基于RuSLE模型的小流域農地水土保持規劃研究

李學偉

(四會市宏禹水利水電勘測設計有限公司，廣東 四會 526200)

在國家用地規劃設計中，小流域農地水土保持規劃是研究的重點課題，通過對小流域農地水土保持規劃設計，從地理空間和地圖空間出發，進行小流域農地水土空間和水體保持的相關參數分析，監測小流域農地水土的變化，從儲水量變化情況、土壤變化等著手，采用尺度因子分析和數學參數模型分析的方法，建立小流域農地水土保持規劃的統計分析模型，通過監測小流域農地水儲量時變、土壤平面變化等情況，實現小流域農地的水土保持和規劃研究。研究小流域農地水土保持規劃方法，在陸地水儲量變化情況分析和降水數據分析中具有重要意義[1]。

對小流域農地水土保持規劃研究是建立在對小流域農地水土的重力場特征分析基礎上，結合監測地域的模型特征參數分析，通過地質層面和斷層拓撲關系分析，建立小流域農地水土保持規劃的地質層面參數分析模型，實現對小流域農地水土保持規劃及地質層模型構造。文獻[2]中采用Grid網格模型分析的方法，進行小流域農地水土保持過程控制設計，采用數據內插的Grid(柵格網)模型實現水體地質層面重組，實現空間規劃控制，但該方法容易導致水土規劃層面在空間上出現重疊區域。文獻[3]中提出基于拓展初始地層法的小流域農地水土保持規劃方法，通過層面空間拓撲關系約束的方法，實現小流域農地水土保持，但該方法在有斷層的區域中規劃性能不好。針對上述問題，本文提出基于RuSLE模型的小流域農地水土保持規劃方法。首先進行規劃模型的總體構架設計，提取不同階次的小流域農地植被和土壤粗糙度分布特征量，其次基于反演算法和綜合指標評價的方法，建立不同頻段下的衛星遙感觀測信息分析數據庫，在RuSLE高精度測量模型中，實現水土保持規劃模型優化設計，最后進行實驗測試分析，展示了本文方法在提高小流域農地水土保持和空間規劃能力方面的優越性能。

1 小流域農地水土保持規劃的總體架構和參數分析

1.1 總體架構

為實現對小流域農地水土保持規劃模型設計，基于斷層曲面空間約束的方法，進行小流域農地水土的遙感特征監測，建立小流域農地水土遙感信息數據庫，將數據庫組成RuSLE參數解析庫，采用層多邊形的重疊區域分割方法，進行斷面空間約束，采用水土空間分布重組[4]，建立不同網格點上的農地水土保持控制點集合V={v1x，y，z，v2x，y，z，…，vnx，y，z}，差異拓展初始地層法，得到n個斷層點的水土遙感特征點，小流域農地水土保持的遙感斷層點重組模型如圖1所示。

圖1 小流域農地水土保持的遙感斷層點重組模型

根據圖的結構模型，顧及季節影響尺度因子，通過水文數據和土壤數據分析，利用模擬和真實數據的平差試驗分析的方法，得到小流域農地水土規劃的像點坐標分布，在影像覆蓋區域范圍內進行水土變化特征分析[5]，通過三號立體影像定位設計，求解補償項系數及待定目標點，得到多傳感器、多光譜影像數據，并通過模數轉換、電子計算機與自動控制處理技術，進行大數據分析處理，實現小流域的農地水土攝影測量。總體實現技術圖如圖2所示。

圖2 小流域農地水土保持規劃實現技術圖

1.2 參數分析

結合模擬法、解析法、數字法等多傳感信息分析的方法，建立小流域農地水土在地圖上的幾何圖形分布結構模型，采用三維種子點插值的方法，進行小流域農地水土保持規劃的本體模型構造，通過組成部分、功能和屬性3個方面的相似度分析，建立網格內部形成斷面封閉約束模型[6]，得到土壤和農地2個實體類在本體語義網分布結構模型表示為：

(1)

(2)

式中，mi—對應時段的表面土壤濕度數據；si(ci_smallScal，ci_larg eScale)—水土保持規劃攝影測量處理的輸出相似度；n—大范圍時間有序序列長度。根據度大氣可降水量的觀測，得到小流域農地水土保持規劃的三維空間中斷面約束和網格內部形成斷面封閉約束模型如圖3所示。

圖3 小流域農地水土保持的斷面約束模型

根據圖3對小流域農地水土保持的斷面約束規劃，通過幾何語義一體化的智能分析方法，構建RuSLE模型，提取不同階次的小流域農地植被和土壤粗糙度分布特征量，根據語義信息及時序變化關系，進行水土保持規劃中的幾何位置、物理屬性、語義信息分析。

2 小流域農地水土保持規劃模型優化

2.1 實景三維幾何語義聯合建模

采用實景三維建模的方法，建立小流域農地水土保持的多源廣義地理信息分析RuSLE模型，引入如控制點、參考影像、矢量數據、高程數據及其他輔助數據，得到三維地形產品、大范圍多源合成影像，采用單源遙感視覺規劃方法，得到小流域農地水土保持的多源影像精準配置模型為：

(3)

在語義約束后保留農地水土分配的匹配點，在DEM和控制點影像庫中進行小流域農地水土保持規劃過程中的自適應加權融合和土壤濕度反演特征分析，根據對小流域農地水土濕度和土壤的滲透性特征，在語義輔助精準幾何處理的基礎上，進行實景三維幾何語義聯合建模[8]。

2.2 小流域農地水土保持規劃

采用影像匹配、區域網平差分析的方法，利用多時相影像特征分析，構建小流域農地水土多光譜含云影像的云檢測修復模型，結合每組影像的匹配結果[9]，形成水土遙感監測的立體影像DOM/DEM，在平面高程控制區域，得到區域網平差的數據量為：

(4)

(5)

3 實驗測試分析

對小流域農地水土保持的規劃的實驗建立在DEM/DOM基礎地理信息庫基礎上，不同試驗區的功能區的占比分布見表1。

表1 功能區分布占比

利用ECMWF提供的2019—2021年水土RuSLE數據模型，得到小流域農地水土濕度和土壤的滲透性特征分布[10]見表2。

表2 小流域農地水土濕度和土壤的滲透性特征分布

根據上述參數分布，進行農地水土規劃，得到小流域農地水土遙感監測影像如圖5所示。

圖5 小流域農地水土遙感監測影像

根據圖5的遙感監測影像，在RuSLE高精度測量模型中，實現小流域農地水土的保有量計算，從而實現小流域農地水土保持規劃，優化規劃輸出如圖6所示。

圖6 水土規劃

分析圖6得出，本文方法能實現對小流域農地水土的空間分布優化規劃設計，測試土地利用率，對比結果見表3，分析得出，本文方法實現農業生產中進行精準灌溉，提高了水資源的利用率。

表3 水土保持利用率對比

4 結語

本文提出基于RuSLE模型的小流域農地水土保持規劃方法。建立小流域農地水土在地圖上的幾何圖形分布結構模型，采用三維種子點插值的方法，進行小流域農地水土保持規劃的本體模型構造，采用深度語義分割和分塊匹配方法，得到農地水土保持規劃的全自動匹配的控制點，在語義輔助精準幾何處理的基礎上，進行實景三維幾何語義聯合建模，實現對小流域農地水土的空間分布優化規劃。測試得出，本文方法進行對小流域農地水土的空間分布優化規劃的精準性較高，利用率較高。因此，對于規劃途徑而言，基于利用RuSLE模型的情況下，慣用方式存在問題就能很好地解決。