(gòu)建中間測(cè)站水文系列的列向量，其中，k表示中間測(cè)站的已知水文數(shù)據(jù)構(gòu) 成的列向量，u表示中間測(cè)站的未知水文數(shù)據(jù)構(gòu)成的列向量； 2.2) 構(gòu)建相鄰測(cè)站水文系列的矩P，其中D的各列對(duì)應(yīng)各相鄰測(cè)站水文系列，K 表示相鄰測(cè)站中與向量k對(duì)應(yīng)的水文數(shù)據(jù)構(gòu)成的矩陣，U表示相鄰測(cè)站中與向量u對(duì)應(yīng)的水 文數(shù)據(jù)構(gòu)成的矩陣； 2.3) 假定線性關(guān)系相互存在的前提下，引入矩陣D下向量數(shù)據(jù)d的系數(shù)向量β，得到測(cè)站 間水文數(shù)據(jù)的關(guān)系表達(dá)式卵=d; 第三步，率定測(cè)站間關(guān)系表達(dá)式的系數(shù)向量，求解中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)u的計(jì)算表達(dá) 式，具體步驟為： 3.1) 根據(jù)列向量d、矩陣D的構(gòu)成，將測(cè)站間關(guān)系表達(dá)式Di3 = d分解為中間測(cè)站已知水文 數(shù)據(jù)的關(guān)系表達(dá)式Κβ = k，和中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)的計(jì)算表達(dá)式υβ = u; 3.2) 使用最小二乘法求解表達(dá)式邸=1^，獲得系數(shù)向量的最優(yōu)解礦，代入表達(dá)式邱=11， 得到中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)的計(jì)算表達(dá)式U = Uif; 第四步，根據(jù)U = Uif，迭代計(jì)算中間測(cè)站的未知水文數(shù)據(jù)，完成中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù) 的插補(bǔ)延長(zhǎng);所述的迭代計(jì)算中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)包括以下步驟： 4.1) 采用空間插值法或多元相關(guān)分析法計(jì)算相鄰測(cè)站中未知水文數(shù)據(jù)的初始值，并將 計(jì)算結(jié)果代入矩陣U; 4.2) 利用公式U = Uif求得中間測(cè)站的未知水文數(shù)據(jù)u; 4.3) 將中間測(cè)站作為已知測(cè)站，按照第一步到第三步修正U中的未知水文數(shù)據(jù)，并依次 進(jìn)行迭代計(jì)算，直到中間測(cè)站未知水文數(shù)據(jù)的第i次迭代結(jié)果與第i-Ι次迭代結(jié)果差值不大 于0.01為止。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK105893738SQ201610173091
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年3月24日
【發(fā)明人】李昱, 初京剛, 劉海星, 張弛, 周惠成
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)