小流域土壤侵蝕預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳學(xué)華，周建中

(1.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，湖北武漢 430074;2.四川省經(jīng)濟(jì)信息中心，四川成都 610041)

我國(guó)是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，據(jù)全國(guó)第二次土壤侵蝕遙感調(diào)查，有水土流失面積356萬km2，其中水蝕面積165萬km2、風(fēng)蝕面積191萬km2［1］，土壤侵蝕預(yù)測(cè)已成為土壤侵蝕研究的熱點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，地理信息和遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕研究，尤其是在區(qū)域尺度的土壤侵蝕定量研究方面，如土壤侵蝕遙感調(diào)查、土壤侵蝕量估算等［1－4］。而在小流域土壤侵蝕模型研究方面，對(duì)統(tǒng)計(jì)模型及引進(jìn)的統(tǒng)計(jì)模型中各因子的本地化研究較多，對(duì)基于過程的物理模型系統(tǒng)研究較少，特別是適用于我國(guó)國(guó)情的系統(tǒng)的過程模型則更少［4－6］。因此，研究如何將坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙及整個(gè)流域匯流、輸沙系統(tǒng)有機(jī)地組織起來，如何使用GIS和RS技術(shù)客觀、準(zhǔn)確地為模型提供參數(shù)，以及如何利用模型為管理決策提供依據(jù)等都是小流域土壤侵蝕模型進(jìn)一步發(fā)展急需解決的問題。本研究基于GIS、RS技術(shù)，以通用土壤流失方程(USLE)模型為核心，在VISUAL BASIC 6.0和ArcGIS Engine組件式地理信息系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境下開發(fā)了適用于小流域的土壤侵蝕預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)，并驗(yàn)證了系統(tǒng)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小流域土壤侵蝕預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)是通過分析小流域尺度的土壤侵蝕特征，對(duì)特定區(qū)域的土壤侵蝕狀況進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。該系統(tǒng)在邏輯結(jié)構(gòu)上分為3個(gè)層面(3層架構(gòu))，即應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層，見圖1。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

通過研究土壤侵蝕過程，開發(fā)的土壤侵蝕預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)能在較短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)獲取某小流域一定時(shí)間段內(nèi)的土壤侵蝕量，并以侵蝕圖的形式輸出模擬結(jié)果。該系統(tǒng)具有一定的結(jié)構(gòu)性，其基本功能包括輸入輸出、圖形顯示、空間查詢、表面分析、水文分析、坡長(zhǎng)計(jì)算、柵矢轉(zhuǎn)換、USLE模擬等。

圖1 小流域土壤侵蝕預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

(1)輸入輸出功能。系統(tǒng)輸入、輸出的主要格式有ArcGIS通用的MXD格式、SHP格式以及IMG格式的柵格圖像。

(2)圖形顯示功能。圖形顯示功能是GIS的一項(xiàng)基本功能，通常包括圖形的放大、縮小和漫游等。GIS環(huán)境下的圖形由空間數(shù)據(jù)構(gòu)成，在處理空間數(shù)據(jù)的過程中經(jīng)常需要在整體和局部數(shù)據(jù)之間來回切換，對(duì)于特定的顯示窗口，需要根據(jù)數(shù)據(jù)的變化調(diào)整圖形的顯示范圍，即對(duì)圖形進(jìn)行局部放大或返回整體視圖的縮小處理。

(3)空間查詢功能。空間查詢過程中，用戶可以選擇系統(tǒng)中的矢量數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)所有的屬性信息以列表形式輸出，或者選擇查詢矢量數(shù)據(jù)的某些屬性，并以地圖形式顯示。

(4)表面分析功能。對(duì)現(xiàn)有的表面進(jìn)行一些特定的運(yùn)算，生成新的數(shù)據(jù)和識(shí)別模式，從而提取更多的信息。之后，在高程數(shù)據(jù)(DEM)柵格數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，直接提取坡度、坡向、山體陰影等地形因子。

(5)水文分析功能。水文分析功能是以高程數(shù)據(jù)(DEM)為輸入數(shù)據(jù)，采用水文分析法計(jì)算集水流域和水流網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了洼地填充、水流方向提取、匯流累積量計(jì)算、河網(wǎng)密度提取、河網(wǎng)分級(jí)、流域分析(提取子流域)等。

(6)坡長(zhǎng)計(jì)算功能。采用累積流量方法在格網(wǎng)DEM上計(jì)算坡長(zhǎng)就是模擬地表的水流路徑，要求水流在DEM所模擬的地形表面上能夠暢通無阻地流動(dòng)，也就是說在DEM上的任何一點(diǎn)，其水流都存在一個(gè)匯聚點(diǎn)或出口。

(7)柵矢轉(zhuǎn)換功能。模型中各因子生成時(shí)原始數(shù)據(jù)涉及大量矢量數(shù)據(jù)，而計(jì)算時(shí)都是柵格數(shù)據(jù)的地圖代數(shù)運(yùn)算，因此需要進(jìn)行特定矢量數(shù)據(jù)的因子和參數(shù)的矢量轉(zhuǎn)柵格操作。

(8)USLE模型模擬計(jì)算。①降雨侵蝕力因子。采用日降雨量估算降雨侵蝕力，以txt格式存儲(chǔ)觀測(cè)站降雨資料，將歷史日降雨數(shù)據(jù)、年降雨數(shù)據(jù)及計(jì)算年份的日降雨數(shù)據(jù)作為輸入文件，分別計(jì)算出日平均降雨量和年平均降雨量，得到計(jì)算年份的降雨侵蝕力因子R，并轉(zhuǎn)換為柵格因子，以方便后續(xù)計(jì)算。②土壤可蝕性因子。土壤可蝕性因子受許多因素影響，程序可根據(jù)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成參數(shù)因子，并將土壤試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模型計(jì)算因子，最后自動(dòng)計(jì)算土壤可蝕性因子。③坡度和坡長(zhǎng)因子。根據(jù)DEM生成坡度圖，用換算公式計(jì)算坡度因子;采用湯國(guó)安的快速算法，模型自動(dòng)生成坡長(zhǎng)，再得到坡長(zhǎng)因子。④植被覆蓋因子。在Erdas中對(duì)圖像進(jìn)行切割、去云等操作，計(jì)算植被覆蓋度，得到植被覆蓋因子。⑤土壤侵蝕量。綜合各土壤侵蝕因子，計(jì)算得到小流域土壤侵蝕量，并將成果數(shù)據(jù)輸出成圖。

2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

在研究土壤侵蝕理論的基礎(chǔ)上，以ArcGIS Engine組件開發(fā)方式，在面向?qū)ο箝_發(fā)平臺(tái)Visual Basic 6.0上，選擇通用土壤流失方程(USLE)中的土壤侵蝕因子，開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了小流域土壤侵蝕預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)(圖2)。該系統(tǒng)具有水文分析、表面分析、坡長(zhǎng)提取、柵矢轉(zhuǎn)換及空間要素查詢等功能，在完成各土壤侵蝕模型因子的自動(dòng)提取與計(jì)算后，最終實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕量的自動(dòng)估算與預(yù)測(cè)。

圖2 小流域土壤侵蝕預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)

3 應(yīng)用實(shí)例

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用效果，以重慶忠縣石寶鎮(zhèn)為研究區(qū)，采用石寶鎮(zhèn)小流域1∶1萬地形圖、2004年5月TM遙感影像和1953—2004年降雨資料、土壤侵蝕資料及土地利用數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)計(jì)算小流域各土壤侵蝕因子，并估算土壤侵蝕狀況。計(jì)算結(jié)果如下：①2004年石寶鎮(zhèn)小流域降雨豐沛，降雨侵蝕力較大［7 703 MJ·mm/(hm2·h·a)］，運(yùn)行土壤侵蝕模數(shù)估算模塊，模擬結(jié)果顯示最大侵蝕模數(shù)為15 989 t/(km2·a)，與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果接近;②運(yùn)行流域土壤侵蝕量模塊，估算出2004年石寶鎮(zhèn)小流域土壤侵蝕總量為36 064 t，平均土壤侵蝕模數(shù)為1 243 t/(km2·a)，屬輕度侵蝕，與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合;③運(yùn)行土壤侵蝕面積分布比例模塊，得到石寶鎮(zhèn)小流域土壤侵蝕總面積為29.01 km2，其中微度侵蝕 14.21 km2，占土壤侵蝕總面積的48.98%;輕度侵蝕 10.42 km2，占 35.92%;中度侵蝕 2.88 km2，占9.93%;強(qiáng)烈侵蝕 1.00 km2，占 3.45%;極強(qiáng)烈侵蝕 0.48 km2，占 1.65%;劇烈侵蝕 0.02 km2，占 0.07%。

4 結(jié)語

(1)開發(fā)土壤侵蝕預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)能減少水土保持技術(shù)人員在使用USLE模型進(jìn)行土壤侵蝕預(yù)測(cè)時(shí)繁瑣的軟件操作及數(shù)據(jù)處理工作，大大提高了土壤侵蝕定量預(yù)測(cè)的效率，有利于實(shí)現(xiàn)高效、快速的土壤侵蝕調(diào)查。

(2)利用ArcGIS Engine組件開發(fā)土壤侵蝕預(yù)測(cè)信息系統(tǒng)，是將地理信息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于水土保持行業(yè)的新的嘗試。該系統(tǒng)為水土保持決策者提供了數(shù)據(jù)更新、查詢信息、快速預(yù)測(cè)土壤侵蝕量等水保管理工作的平臺(tái)，并完全脫離了ArcGIS軟件系統(tǒng)在Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行，操作簡(jiǎn)單方便。

(3)通用土壤流失方程(USLE)中各個(gè)因子的自動(dòng)生成，包括地形因子的自動(dòng)生成，是本系統(tǒng)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，為土壤侵蝕快速、定量預(yù)測(cè)提供了強(qiáng)大支持。

(4)實(shí)例應(yīng)用表明，系統(tǒng)具有界面友好、使用簡(jiǎn)便、因子提取方法先進(jìn)等特點(diǎn)，并且ArcGIS Engine組件具有強(qiáng)大的GIS的空間數(shù)據(jù)處理、分析功能，能夠滿足土壤侵蝕預(yù)測(cè)的需要。

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