推荐项目
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大数据驱动的水文全要素观测预报关键技术与应用
一、项目名称
大数据驱动的水文全要素观测预报关键技术与应用 二、推荐单位 水利部 三、项目简介
水文预报在防洪减灾中起着非常重要的作用。由于气候变化和人类活动加剧，水文基本规律发生了深刻的变化，现有水文模型已不能满足社会经济持续发展的需求。径流监测、雷达测雨、DEM和土壤植被、遥感图像等组成的水文多要素大数据日益丰富，研究多要素大数据驱动的新型水文预报技术已成为解决上述难题的必然途径。项目组历经10余年，在50多项课题支持下，围绕大数据中水文规律挖掘、产汇流理论方法及云平台下实时高效预报技术率先开展研究，取得如下创新成果：
（1）发展完善了变化环境下产汇流模拟理论。从微观到宏观，通过不同时空尺度多水文要素变化过程的联合实验，揭示了大孔隙流对流域产汇流的影响机制；提出了分层模拟非饱和带水分运移情况的同位素示踪模型，改进了山丘区Green-Ampt下渗方程和扩散波方程，阐明了微地形坡面对产汇流的影响机理；将土壤含水量、地下水位变化过程与水文物理机制相结合，通过揭示不同产流机理的时空分布特征，建立了时空动态组合的蓄满和超渗产流理论。提出了“带门槛水库”的非线性模拟方法，揭示人类活动影响下的产汇流机理。
（2）提出了洪水特征模式与参数地理规律大数据挖掘方法。创建了基于降雨径流关系的产流相似区辨识方法，创新了基于时空序列语义相似的水文过程重现智能判定方法，挖掘暴雨洪水特征模式，构建典型流域模式库；提出了水文模型参数与下垫面地理特征聚类分析和半参数回归技术，探明了产汇流敏感参数地理规律；揭示了地表温度与植被指数梯形空间关系，提出了基于MO稳定度理论的土壤含水量和蒸散发反演新算法。
（3）建立了精细化水文模型与大数据驱动智能实时预报模型。提出了基于蓄水容量曲线和土壤地形指数的半分布式蓄超时空动态组合确定方法，提高了半湿润半干旱流域的预报精度；提出了沿程水流再分配及单元间水量交换的栅格自适应分布式模拟技术，实现了流域内任意网格单元流量和水位的精细预报；提出了地表串联与地下并联的非线性模拟技术，刻划了下垫面
变化对产汇流的影响。提出了三阶段洪水过程模式控制与实时调整的智能预报模型，有效提高了复杂流域实时洪水预报精度。
（4）首次构建了水利卫星遥感监测模型体系和水文预报云平台。提出了多源遥感影像的时空尺度转换、光谱差异归一化和不确定性推理等方法。采用云虚拟化技术，实现了数据、算法和模型三个层次的按需服务技术体系；屏蔽遥感影像与矢量地图等水文时空数据的异构性，实现统一访问；采用多粒度拆分、松散式耦合及服务协同技术，实现了气象与水文两重集合洪水预报的对接，效率提高5-10倍；提出了考虑过程形状的K最近邻与卡尔曼滤波耦合方法，实现了智能实时校正，显著延长了预见期，提高了水文预报精度。
本项目首次将大数据技术用于解决实时水文预报难题，取得了突破性成果。发表论文360余篇，SCI/EI收录210篇；出版专著8部；成果被14部国家与行业标准采用；申请发明专利22项，其中授权12项；获软件著作权15项。研究成果显著提升了我国水文预报科技水平，已应用到国家防总等15个单位，累计减少洪水灾害损失16亿元，取得了巨大的防洪减灾效益。
四、主要完成人情况表
曾获国家科技奖励情况 排名 姓名 职称 所在单位 对本项目技术创造性贡献 （年度，获奖类别，获奖项目名称，排名） 1 朱跃龙 教授 河海大学 全面主持项目研究实施、组织协调等工作，提出项目研究的科学问题、关键技术与研究技 2 余钟波 教授 河海大学 3 教授蔡阳 级高工 水利部水利信息中心 4 许峰 教授 河海大学 5 杨涛 教授 河海大学 6 李致家 教授 河海大学 7 孟令奎 教授 武汉大学 8 冯钧 教授 河海大学 9 教授冯杰 级高工 中国水利水电科学研究院 10 李士进 教授 河海大学 术路线。负责项目建设中的重大技术问题的攻关与关键技术的推广。 负责项目的技术协调和管理工作。提出项目的整体框架和技术路线。提出了水文多要素实验观测与模拟关键技术的总思路。 负责水利卫星遥感大数据业务化处理与监测。共同负责项目关键技术的推广。协助负责项目建设中的重大技术问题的攻关。 负责基于云计算的防汛防旱信息集成平台构建。研发了基于CloudStack的“水利云”平台，构建了防汛防旱应用系统快速部署的标准化环境。 协助负责总体设计和组织实施；负责水文多要素实验模拟与不确定性理论，共同负责协调项目开发，模型构建和集成调试。 协助负责项目建设中的重大技术问题的攻关。负责建立蓄满和超渗产流模式空间组合理论及模拟技术，提出了大数据驱动的集合洪水预报和实时校正方法。 共同负责水利卫星遥感大数据业务化处理与监测。提出了多源遥感影像的时空尺度转换与不确定性推理技术。 协助负责基于云计算的防汛防旱信息集成平台构建。提出了面向多特征遥感影像挖掘方法，研发了面向多类型信息资源共享技术和多模式数据交换技术。 协助负责水文多要素实验观测与模拟理论，共同负责协调项目开发，负责土壤大孔隙流实验研究。 共同负责遥感影像数据分析处理，提出了基于主成分分析及 BORDA 投票法的高维异质 2012年，国家科技进步二等奖，国家防汛抗旱指挥系统工程技术研究与应用，排名第二 特征空间产汇流一致区分析方法。 负责氘氧同位素实验设计和组织实施，提出了根据Fick 扩散定律构建水量联解的同位素随机模型，构建了平原区水分运动分层模拟模型。 负责收集和整理分析水文大数据集，负责推动水文大数据的共享与交换，协助负责项目关键技术的推广。 负责无资料地区洪水预报方法研究。提出了基于大数据的水文相似度分析方法，构建了精细化分布式水文模型，建立了产汇流敏感参数地理规律。 协助设计和构建了水利云计算平台的总体架构，研发多了源信息获取与处理、预测预报、水雨情分析等八类云服务簇。 负责陆气耦合机理及模型研究，改进对水利工程措施和人类取水活动的模拟方案，负责变化环境下陆面水文过程的响应研究。 11 陆宝宏 副教授 河海大学 12 成建国 高工 水利部水利信息中心 13 姚成 副教授 河海大学 14 张鹏程 副教授 河海大学 15 杨传国 副教授 河海大学 五、主要完成单位及创新推广贡献
排名 单位名称 创新推广贡献 （1）负责项目研究实施、组织协调等工作，提出项目研究的科学问题、关键技术与研究技术路线；（2）发展完善了变化环境下产汇流模拟理论；（3）1 河海大学 提出了洪水特征模式与参数地理规律大数据挖掘方法；（4）建立了精细化水文模型与大数据驱动智能实时预报模型；（5）首次构建了水文预报云平台。 水利部水利信息中心 中国水利水电科学研究院 武汉大学 （1）负责收集和整理水文大数据，为项目研究与实施提供数据基础；（2）参与总体设计和实施方案制定；（3）参与构建水文大数据共享服务技术体系，推动水文大数据的共享与交换；（4）负责推动项目成果在国家防办等各级水利部门的推广应用。 （1）负责土壤大孔隙流实验研究；（2）参与总体设计和实施方案制定；（3）参与水文多要素实验研究。 （1）负责多源遥感影像的时空尺度转换与不确定性推理方法研究； （2）参与总体设计和实施方案制定。 2 3 4