基于ArcGIS的大沽河流域土壤數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

封宇軒

摘要：科學(xué)利用土壤水資源對指導(dǎo)節(jié)水灌溉，提高水資源利用率具有重要意義，而獲取全面的土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫是土壤水資源利用的前提。在大沽河流域范圍內(nèi)根據(jù)不同土壤類型，選擇64個取樣點，對不同剖面的土壤水動力學(xué)基本參數(shù)和8個基本理化性質(zhì)進行了室內(nèi)外測定。在此基礎(chǔ)上，基于ArcGIS軟件構(gòu)建了大沽河流域土壤信息地理空間數(shù)據(jù)庫，為大沽河流域土壤理化性質(zhì)的查詢、統(tǒng)計、分析和流域土壤水資源利用提供了高效便捷的數(shù)據(jù)庫支撐。

關(guān)鍵詞：大沽河流域；土壤；數(shù)據(jù)庫；ArcGIS，土壤水動力學(xué)參數(shù)

0前言

土壤水是水資源的重要組成部分。然而由于土壤水分布不集中、不利于人工提取利用等原因一直得不到人們重視。將土壤水和地下水聯(lián)系起來考慮，可以更加全面的評價農(nóng)業(yè)水資源，減少農(nóng)業(yè)水的浪費，提高水資源的利用效率。大沽河流域位于膠東半島西部，約在東經(jīng)120°03′-120°25′，北緯36°10′-37°12′之間。干流全長179.9km，流域總面積6131.3km2，是膠東半島的最大河流。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，水資源需求迅猛增加，水資源短缺狀況日益加劇。在濱海流域合理的利用土壤水資源，制定合理的節(jié)水灌溉措施，提高水資源利用率等變得尤為重要。

獲取全面準確的土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)并構(gòu)建數(shù)據(jù)庫是土壤水資源利用的前提，為了充分掌握大沽河流域土壤理化性質(zhì)，為青島市大沽河流域土壤水利用和節(jié)水灌溉管理提供數(shù)據(jù)支撐，在大沽河流域范圍內(nèi)根據(jù)不同土壤類型，選擇64個取樣點，對不同剖面的土壤水動力學(xué)參數(shù)和容重、粒徑分布、有機質(zhì)含量、pH值、全氮等基本理化性質(zhì)進行了測定，獲取了較為詳細的流域土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，基于ArcGIS軟件構(gòu)建了大沽河流域土壤信息地理空間數(shù)據(jù)庫，為大沽河流域土壤理化性質(zhì)的調(diào)查、統(tǒng)計、存儲和地下水/土壤水聯(lián)合管理提供了高效便捷的數(shù)據(jù)庫支撐。

1土壤水動力學(xué)參數(shù)和理化性質(zhì)測定

土壤飽和導(dǎo)水率和土壤水分特征曲線是土壤水動力學(xué)的基本參數(shù)，是研究土壤水分有效性、土壤水分的保持、運動以及與土壤水分運動有關(guān)的溶質(zhì)運移等的必須參數(shù)。大沽河流域土壤主要有棕壤、砂姜黑土、潮土、褐土、鹽土等5個土類。根據(jù)不同土壤類型和種植作物情況，在流域內(nèi)選擇64個取樣點，圖1為GIS下大沽河流域取樣點空間分布圖。

在取樣點挖掘一個長約1.5 m，寬約0.6 m，深約1 m的土坑，分別測量土壤剖面的具體分層情況并詳細記錄對土壤剖面不同層面的土壤進行滲水試驗，確定其飽和水力傳導(dǎo)率，并分別取土壤原狀樣，測定土壤水分特征曲線，圖2為野外土壤剖面開挖及取樣現(xiàn)場圖，表1為部分取樣點分層情況統(tǒng)計表。

為準確確定每個取樣點的地理位置、剖面特征等空間屬性，采用GPS進行三維定位，記錄取樣點的詳細地理位置和經(jīng)緯度坐標(biāo)、地面高程。

土壤飽和水力傳導(dǎo)率采用滲水試驗測定，采用德國UGT儀器有限公司生產(chǎn)的HOOD IL-2700入滲儀開展?jié)B水試驗，如圖3所示。

土壤水分特征曲線采用張力計法測定，它是測定土壤水分基質(zhì)勢的一種較為迅速和簡便的方法。

另外，對應(yīng)土壤不同的層面取土樣，在實驗室測定土壤的容重、粒徑分布、電導(dǎo)率、有機質(zhì)含量、氧化還原電位、pH值、全氮、氧化鐵、氧化錳等理化性質(zhì)，土壤基本理化性質(zhì)測定方法如表2所示。

2基于ArcGIS的土壤數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

ArcGIS是ESRI公司集40余年地理信息系統(tǒng)（GIS）咨詢和研發(fā)經(jīng)驗開發(fā)的一套完整的GIS平臺產(chǎn)品，具有強大的地圖制作、空間數(shù)據(jù)管理、空間分析、空間信息整合、發(fā)布與共享的能力。本次基于ArcGIS軟件平臺，結(jié)合青島市1：50000地形圖和青島市1：200000萬土壤類型分布圖，根據(jù)流域上獲取的土壤水動力基本參數(shù)和基本理化性質(zhì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了大沽河流域土壤地理空間信息數(shù)據(jù)庫，為大沽河流域土壤理化性質(zhì)的調(diào)查、統(tǒng)計、存儲和地下水/土壤水聯(lián)合管理提供了高效便捷的數(shù)據(jù)庫支撐。

2.1數(shù)據(jù)庫組成

大沽河流域土壤信息數(shù)據(jù)庫主要分為基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫、土壤屬性信息庫二大類（圖4）：

（1）基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫，包括流域地形、水系、行政區(qū)劃等，主要來源于青島市1：50000地形圖的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建主要是通過GIS軟件進行圖形數(shù)據(jù)的采集與編輯，建成不同的點要素、線要素和面要素等組成的地理數(shù)據(jù)庫（GeoDatabase）。以點信息存儲的數(shù)據(jù)表有土壤取樣點位置，以線數(shù)據(jù)存儲的有主要河流、鐵路線、高速公路、行政邊界，以面數(shù)據(jù)存儲的有水庫、縣市區(qū)域、青島市域、相關(guān)縣域?？臻g數(shù)據(jù)庫與屬性數(shù)據(jù)庫之間是相互對應(yīng)的，通過關(guān)鍵字相關(guān)聯(lián)接。

（2）土壤信息數(shù)據(jù)庫主要是流域內(nèi)獲取的土壤水動力學(xué)參數(shù)和理化性質(zhì)測定的數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.2數(shù)據(jù)庫構(gòu)建步驟

基于ARCGIS的土壤數(shù)據(jù)庫采用ArcCatalog創(chuàng)建，主要步驟如下：

（1）創(chuàng)建地理數(shù)據(jù)庫：啟動ArcCatalog，在既定目錄下創(chuàng)數(shù)據(jù)庫“大沽河.流域土壤信息數(shù)據(jù)庫.mdb”。

（2）創(chuàng)建要素集：在已創(chuàng)建的地理數(shù)據(jù)庫下，創(chuàng)建地理底圖要素集，定義要素集的坐標(biāo)系及其投影，此次選擇用經(jīng)緯度存儲地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，采用“Geographic Coordinate Systems”下的CGCS_2000坐標(biāo)系。在要素集中定義空間參照系是為了讓同一要素集中的要素類享有同一空間參照系，這樣要素集內(nèi)的要素類之間才可以建立拓撲關(guān)系。

（3）創(chuàng)建要素類：在己創(chuàng)建的要素集下按照已經(jīng)定義的要素類及其屬性，分別定義點、線、面各要素類，并在各要素類的屬性頁面輸入要素類的屬性，同時按設(shè)計要求選擇屬性的約束條件。

（4）基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)輸入：基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)輸入為整個系統(tǒng)提供最為基礎(chǔ)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，主要來源于大沽河流域1：50000地形圖及一些水文監(jiān)測、野外調(diào)查的相關(guān)地理空間數(shù)據(jù)。按照統(tǒng)一數(shù)據(jù)的格式及坐標(biāo)系統(tǒng)并根據(jù)數(shù)據(jù)的類型、屬性進行分類，使數(shù)據(jù)符合入庫標(biāo)準。

（5）土壤屬性數(shù)據(jù)處理及錄入：流域土壤信息數(shù)據(jù)庫，包括土壤分類信息、采樣點信息、剖面層次分類、土層水動力參數(shù)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等類別。

每一個取樣點土壤剖面分為2-3層，每層包含地理位置、采樣時間、經(jīng)緯度、地面高程、飽和水力傳導(dǎo)率、土壤水分特征曲線、有機質(zhì)含量、氧化還原電位、電導(dǎo)率、pH、全氮、氧化鐵、氧化錳等14項屬性數(shù)據(jù)。

為了保證這些屬性的正確空間位置，將獲取的土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)按照不同的取樣層次分為表層、中間層和底層三個數(shù)據(jù)表格。

建好的數(shù)據(jù)庫通過統(tǒng)一的編碼和數(shù)據(jù)格式，包括具體的文本和數(shù)值格.式要求，將空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫連接起來，以便進行數(shù)據(jù)的入庫和操作管理，表3為大沽河流域土壤屬性數(shù)據(jù)庫字段結(jié)構(gòu)表。

按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將土壤信息數(shù)據(jù)輸入完成后，土壤信息數(shù)據(jù)便以數(shù)據(jù)庫格式存儲在“大沽河流域土壤信息數(shù)據(jù)庫.mdb”中，在ArcGIS桌面地圖軟件ArcMAP窗口下，可以按照數(shù)據(jù)庫指定的空間屬性數(shù)據(jù)加載到大沽河流域地圖中，如圖1所示，也可以輸出成“.shp”格式的圖層文件，方便加載使用。圖5為流域表層土壤采樣點土壤屬性表截圖。系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)庫以Microsoft Access支持的“.mdb”文件存儲。

2.3數(shù)據(jù)庫功能

基于ArcGIS的大沽河流域土壤信息數(shù)據(jù)庫將土壤的水力學(xué)參數(shù)和理化性狀作了詳細歸納，它一方面可以為流域土壤資源信息系統(tǒng)的創(chuàng)建提供數(shù)據(jù)庫支撐，另一方面可以單獨作為一個完整的土壤信息數(shù)據(jù)庫地理空間查詢與檢索系統(tǒng)。土壤信息數(shù)據(jù)庫建成后，可以實現(xiàn)土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)的查詢、數(shù)據(jù)的添加、刪除和修改、統(tǒng)計分析、地圖文檔加載、地圖瀏覽和輸出等各種數(shù)據(jù)庫管理功能。通過本數(shù)據(jù)庫還可以使用ArcGIS中的各種空間分析功能，如地質(zhì)統(tǒng)計分析、距離分析、緩沖區(qū)分析、插值分析等，使各種數(shù)據(jù)更為形象直觀。

（1）數(shù)據(jù)查詢

用戶可以點擊土層欄瀏覽土壤數(shù)據(jù)庫成果地圖，分層顯示大沽河流域土壤采樣點空間分布圖，從而直觀地顯示土壤信息采樣點的在流域內(nèi)的空間分布。數(shù)據(jù)庫還可以根據(jù)用戶的要求，設(shè)置不同的屬性值查詢條件，在查詢時，地圖中符合查詢條件的采樣點土壤數(shù)據(jù)信息被突出顯示出來，從而實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)和空間分布的組合查詢。用戶還可以設(shè)置其他不同的組合查詢條件進行查詢。

（2）數(shù)據(jù)的修改、添加和刪除

數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)各種相關(guān)數(shù)據(jù)的修改、添加和刪除等各種編輯功能，在ArcMAP“開始編輯”狀態(tài)下，可以很容易實現(xiàn)具體屬性數(shù)據(jù)的修改。在ArcCatalog和ArcMap和窗口下均可以實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)的添加，包括要素類的添加和屬性字段的添加，在添加字段對話框中，為新字段命名并選擇數(shù)據(jù)類型，并設(shè)置相應(yīng)的字段特性。

（3）統(tǒng)計分析和空間分析

基于ArcGIS的流域土壤信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)還可以實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)的排序、匯總等各種統(tǒng)計分析功能，同時根據(jù)需要創(chuàng)建各種屬性數(shù)據(jù)的分析圖表，通過本數(shù)據(jù)庫還可以使用ArcGIS中的各種空間分析功能，如地質(zhì)統(tǒng)計分析、距離分析、緩沖區(qū)分析、插值分析等，使各種數(shù)據(jù)更為形象直觀。

3結(jié)論

（1）首次對大沽河流域內(nèi)64個采樣點不同剖面的土壤水動力學(xué)基本參數(shù)和基本理化性質(zhì)測定的基礎(chǔ)上，基于ArcGIS軟件構(gòu)建了大沽河流域土壤信息地理空間數(shù)據(jù)庫，為大沽河流域土壤水資源的高效利用提供了高效便捷的數(shù)據(jù)庫支撐。

（2）數(shù)據(jù)庫作為一個完整的土壤信息數(shù)據(jù)庫地理空間查詢與檢索系統(tǒng)在土壤取樣點和數(shù)據(jù)庫功能開發(fā)方面需要再一步開發(fā)拓展。