基于ArcEngine和RUSLE的土壤侵蝕評價系統設計

陳燕瓊

（福州大學福建省空間信息工程研究中心空間數據挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福建 福州350002）

0 引言

土壤侵蝕是全球性的環境問題之一，制約著經濟、社會、環境的可持續發展。土壤侵蝕降低了土地生產力，直接影響了農業的生產發展，開展土壤侵蝕強度研究并提出有效的治理措施具有一定的現實意義。然而，大范圍的土壤侵蝕強度監測需要耗費大量的時間、人力和經費。因此，在一定精度范圍內，得到滿足科學計算要求的土壤侵蝕估算已成為一種趨勢。長期以來，國內外學者[1-4]對土壤侵蝕規律及估算模型的研究，促進了土壤侵蝕強度估算和水土保持工作的推進。李忠佩等[5]分析了紅壤丘陵區水土流失的過程，并提出了相應的技術措施，為水土流失區綜合治理獻策。土壤侵蝕定量評價方法主要以土壤侵蝕估算模型為核心，其中，最為著名、應用最廣泛的是美國修正通用土壤流失方程（RUSLE，Revised Universal Soil Loss Equation）。國內一些學者通過對RUSLE的影響因子，如降雨侵蝕力值[6]、土壤可蝕性[7]、植被覆蓋度[8]等的研究，為RUSLE 在國內相應區域的應用奠定了理論基礎。同時，GIS 和RS技術的發展，為土壤侵蝕的定量估算提供了強有力的支持。Arekhi[9]、李輝[10]、徐涵秋[11-12]、林惠花[13]等運用地理信息系統和遙感技術，對研究區土壤侵蝕強度進行了估算，以了解土壤的侵蝕現狀，并提出相應的治理措施。以上的研究都是在已有軟件工具的基礎上運用土壤侵蝕估算模型進行分析研究，這對于非專業用戶來說尚有困難。計算結果以平面圖的形式展示，未充分發揮三維可視化的優勢。因此，根據用戶需求開發數據處理工具，簡化土壤侵蝕評價的計算邏輯，可以有效提高工作效率。充分發揮三維可視化功能的優勢，可以方便用戶更好地理解土壤侵蝕發生機理。

鑒于上述研究背景，結合COM 技術，在自主研發的虛擬森林環境平臺VisForest[14]上，集成修正通用土壤流失方程模型，構建具有良好可操作性、能夠服務于土壤侵蝕評價的子系統。

1 系統設計

1.1 總體設計思想

土壤侵蝕估算涉及到大量空間數據和非空間數據的采集、處理與利用，土壤侵蝕評價與可視化子系統涉及數據輸入、因子計算分析、數據輸出、結果可視化4個主要功能。數據輸入主要包括矢量數據、遙感影像數據和DEM 數據的輸入。因子計算分析是子系統的核心模塊，為保證計算結果的準確性，需要選擇合理的參數計算公式。各個評價因子計算完成后，通過疊加等空間分析運算輸出。由于土壤侵蝕評價因子只是一個半定量的計算結果，為了定量反映土壤侵蝕強度，系統需要基于RUSLE 土壤侵蝕預報模型進行設計，估算土壤侵蝕量。考慮到空間分析的方便性，數據輸出格式主要為柵格數據。結果可視化主要包括二維和三維兩種形式，將計算得到的二維結果圖疊加到三維地形上，提高可讀性。土壤侵蝕量的計算和土壤侵蝕結果可視化能夠初步反映土壤流失過程的特征，用于土地利用和土壤侵蝕的關系研究，為土地利用格局的優化設計和水土流失綜合治理提供技術支持。

1.2 結構設計

根據土壤侵蝕評價模塊的設計思想、計算邏輯和ArcGIS Engine 的技術特點，模塊結構設計（見圖1）采用三層結構模式：①數據層主要用來提供和管理所需的空間和非空間數據；②邏輯層是模塊功能實現的技術支持，通過VC++語言調用ArcGIS Engine 中的組件，構建土壤侵蝕評價模塊的結構框架；③表現層主要包括土壤侵蝕評價模塊的土壤侵蝕量計算和土壤侵蝕結果可視化兩個模塊。

圖1 土壤侵蝕評價與可視化系統的結構框架

2 功能實現

基于ArcGIS Engine 的開發，在VC++開發環境中，實現土壤侵蝕評價與可視化的解決方案。其核心是在自主研發的虛擬森林環境平臺VisForest 上，定義插件遵循的接口，以及自定義組件接口的實現。模塊建設的技術流程如下：在工程中引用ArcObjects 對象庫；采用智能指針聲明所需接口，在類模塊中寫入實現特定ArcObject 接口的代碼；定義過程函數；添加初始化事件Oncreate、Click 等代碼；編譯成DLL；加載到VisForest 平臺中，根據這一過程構建土壤侵蝕評價模塊。

2.1 土壤侵蝕量計算子模塊

本模塊主要是依據RUSLE 模型建立，并根據中國水土保持的特點和前人研究的結果對參數因子計算公式進行了修正。RUSLE 的數學表達公式為：式中：A為土壤侵蝕模數；R為降雨量侵蝕力指標；K為土壤可蝕性因子；LS、C、P分別為地形因子、水土保持因子、植被覆蓋與管理因子。

其主要功能是通過RUSLE 土壤侵蝕預報模型估算區域的土壤侵蝕量。根據RUSLE 模型涉及的參數因子設計了6 個模塊，分別為降雨侵蝕因子R、土壤可蝕性因子K、坡度因子S、坡長因子L、作物覆蓋與管理因子C、水土保持措施因子P、土壤侵蝕量計算。通過這些子模塊，可以分別獲得各計算因子的結果圖層，最后通過土壤侵蝕量計算子模塊的疊加，計算輸出土壤侵蝕量圖層。

2.2 土壤侵蝕量結果可視化子模塊

在自主研發的虛擬森林環境系統（VisForest）平臺基礎上，針對土壤侵蝕分析的業務需求，集成修正通用土壤流失方程（RUSLE），形成土壤侵蝕評價與可視化子系統。將遙感影像和計算得到的土壤侵蝕量圖層與三維地形進行疊加，形成土壤侵蝕強度三維場景如圖2 所示，在圖2中，可定位到關心的區域，查看該區域的地形地貌、土地覆蓋/利用等，結合土壤侵蝕強度圖進行分析。

圖2 土壤侵蝕三維場景

3 應用實例

本文主要數據源為：長汀縣周邊20 個氣象觀測站1971—2012 年的各月總降雨數據；長汀縣DEM數據（分辨率為30m）；長汀縣已有的2010年的土地利用類型圖和1∶5萬土壤類型矢量圖；2010年歸一化植被覆蓋指數分布圖。

首先，使用上述因子的取值及計算方法對數據進行預處理，然后，將各因子圖進行柵格連乘計算，即可獲得每個柵格的土壤侵蝕模數。按照《土壤侵蝕強度分級標準》對計算所得的長汀縣土壤侵蝕強度進行歸并，得到長汀縣2010 年土壤侵蝕強度的面積、侵蝕總量分布及不同侵蝕強度侵蝕量對侵蝕總量的貢獻率，見表1。

表1 2010年土壤侵蝕級別統計表

由表1可知：

（1）2010年水土流失的侵蝕總量為369.37萬t，平均土壤侵蝕模數為11.92t·hm-2·a-1，屬于輕度侵蝕；其與2003 年水土流失平均土壤侵蝕模數27.03t·hm-2·a-1相比[15]，年平均土壤侵蝕強度下降明顯；

（2）長汀全縣侵蝕面積為39 995hm2，估算結果符合當地情況[16]，其與1985 年（97 469hm2）和2000 年（70 364 hm2）相比[17]，土壤侵蝕總面積大大減少，其中，微度侵蝕面積24 937hm2，占侵蝕總面積的2.35%；輕度侵蝕面積13 217hm2，占侵蝕總面積的33.08%；中、強和極強度分別占侵蝕總面積的3.56%、0.77%、0.15%；劇烈侵蝕面積達37hm2，占侵蝕總面積的0.01%；治理成效卓越與長汀縣多年來大力扶持的政策及一系列有效措施的實施有著密切聯系。

地形的起伏變化是造成長汀縣內土壤侵蝕空間差異性大的關鍵因素。統計長汀縣不同坡度下的土壤侵蝕模數（見表2）發現，隨著坡度的增加，土壤侵蝕模數的變化總體呈現遞增趨勢，坡度大于25°的侵蝕模數最大，其次是20～25°和15～20°，15°是土壤侵蝕模數的相對質變點。將土壤侵蝕強度圖和遙感影像疊加在三維地形上形成三維場景圖（見圖3），圖3（a）、圖3（b）內的矩形框區域在實地為坡度大于15°的果園，其植被覆蓋分布均勻，但矩形框內的土壤侵蝕強度相比周邊坡度小于15°的區域，其土壤侵蝕明顯更為嚴重。

表2 不同坡度的土壤侵蝕

圖3 坡度對土壤侵蝕影響的三維表達

4 結論

本文借助組件式GIS技術，在自主研發的虛擬森林環境系統（VisForest）平臺基礎上，集成修正通用土壤流失方程（RUSLE），以可視化形式表達土壤侵蝕空間分布特征。本文的創新點在于自主研發的虛擬森林環境系統（VisForest）平臺集成了GIS和RUSLE，實現了土壤侵蝕的評價功能，簡化土壤侵蝕估算步驟。將計算得到的土壤侵蝕結果疊加在三維地形上，充分發揮三維可視化表達的優勢，方便用戶分析導致土壤侵蝕嚴重的可能因素。

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