一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法

本发明涉及泥石流灾害预警，更具体地说，涉及一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法。

背景技术：

1、泥石流是我国山区的主要灾害之一，而山区约占我国国土面积的七成，泥石流灾害预警对保障山区人民生命与财产安全具有重要意义。强降雨是诱发泥石流灾害的关键因子，降雨阈值是预测预警强降雨诱发泥石流灾害的技术基础。诱发泥石流的降雨阈值可以通过基于物理机制的方法或经验统计方法来确定。由于前者需要大量现实中不易获取的实测数据，且仅局限于小尺度沟道区域，无法在中大尺度区域应用，经验统计方法被更为广泛的应用于区域尺度强降雨诱发的泥石流预警。

2、降雨观测是诱发泥石流降雨阈值预警的基础，目前常用的是雨量站点观测，其主要存在两个问题，其一，我国雨量观测站网密度相对较低，而山区受地形、经济等条件所限，雨量观测尤其稀少，大多数泥石流易发区缺乏雨量观测站；其二，受地形影响，山区降雨具有较大的空间差异，雨量站点的观测不一定能够代表诱发泥石流的强降雨。

3、近年来，卫星遥感降水观测技术取得了快速发展，目前已经有许多成熟的卫星遥感降水产品，能够较好满足强降雨诱发泥石流的降雨阈值预警技术需求，其空间覆盖了全球绝大多数地区，且直接观测面雨量，克服了雨量站站点尺度观测的局限性，时间尺度精细到了小时尺度，且具备较长时间序列内连续观测的能力。但是，目前应用卫星遥感观测进行诱发泥石流降雨阈值预警技术方法相对缺乏。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法。

2、为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

3、一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法，所述方法包括如下步骤：

4、步骤1：获取某区域内强降水诱发泥石流事件的目录及区域内的多源卫星遥感降水产品数据序列；

5、步骤2：确定各泥石流上游对应的卫星遥感降水产品的网格，提取网格内的泥石流发生时刻及其前期降雨量，利用约束函数pod评估适用于该区域的最优卫星遥感降水产品；

6、步骤3：利用适用于该区域的卫星遥感降水数据，计算各泥石流事件对应的临界降雨量e、降雨强度i及降雨历时d；

7、步骤4：分别绘制区域的i-d和i-e散点图，并将每个降雨历时d内的降雨强度i和临界降雨量e从大到小排列，分别计算各降雨历时d内5％、25％及75％概率对应的降雨强度i和临界降雨量e值，分别代表高低预警水平、中低预警水平与低预警水平；

8、步骤5：依据各降雨历时内的高预警水平、中预警水平与低预警水平对应的降雨强度i和临界降雨量e值，利用最小二乘法，率定并拟合各预警水平下的区域i-d曲线与e-d曲线；

9、步骤6：依据拟合的i-d曲线与e-d曲线，确定各预警水平和代表性降雨历时条件下，区域内诱发泥石流的降雨阈值。

10、优选地，所述步骤1中所述泥石流事件的目录应包含泥石流发生时间与泥石流发生位置信息。

11、优选地，所述步骤2包括如下步骤：

12、步骤2.1：利用软件的水文分析模块，提取泥石流位置的上游区域的矢量边界，然后提取上游矢量边界对应的各卫星遥感降水的网格；

13、步骤2.2：利用软件提取各泥石流事件对应网格在泥石流发生时刻及其前期的降雨数据；

14、步骤2.3：利用约束函数pod评估多源卫星遥感降水产品在该区域的适用性；

15、步骤2.4：将约束函数pod最大值对应的卫星降水产品确定为适用于该区域的最优产品。

16、优选地，所述约束函数pod的公式为：

17、

18、在式(1)中，h为被卫星降水产品捕捉到的诱发泥石流的强降水事件个数，m为未被卫星降水产品捕捉到的泥石流事件个数。

19、优选地，所述步骤2.1中利用arcgis软件的水文分析模块提取泥石流位置的上游区域的矢量边界。

20、优选地，所述步骤2.2中提取各泥石流事件对应网格在泥石流发生时刻及其前期的降雨数据的软件为matlab、python或r软件中的一种。

21、优选地，所述步骤3中所述泥石流事件对应的临界降雨量e为泥石流发生时刻所在卫星降水产品时间步长内的降雨量及其与之前连续降雨时间步长内的降雨量总和；降雨历时d为临界降雨量e对应的各时间步长之和，降雨强度i为降雨历时内的降雨强度，即i＝e/d。

22、优选地，所述步骤5中所述i-d与e-d曲线的计算公式为：

23、

24、

25、式(2)和(3)中，e、i、d分别为临界降雨量(mm/h)、降雨强度(mm)和降雨历时(h)，α和β为曲线方程代率定的参数。

26、优选地，所述步骤6中代表性降雨历时d为卫星降水产品时间步长的6小时、12小时、24小时、48小时及72小时。

27、相比于现有技术，本发明的优点在于：

28、(1)本发明提供的基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法，克服了缺观测资料地区诱发泥石流降雨阈值预警技术的应用限制问题，可将诱发泥石流降雨阈值预警技术应用于全国任意区域，扩展了其应用范围。

29、(2)本发明提供的基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法，克服了雨量站站点尺度观测的局限性，时间尺度精细到了小时尺度，极大提高了诱发泥石流降雨阈值预警的时空精度。

技术特征：

1.一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法，其特征在于，所述步骤1中所述泥石流事件的目录应包含泥石流发生时间与泥石流发生位置信息。

3.根据权利要求2所述的一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法，其特征在于，所述步骤2包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法，其特征在于，所述约束函数pod的公式为：

5.根据权利要求4所述的一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法，其特征在于，所述步骤2.1中利用arcgis软件的水文分析模块提取泥石流位置的上游区域的矢量边界。

6.根据权利要求5所述的一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法，其特征在于，所述步骤2.2中提取各泥石流事件对应网格在泥石流发生时刻及其前期的降雨数据的软件为matlab、python或r软件中的一种。

7.根据权利要求6所述的一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法，其特征在于，所述步骤3中所述泥石流事件对应的临界降雨量e为泥石流发生时刻所在卫星降水产品时间步长内的降雨量及其与之前连续降雨时间步长内的降雨量总和；

8.根据权利要求7所述的一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法，其特征在于，所述步骤5中所述i-d与e-d曲线的计算公式为：

9.根据权利要求8所述的一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法，其特征在于，所述步骤6中代表性降雨历时d为卫星降水产品时间步长的6小时、12小时、24小时、48小时及72小时。

技术总结本发明公开了一种基于卫星遥感的强降雨诱发泥石流的区域降雨阈值预警方法，包括：获取目标区域内强降水诱发泥石流事件的目录和多源卫星遥感降水产品数据序列；评估适用于该区域的最优卫星遥感降水产品；计算各泥石流事件对应的临界降雨量E、降雨强度I及降雨历时D；绘制区域的I‑D和I‑E散点图，并计算各降雨历时内高、中与低预警水平下的I和E值；率定并拟合各预警水平下的区域I‑D与E‑D曲线；确定区域内各预警水平下，诱发泥石流的降雨阈值。本发明能够克服传统雨量站观测技术的不足，充分利用卫星遥感降水经济、时间序列长和覆盖范围广的优势，丰富了泥石流频发缺资料地区强降雨诱发泥石流的降雨阈值的预警技术。技术研发人员：刘兆飞受保护的技术使用者：中国科学院地理科学与资源研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/18