山區(qū)高速公路邊坡水土流失預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邱一丹，馬聰，洪立，付心，劉志崗

（云南省交通科學(xué)研究院有限公司，云南 昆明 650011）

0 引言

土壤侵蝕問題是目前人類面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題之一[1]。李智廣等通過對廣東省1986—1992年人為水土流失資料進(jìn)行分析，認(rèn)為大規(guī)模的基建工程是造成人為水土流失的主要因素[2]。根據(jù)相關(guān)研究，每公里高速公路的裸露邊坡面積可達(dá)50000～70000m2，每年土壤侵蝕量按9000g/m3算，可造成450t 的水土流失[3]。因此邊坡是山區(qū)高速公路最為脆弱的部分，本文將以山區(qū)高速公路邊坡作為研究對象。

目前國內(nèi)外對于水土保持信息管理系統(tǒng)的研究日益成熟，不論在信息管理、監(jiān)測、規(guī)劃、預(yù)測等方面，還是在數(shù)據(jù)管理、空間分析、圖形輸出等具體功能實(shí)現(xiàn)方面都獲得了較大發(fā)展，但以流域等區(qū)域尺度研究較多，針對某一行業(yè)或某類生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持信息系統(tǒng)鮮有涉及。而開發(fā)以特定行業(yè)為對象的水土保持信息系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)多方位的水土流失動態(tài)監(jiān)測，強(qiáng)化水土保持信息化行業(yè)監(jiān)管。我國針對公路GIS 方面的研究主要集中在規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理及養(yǎng)護(hù)管理等方面。已有的公路災(zāi)害管理研究存在一些不足：如缺乏時(shí)效性、難以提供實(shí)時(shí)信息；數(shù)據(jù)大部分是以柵格形式存儲的，分辨率低，災(zāi)害預(yù)測精度較低；缺少對人工及自然邊坡的區(qū)分，空間分析方面還比較薄弱等。此外，傳統(tǒng)的水土保持研究主要集中在坡度為20%及以下，但公路路基坡度一般達(dá)到或超過30%[4]。

因此，本文以高速公路全線邊坡為主要研究對象，以云南新河高速公路為例，開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)高速公路邊坡可視化管理、數(shù)據(jù)查詢、水土流失監(jiān)測等功能的水土流失預(yù)警系統(tǒng)。由于ArcGIS Engine 具有簡潔易用、可移植性強(qiáng)、開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前GIS 軟件二次開發(fā)的主流產(chǎn)品[5]。因此本文采用ArcEngine10.0 組件式技術(shù)，在Visual Studio 2010 開發(fā)環(huán)境下采用C#語言進(jìn)行山區(qū)高速公路邊坡水土流失預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)。

1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)的使用者主要為交通行業(yè)水土保持管理部門或監(jiān)測單位。因此，在對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)及建造前要先分析用戶基本需求，為建立科學(xué)合理的數(shù)據(jù)庫奠定基礎(chǔ)[6]。

1.1 功能需求分析

建立高速公路水土流失預(yù)警系統(tǒng)的目的是利用相關(guān)模型計(jì)算不同降雨強(qiáng)度下高速公路兩側(cè)邊坡的水土流失強(qiáng)度，并對其水土流失危險(xiǎn)度進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)高速公路邊坡水土流失的實(shí)時(shí)預(yù)警。因此預(yù)警系統(tǒng)需具備以下的幾項(xiàng)功能。

（1）定位功能：高速公路路線較長，為方便快速地查詢高速公路各處的屬性信息和水土流失情況，需通過數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)建立數(shù)據(jù)索引，實(shí)現(xiàn)空間定位。由于高速公路一般是根據(jù)樁號進(jìn)行分段管理的，本文參照這種管理方法，采用建立樁號的方法建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)索引。同時(shí)用戶也可根據(jù)公路項(xiàng)目組成名稱，如某某隧道、某某橋梁等屬性進(jìn)行信息查詢和管理。

（2）數(shù)據(jù)輸入及更新功能：選擇模型中，靜態(tài)因子可直接作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)納入系統(tǒng)中，動態(tài)因子需實(shí)時(shí)輸入進(jìn)行預(yù)警；預(yù)警數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)由人工獲取，獲取的數(shù)據(jù)需實(shí)時(shí)輸入系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫更新；

（3）實(shí)時(shí)預(yù)警功能：主要是實(shí)現(xiàn)高速公路兩側(cè)的邊坡水土流失強(qiáng)度的實(shí)時(shí)預(yù)警功能，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分級；

（4）數(shù)據(jù)輸出功能：作為預(yù)警結(jié)果的輸出，生成預(yù)警專題圖和各圖層屬性信息等；

（5）GIS 相關(guān)功能：主要包括地圖瀏覽、空間分析、圖層管理等。

其中定位功能和實(shí)時(shí)預(yù)警功能需要數(shù)據(jù)庫支持，而數(shù)據(jù)輸入、更新、輸出功能和GIS 相關(guān)功能則只需要預(yù)警系統(tǒng)支持即可，所以在建立數(shù)據(jù)庫時(shí)需重點(diǎn)考慮如何實(shí)現(xiàn)定位功能和水土流失實(shí)時(shí)預(yù)警功能。要達(dá)到該目的需完成以下兩方面內(nèi)容：①需選擇合適的模型，模型的各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)容易獲取，且能滿足實(shí)時(shí)預(yù)警的需求；②需對預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，建立友好的圖形顯示界面和科學(xué)的數(shù)據(jù)索引，方便對高速公路各處的水土流失情況進(jìn)行查詢、定位和管理[7]。

1.2 數(shù)據(jù)需求分析

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和預(yù)警模型的數(shù)據(jù)需求，確定高速公路水土流失預(yù)警數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)需求為以下兩類[8]。

（1）基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)

主要包括交通道路基本信息、邊坡基本信息、水系、居住地、樁號等。

由于高速公路水土流失預(yù)警所需數(shù)據(jù)均線性分布在道路兩側(cè)，所以可以樁號為索引，為每一段的道路、橋梁、隧道、坡面賦予起止樁號信息，在地理信息系統(tǒng)統(tǒng)一管理的空間數(shù)據(jù)庫支持之下，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，方便查詢和定位，可滿足系統(tǒng)的定位需求。

（2）水土流失預(yù)警數(shù)據(jù)

利用修正通用土壤流失方程進(jìn)行水土流失預(yù)警，需計(jì)算降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡度坡長因子、覆蓋與管理因子和水土保持措施因子。計(jì)算這些因子需要降雨數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、植被覆蓋度數(shù)據(jù)和水保措施數(shù)據(jù)等。

其中降雨數(shù)據(jù)是隨時(shí)間變化的，屬于水土流失動態(tài)預(yù)警數(shù)據(jù)；其余的數(shù)據(jù)則是水土流失靜態(tài)預(yù)警數(shù)據(jù)，如地形、地貌、植被、土壤和水保措施等，在一段時(shí)間內(nèi)這些數(shù)值一般是固定不變的。在建立數(shù)據(jù)庫時(shí)要考慮將兩類因素進(jìn)行分別處理，從而滿足系統(tǒng)的水土流失預(yù)警需求[9]。

2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與入庫

2.1 概念模型設(shè)計(jì)

通過歸納，本研究數(shù)據(jù)主要包含基礎(chǔ)地理信息屬性、靜態(tài)預(yù)警數(shù)據(jù)屬性和動態(tài)預(yù)警數(shù)據(jù)屬性（主要為降雨數(shù)據(jù)），據(jù)此抽象出的主要實(shí)體為：

（1）基礎(chǔ)地理信息屬性：遙感影像信息——描述研究區(qū)基本現(xiàn)狀；道路信息——包括研究區(qū)范圍、位置、樁號、橋梁、隧道等，方便定位查詢，描述公路組成元素及工程信息；氣象站信息——描述氣象站位置；居民地信息——描述人為活動區(qū)域；邊坡信息——包括類型、面積、樁號等，描述預(yù)測單元基本信息。

（2）靜態(tài)預(yù)警數(shù)據(jù)屬性：土壤信息——計(jì)算土壤可蝕性因子；地形信息——計(jì)算地形因子；土地利用類型信息——計(jì)算水土保持措施因子；植被覆蓋度信息——計(jì)算覆蓋與管理因子。

（3）動態(tài)預(yù)警數(shù)據(jù)屬性：降雨量、降雨強(qiáng)度——計(jì)算降雨侵蝕力。

2.2 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速公路水土流失預(yù)警數(shù)據(jù)庫包括兩部分，分別是空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫[10]。空間數(shù)據(jù)采用Geodatabase數(shù)據(jù)庫模型，以點(diǎn)、線、面形式表示，矢量和柵格兩種數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲，主要分為：基礎(chǔ)地理信息圖層、水土流失靜態(tài)預(yù)警數(shù)據(jù)圖層和水土流失動態(tài)預(yù)警數(shù)據(jù)圖層。屬性數(shù)據(jù)以屬性表的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中，通過唯一的標(biāo)識碼同圖形數(shù)據(jù)庫聯(lián)系在一起[11]。屬性數(shù)據(jù)庫主要包括基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)和水土流失預(yù)警數(shù)據(jù)。二者通過建立關(guān)鍵字標(biāo)識進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。矢量數(shù)據(jù)采用點(diǎn)、線、面表示，柵格數(shù)據(jù)采用柵格結(jié)構(gòu)表示，與空間無關(guān)的數(shù)據(jù)利用對象表存儲。

2.3 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)包括空間數(shù)據(jù)的物理表示和屬性數(shù)據(jù)的物理表示。

（1）空間數(shù)據(jù)的物理表示

按照各數(shù)據(jù)的邏輯類型不同，將其分為不同的數(shù)據(jù)層。空間實(shí)體在Geodatabase 中的表達(dá)方式如表1所示。

表1 空間實(shí)體在Geodatabase中的表達(dá)方式

表1（續(xù)）

（2）屬性數(shù)據(jù)的物理表示

在高速公路水土流失預(yù)警數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)不同類型的數(shù)據(jù)來選擇數(shù)據(jù)的物理表示類型，如表2～表3所示。

表2 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)表

表3 水土流失預(yù)警數(shù)據(jù)表

2.4 數(shù)據(jù)庫入庫

數(shù)據(jù)入庫工作主要包括矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的入庫處理。

（1）矢量數(shù)據(jù)

由于AutoCAD 廣泛應(yīng)用于公路設(shè)計(jì)中，收集的很多圖件都是CAD 圖，因此將CAD 圖件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Arc-GIS 所支持的圖件數(shù)據(jù)格式才能滿足建庫需要。GIS 注重?cái)?shù)據(jù)的應(yīng)用和分析，要求空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)相對應(yīng)，因此其數(shù)據(jù)必須有空間拓?fù)潢P(guān)系，使GIS 具有空間數(shù)據(jù)分析功能。本文通過信息篩選、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、面要素構(gòu)造等過程，完成人工邊坡的提取與轉(zhuǎn)換。

（2）柵格數(shù)據(jù)

柵格數(shù)據(jù)的處理對象主要是研究區(qū)的遙感影像、紙質(zhì)版的土壤類型分布圖和模型數(shù)據(jù)，對此類數(shù)據(jù)應(yīng)利用專業(yè)遙感影像數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理，主要包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)壓縮、柵格數(shù)據(jù)金字塔建立等工作。

（3）屬性數(shù)據(jù)

屬性數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄表格進(jìn)行錄入，需對照設(shè)計(jì)圖紙手動添加每個(gè)數(shù)據(jù)對象的起止點(diǎn)樁號、橋梁隧道名稱、人工邊坡坡度等屬性。在錄入過程中應(yīng)確保不要錯(cuò)誤與遺漏。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求與設(shè)計(jì)目標(biāo)，高速公路水土流失風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)主要包括4個(gè)子系統(tǒng)：系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、地理信息管理子系統(tǒng)和水土流失風(fēng)險(xiǎn)評估子系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)管理子系統(tǒng)

系統(tǒng)管理子系統(tǒng)包括系統(tǒng)登錄、用戶管理和日志查詢。

（1）系統(tǒng)登錄

本系統(tǒng)登錄有一個(gè)信息驗(yàn)證和識別過程，當(dāng)用戶名及密碼均正確時(shí)，登錄成功，并跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)主界面；如果用戶名或密碼錯(cuò)誤，將提示用戶名或密碼錯(cuò)誤。同時(shí)根據(jù)正確的用戶名判斷用戶的身份，然后分配相應(yīng)的權(quán)限。

（2）用戶管理

系統(tǒng)分為兩種用戶類型，分別為管理員用戶和普通用戶。其中普通用戶可以完成數(shù)據(jù)查詢和水土流失預(yù)警等一般操作；而管理員用戶還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行更新及編輯操作，以及對普通用戶進(jìn)行管理和查看用戶登錄日志等。

用戶管理包括添加用戶和刪除用戶兩個(gè)子功能，添加用戶用來增加系統(tǒng)使用的用戶，同時(shí)根據(jù)使用人員的工作分配用戶權(quán)限，用以保證系統(tǒng)的安全性；刪除用戶用來刪除系統(tǒng)使用用戶。

（3）日志查詢

日志查詢用來查詢?nèi)藛T使用系統(tǒng)的記錄，明確系統(tǒng)使用情況。

3.2 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的更新、備份、查詢和輸出等功能。

（1）數(shù)據(jù)更新

該功能是存儲數(shù)據(jù)庫中新增的數(shù)據(jù)信息，并計(jì)算高速公路的水土流失信息，完成數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息的更新。具有數(shù)據(jù)錄入權(quán)限的用戶，便可對底層數(shù)據(jù)（例如植被覆蓋度）發(fā)生變化的坡面進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

（2）數(shù)據(jù)備份

該功能是將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫保存到用戶指定的文件夾中備份。在數(shù)據(jù)庫中因意外操作使數(shù)據(jù)丟失時(shí)，可及時(shí)將備份的數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到系統(tǒng)中。

（3）數(shù)據(jù)查詢

查詢功能是對數(shù)據(jù)庫中已存儲的人工邊坡和自然邊坡的查看和瀏覽。該功能提供了數(shù)據(jù)檢索功能，根據(jù)查詢類型（包括隧道、道路、橋梁、自然邊坡和人工邊坡5 類），系統(tǒng)提供樁號查詢和名稱查詢兩種查詢方式。選擇查詢、輸入查詢條件后點(diǎn)擊查詢按鈕，即彈出查詢結(jié)果窗口，圖形界面自動定位到查詢結(jié)果位置。

（4）數(shù)據(jù)輸出

可輸出系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)，用于后面實(shí)際問題的處理。

3.3 地理信息管理子系統(tǒng)

本系統(tǒng)借助MapX 中的部分功能來實(shí)現(xiàn)對研究區(qū)地理信息的管理，通過代碼編程建立高速公路的圖形庫和屬性數(shù)據(jù)庫。以新河高速公路為背景，完成圖形庫、數(shù)據(jù)庫的建立以及相關(guān)文檔資料等信息的添加，實(shí)現(xiàn)圖層管理、圖層查詢、地圖輸出等功能。

3.3.1 圖層管理

該模塊包括對地圖數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)放大、縮小、平移、漫游、全圖、距離量算、面積量算等GIS 基礎(chǔ)功能，可較好地對山區(qū)高速公路邊坡進(jìn)行管理和操作。

3.3.2 圖層查詢

系統(tǒng)提供完善的查詢功能，可根據(jù)圖形查詢相應(yīng)的屬性信息，也可根據(jù)屬性數(shù)據(jù)查找圖形。數(shù)據(jù)查詢功能首先選擇要查詢的數(shù)據(jù)所在的圖層，然后根據(jù)用戶輸入的樁號或名稱等屬性特征，系統(tǒng)自動篩選出處于該范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，如有多個(gè)數(shù)據(jù)，則列表顯示各項(xiàng)目的屬性。各圖層查詢功能如下。

（1）隧道：在點(diǎn)擊隧道所處位置時(shí)應(yīng)彈窗顯示隧道名稱、起點(diǎn)樁號、終點(diǎn)樁號、隧道長度、隧道寬度等信息。隧道圖層為線圖層。查詢時(shí)可根據(jù)樁號信息進(jìn)行查詢，用戶輸入起止點(diǎn)樁號，系統(tǒng)自動篩選出處于該范圍內(nèi)的隧道，顯示該段的隧道總數(shù)，并列表顯示各隧道的屬性。隧道圖層的查詢功能還應(yīng)支持根據(jù)隧道名稱進(jìn)行查詢，查詢結(jié)果在地圖上自動定位到該處。

（2）橋梁：在點(diǎn)擊橋梁所處位置時(shí)應(yīng)彈窗顯示橋梁名稱、起點(diǎn)樁號、終點(diǎn)樁號、橋梁長度、橋梁寬度等信息。橋梁圖層為線圖層。查詢時(shí)可根據(jù)樁號信息進(jìn)行查詢，用戶輸入起止點(diǎn)樁號，系統(tǒng)自動篩選出處于該范圍內(nèi)的橋梁，顯示該段的橋梁總數(shù)，并列表顯示各橋梁的屬性。橋梁圖層的查詢功能還應(yīng)支持根據(jù)橋梁名稱進(jìn)行查詢。查詢結(jié)果在地圖上自動定位到該處。

（3）道路：在點(diǎn)擊道路所處位置時(shí)應(yīng)彈窗顯示起點(diǎn)樁號、終點(diǎn)樁號、道路長度、道路寬度以及道路總長等信息。道路圖層為線圖層。支持樁號查詢，由于道路沒有名稱，所以不支持名稱查詢。查詢結(jié)果在地圖上自動定位到該處。

（4）人工邊坡：點(diǎn)擊該邊坡還有根據(jù)樁號進(jìn)行查詢時(shí)，彈窗顯示該邊坡的起點(diǎn)樁號、終點(diǎn)樁號、邊坡類型（type）、水土保持措施、坡度、面積等信息。自定義區(qū)域查詢：用戶自己勾畫一個(gè)多邊形，多邊形所涉及的邊坡信息通過彈窗顯示整個(gè)區(qū)域內(nèi)各段的屬性信息（起點(diǎn)樁號、終點(diǎn)樁號、坡度、坡長、邊坡類型（type）、水土保持措施、坡度、面積、邊坡類型、土壤類型），邊坡總長度（整個(gè)區(qū)域的終點(diǎn)樁號—起點(diǎn)樁號），邊坡總面積。查詢結(jié)果在地圖上自動定位到該處。

（5）自然邊坡：點(diǎn)擊該邊坡還有根據(jù)樁號進(jìn)行查詢時(shí)，彈窗顯示該邊坡的起點(diǎn)樁號、終點(diǎn)樁號、土地利用類型、水土保持措施、植被覆蓋度、植被覆蓋度干旱、面積、邊坡類型。自定義區(qū)域查詢：用戶自己勾畫一個(gè)多邊形，多邊形所涉及的邊坡信息通過彈窗顯示整個(gè)區(qū)域內(nèi)各段的屬性信息（起點(diǎn)樁號、終點(diǎn)樁號、坡度、坡長、土地利用類型、水土保持措施、植被覆蓋度、植被覆蓋度干旱、面積、邊坡類型、土壤類型），邊坡總長度（整個(gè)區(qū)域的終點(diǎn)樁號—起點(diǎn)樁號），邊坡總面積。當(dāng)查詢?nèi)掌跒?～10月時(shí)，顯示植被覆蓋度，當(dāng)查詢?nèi)掌跒?1～次年4 月時(shí)，顯示植被覆蓋度干旱。查詢結(jié)果在地圖上自動定位到該處。

3.3.3 地圖輸出

水土流失監(jiān)測結(jié)果可以輸出為PDF、JPG、EMF、TIFF 等格式的圖片格式文件，查詢得到的數(shù)據(jù)則可以保存為Excel 表格，輸出地圖前可以選擇添加圖名、比例尺、指北針以及圖例等各圖形元素進(jìn)行地圖整飾。

3.4 水土流失預(yù)警子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心模塊，基于修正通用土壤流失方程RUSLE，分別以人工邊坡和自然邊坡為研究對象，根據(jù)實(shí)時(shí)降雨量實(shí)現(xiàn)水土流失預(yù)測，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級劃分。本模塊主要分為原始數(shù)據(jù)獲取、各因子計(jì)算和水土流失風(fēng)險(xiǎn)性分級三步。首先根據(jù)用戶輸入的4 個(gè)氣象站點(diǎn)的降雨量和最大30min 雨強(qiáng)I30，系統(tǒng)自動進(jìn)行空間插值從而得到整個(gè)面的降雨量和I30數(shù)值。利用R值計(jì)算公式得到R值，系統(tǒng)對每個(gè)邊坡的R值進(jìn)行空間提取。根據(jù)修正通用土壤流失方程計(jì)算得到水土流失強(qiáng)度。最后對其數(shù)值進(jìn)行分級，分為4 個(gè)等級，包括輕度 （0＜A＜1）、中度 （1≤A＜2）、強(qiáng)度 （2≤A＜3）、極強(qiáng)（A≥3）。數(shù)據(jù)分級繪制采用的分級著色法需使用繼承自IClassBreaksRenderer 接口的ClassBreaksRenderer對象，該接口控制了分類渲染對象的Field（分類的字段）、Breaks（分組的界點(diǎn)）、BreakCount（所有分組的數(shù)目）等主要信息，可根據(jù)分級數(shù)目和顏色對象分別設(shè)置ClassBreakRenderer 對象的不同符號。分級著色法還需要IBasicHsitogram 和IClassifyGEN 兩個(gè)接口，分別用于獲取相應(yīng)數(shù)值字段的數(shù)據(jù)、對應(yīng)頻數(shù)和對要素類中的數(shù)值字段類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分類。

點(diǎn)擊預(yù)警便可實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。預(yù)警結(jié)果分為水土流失結(jié)果和水土流失因子，預(yù)警結(jié)果查詢可直接在系統(tǒng)內(nèi)部查看，預(yù)警因子查詢則需要借助ArcGIS 軟件查看。同時(shí)可滿足預(yù)測結(jié)果排序和定位功能，選擇需查看邊坡，還可提示預(yù)測結(jié)果和信息。

4 案例應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)來源與處理

（1）氣象數(shù)據(jù)：2014 年的降雨量數(shù)據(jù)來自河口瑤族自治區(qū)、屏平邊苗族自治縣、金平苗族瑤族自治縣與蒙自氣象部門。降雨量數(shù)據(jù)每隔5min獲取一次。

（2）土壤數(shù)據(jù)：土壤類型數(shù)據(jù)由云南交通科學(xué)研究院有限公司提供。土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)為2014 年通過實(shí)地調(diào)查、采集獲得。最終獲得186個(gè)土樣[6]。

（3）數(shù)據(jù)地形資料：新河高速公路地形圖及設(shè)計(jì)圖由云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院提供，為1∶200DWG格式的CAD 圖，地形圖坐標(biāo)系采用的是CGCS2000 坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)為1985 國家高程基準(zhǔn)。通過處理分析生成1∶2000DEM圖。

（4）遙感影像：遙感影像來自無人機(jī)航拍，拍攝時(shí)間為2019年7—8月，精度為1∶2000。

（5）植被數(shù)據(jù)：植被類型與植被種類組成主要通過現(xiàn)場調(diào)查取得。自然邊坡植被覆蓋通過對遙感影像提取歸一化植被指數(shù)（NDVI）獲?。蝗斯み吰轮脖簧w度通過現(xiàn)場調(diào)查獲取。

（6）水土保持措施：主要通過對無人機(jī)遙感影像目視解譯、實(shí)地采樣，參照監(jiān)督分類結(jié)果進(jìn)行人工分類矢量化獲取。

4.2 預(yù)測模型選擇

本文采用修正通用土壤流失方程對高速公路水土流失進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警[7]，公式如下：

式（1）中：A為單位面積產(chǎn)生的土壤侵蝕量（t/km2·a）；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；C為覆蓋與管理因子；P為水土保持措施因子。各因子取值可參考梁斌的研究成果[12]。

4.3 預(yù)警系統(tǒng)預(yù)測

本文通過模擬20 年一遇降雨條件下各路段的土壤侵蝕量完成各路段的水土流失風(fēng)險(xiǎn)性初步分析。首先確保ARCGIS 保持打開狀態(tài)，點(diǎn)擊“高速公路水土流失預(yù)警系統(tǒng)”，輸入用戶名及密碼登錄，點(diǎn)擊“預(yù)警系統(tǒng)”，分別選擇“人工邊坡”和“自然邊坡”進(jìn)行預(yù)警，輸入蒙自、屏邊、金平、河口降雨量（mm）：88,107, 125, 138 和I30（mm/h）：38, 42, 60, 62。點(diǎn)擊確定，系統(tǒng)在后臺計(jì)算，并采用自然間斷法對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分級。

根據(jù)分級結(jié)果發(fā)現(xiàn)新河高速公路沿線無水土流失風(fēng)險(xiǎn)（＜116t/km2）及輕度風(fēng)險(xiǎn)（116～416t/km2）的預(yù)測單元所占面積百分比為88.60%，這些地區(qū)的水土流失風(fēng)險(xiǎn)性較低，基本不會對道路行車安全造成影響。中度風(fēng)險(xiǎn)（416～842t/km2）的預(yù)測單元所占面積百分比為4.29%，這些地區(qū)在一般降雨強(qiáng)度下發(fā)生水土流失災(zāi)害的危險(xiǎn)性較低，但是在高強(qiáng)度降雨條件下很可能發(fā)生一定規(guī)模的水土流失災(zāi)害。

高度風(fēng)險(xiǎn)和極高風(fēng)險(xiǎn)的單元面積所占百分比為7.11%，這些地區(qū)的水土流失風(fēng)險(xiǎn)較大，例如對于K134+500—K135+500 共1 000m 長的路段，其兩側(cè)邊坡在20年一遇降雨條件下平均土壤侵蝕量高達(dá)1757t/km2，即使只有部分泥沙淤積在路面上也會對道路行車安全造成影響。

5 結(jié)語

山區(qū)高速公路涉及的水土流失類型復(fù)雜，本文僅考慮了水力侵蝕模型計(jì)算區(qū)域的土壤侵蝕量，未涉及風(fēng)力侵蝕模型計(jì)算土壤侵蝕量，山區(qū)高速公路邊坡水土流失實(shí)時(shí)預(yù)警功能有待進(jìn)一步完善。同時(shí)，本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了對新河高速公路兩側(cè)邊坡水土流失的預(yù)測，但目前仍需手動輸入降雨數(shù)據(jù)，而氣象部門已具備降雨動態(tài)監(jiān)控的能力，如何將實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)與系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)真正的動態(tài)監(jiān)測是下一步的重要研究內(nèi)容。