基于GIS的土壤風(fēng)蝕模型軟件構(gòu)建

張亦超，史明昌，，岳德鵬?，楊貴森，孫成寶，徐曉桃，王珊

(1.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，省部共建森林資源培育與保護教育部重點實驗室，100083，北京;2.北京地拓研究院，100084，北京;3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團水土保持監(jiān)測總站，830002，烏魯木齊)

風(fēng)蝕即風(fēng)力侵蝕，是指一定風(fēng)速的氣流作用于土壤或土壤母質(zhì)，而使土壤顆粒發(fā)生位移，造成土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤物質(zhì)損失的過程［1］。風(fēng)蝕災(zāi)害給經(jīng)濟建設(shè)、農(nóng)業(yè)林業(yè)、社會發(fā)展、大氣環(huán)境及人民生命財產(chǎn)和健康帶來嚴重不利影響。在土壤風(fēng)蝕監(jiān)測工作中，傳統(tǒng)研究方法主要是手工記錄，主要存在以下缺點:信息實時處理能力不強，數(shù)據(jù)保存周期長;時空分析與模型分析能力弱;數(shù)據(jù)橫向深度挖掘能力不強［2］。所以，傳統(tǒng)風(fēng)蝕計算分析方法既不利于數(shù)據(jù)的深入分析，也不利于土壤風(fēng)蝕模型因子的動態(tài)監(jiān)測和實時更新，從某種意義上說限制了土壤風(fēng)蝕監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，由于缺少地理信息系統(tǒng)支持，土壤風(fēng)蝕結(jié)果很難被直觀表達出來。

隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，GIS結(jié)合RS、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等技術(shù)越來越多地被應(yīng)用到實際研究中。許多專家學(xué)者在利用GIS技術(shù)建立風(fēng)蝕監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫等方面進行了大量研究。例如:張國平等［3］利用GIS時空分析功能，得到土壤風(fēng)蝕影響因子分布圖，并建立了全國1∶10萬土壤風(fēng)蝕數(shù)據(jù)庫;陳冉等［4］利用 ARM-Linux、GPRS 等技術(shù)實現(xiàn)了風(fēng)蝕風(fēng)沙與小環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并已在吉林白城投入使用;齊清文等［5］利用ArcGIS二次開發(fā)出云南省沿邊境地帶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境變化的動態(tài)仿真和虛擬表達，建立了云南沿海基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。在歐美等發(fā)達國家，GIS技術(shù)在60年代就開始了應(yīng)用，最初主要是處理人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)、資源普查數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)應(yīng)用，進入21世紀后，GIS技術(shù)已經(jīng)得到更深入的應(yīng)用，如微軟的Virtual Earth 3D——虛擬地球、GOOGLE EARTH 等大型項目［6］。

基于以上現(xiàn)狀，筆者結(jié)合土壤風(fēng)蝕模型與GIS技術(shù)，通過改進數(shù)據(jù)的記錄方式和分析表達方法，提高工作效率并克服傳統(tǒng)方法信息更新不及時、數(shù)據(jù)保存周期長等弱點:利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)多個客戶端同時連接上傳資料，實現(xiàn)監(jiān)測過程中不同地點同時上報數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)庫組織模型設(shè)計，提高數(shù)據(jù)存儲效率，實現(xiàn)批量存儲柵格數(shù)據(jù)。將GIS應(yīng)用于土壤風(fēng)蝕監(jiān)測中不僅可以實現(xiàn)基本的空間及屬性數(shù)據(jù)的管理，還能夠通過計算進行綜合分析處理，可為農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)建設(shè)提供決策支持。

1 基于GIS的土壤風(fēng)蝕監(jiān)測系統(tǒng)平臺架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)建設(shè)目標

1)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫對柵格數(shù)據(jù)的高效讀取。設(shè)計高效的數(shù)據(jù)庫組織模型，提高柵格數(shù)據(jù)讀取和寫入的效率，因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，可隨時通過GIS系統(tǒng)時空分析對因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)進行分析，實現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)的高效使用分析［7］。

2)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。網(wǎng)絡(luò)GIS資源庫即利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、空間信息基礎(chǔ)服務(wù)、空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范，形成虛擬的空間信息管理與處理環(huán)境，實現(xiàn)數(shù)據(jù)多點傳輸，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率和實時性，為用戶提供一站式的空間信息數(shù)據(jù)分析服務(wù)［8］。

3)實現(xiàn)土壤風(fēng)蝕最終數(shù)據(jù)的可視化表達。系統(tǒng)首先計算所提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)年份的土壤風(fēng)蝕模數(shù)，之后可以實現(xiàn)土壤風(fēng)蝕強度分級，直觀分析風(fēng)蝕分布地區(qū)，并可通過時間分析模塊實現(xiàn)多年份土壤風(fēng)蝕量數(shù)據(jù)的比較分析。

1.2 系統(tǒng)的體系架構(gòu)

1)技術(shù)支撐層。技術(shù)支撐層為系統(tǒng)的最底層，包含GIS/RS技術(shù)、服務(wù)器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，是本地控制的接口，實現(xiàn)局部數(shù)據(jù)信息與共享數(shù)據(jù)信息相互交互操作，為系統(tǒng)運行提供基礎(chǔ)技術(shù)支持［9］。系統(tǒng)采用組件化技術(shù)作為主要的手段進行軟件系統(tǒng)的開發(fā)，在應(yīng)用界面創(chuàng)建應(yīng)用接口，基于接口在形式上表現(xiàn)為對象的屬性、方法和事件，為用戶提供組件式GIS應(yīng)用。

2)數(shù)據(jù)服務(wù)層。數(shù)據(jù)服務(wù)層主要用來存儲模型計算所需的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)模型計算的數(shù)據(jù)實時讀取、寫入，為土壤風(fēng)蝕分級和風(fēng)蝕量計算提供數(shù)據(jù)存儲支持。支持為遠程客戶與中心數(shù)據(jù)庫進行聯(lián)機操作，保持服務(wù)器與客戶端數(shù)據(jù)同步。為了使數(shù)據(jù)庫設(shè)計科學(xué)合理，數(shù)據(jù)庫設(shè)計要求符合3NF規(guī)范，將空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及其元數(shù)據(jù)有機組合［10］，包含TCL綁定，同時通過Wrapper支持其他語言的綁定。

3)應(yīng)用層。應(yīng)用層是用戶在系統(tǒng)上進行操作，包括系統(tǒng)功能顯示及操作結(jié)果顯示，實現(xiàn)了土壤風(fēng)蝕模型計算的具體功能。構(gòu)建的軟件系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.3 土壤侵蝕模數(shù)計算模型

1.3.1 模型的選取 選擇中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所提出的風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ停?1］中的大田推廣模型作為基礎(chǔ)模型。該模型在京津風(fēng)沙源治理項目中得到成功運用并經(jīng)受了實踐的檢驗，在第1次全國水利普查中，該模型再次被選為土壤風(fēng)蝕普查所用模型，其科學(xué)性和實用性再次得到印證和檢驗。其原始模型如下。

圖1 構(gòu)建軟件系統(tǒng)的總體框架Fig．1 General framework of software system structure

1)耕地模型

式中:Qfa為農(nóng)田土壤風(fēng)蝕模數(shù)，t/(hm2·a);C為尺度修訂系數(shù)，約為0.001 8;z為地表粗糙度;A為風(fēng)速修訂系數(shù);Uj為氣象站整點風(fēng)速統(tǒng)計中高于臨界侵蝕風(fēng)速的第j級風(fēng)速，m/s，耕地Uj=1為5.5 m/s;tj為風(fēng)蝕活動發(fā)生月份內(nèi)風(fēng)速為Uj的累積時間，min;a1、b1、c1為與耕地土壤類型有關(guān)的常數(shù)項，分別取-9.208、0.018、1.955。

2)林草地模型

式中:Qfaf為草地或林地土壤風(fēng)蝕模數(shù)，t/(hm2·a);V為植被蓋度，%;a2、b2、c2為與林地土壤類型有關(guān)的常數(shù)項，分別取2.486 9、-0.001 4、-54.947 2。

3)沙地模型

式中:Qfs為沙地風(fēng)蝕模數(shù)，t/(hm2·a);A為風(fēng)速修訂系數(shù);V為植被覆蓋度，%;沙地 Uj=1為5 m/s;a3、b3、c3為與沙地土壤類型有關(guān)的常數(shù)項，分別取6.168 9、-0.074 3、-27.961 3。

1.3.2 模型的修正 根據(jù)研究區(qū)實際情況，對模型進行修正和驗證。

1)修正方法。由于研究區(qū)年均降水量不足100 mm，而年均蒸發(fā)量高達2 558.9 mm;因此，降水對風(fēng)蝕的影響微乎其微，研究區(qū)內(nèi)土壤含水量增加主要來源于灌溉。在土壤含水量如何影響土壤風(fēng)蝕量方面，國內(nèi)外學(xué)者從定性上已形成共識［12］。研究一致認為，隨著土壤含水量的增加，土壤風(fēng)蝕量是降低的［13］，因此，在耕地模型中加入了土壤含水量因子。

土壤質(zhì)地是影響風(fēng)蝕的關(guān)鍵因素之一，不同的土壤類型造成下墊面特性有差異［14］。直徑小于0.84 mm的顆粒最易于風(fēng)蝕［15］，因此，在耕地模型和林草地模型中加入了土壤粒徑因子。據(jù)吳正［16］研究，塔克拉瑪干沙漠的沙子幾乎不含粒徑大于1.0 mm的極粗沙，0.5 mm粒徑的粗沙平均值也只有0.02%，基本可以視為所有顆粒均為可蝕性;因此，沙地模型中沒有必要加入土壤粒徑因子。

為防止和控制風(fēng)蝕，研究區(qū)采取多種防風(fēng)蝕措施，具體措施如表1所示。通過實地考察并結(jié)合國內(nèi)研究者在經(jīng)濟林防風(fēng)蝕、風(fēng)蝕措施因子賦值、保護性耕作措施等方面的研究，估算出人工措施因子的值，并對人工措施因子分別進行賦值［17-20］。

表1 研究區(qū)人工措施因子估算值Tab．1 Estimated values of factors of artificial measures

2)修正后的模型。通過以上修正，得到修正后的模型如下。

1)耕地風(fēng)蝕模數(shù)模型

式中:S為直徑大于0.84 mm的沙粒所占比例，%;W為土壤濕度，%;P為人工措施因子。

2)林草地風(fēng)蝕模數(shù)模型

3)沙地風(fēng)蝕模數(shù)模型

1.4 模型計算流程

首先將土壤風(fēng)蝕模型中的基礎(chǔ)因子數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中，根據(jù)柵格值編碼所屬模型區(qū)，將模型軟件系統(tǒng)對柵格數(shù)據(jù)中存儲的各因子數(shù)據(jù)值代入不同模型公式分別進行自動運算，并從時間和空間2個層面快速得到風(fēng)蝕模數(shù)大小及風(fēng)蝕強度分級結(jié)果。軟件系統(tǒng)風(fēng)蝕模型計算流程如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)風(fēng)蝕模型計算流程Fig．2 Flow chart of calculation on wind erosion model software

2 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)的具體功能

根據(jù)軟件系統(tǒng)風(fēng)蝕模型結(jié)構(gòu)框架，模型軟件系統(tǒng)共劃分成5個子功能模塊，即數(shù)據(jù)管理模塊、柵格管理模塊、時間分析模塊、空間分析模塊、幫助模塊。以所測2010年新疆塔里木盆地數(shù)據(jù)為例，介紹軟件系統(tǒng)的功能。軟件系統(tǒng)風(fēng)蝕模型功能框架如圖3所示。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)入庫

系統(tǒng)為風(fēng)蝕量計算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供了全面的數(shù)據(jù)庫支持，對不同數(shù)據(jù)類型設(shè)計了不同的存儲方式，可以隨時對數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出。這些數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，并在UI前端展現(xiàn)給用戶，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的可視化管理，提高了工作效率，保證了數(shù)據(jù)的準確性和傳輸?shù)膶崟r性，為模型計算提供了基礎(chǔ)支持。系統(tǒng)存儲方式如圖4所示。

2.2 風(fēng)力因子計算

風(fēng)力因子數(shù)據(jù)是土壤風(fēng)蝕計算模型中的基礎(chǔ)因子數(shù)據(jù)，用于根據(jù)地區(qū)條件和氣象站點分布情況作氣象數(shù)據(jù)插值，插值方法為距離倒數(shù)插值。利用調(diào)取數(shù)據(jù)資源庫里的對象進行插值計算，計算結(jié)果以柵格格式保存在資源庫中，風(fēng)速因子基礎(chǔ)數(shù)據(jù)直接以“.txt”格式入庫，柵格數(shù)據(jù)以外部數(shù)據(jù)的方式由系統(tǒng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫。

圖3 軟件系統(tǒng)風(fēng)蝕模型功能Fig．3 Function of soil erosion model software

圖4 軟件土壤風(fēng)蝕系統(tǒng)功能及數(shù)據(jù)存儲方式Fig．4 Function and data storage of soil erosion model software

2.3 土壤風(fēng)蝕強度分級和風(fēng)蝕量統(tǒng)計

土壤風(fēng)蝕空間分析分為土壤風(fēng)蝕強度分級和風(fēng)蝕量統(tǒng)計。土壤風(fēng)蝕強度分級是將風(fēng)力侵蝕強度按劇烈程度分成6級，并輸出土壤風(fēng)蝕強度分級圖(以2010年數(shù)據(jù)為例);風(fēng)蝕量統(tǒng)計分析是將模型因子數(shù)據(jù)通過模型計算得到土壤侵蝕模數(shù)結(jié)果，并將其統(tǒng)計加和，輸出土壤風(fēng)蝕模數(shù)分布圖(以2010年數(shù)據(jù)為例)。

在計算過程中，先確定要進行土壤侵蝕模數(shù)計算的月份和當前模型所屬的土地利用類型，再進行土壤風(fēng)蝕量計算。計算結(jié)果為土壤風(fēng)蝕最終數(shù)據(jù)，即土壤風(fēng)蝕強度分級圖(圖5)、土壤侵蝕模數(shù)分布圖(圖6)。

2.4 時間分析

在得到計算結(jié)果之后，根據(jù)用戶需求，可以做出歷年或當年每個月的土壤風(fēng)蝕量直方對比圖，顯示風(fēng)蝕量變化趨勢和土壤侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)，如圖7所示。

3 結(jié)論

1)軟件利用計算機技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)庫中柵格數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)的實時讀取和監(jiān)控，通過這項技術(shù)可以為大尺度區(qū)域土壤風(fēng)蝕量進行快速計算和存儲。

2)軟件將通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)多點數(shù)據(jù)同時上傳，實現(xiàn)各監(jiān)測點數(shù)據(jù)同步更新，克服了傳統(tǒng)方法中數(shù)據(jù)更新不及時的弱點。

3)軟件通過設(shè)計高效數(shù)據(jù)庫組織模型，實現(xiàn)對柵格數(shù)據(jù)的高效讀取和運算，從而實現(xiàn)對土壤風(fēng)蝕模數(shù)的實時、高效計算和時空分析。

4)軟件系統(tǒng)可以從時間和空間尺度上快速得到風(fēng)蝕模數(shù)及風(fēng)蝕強度分級結(jié)果。

圖5 土壤風(fēng)蝕強度分級圖Fig．5 Classification diagram of soil erosion intensity

圖6 土壤風(fēng)蝕模數(shù)分布圖Fig．6 Distribution diagram of soil erosion intensity

圖7 月風(fēng)力侵蝕模數(shù)圖Fig．7 Monthly soil erosion modulus

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