基于ArcEngine和RUSLE的土壤侵蝕評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳燕瓊

（福州大學(xué)福建省空間信息工程研究中心空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州350002）

0 引言

土壤侵蝕是全球性的環(huán)境問題之一，制約著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。土壤侵蝕降低了土地生產(chǎn)力，直接影響了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展，開展土壤侵蝕強(qiáng)度研究并提出有效的治理措施具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。然而，大范圍的土壤侵蝕強(qiáng)度監(jiān)測(cè)需要耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力和經(jīng)費(fèi)。因此，在一定精度范圍內(nèi)，得到滿足科學(xué)計(jì)算要求的土壤侵蝕估算已成為一種趨勢(shì)。長(zhǎng)期以來，國內(nèi)外學(xué)者[1-4]對(duì)土壤侵蝕規(guī)律及估算模型的研究，促進(jìn)了土壤侵蝕強(qiáng)度估算和水土保持工作的推進(jìn)。李忠佩等[5]分析了紅壤丘陵區(qū)水土流失的過程，并提出了相應(yīng)的技術(shù)措施，為水土流失區(qū)綜合治理獻(xiàn)策。土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)方法主要以土壤侵蝕估算模型為核心，其中，最為著名、應(yīng)用最廣泛的是美國修正通用土壤流失方程（RUSLE，Revised Universal Soil Loss Equation）。國內(nèi)一些學(xué)者通過對(duì)RUSLE的影響因子，如降雨侵蝕力值[6]、土壤可蝕性[7]、植被覆蓋度[8]等的研究，為RUSLE 在國內(nèi)相應(yīng)區(qū)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，GIS 和RS技術(shù)的發(fā)展，為土壤侵蝕的定量估算提供了強(qiáng)有力的支持。Arekhi[9]、李輝[10]、徐涵秋[11-12]、林惠花[13]等運(yùn)用地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)，對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行了估算，以了解土壤的侵蝕現(xiàn)狀，并提出相應(yīng)的治理措施。以上的研究都是在已有軟件工具的基礎(chǔ)上運(yùn)用土壤侵蝕估算模型進(jìn)行分析研究，這對(duì)于非專業(yè)用戶來說尚有困難。計(jì)算結(jié)果以平面圖的形式展示，未充分發(fā)揮三維可視化的優(yōu)勢(shì)。因此，根據(jù)用戶需求開發(fā)數(shù)據(jù)處理工具，簡(jiǎn)化土壤侵蝕評(píng)價(jià)的計(jì)算邏輯，可以有效提高工作效率。充分發(fā)揮三維可視化功能的優(yōu)勢(shì)，可以方便用戶更好地理解土壤侵蝕發(fā)生機(jī)理。

鑒于上述研究背景，結(jié)合COM 技術(shù)，在自主研發(fā)的虛擬森林環(huán)境平臺(tái)VisForest[14]上，集成修正通用土壤流失方程模型，構(gòu)建具有良好可操作性、能夠服務(wù)于土壤侵蝕評(píng)價(jià)的子系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)思想

土壤侵蝕估算涉及到大量空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的采集、處理與利用，土壤侵蝕評(píng)價(jià)與可視化子系統(tǒng)涉及數(shù)據(jù)輸入、因子計(jì)算分析、數(shù)據(jù)輸出、結(jié)果可視化4個(gè)主要功能。數(shù)據(jù)輸入主要包括矢量數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)和DEM 數(shù)據(jù)的輸入。因子計(jì)算分析是子系統(tǒng)的核心模塊，為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要選擇合理的參數(shù)計(jì)算公式。各個(gè)評(píng)價(jià)因子計(jì)算完成后，通過疊加等空間分析運(yùn)算輸出。由于土壤侵蝕評(píng)價(jià)因子只是一個(gè)半定量的計(jì)算結(jié)果，為了定量反映土壤侵蝕強(qiáng)度，系統(tǒng)需要基于RUSLE 土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，估算土壤侵蝕量?？紤]到空間分析的方便性，數(shù)據(jù)輸出格式主要為柵格數(shù)據(jù)。結(jié)果可視化主要包括二維和三維兩種形式，將計(jì)算得到的二維結(jié)果圖疊加到三維地形上，提高可讀性。土壤侵蝕量的計(jì)算和土壤侵蝕結(jié)果可視化能夠初步反映土壤流失過程的特征，用于土地利用和土壤侵蝕的關(guān)系研究，為土地利用格局的優(yōu)化設(shè)計(jì)和水土流失綜合治理提供技術(shù)支持。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)土壤侵蝕評(píng)價(jià)模塊的設(shè)計(jì)思想、計(jì)算邏輯和ArcGIS Engine 的技術(shù)特點(diǎn)，模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見圖1）采用三層結(jié)構(gòu)模式：①數(shù)據(jù)層主要用來提供和管理所需的空間和非空間數(shù)據(jù)；②邏輯層是模塊功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)支持，通過VC++語言調(diào)用ArcGIS Engine 中的組件，構(gòu)建土壤侵蝕評(píng)價(jià)模塊的結(jié)構(gòu)框架；③表現(xiàn)層主要包括土壤侵蝕評(píng)價(jià)模塊的土壤侵蝕量計(jì)算和土壤侵蝕結(jié)果可視化兩個(gè)模塊。

圖1 土壤侵蝕評(píng)價(jià)與可視化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

2 功能實(shí)現(xiàn)

基于ArcGIS Engine 的開發(fā)，在VC++開發(fā)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕評(píng)價(jià)與可視化的解決方案。其核心是在自主研發(fā)的虛擬森林環(huán)境平臺(tái)VisForest 上，定義插件遵循的接口，以及自定義組件接口的實(shí)現(xiàn)。模塊建設(shè)的技術(shù)流程如下：在工程中引用ArcObjects 對(duì)象庫；采用智能指針聲明所需接口，在類模塊中寫入實(shí)現(xiàn)特定ArcObject 接口的代碼；定義過程函數(shù)；添加初始化事件Oncreate、Click 等代碼；編譯成DLL；加載到VisForest 平臺(tái)中，根據(jù)這一過程構(gòu)建土壤侵蝕評(píng)價(jià)模塊。

2.1 土壤侵蝕量計(jì)算子模塊

本模塊主要是依據(jù)RUSLE 模型建立，并根據(jù)中國水土保持的特點(diǎn)和前人研究的結(jié)果對(duì)參數(shù)因子計(jì)算公式進(jìn)行了修正。RUSLE 的數(shù)學(xué)表達(dá)公式為：式中：A為土壤侵蝕模數(shù)；R為降雨量侵蝕力指標(biāo)；K為土壤可蝕性因子；LS、C、P分別為地形因子、水土保持因子、植被覆蓋與管理因子。

其主要功能是通過RUSLE 土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型估算區(qū)域的土壤侵蝕量。根據(jù)RUSLE 模型涉及的參數(shù)因子設(shè)計(jì)了6 個(gè)模塊，分別為降雨侵蝕因子R、土壤可蝕性因子K、坡度因子S、坡長(zhǎng)因子L、作物覆蓋與管理因子C、水土保持措施因子P、土壤侵蝕量計(jì)算。通過這些子模塊，可以分別獲得各計(jì)算因子的結(jié)果圖層，最后通過土壤侵蝕量計(jì)算子模塊的疊加，計(jì)算輸出土壤侵蝕量圖層。

2.2 土壤侵蝕量結(jié)果可視化子模塊

在自主研發(fā)的虛擬森林環(huán)境系統(tǒng)（VisForest）平臺(tái)基礎(chǔ)上，針對(duì)土壤侵蝕分析的業(yè)務(wù)需求，集成修正通用土壤流失方程（RUSLE），形成土壤侵蝕評(píng)價(jià)與可視化子系統(tǒng)。將遙感影像和計(jì)算得到的土壤侵蝕量圖層與三維地形進(jìn)行疊加，形成土壤侵蝕強(qiáng)度三維場(chǎng)景如圖2 所示，在圖2中，可定位到關(guān)心的區(qū)域，查看該區(qū)域的地形地貌、土地覆蓋/利用等，結(jié)合土壤侵蝕強(qiáng)度圖進(jìn)行分析。

圖2 土壤侵蝕三維場(chǎng)景

3 應(yīng)用實(shí)例

本文主要數(shù)據(jù)源為：長(zhǎng)汀縣周邊20 個(gè)氣象觀測(cè)站1971—2012 年的各月總降雨數(shù)據(jù)；長(zhǎng)汀縣DEM數(shù)據(jù)（分辨率為30m）；長(zhǎng)汀縣已有的2010年的土地利用類型圖和1∶5萬土壤類型矢量圖；2010年歸一化植被覆蓋指數(shù)分布圖。

首先，使用上述因子的取值及計(jì)算方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后，將各因子圖進(jìn)行柵格連乘計(jì)算，即可獲得每個(gè)柵格的土壤侵蝕模數(shù)。按照《土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)計(jì)算所得的長(zhǎng)汀縣土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行歸并，得到長(zhǎng)汀縣2010 年土壤侵蝕強(qiáng)度的面積、侵蝕總量分布及不同侵蝕強(qiáng)度侵蝕量對(duì)侵蝕總量的貢獻(xiàn)率，見表1。

表1 2010年土壤侵蝕級(jí)別統(tǒng)計(jì)表

由表1可知：

（1）2010年水土流失的侵蝕總量為369.37萬t，平均土壤侵蝕模數(shù)為11.92t·hm-2·a-1，屬于輕度侵蝕；其與2003 年水土流失平均土壤侵蝕模數(shù)27.03t·hm-2·a-1相比[15]，年平均土壤侵蝕強(qiáng)度下降明顯；

（2）長(zhǎng)汀全縣侵蝕面積為39 995hm2，估算結(jié)果符合當(dāng)?shù)厍闆r[16]，其與1985 年（97 469hm2）和2000 年（70 364 hm2）相比[17]，土壤侵蝕總面積大大減少，其中，微度侵蝕面積24 937hm2，占侵蝕總面積的2.35%；輕度侵蝕面積13 217hm2，占侵蝕總面積的33.08%；中、強(qiáng)和極強(qiáng)度分別占侵蝕總面積的3.56%、0.77%、0.15%；劇烈侵蝕面積達(dá)37hm2，占侵蝕總面積的0.01%；治理成效卓越與長(zhǎng)汀縣多年來大力扶持的政策及一系列有效措施的實(shí)施有著密切聯(lián)系。

地形的起伏變化是造成長(zhǎng)汀縣內(nèi)土壤侵蝕空間差異性大的關(guān)鍵因素。統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)汀縣不同坡度下的土壤侵蝕模數(shù)（見表2）發(fā)現(xiàn)，隨著坡度的增加，土壤侵蝕模數(shù)的變化總體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，坡度大于25°的侵蝕模數(shù)最大，其次是20～25°和15～20°，15°是土壤侵蝕模數(shù)的相對(duì)質(zhì)變點(diǎn)。將土壤侵蝕強(qiáng)度圖和遙感影像疊加在三維地形上形成三維場(chǎng)景圖（見圖3），圖3（a）、圖3（b）內(nèi)的矩形框區(qū)域在實(shí)地為坡度大于15°的果園，其植被覆蓋分布均勻，但矩形框內(nèi)的土壤侵蝕強(qiáng)度相比周邊坡度小于15°的區(qū)域，其土壤侵蝕明顯更為嚴(yán)重。

表2 不同坡度的土壤侵蝕

圖3 坡度對(duì)土壤侵蝕影響的三維表達(dá)

4 結(jié)論

本文借助組件式GIS技術(shù)，在自主研發(fā)的虛擬森林環(huán)境系統(tǒng)（VisForest）平臺(tái)基礎(chǔ)上，集成修正通用土壤流失方程（RUSLE），以可視化形式表達(dá)土壤侵蝕空間分布特征。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于自主研發(fā)的虛擬森林環(huán)境系統(tǒng)（VisForest）平臺(tái)集成了GIS和RUSLE，實(shí)現(xiàn)了土壤侵蝕的評(píng)價(jià)功能，簡(jiǎn)化土壤侵蝕估算步驟。將計(jì)算得到的土壤侵蝕結(jié)果疊加在三維地形上，充分發(fā)揮三維可視化表達(dá)的優(yōu)勢(shì)，方便用戶分析導(dǎo)致土壤侵蝕嚴(yán)重的可能因素。

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