基于Saxton模型的土壤水分特征柵格化計(jì)算平臺(tái)研究

侯淑濤，肖高懷,，盧善龍，于曉雷，羅海靜

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101；3.遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

基于Saxton模型的土壤水分特征柵格化計(jì)算平臺(tái)研究

侯淑濤1，肖高懷1,2，盧善龍2,3，于曉雷1，羅海靜2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101；3.遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

Saxton模型能估算較多土壤水分特征參數(shù)且考慮容重、礫石和鹽分影響而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水文等領(lǐng)域。研究基于Saxton模型及IDL（Interactive data language）語言開發(fā)土壤水分特征軟件平臺(tái)，利用土壤屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤水分特征柵格計(jì)算，實(shí)現(xiàn)空間制圖，有效解決水文運(yùn)動(dòng)模型模擬應(yīng)用過程中柵格化土壤水分特征參數(shù)缺乏問題。該平臺(tái)軟件界面友好，操作簡單易行高效，既可為現(xiàn)有模型應(yīng)用提供輸入?yún)?shù)，也可作為單獨(dú)模塊嵌入已有軟件中使用，具有較好兼容性。

土壤水分特征；Saxton模型；土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)；柵格化計(jì)算；IDL

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間2015-4-30 14:45:00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150430.1445.014.html

侯淑濤,肖高懷,盧善龍,等.基于Saxton模型的土壤水分特征柵格化計(jì)算平臺(tái)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,46(5):68-74.

Hou Shutao,Xiao Gaohuai,Lu Shanlong,et al.Soil water characteristics grid computing platform with Saxton model[J]. Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(5):68-74.(in Chinese with English abstract)

土壤水分特征是土壤水分運(yùn)動(dòng)研究的基本參數(shù)，但國內(nèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏難以滿足研究需要[1]。由于傳統(tǒng)測定土壤水分特征方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，大區(qū)域及土壤異質(zhì)性較大地區(qū)海量土壤水分特征數(shù)據(jù)難以通過傳統(tǒng)方式獲取[2]。利用砂粒、粘粒、有機(jī)質(zhì)等構(gòu)建土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)模型估算土壤水分特征已成為獲取相關(guān)數(shù)據(jù)先進(jìn)手段[3-6]。隨計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)模型與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，模型程序化成為必然，如美國華盛頓州立大學(xué)SPAW （Soil-Plant-Air-Water）軟件Soil Water Characteris?tics模塊[2,7]、澳大利亞新南威爾士大學(xué)Neuro Theta軟件[8-9]。這些軟件模塊開發(fā)有效解決了實(shí)測資料缺失區(qū)域土壤水分特征參數(shù)估算問題[1,9]。然而，國外此類軟件存在以下問題：

①土壤水分特征參數(shù)只能人工錄入、逐一估算，難以滿足估算區(qū)域海量土壤水分特征參數(shù)的要求；②軟件模塊功能單一，難以滿足土壤水分特征空間制圖和空間分析需要；③基于思維方式差異開發(fā)軟件，不便于操作人員使用。為滿足國內(nèi)人員區(qū)域尺度土壤水分特征估算的應(yīng)用與制圖需要，開發(fā)土壤水分特征柵格化計(jì)算的中文軟件平臺(tái)具有重要應(yīng)用價(jià)值。

常用土壤水分特征估算模型主要有van Genu?chten、Brooks-Corey、Campbell等，van Genuchten能符合大部分土壤水分特征曲線，但Brooks-Corey 和Campbell更簡單。用以構(gòu)建土壤水分特征估算模型土壤屬性參數(shù)很多，Hahn證實(shí)土壤水分特征與砂粒、粘粒、有機(jī)質(zhì)及其相互作用相關(guān)性大[10]。Saxton等結(jié)合Campbell模型，利用砂粒、粘粒和土壤有機(jī)質(zhì)SOM（Soil organic matter）提出Saxton模型[11]，該模型考慮容重、礫石及鹽分對(duì)土壤水分特征影響，具有需要數(shù)據(jù)少、估算指標(biāo)多、運(yùn)算簡單、估算結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可滿足水文模擬時(shí)土壤水分特征數(shù)據(jù)缺失區(qū)域研究需要。應(yīng)用Saxton模型關(guān)鍵是數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理，本研究基于Saxton模型，利用可視化開發(fā)語言IDL（Interactive data lan?guage）開發(fā)基于土壤屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤水分特征柵格化計(jì)算并繪制專題信息中文軟件平臺(tái)（土壤水分特征估算軟件V1.0），方便國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域研究人員快速、便捷獲取區(qū)域土壤水分特征數(shù)據(jù)。

1 Saxton土壤水分特征估算模型

Saxton土壤水分特征估算模型是以美國農(nóng)業(yè)部土壤數(shù)據(jù)庫2 149個(gè)樣本為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在剔除可能受耕作或壓實(shí)影響、高有機(jī)質(zhì)含量、高粘粒含量等非自然狀態(tài)或不具代表性樣本后，挑選土壤容重1.0～1.8 g·cm-3、有機(jī)質(zhì)含量≤8%（W）、粘粒含量≤60%（W）樣本1 722個(gè)，利用樣本土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤水分特征數(shù)據(jù)，通過回歸分析估算土壤水分含量和土壤進(jìn)氣吸力，結(jié)合Rawls、Compbell、Tanji等研究成果構(gòu)建而成[11]。相關(guān)計(jì)算公式和變量含義如表1和2所示。

Saxton模型估算得到的土壤水分特征結(jié)果為特定狀態(tài)下土壤水分特征指標(biāo)的平均值，與實(shí)際值存在誤差。在條件許可情況下應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥垃F(xiàn)狀和使用目的，利用現(xiàn)有土壤屬性數(shù)據(jù)（如容重[12]、礫石[13]或鹽分[14]等），對(duì)估算結(jié)果加以修正，獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。Saxton模型以美國土壤數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)建立，可能不適用人為因素干擾嚴(yán)重、與美國土壤差異顯著和土壤質(zhì)地不在樣本屬性范圍內(nèi)的極端地區(qū)，應(yīng)用于其他地區(qū)時(shí)需進(jìn)行典型區(qū)域驗(yàn)證。此外，Saxton模型使用土壤質(zhì)地體系為美國制[11]，在利用我國現(xiàn)有土壤普查資料計(jì)算土壤水分特征時(shí)，需采用3次樣條插值進(jìn)行土壤質(zhì)地轉(zhuǎn)換[1,9,15]；若使用全球土壤數(shù)據(jù)庫[16]HWSD（Harmonized world soil database），則無需轉(zhuǎn)換。

2 基于Saxton模型和IDL語言開發(fā)的土壤水分特征估算軟件平臺(tái)

本研究基于Saxton模型和ENVV/IDL語言開發(fā)的土壤水分特征估算軟件平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)基于土壤屬性數(shù)據(jù)的凋萎含水量、田間持水量、土壤進(jìn)氣吸力、飽和含水量、有效水含量、飽和導(dǎo)水率和土壤容重等全過程參量的一鍵式計(jì)算和制圖。軟件平臺(tái)見圖1，由數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)完整性檢查、計(jì)算及結(jié)果輸出3大模塊組成。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊

設(shè)置輸入數(shù)據(jù)、輸出土壤水分特征及影響因素、輸出文件夾，運(yùn)行界面見圖2。通過地理信息系統(tǒng)軟件把海量傳統(tǒng)文本土壤數(shù)據(jù)或矢量/柵格土壤數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為空間分辨率統(tǒng)一的tif格式柵格數(shù)據(jù)，選擇輸入數(shù)據(jù)時(shí)，軟件自動(dòng)篩選擴(kuò)展名為tif的文件；選擇輸出土壤水分特征后才能選擇影響因素，以防止漏選；凋萎含水量容重修正必須在有鹽分影響情況下進(jìn)行；軟件設(shè)計(jì)聯(lián)動(dòng)機(jī)制，以確保不會(huì)因?yàn)檎`操作導(dǎo)致結(jié)果異常。

表1 Saxton土壤水分特征估算模型中的相關(guān)公式Table 1 Saxton soil moisture characteristic formula for estimating the model

表2 Saxton模型土壤水分特征估算過程中涉及的變量Table 2 Saxton model to estimate soil moisture characteristic variables involved in the process

圖1 土壤水分特征估算軟件平臺(tái)模塊Fig.1 Soil moisture characteristics estimation software platform modules

2.2 數(shù)據(jù)完整性檢查模塊

根據(jù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模塊土壤水分特征及影響因素選擇情況，檢查輸入數(shù)據(jù)是否完整。估算不同土壤水分特征因受到的影響因素不同，所需輸入數(shù)據(jù)也不同，詳見表3。模塊同時(shí)還檢查輸入數(shù)據(jù)是否為GeoTIFF格式、是否存在掩膜數(shù)據(jù)，檢查輸出文件夾是否存在。

2.3 計(jì)算及結(jié)果輸出模塊

用于調(diào)度計(jì)算各土壤水分特征，進(jìn)行掩膜運(yùn)算，輸出柵格圖形信息。軟件利用分塊處理模式實(shí)現(xiàn)對(duì)大文件柵格圖像高效計(jì)算。軟件可根據(jù)影響因素選擇情況，判斷所需輸入數(shù)據(jù)并決定是否對(duì)估算結(jié)果進(jìn)行容重、礫石和鹽分影響修正。計(jì)算受鹽分影響的土壤水分特征時(shí)，需利用表1中的公式（17）、（18）構(gòu)造超越方程求解，該方程通常只能利用EXCEL的單變量求解工具對(duì)需要估算的數(shù)據(jù)逐個(gè)迭代求解，本軟件首次利用二分法實(shí)現(xiàn)該方程的自動(dòng)求解，從而提高軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化水平。

軟件具體操作流程如下：

圖2 土壤水分特征估算軟件運(yùn)行界面Fig.2 Soil moisture characteristics estimation software running interface

①選擇輸入數(shù)據(jù)。參考表3根據(jù)需要選擇輸入數(shù)據(jù)。在土壤屬性數(shù)據(jù)庫中城市和水域?qū)傩灾禐?或空值，利用此類數(shù)據(jù)計(jì)算出的土壤水分特征參數(shù)無意義，需要進(jìn)行掩膜處理；估算部分區(qū)域時(shí)也需要掩膜運(yùn)算。輸入掩膜時(shí)，掩膜部分輸出結(jié)果為0值。

②選擇輸出結(jié)果。軟件可估算凋萎含水量、田間持水量、土壤進(jìn)氣吸力、飽和含水量、有效水含量、飽和導(dǎo)水率、容重七種土壤水分特征，根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況進(jìn)行選擇。。

③選擇影響因素。軟件可以針對(duì)輸出土壤水分特征參數(shù)進(jìn)行影響因素修正，根據(jù)需要選擇。

④選擇輸出文件夾。各土壤水分特征估算結(jié)果將輸出到指定文件夾中，如目標(biāo)文件夾不存在，軟件將提示創(chuàng)建文件夾。

⑤計(jì)算與結(jié)果輸出。根據(jù)②、③選擇情況自動(dòng)判斷①中輸入數(shù)據(jù)是否完整、數(shù)據(jù)類型是否正確。如無錯(cuò)誤，將進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)①中是否存在掩膜數(shù)據(jù)，選擇是否對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行掩膜。計(jì)算完成后提示。

3 應(yīng)用案例

本研究選擇我國北方海河流域?yàn)檐浖?yīng)用實(shí)例區(qū)。該地區(qū)近年來面臨嚴(yán)重水資源短缺問題，成為水文水資源研究人員開展水文過程模擬焦點(diǎn)地區(qū)。然而，在模型應(yīng)用過程中，由于缺乏空間化土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，在模型模擬之前，需逐個(gè)指標(biāo)、逐個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算土壤水分特征參數(shù)并制作相應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)集，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且易造成錯(cuò)誤。

借鑒前人在海河流域?yàn)春覽17]、徒駭馬頰河[18]、潮河[1]等子流域及北京市房山區(qū)[19]開展的Saxton模型應(yīng)用實(shí)際驗(yàn)證成果，本研究假定Saxton模型適用于海河流域前提下，利用HWSD海河流域土壤數(shù)據(jù)，計(jì)算得到全流域土壤水分特征專題信息見圖3，包括經(jīng)容重和土壤鹽分修正后的凋萎含水量、經(jīng)容重修正后的田間持水量，經(jīng)容重、礫石含量和土壤鹽分修正后有效水含量和經(jīng)容重和礫石含量修正后的飽和導(dǎo)水率。

基于Saxton模型和ENVV/IDL語言開發(fā)平臺(tái)估算土壤水分特征實(shí)現(xiàn)柵格化計(jì)算，其空間分布特征清晰直觀，可為SWAT、EasyDHM和VIC等分布式水文模型提供便捷輸入變量。

圖3 海河流域土壤水分特征專題Fig.3 Soil moisture characteristics thematic maps for Hai River Basin

4 結(jié)論

土壤水分特征參數(shù)獲取是土壤水分運(yùn)動(dòng)研究前提和基礎(chǔ)，本研究利用柵格化土壤屬性數(shù)據(jù)，通過柵格圖像計(jì)算實(shí)現(xiàn)快速估算土壤水分特征參數(shù)，有效解決水文運(yùn)動(dòng)模型模擬應(yīng)用過程中柵格化土壤水分特征參數(shù)缺乏問題。軟件平臺(tái)開發(fā)僅利用IDL自帶函數(shù)和自定義函數(shù)，保證軟件兼容性，在未安裝ENVI/IDL軟件的計(jì)算機(jī)上也可利用軟件自帶IDL編譯器編譯運(yùn)行。海河流域應(yīng)用實(shí)例表明，該軟件平臺(tái)能快速高效估算土壤水分特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)土壤水分特征參數(shù)柵格化計(jì)算，滿足土壤水分特征參數(shù)空間制圖與分析需要；友好中文界面符合國內(nèi)用戶使用習(xí)慣，能滿足區(qū)域尺度水文和水質(zhì)模擬模型應(yīng)用需要。

土壤水分特征柵格化計(jì)算平臺(tái)可應(yīng)用于區(qū)域范圍水資源管理，也可應(yīng)用到降雨產(chǎn)流計(jì)算、地下水補(bǔ)給計(jì)算、土壤植物水分定量關(guān)系預(yù)測等研究領(lǐng)域。本研究開發(fā)柵格化計(jì)算平臺(tái)兼容性好，可為現(xiàn)有模型應(yīng)用提供輸入?yún)?shù)，也可作為單獨(dú)模塊嵌入已有軟件中使用，應(yīng)用前景良好。

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Soil water characteristics grid computing platform with Saxton model

HOU Shutao1,XIAO Gaohuai1,2,LU Shanlong2,3,YU Xiaolei1,LUO Haijing2(1.School of Resources and Environmental Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Institute of Remote Sensing and Digital Earth,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China;3.State Key Laboratory of Remote Sensing Science,Beijing 100101,China)

Saxton model can be used to estimate many soil water characteristic parameters and to consider density,gravel and salinity effects.It was widely used in agricultural,hydrology and other domains. This study was based Saxton model,using visualization language IDL(Interactive data language)had developed a software platform,able to use soil moisture characteristics of soil attribute data grid computing, able to spatial mapping,effectively solved hydrological model simulates of the movement lack of grid soil moisture characteristic parameters in application.The platform has a good interface,easy to operating,can provide input parameters for the application of existing models and also be embedded into existing software as a standalone module.

soil water characteristics;Saxton model;pedotransfer functions;grid computing;IDL

S152;TP311.1

A

1005-9369（2015）05-0068-07

2014-02-21

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（41101401）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201101015）；中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目（KZCX1-YW-08）

侯淑濤(1965-)，女，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)遙感與土地利用。E-mail:houst129@126.com