區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)踐

陳 妮，王 靜，陳 東，王美林，郭子豪，李 健，應(yīng) 豐，周 弈

(中國(guó)電建集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

水土流失是我國(guó)當(dāng)前面臨的重大生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，科學(xué)有效地開展水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)有助于及時(shí)掌握水土流失動(dòng)態(tài)變化情況，對(duì)于指導(dǎo)生態(tài)建設(shè)具有重要意義。2018年水利部印發(fā)了《全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)規(guī)劃(2018—2022年)》，之后又陸續(xù)印發(fā)了《區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定(試行)》《2019年水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作優(yōu)化方案》《2020年度水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)指南》《2021年度水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)指南》，對(duì)水力侵蝕地區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法做出了明確規(guī)定，要求以縣為基本單位，按照中國(guó)土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation, CSLE)開展區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作。此項(xiàng)工作數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、成果統(tǒng)計(jì)形式煩瑣、時(shí)間要求緊迫，在實(shí)際過(guò)程中需要投入大量的人力和物力，且作業(yè)效率低、易出錯(cuò)，因此迫切需要根據(jù)技術(shù)規(guī)范研發(fā)功能完善的區(qū)域土壤侵蝕評(píng)定及統(tǒng)計(jì)的自動(dòng)化軟件，以更加科學(xué)、快捷、準(zhǔn)確地掌握水土流失現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)。

1 需求分析

基于《2021年度水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)指南》，梳理CSLE模型需要的參數(shù)、參數(shù)的計(jì)算方法、成果數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)及整編要求，分別開發(fā)土壤侵蝕因子和土壤侵蝕強(qiáng)度的計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)批量處理模塊、成果數(shù)據(jù)自動(dòng)填寫整編表格模塊，形成區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件(以下簡(jiǎn)稱監(jiān)測(cè)軟件)。

1.1 模型計(jì)算需求

在水力侵蝕地區(qū)，依據(jù)《2021年度水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)指南》中給定的方法確定各因子值，采用CSLE模型計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)。CSLE模型基本形式為

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L為坡長(zhǎng)因子，無(wú)量綱；S為坡度因子，無(wú)量綱；B為植被覆蓋與生物措施因子，無(wú)量綱；E為工程措施因子，無(wú)量綱；T為耕作措施因子，無(wú)量綱。

土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算功能是根據(jù)用戶輸入的參數(shù)和數(shù)據(jù)預(yù)處理的結(jié)果計(jì)算出土壤侵蝕模數(shù)。各因子中，R、K因子取值采用水利部統(tǒng)一下發(fā)數(shù)據(jù)，L、S因子由流域機(jī)構(gòu)統(tǒng)一生產(chǎn)。除R、K、L、S外其他因子的計(jì)算、部分因子的修正及土壤侵蝕強(qiáng)度的判定，以往主要采用ArcPy腳本或者ArcGIS平臺(tái)Model Builder工具實(shí)現(xiàn)，不足之處在于穩(wěn)定性低、遷移性差、對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑要求高、土壤侵蝕統(tǒng)計(jì)成果缺乏預(yù)覽等。因此，監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)需要先實(shí)現(xiàn)B、E、T的計(jì)算及基于土地利用的L、S因子修正，再根據(jù)CSLE模型計(jì)算得到整個(gè)空間單元對(duì)應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)和土壤侵蝕強(qiáng)度。當(dāng)土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算功能執(zhí)行完成后，監(jiān)測(cè)軟件需要實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果預(yù)覽和不同土地利用類型水土流失面積統(tǒng)計(jì)，以提前控制成果質(zhì)量。

1.2 數(shù)據(jù)批量處理需求

植被覆蓋度計(jì)算過(guò)程中采用的參數(shù)修正方法需要依據(jù)水利部下發(fā)的植被覆蓋度修訂系數(shù)，批量修訂近3 a每年24個(gè)半月的植被覆蓋數(shù)據(jù)，并計(jì)算近3 a24個(gè)半月植被覆蓋度平均值。同時(shí)，在區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果電子數(shù)據(jù)整編工作中，為了便于成果過(guò)程管理和土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算，要求將監(jiān)測(cè)區(qū)域及區(qū)域內(nèi)各縣的電子數(shù)據(jù)按統(tǒng)一格式存儲(chǔ)，且數(shù)據(jù)命名方式符合規(guī)定。在以往工作中，植被覆蓋度的批量計(jì)算采用ArcPy腳本實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)裁剪、重命名是由人工分步驟進(jìn)行的，不能同步實(shí)現(xiàn)。因此，監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)批量計(jì)算，以及數(shù)據(jù)批量裁剪、命名功能。

1.3 成果統(tǒng)計(jì)需求

水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)整編成果是中國(guó)水土保持公報(bào)的重要內(nèi)容，同時(shí)也是部分省市進(jìn)行水土保持目標(biāo)責(zé)任制考核的重要依據(jù)之一。依據(jù)《2021年度水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)指南》規(guī)定，年度區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整編工作中各縣需統(tǒng)計(jì)87張表格。在以往工作中，技術(shù)人員通過(guò)ArcGIS對(duì)監(jiān)測(cè)成果柵格、矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，過(guò)程煩瑣，工作量大，且容易出錯(cuò)，急需開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)。經(jīng)復(fù)雜程度分析，軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)土地利用、植被覆蓋度及土壤侵蝕結(jié)果的自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)，水土保持措施統(tǒng)計(jì)可直接依據(jù)水土保持措施矢量屬性表填寫，人為擾動(dòng)地塊結(jié)果統(tǒng)計(jì)工作包括在土地利用結(jié)果和土壤侵蝕結(jié)果統(tǒng)計(jì)之內(nèi)，不用單獨(dú)開發(fā)軟件功能子項(xiàng)。根據(jù)各個(gè)縣級(jí)行政區(qū)面積，監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)在成果統(tǒng)計(jì)過(guò)程中對(duì)行政區(qū)面積進(jìn)行校正，且為保證統(tǒng)計(jì)表中的面積與比例閉合，還需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)面積平差及校核功能。

2 監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件環(huán)境設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)軟件基于Windows平臺(tái)，同時(shí)為提升整個(gè)系統(tǒng)的處理效率，使用C#語(yǔ)言作為用戶界面的訪問(wèn)接口，C++語(yǔ)言作為算法底層的實(shí)現(xiàn)，將兩者相結(jié)合從而加快程序的開發(fā)速度，保證程序的質(zhì)量。

(1)監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)環(huán)境。硬件環(huán)境為Intel(R) Core(TM) i7-8700K CPU@3.70 GHz 12核處理器；操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 10 Professional 64 位；開發(fā)語(yǔ)言包括.NET環(huán)境、C#語(yǔ)言、C++語(yǔ)言，基于ArcGIS Engine10.2.2進(jìn)行二次開發(fā)。

(2)監(jiān)測(cè)軟件運(yùn)行環(huán)境。硬件條件內(nèi)存8 GB以上，硬盤剩余空間500 GB以上，處理器酷睿i5 4核以上；計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)Windows 10專業(yè)版/企業(yè)版；軟件包括ArcGIS 10.2系列及Office 2010、2013、2016。

2.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到監(jiān)測(cè)軟件數(shù)據(jù)具有一定保密性，不能在網(wǎng)絡(luò)流通，并且涉及大量數(shù)據(jù)運(yùn)算，對(duì)應(yīng)用計(jì)算機(jī)的內(nèi)存、數(shù)據(jù)讀取速度、處理器計(jì)算效率要求較高，因此監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)為單機(jī)版軟件架構(gòu)模式。

2.3 軟件功能模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)軟件功能主要包括土壤侵蝕因子計(jì)算、批量處理、土壤侵蝕強(qiáng)度判定、成果統(tǒng)計(jì)4個(gè)方面(見(jiàn)圖1)。每個(gè)功能模塊下面有相對(duì)應(yīng)的功能子項(xiàng)，軟件功能模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 監(jiān)測(cè)軟件首頁(yè)界面

圖2 監(jiān)測(cè)軟件功能模塊結(jié)構(gòu)

2.3.1 土壤侵蝕因子計(jì)算功能模塊

土壤侵蝕因子計(jì)算主要包括E、T、B因子的計(jì)算及L、S因子的修訂。

(1)從土壤侵蝕地塊屬性表獲取“工程措施類型或代碼”和“耕作措施輪作區(qū)代碼”字段值，將土壤侵蝕地塊轉(zhuǎn)換為10 m分辨率的土地利用柵格數(shù)據(jù)，分別計(jì)算柵格單元對(duì)應(yīng)的E、T因子值。

(2)根據(jù)用戶輸入的10 m分辨率土地利用柵格、喬木林林下蓋度(GD)及蓋度修訂系數(shù)等模型參數(shù)，然后結(jié)合24期植被覆蓋度(FVC)計(jì)算園地、林地、草地的土壤流失比例(slr)。導(dǎo)入降雨侵蝕力占全年侵蝕力比例(wr)，計(jì)算得到B因子值。

(3)基于流域機(jī)構(gòu)統(tǒng)一計(jì)算的L、S因子值，讀取土地利用柵格數(shù)據(jù)，根據(jù)《2021年度水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)指南》修正當(dāng)前柵格單元位置的L、S因子值。

2.3.2 數(shù)據(jù)批量處理功能模塊

數(shù)據(jù)批量處理主要包括植被覆蓋度批量計(jì)算及批量裁剪。

(1)在監(jiān)測(cè)軟件中輸入近3年每年24 個(gè)半月250 m空間分辨率MODIS-NDVI植被指數(shù)產(chǎn)品，計(jì)算得到植被覆蓋度數(shù)據(jù)及24期30 m空間分辨率植被覆蓋度修訂系數(shù)，依次計(jì)算某監(jiān)測(cè)年前3年的每年24個(gè)半月10 m植被覆蓋度，再將3年?yáng)鸥駭?shù)據(jù)進(jìn)行平均值運(yùn)算，得到3年平均24個(gè)半月植被覆蓋度。

(2)批量裁剪分為一裁多及多裁一兩種情況。對(duì)于一裁多，導(dǎo)入一個(gè)縣的邊界矢量文件，以及多個(gè)矢量或柵格文件，輸入縣名稱，選擇裁剪輸出文件夾，軟件自動(dòng)創(chuàng)建縣文件夾并輸出以縣級(jí)代碼及縣名稱開頭的裁剪成果。對(duì)于多裁一，選擇多個(gè)縣的邊界矢量文件，導(dǎo)入一個(gè)矢量或柵格數(shù)據(jù)，輸入縣名稱，選擇輸出路徑，軟件自動(dòng)創(chuàng)建多個(gè)縣文件夾并輸出以縣級(jí)代碼及縣名稱開頭的裁剪結(jié)果。

2.3.3 土壤侵蝕強(qiáng)度判定功能模塊

土壤侵蝕強(qiáng)度判定主要包括土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算、人為擾動(dòng)地塊侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)和土壤侵蝕強(qiáng)度判定。

(1)根據(jù)CSLE模型，輸入7個(gè)土壤侵蝕因子做乘積運(yùn)算，計(jì)算當(dāng)前柵格的土壤侵蝕模數(shù)。

(2)基于用戶輸入的土壤侵蝕地塊數(shù)據(jù)，獲取土地利用類型中的人為擾動(dòng)地塊及其工程措施類型，結(jié)合利用坡度數(shù)據(jù)計(jì)算出的人為擾動(dòng)地塊原地面平均坡度，判定其土壤侵蝕強(qiáng)度，疊加基于實(shí)地調(diào)查的人為擾動(dòng)地塊侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)人為擾動(dòng)地塊整體侵蝕強(qiáng)度，并轉(zhuǎn)為10 m空間分辨率的柵格圖層。

(3)基于土壤侵蝕模數(shù)，依據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，判定每個(gè)柵格的土壤侵蝕強(qiáng)度。人為擾動(dòng)地塊直接采用其土壤侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)柵格數(shù)據(jù)，融合形成土壤侵蝕專題圖層。通過(guò)監(jiān)測(cè)軟件后臺(tái)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，預(yù)覽土壤侵蝕強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果及不同土地利用類型水土流失面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)圖3。

圖3 土壤侵蝕強(qiáng)度判定界面

2.3.4 成果統(tǒng)計(jì)功能模塊

成果統(tǒng)計(jì)功能主要是實(shí)現(xiàn)土地利用、植被覆蓋度及土壤侵蝕的自動(dòng)化統(tǒng)計(jì)，生成土地利用、土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣、植被覆蓋度、土壤侵蝕面積、水土流失轉(zhuǎn)移矩陣、不同坡度等級(jí)耕地面積、不同土地利用類型水力侵蝕面積、不同坡度等級(jí)耕地水土流失面積、園林草地水土流失面積、不同坡度等級(jí)植被覆蓋度、不同坡度等級(jí)園林草地水土流失面積等，共計(jì)11張表格，其余的土地利用、植被覆蓋度及土壤侵蝕結(jié)果統(tǒng)計(jì)表格均可以由這11張表格填寫內(nèi)容得到。成果統(tǒng)計(jì)模塊通過(guò)讀取輸入的柵格、矢量數(shù)據(jù)和行政區(qū)面積，進(jìn)行后臺(tái)統(tǒng)計(jì)、面積平差、校核，輸出填寫好的表格。

3 軟件應(yīng)用與實(shí)踐

監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)完成后，首次應(yīng)用于2021年度新安江國(guó)家重點(diǎn)預(yù)防區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中，支撐第三方技術(shù)服務(wù)單位完成了10個(gè)縣(市、區(qū))的數(shù)據(jù)處理、模型計(jì)算及成果統(tǒng)計(jì)工作，總計(jì)面積1.78萬(wàn)km2，生產(chǎn)數(shù)據(jù)2 TB，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)表格200余份。與傳統(tǒng)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)方式相比，極大地減少了工作量，運(yùn)算速度提升了80%，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間節(jié)約了80%，報(bào)表統(tǒng)計(jì)工作效率提升了150%。2021年新安江國(guó)家重點(diǎn)預(yù)防區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作在通過(guò)水利部遙感解譯和專題信息提取抽查后，需在1個(gè)月內(nèi)完成動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果的初步計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，在此緊迫情況下，該軟件為第三方技術(shù)服務(wù)單位在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)圓滿完成動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作提供了重要的技術(shù)保障。

4 結(jié) 語(yǔ)

監(jiān)測(cè)軟件為水保技術(shù)人員在數(shù)據(jù)處理方面提供了極大便利，能夠按要求生成準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)或報(bào)表，簡(jiǎn)化了作業(yè)流程，減少了大量的中間運(yùn)算過(guò)程，節(jié)約了時(shí)間成本和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間成本，具備為區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供侵蝕強(qiáng)度自動(dòng)化計(jì)算和成果高效化整編的能力。

監(jiān)測(cè)軟件的應(yīng)用推動(dòng)第三方技術(shù)服務(wù)單位在遵循統(tǒng)一的技術(shù)路線和方法基礎(chǔ)上，開展區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕因子計(jì)算、數(shù)據(jù)批量處理、土壤侵蝕強(qiáng)度判定、監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)等全流程監(jiān)測(cè)工作的自動(dòng)化，進(jìn)一步推進(jìn)了全國(guó)區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作的智能化進(jìn)程，提高了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)工作的效率和質(zhì)量，為今后的區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范提供了思路。后續(xù)將進(jìn)一步增強(qiáng)監(jiān)測(cè)軟件使用中的報(bào)錯(cuò)功能及容錯(cuò)能力，優(yōu)化用戶界面。