机载LiDAR支持下矿业城市LUCC水文效应模拟

The ecological environment of the mining cities, affected by the double impact of mine exploitation and urbanization, has been seriously damaged with fast spatial and temporal changes of land use/land cover, and water environment is particularly prominent. The project plans to select the mining city Hebi as study area, and use HSPF distributed hydrological model to simulate the hydrological effects of land use/land cover change (LUCC). To improve data accuracy of HSPF and analyze of spatial scales problem in model building, LiDAR technology is introduced into hydrological analysis and the extraction of hydrological model parameters. And the multi-scale effects of the different DEM data in the drainage network extraction, basin spatial heterogeneity and spatial discretization analysis will be explored. To improve the hydrological model simulation accuracy, the extraction of hydraulic parameters, vegetation parameters, surface cover information and their input method to HSPF will be studied. Based on this, the HSPF hydrology model for the study area will be expand to realize the hydrological effects simulation of the mine exploitation, the input parameter sensitivity of the model and their calibration method should be studied. Then scenario analysis will be used to study the response mechanism of the runoff to LUCC of mining cities. Based on the principle of ecological space theory, the land-use optimization proposal and optimal water resources management measures will be put forward. Research will promote the application of LiDAR technology in hydrological study, and provide technical support for the land use planning, water management and mine ecological environment recovery and management.

矿业城市受到矿山开发与城市扩张的双重影响，土地利用/覆被时空变化快，生态破坏严重，水环境问题尤为突出。项目拟以煤矿城市河南省鹤壁市为研究区，利用HSPF分布式水文模型模拟分析土地利用/覆被变化的水文效应。针对模型构建中数据精度以及空间尺度问题，将机载LiDAR技术引入到水文分析与模型参数的获取中，研究LiDAR数据流域水文特征提取方法，探讨不同DEM数据在流域的水系特征提取、空间离散分析中的多尺度效应；研究LiDAR数据水力参数、植被参数、地表覆被信息提取及其在HSPF模型中的输入修正方法，提高水文模型模拟精度；拓展HSPF水文模型实现矿山开采水文效应模拟，分析流域径流对土地利用/覆被变化及矿山开采的响应机理，基于生态空间理论原则提出研究区土地利用优化建议和水资源最佳管理措施。项目成果将促进LiDAR技术在水文研究中的应用，并为研究区土地利用规划、水资源管理和矿区生态环境治理提供技术支持。

矿业城市受到矿山开发与城市扩张的双重影响，土地利用/覆被时空变化快，生态破坏严重，水环境问题尤为突出。项目以煤矿城市河南省鹤壁市为研究区，利用分布式水文模型模拟分析土地利用/覆被变化的水文效应。针对模型构建中数据精度以及空间尺度问题，以机载LiDAR数据为基础，提出将各向异性扩散滤波方法用于去除LiDAR DEM数据中的噪声，综合基于局部地形曲面几何分析的Peuker & Douglas算法和基于坡面流物理模拟分析的加权d8算法，构建了基于LiDAR数据的水系网络提取的技术流程；以机载LiDAR DEM数据为参考，评价了SRTM DEM (1″)数据的精度以及在流域水文特征提取分析中应用的潜力，分析了不同分辨率DEM数据对于流域水文分析的尺度效应。项目综合机载LiDAR、地面三维激光扫描和高分一号遥感数据，建立了河道糙度、水力半径等水力参数数据的提取方法，基于2D TUFLOW水力模型模拟分析了传统经验法和项目建立的方法对河道水文模拟的影响。项目研究了LiDAR数据房屋、铁路等道路地表覆被信息提取方法，收集研究区土壤、气象、水文数据构建了基础数据库，建立了HSPF和SWAT流域水文模拟模型；以点源输入（Point Source Input）的形式实现了煤矿抽排水过程的模拟；采用 SUFI2方法进行了水文模型参数率定和模型校正。项目分析了流域径流对研究区土地利用/覆被变化的响应机理，基于生态空间理论原则提出了研究区土地利用优化建议和水资源最佳管理措施。项目成果促进了LiDAR技术在水文研究中的应用深度，并为研究区土地利用规划、水资源管理和矿区生态环境治理提供了技术支持。