海量数据驱动的水文多要素监测预报关键技术与应用

2015年1月8日，国家科学技术奖励大会在人民大会堂举行， 由河海大学、水利部水利信息中心、中国水利水电科学研究院 、武汉大学完成的“海量数据驱动的水文多要素监测预报关键技术与应用”获国家科技进步二等奖。

洪水预报在防洪减灾中起着非常重要作用。由于气候变化，人类活动加剧和经济社会发展，洪水预报遇到新问题和挑战。研究和发展变化环境下产汇流理论方法，创建能刻画各种复杂流域与河道情况的精细化、高精度洪水预报方法和技术已成为国家防汛抗旱、保障防洪安全一个亟待解决的关键技术难题。项目组历经十余年，开展基于水文大数据挖掘和驱动技术的洪水预报理论方法研究及应用，取得如下创新成果：
1）发展了大数据驱动的产汇流模拟理论，创新了产汇流参数地理规律分析方法及星地一体数据同化分析方法。
2）创新了大数据支撑下新安江模型系列，增强了其理论基础，拓宽了模型的适用性;建立了大数据驱动的智能型实时预报水文模型系列，提高了模型精度。
3）创新了大数据驱动的集合洪水预报和实时校正方法。
4）开发了洪水预报云计算平台，实现了多系统无缝集成运行环境。
本成果申请发明专利30项，授权8项;获计算机软件著作权12项;成果被14部国家与行业标准采用;出版学术专著3部，发表SCI/EI论文210余篇。研究成果显著提升我国洪水预报的科技水平，已应用到国家防总等15个部门，其中应用于淮河流域洪水预报已有十年，洪峰预报精度提高了约10%，增加了1-2天的预见期，发挥了巨大的防洪减灾效益。

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
排名 姓名 职称 所在单位 对本项目技术创造性贡献
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。
2 余钟波 教授 河海大学 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。
3 蔡阳 教授级高工 水利部水利信息中心 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。 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
4 许峰 教授 河海大学 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。
5 杨涛 教授 河海大学 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。
6 李致家 教授 河海大学 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。
7 孟令奎 教授 武汉大学 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。
8 冯钧 教授 河海大学 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。
9 冯杰 教授级高工 中国水利水电科学研究院 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。
10 李士进 教授 河海大学 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 投票法的高维异质特征空间产汇流一致区分析方法。
11 陆宝宏 副教授 河海大学 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。
12 成建国 高工 水利部水利信息中心 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。
13 姚成 副教授 河海大学 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。
14 张鹏程 副教授 河海大学 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。
15 杨传国 副教授 河海大学 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。

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 河海大学 （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）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。

2 水利部水利信息中心 （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。

3 中国水利水电科学研究院 （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。

4 武汉大学 （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。

六、推广应用情况
应用单位名称 应用技术 应用的起止时间 经济/社会效益
国家防总、水利部水文局 整体技术 2011年至2013年 对全国重点断面水文和流量进行了实时预报，并在应急调度抢险中得到了广泛应用，对推动水文学科发展与行业技术进步，具有显著的意义。
长江水利委员会水文局 大数据驱动的水文预报模型 2007年至2013年 成果应用于长江三峡入库洪水的实时洪水预报系统，提高洪水期两坝间及中下游通航能力，三峡梯级电站累计增发电量100多亿kW.h，经济效益数亿人民币，防洪、发电及航运综合效益显著。
河南省防汛抗旱指挥部 大数据驱动的水文预报模型 2006年至2013年 成果应用于黄河三花间流域的实时洪水预报系统，成功地实现入库洪水精细预报，准确预报了小浪底-花园口河段的洪峰增值临界点，取得数以亿计的经济效益和显著的社会效益。
淮河水利委员会 基于水文多要素的智能实时校正方法 2008年至2013年 成果在2007年全流域大水洪水预报中高精度的预报出各个断面的洪峰流量，为淮河流域防汛提供科学有效的决策服务。
太湖流域管理局 多尺度水文多要素联合实验方法 2006年至2013年 成功解决了太湖通过太浦河泄水时河网区（两省一市）的受水量或受水比例计算问题，圆满地完成了水量分配与水质改善试验。
江苏省水文局、安徽省水文局、江西省水文局 多源卫星与数据同化技术以及水文预报模型 2010年至2013年 应用于江苏、安徽、江西省防汛抗旱生产实践，社会和经济效益显著。
沂沭泗水利管理局 基于产流模式空间组合精细化的水文预报模型 2010年至2013年 成果从 2003 年投入运行，为流域减轻洪水灾害提供科学有效的决策服务。
江苏省防办、南京市水利局 智能数据驱动水文模型 2008年至2013年 在2008年8月南京市出现了百年一遇的特大暴雨，智能数据驱动模型提前 15 小时作出滁河晓桥水位的预测，洪峰预报误差不超过 15 厘米。成果为准确启动各项防汛排涝工作预案提供依据，减少受涝程度。
淮安市水利局 基于云计算的防汛防旱信息集成平台 2008年至2013年 系统具有系统性和实用性，为资源整合、遗产系统重用、信息共享等提供了新的可行解决方案，是首个水利信息化领域的云计算应用。

七、主要知识产权证明目录
知识产权类别 知识产权具体名称 国家
（地区） 授权号 授权日期 证书编号 权利人 发明人
授权发明专利 一种水文时间序列的异步周期模式挖掘方法 中国 ZL201110404808.2 2013-03-06 1145676 河海大学 朱跃龙、包妮娜、李士进、冯钧、万定生等
授权发明专利 一种面向海量数据的数据交换方法 中国 ZL201110391794.5 2014-03-26 1369253 河海大学 冯钧、胥世民、唐志贤、付言章、朱忠华等
授权发明专利 一种基于多特征融合的遥感图像分类方法 中国 ZL201210043064.0 2013-09-25 1278212 河海大学 李士进、刘帅、邹阳、姜玲玲、洪凡荣、万定生、冯钧、朱跃龙
发明专利 基于动态采样提取激光光斑的方法 中国 CN 101996324B 20121024 证书号第1068381号 河海大学 许峰、史团委、徐新坤、姚岚、张雪洁
发明专利 基于棋盘标定的摄像机映射方法 中国 CN 101980299B 20130102 证书号第1113829号 河海大学 许峰、史团委、徐新坤、姚岚、张雪洁
发明专利 贪婪式智能拟合有损数据压缩方法 中国 CN 102545909B 20140709 证书号第1438614号 河海大学 许峰、周文欢、张雪洁
申请发明专利 基于多因子小波神经网络模型的水文时间序列预测方法 中国 201110130040.4 河海大学 朱跃龙，李士进，王继民，范青松，冯钧，万定生
申请发明专利 一种基于HJ卫星的陆面蒸散发反演方法 中国 201310597397.2 河海大学 杨涛、何祺胜、王晓燕、师鹏飞、王超、周旭东
申请发明专利 一种基于重力卫星的干旱指数构建及分析方法 中国 201310596298.2 河海大学 杨涛、何祺胜、王晓燕、师鹏飞、王超、周旭东
软件著作权 基于HJ星数据的干旱监测系统 中国 2013SR127255 20131116 证书号第0633017号 河海大学 杨涛、何祺胜、安卫辉、王晓燕、师鹏飞、王超、周旭东
软件著作权 中小流域山洪实时概率预报模型系统V1.0 中国 2014SR018316 2014-02-17 证书号第0687560号 河海大学 杨涛、师鹏飞、王超、周旭东
软件著作权 资料缺乏地区山洪预报系统V1.0 中国 2014SR018516 2014-02-17 证书号第0687760号 河海大学 杨涛、师鹏飞、王超、周旭东
软件著作权 气候变化下水文极值事件概率预测系统 中国 2014SR038458 2014-04-04 证书号第0707702号 河海大学 杨涛、师鹏飞、王超、周旭东
软件著作权 无线传感器网络用户接口软件 中国 2010SR009512 2010906 0197785 河海大学 毛莺池 许峰李晓芳 王志坚

八、项目曾获科技奖励情况
获奖项目名称 获奖时间 奖项名称 奖励等级 主要获奖人 获奖单位 授奖单位
1.水文大数据驱动的洪水预报关键技术与应用 2014 高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）—科技进步奖 一等 朱跃龙,李致家,冯钧,余达征,李士进,万定生,杨涛,姚成,李巧玲,张鹏程,王继民,唐志贤,黄鹏年 河海大学、水利部水利信息中心 教育部
2.水利卫星遥感大数据业务化处理与监测关键技术及应用 2013 科技进步奖 一等 蔡阳、孟令奎、成建国、冯钧、张文、陈德清、黄长青、陈子丹、常志华、詹全忠、谢文君、张东映、曾焱、张鹏程、余长慧 武汉大学、水利部水利信息中心、河海大学 湖北省人民政府
3.水文全要素实验与模拟预测理论及应用 2013 大禹水利科学技术奖 一等 余钟波，杨涛，陆宝宏，杨传国，鞠琴，何祺胜，冯杰，孙营营，向龙，谷黄河，刘娣，王晓燕，师鹏飞，王超，周旭东 河海大学、中国水利水电科学研究院 中国水利学会
4.基于云计算的防汛防旱信息集成平台的研究 2012 大禹水利科学技术奖 一等 许峰、朱跃龙、高中卫、黄克清、俞晓春、 汤建均、吴际、周晓峰、叶茂、叶枫、尚洁、葛恒凤、许国艳、娄渊胜、平萍 河海大学、淮安市防汛防旱指挥部办公室 中国水利学会
5.土壤大孔隙流机理及产汇流模型研究 2013 大禹水利科学技术奖 二等 冯杰、黄国如、解河海、郝振纯、李致家、杨涛、张东辉、杨志勇、张小娜、黄利群 中国水利水电科学研究院、华南理工大学、珠江水利委员会珠江水利科学研究院、河海大学、江苏科技大学 中国水利学会
6.陆面水文过程耦合机理与模拟研究 2010 高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）—自然科学奖 二等 余钟波，陈喜，郝振纯，吕海深，杨涛，杨传国，李丽，鞠琴，张志才，向龙 河海大学 教育部



河海牵头的两项年度国家重点研发计划重点专项项目正式启动


近日，由我校牵头申报的2016年度国家重点研发计划“水资源高效开发利用”重点专项“多尺度水文水资源预报预测预警关键技术及应用研究”、“典型脆弱生态修复与保护研究”重点专项“西南水电高坝大库梯级开发的生态保护与恢复技术”等 2项项目启动仪式暨实施方案论证会在南京召开。
“多尺度水文水资源预报预测预警关键技术及应用研究”项目由余钟波教授作为项目负责人，针对在气候变化与高强度人类活动共同作用下，水文节律非稳态增强、不确定性加剧的情况，结合大数据、星地遥感技术、全景物理实验、人工智能和动力学数学模型，精确模拟流域水文循环，创新变化环境下基于气陆耦合的水文水资源预报预测理论，发展降低控制不确定性的多尺度预报预测预警技术和方法。
“西南水电高坝大库梯级开发的生态保护与恢复技术”项目由王超院士牵头负责。西南地区作为我国水电开发中心，也是世界高坝大库建设及梯级开发最集中区域，其独特环境造就了脆弱的河流生态系统，水电开发极容易影响生态环境，该项目旨在瞄准西南地区及下游流域生态安全的重大需求，开展水电高坝大库梯级开发生态保护与恢复技术研究。



余钟波，1983年毕业于河海大学工程地质及水文地质专业，1996年，获得俄亥俄州立大学水文和水文地质专业博士学位，1996至1997年在宾夕法尼亚州立大学从事博士后研究工作，1999年被聘为内华达大学（University of Nevada Las Vegas）地学系教授。现为河海大学教授，中美全球变化与水循环研究中心主任，IAH地下水保护委员会委员，美国地球物理协会大尺度实验委员会委员。
余钟波教授在流域尺度分布式水文模型构建与应用方面取得了一系列先进成果，是该领域的国际知名学者；并在大流域地下水和地表水的运动机理研究方面做出了突出贡献，研究成果为不确定性分析及参数率定提供了有力的工具。
1995年余钟波教授荣获美国地下水协会（NGWA，National Ground Water Association) 授予的“John Hem科学与工程杰出贡献奖”。该奖的提名者、滑铁卢大学的两院院士爱德华.史蒂克（Edward Sudicky）教授表示“余钟波博士的研究在很多方面都是非凡的，他在人才培养和促进国际交流方面做出了重要贡献，培养出了一批具有优秀研究能力的中国学生和年轻学者”。 美国俄亥俄州立大学的弗兰克.施瓦茨（Frank Schwartz）教授，称赞余钟波教授为“数学天才，具有杰出的能力来发现有影响力的问题，并能发展创新性的计算方法来解决这些问题”。在回忆过往时，弗兰克.施瓦茨教授还表示“我很欣赏他在科学上的勇敢探索精神。多年前，他曾对我说：‘Frank,我想创建一个可适用全美区域的分布式水文模型’。毫无疑问，他努力付出并成功了。”

希望每个河海人都能像余钟波老师那样优秀！

我不知道河海的老师还要怎么努力，才能满足你们的求知欲，河海的国家三大奖得了那么多，你们学不到真才实学吗@留叶枫123 @可惜没如果823 @陶哲轩unique @三岁孩子蓝

双吧里看到你说河海秒华工
我想问一问河海和哈工比怎么样