小流域土壤侵蝕預測信息系統設計與實現

陳學華，周建中

(1.華中科技大學水電與數字化工程學院，湖北武漢 430074;2.四川省經濟信息中心，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，對統計模型及引進的統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研究較少，特別是適用于我國國情的系統的過程模型則更少［4－6］。因此，研究如何將坡面產流、產沙及整個流域匯流、輸沙系統有機地組織起來，如何使用GIS和RS技術客觀、準確地為模型提供參數，以及如何利用模型為管理決策提供依據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，并驗證了系統預測結果的準確性。

1 系統結構與功能設計

1.1 系統邏輯結構設計

小流域土壤侵蝕預測信息系統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。該系統在邏輯結構上分為3個層面(3層架構)，即應用層、服務層、數據層，見圖1。

1.2 系統功能設計

通過研究土壤侵蝕過程，開發(fā)的土壤侵蝕預測信息系統能在較短的時間內自動獲取某小流域一定時間段內的土壤侵蝕量，并以侵蝕圖的形式輸出模擬結果。該系統具有一定的結構性，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邏輯結構

(1)輸入輸出功能。系統輸入、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據構成，在處理空間數據的過程中經常需要在整體和局部數據之間來回切換，對于特定的顯示窗口，需要根據數據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?？臻g查詢過程中，用戶可以選擇系統中的矢量數據，將該數據所有的屬性信息以列表形式輸出，或者選擇查詢矢量數據的某些屬性，并以地圖形式顯示。

(4)表面分析功能。對現有的表面進行一些特定的運算，生成新的數據和識別模式，從而提取更多的信息。之后，在高程數據(DEM)柵格數據的基礎上，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據(DEM)為輸入數據，采用水文分析法計算集水流域和水流網絡數據，實現了洼地填充、水流方向提取、匯流累積量計算、河網密度提取、河網分級、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據涉及大量矢量數據，而計算時都是柵格數據的地圖代數運算，因此需要進行特定矢量數據的因子和參數的矢量轉柵格操作。

(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，將歷史日降雨數據、年降雨數據及計算年份的日降雨數據作為輸入文件，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，程序可根據數據自動生成參數因子，并將土壤試驗數據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，并將成果數據輸出成圖。

2 系統功能的實現

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)并實現了小流域土壤侵蝕預測信息系統(圖2)。該系統具有水文分析、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

3 應用實例

為了檢驗系統的應用效果，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據等，系統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)］，運行土壤侵蝕模數估算模塊，模擬結果顯示最大侵蝕模數為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據處理工作，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，是將地理信息系統技術應用于水土保持行業(yè)的新的嘗試。該系統為水土保持決策者提供了數據更新、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軟件系統在Windows操作系統下運行，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的空間數據處理、分析功能，能夠滿足土壤侵蝕預測的需要。

［1］王恰堂，高林，張世清，等.北京郊區(qū)水土流失信息系統的建立與應用［J］.水土保持學報，1989，3(2)：1 －9.

［2］孫成明，袁登榮，王余龍.地理信息系統的農業(yè)應用與進展［J］.上海農業(yè)學報，2004，20(3)：99 －101.

［3］陳常松.我國GIS技術應用現狀的調查與分析［J］.測繪科技動態(tài)，1996(1)：26 －34.

［4］褚慶全，李林.地理信息系統(GIS)在農業(yè)上的應用及其發(fā)展趨勢［J］.中國農業(yè)科技導報，2003，5(1)：22 －26.

［5］李銳.楊勤科，趙永安，等.現代空間信息技術在中國水土保持中的應用［J］.水土保持通報，1998，18(5)：1 －5.

［6］李銳，楊勤科，趙永安，等.中國水土保持管理信息系統總體設計方案［J］.水土保持通報，1998，18(5)：40 －43.