陳學華，周建中

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

我國是世界上水土流失最為嚴重的國家之一，據(jù)全國第二次土壤侵蝕遙感調查，有水土流失面積356萬km2，其中水蝕面積165萬km2、風蝕面積191萬km2［1］，土壤侵蝕預測已成為土壤侵蝕研究的熱點。隨著科學技術的進步，地理信息和遙感技術被廣泛應用于土壤侵蝕研究，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，對統(tǒng)計模型及引進的統(tǒng)計模型中各因子的本地化研究較多，對基于過程的物理模型系統(tǒng)研究較少，特別是適用于我國國情的系統(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)沙及整個流域匯流、輸沙系統(tǒng)有機地組織起來，如何使用GIS和RS技術客觀、準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一步發(fā)展急需解決的問題。本研究基于GIS、RS技術，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測信息系統(tǒng)，并驗證了系統(tǒng)預測結果的準確性。

1 系統(tǒng)結構與功能設計

1.1 系統(tǒng)邏輯結構設計

小流域土壤侵蝕預測信息系統(tǒng)是通過分析小流域尺度的土壤侵蝕特征，對特定區(qū)域的土壤侵蝕狀況進行定量評價。該系統(tǒng)在邏輯結構上分為3個層面(3層架構)，即應用層、服務層、數(shù)據(jù)層，見圖1。

1.2 系統(tǒng)功能設計

通過研究土壤侵蝕過程，開發(fā)的土壤侵蝕預測信息系統(tǒng)能在較短的時間內(nèi)自動獲取某小流域一定時間段內(nèi)的土壤侵蝕量，并以侵蝕圖的形式輸出模擬結果。該系統(tǒng)具有一定的結構性，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、坡長計算、柵矢轉換、USLE模擬等。

圖1 小流域土壤侵蝕預測信息系統(tǒng)邏輯結構

(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，對于特定的顯示窗口，需要根據(jù)數(shù)據(jù)的變化調整圖形的顯示范圍，即對圖形進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。對現(xiàn)有的表面進行一些特定的運算，生成新的數(shù)據(jù)和識別模式，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)，采用水文分析法計算集水流域和水流網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了洼地填充、水流方向提取、匯流累積量計算、河網(wǎng)密度提取、河網(wǎng)分級、流域分析(提取子流域)等。

(6)坡長計算功能。采用累積流量方法在格網(wǎng)DEM上計算坡長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，也就是說在DEM上的任何一點，其水流都存在一個匯聚點或出口。

(7)柵矢轉換功能。模型中各因子生成時原始數(shù)據(jù)涉及大量矢量數(shù)據(jù)，而計算時都是柵格數(shù)據(jù)的地圖代數(shù)運算，因此需要進行特定矢量數(shù)據(jù)的因子和參數(shù)的矢量轉柵格操作。

(8)USLE模型模擬計算。①降雨侵蝕力因子。采用日降雨量估算降雨侵蝕力，以txt格式存儲觀測站降雨資料，將歷史日降雨數(shù)據(jù)、年降雨數(shù)據(jù)及計算年份的日降雨數(shù)據(jù)作為輸入文件，分別計算出日平均降雨量和年平均降雨量，得到計算年份的降雨侵蝕力因子R，并轉換為柵格因子，以方便后續(xù)計算。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)自動生成參數(shù)因子，并將土壤試驗數(shù)據(jù)轉化為模型計算因子，最后自動計算土壤可蝕性因子。③坡度和坡長因子。根據(jù)DEM生成坡度圖，用換算公式計算坡度因子;采用湯國安的快速算法，模型自動生成坡長，再得到坡長因子。④植被覆蓋因子。在Erdas中對圖像進行切割、去云等操作，計算植被覆蓋度，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)功能的實現(xiàn)

在研究土壤侵蝕理論的基礎上，以ArcGIS Engine組件開發(fā)方式，在面向對象開發(fā)平臺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)并實現(xiàn)了小流域土壤侵蝕預測信息系統(tǒng)(圖2)。該系統(tǒng)具有水文分析、表面分析、坡長提取、柵矢轉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提取與計算后，最終實現(xiàn)土壤侵蝕量的自動估算與預測。

圖2 小流域土壤侵蝕預測信息系統(tǒng)

3 應用實例

為了檢驗系統(tǒng)的應用效果，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)計算小流域各土壤侵蝕因子，并估算土壤侵蝕狀況。計算結果如下：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)］，運行土壤侵蝕模數(shù)估算模塊，模擬結果顯示最大侵蝕模數(shù)為15 989 t/(km2·a)，與實際監(jiān)測結果接近;②運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，與實際監(jiān)測結果吻合;③運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%;強烈侵蝕 1.00 km2，占 3.45%;極強烈侵蝕 0.48 km2，占 1.65%;劇烈侵蝕 0.02 km2，占 0.07%。

4 結語

(1)開發(fā)土壤侵蝕預測信息系統(tǒng)能減少水土保持技術人員在使用USLE模型進行土壤侵蝕預測時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測的效率，有利于實現(xiàn)高效、快速的土壤侵蝕調查。

(2)利用ArcGIS Engine組件開發(fā)土壤侵蝕預測信息系統(tǒng)，是將地理信息系統(tǒng)技術應用于水土保持行業(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、快速預測土壤侵蝕量等水保管理工作的平臺，并完全脫離了ArcGIS軟件系統(tǒng)在Windows操作系統(tǒng)下運行，操作簡單方便。

(3)通用土壤流失方程(USLE)中各個因子的自動生成，包括地形因子的自動生成，是本系統(tǒng)的一個創(chuàng)新點，為土壤侵蝕快速、定量預測提供了強大支持。

(4)實例應用表明，系統(tǒng)具有界面友好、使用簡便、因子提取方法先進等特點，并且ArcGIS Engine組件具有強大的GIS的空間數(shù)據(jù)處理、分析功能，能夠滿足土壤侵蝕預測的需要。

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