基于GIS的土壤风蚀模型软件构建

张亦超，史明昌，，岳德鹏†，杨贵森，孙成宝，徐晓桃，王珊

(1.北京林业大学林学院，省部共建森林资源培育与保护教育部重点实验室，100083，北京;2.北京地拓研究院，100084，北京;3.新疆生产建设兵团水土保持监测总站，830002，乌鲁木齐)

风蚀即风力侵蚀，是指一定风速的气流作用于土壤或土壤母质，而使土壤颗粒发生位移，造成土壤结构破坏、土壤物质损失的过程［1］。风蚀灾害给经济建设、农业林业、社会发展、大气环境及人民生命财产和健康带来严重不利影响。在土壤风蚀监测工作中，传统研究方法主要是手工记录，主要存在以下缺点:信息实时处理能力不强，数据保存周期长;时空分析与模型分析能力弱;数据横向深度挖掘能力不强［2］。所以，传统风蚀计算分析方法既不利于数据的深入分析，也不利于土壤风蚀模型因子的动态监测和实时更新，从某种意义上说限制了土壤风蚀监测技术的发展，由于缺少地理信息系统支持，土壤风蚀结果很难被直观表达出来。

随着GIS技术的发展，GIS结合RS、数据库、网络服务等技术越来越多地被应用到实际研究中。许多专家学者在利用GIS技术建立风蚀监测系统和数据库等方面进行了大量研究。例如:张国平等［3］利用GIS时空分析功能，得到土壤风蚀影响因子分布图，并建立了全国1∶10万土壤风蚀数据库;陈冉等［4］利用 ARM-Linux、GPRS 等技术实现了风蚀风沙与小环境监测系统，并已在吉林白城投入使用;齐清文等［5］利用ArcGIS二次开发出云南省沿边境地带生态环境监测与管理信息系统，实现了生态环境变化的动态仿真和虚拟表达，建立了云南沿海基础地理信息数据库。在欧美等发达国家，GIS技术在60年代就开始了应用，最初主要是处理人口统计数据、资源普查数据等基础应用，进入21世纪后，GIS技术已经得到更深入的应用，如微软的Virtual Earth 3D——虚拟地球、GOOGLE EARTH 等大型项目［6］。

基于以上现状，笔者结合土壤风蚀模型与GIS技术，通过改进数据的记录方式和分析表达方法，提高工作效率并克服传统方法信息更新不及时、数据保存周期长等弱点:利用网络数据库技术实现多个客户端同时连接上传资料，实现监测过程中不同地点同时上报数据，同时实现高效的数据库组织模型设计，提高数据存储效率，实现批量存储栅格数据。将GIS应用于土壤风蚀监测中不仅可以实现基本的空间及属性数据的管理，还能够通过计算进行综合分析处理，可为农林业生产建设提供决策支持。

1 基于GIS的土壤风蚀监测系统平台架构

1.1 系统建设目标

1)实现数据库对栅格数据的高效读取。设计高效的数据库组织模型，提高栅格数据读取和写入的效率，因子栅格数据存储在数据库中，可随时通过GIS系统时空分析对因子栅格数据进行分析，实现栅格数据的高效使用分析［7］。

2)实现数据的共享。网络GIS资源库即利用网络技术、空间信息基础服务、空间信息网络协议规范，形成虚拟的空间信息管理与处理环境，实现数据多点传输，提高数据的传输效率和实时性，为用户提供一站式的空间信息数据分析服务［8］。

3)实现土壤风蚀最终数据的可视化表达。系统首先计算所提供基础数据年份的土壤风蚀模数，之后可以实现土壤风蚀强度分级，直观分析风蚀分布地区，并可通过时间分析模块实现多年份土壤风蚀量数据的比较分析。

1.2 系统的体系架构

1)技术支撑层。技术支撑层为系统的最底层，包含GIS/RS技术、服务器技术和网络技术等，是本地控制的接口，实现局部数据信息与共享数据信息相互交互操作，为系统运行提供基础技术支持［9］。系统采用组件化技术作为主要的手段进行软件系统的开发，在应用界面创建应用接口，基于接口在形式上表现为对象的属性、方法和事件，为用户提供组件式GIS应用。

2)数据服务层。数据服务层主要用来存储模型计算所需的数据，实现模型计算的数据实时读取、写入，为土壤风蚀分级和风蚀量计算提供数据存储支持。支持为远程客户与中心数据库进行联机操作，保持服务器与客户端数据同步。为了使数据库设计科学合理，数据库设计要求符合3NF规范，将空间数据、属性数据及其元数据有机组合［10］，包含TCL绑定，同时通过Wrapper支持其他语言的绑定。

3)应用层。应用层是用户在系统上进行操作，包括系统功能显示及操作结果显示，实现了土壤风蚀模型计算的具体功能。构建的软件系统整体框架如图1所示。

1.3 土壤侵蚀模数计算模型

1.3.1 模型的选取 选择中科院寒区旱区环境与工程研究所提出的风洞实验模型［11］中的大田推广模型作为基础模型。该模型在京津风沙源治理项目中得到成功运用并经受了实践的检验，在第1次全国水利普查中，该模型再次被选为土壤风蚀普查所用模型，其科学性和实用性再次得到印证和检验。其原始模型如下。

图1 构建软件系统的总体框架Fig．1 General framework of software system structure

1)耕地模型

式中:Qfa为农田土壤风蚀模数，t/(hm2·a);C为尺度修订系数，约为0.001 8;z为地表粗糙度;A为风速修订系数;Uj为气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第j级风速，m/s，耕地Uj=1为5.5 m/s;tj为风蚀活动发生月份内风速为Uj的累积时间，min;a1、b1、c1为与耕地土壤类型有关的常数项，分别取-9.208、0.018、1.955。

2)林草地模型

式中:Qfaf为草地或林地土壤风蚀模数，t/(hm2·a);V为植被盖度，%;a2、b2、c2为与林地土壤类型有关的常数项，分别取2.486 9、-0.001 4、-54.947 2。

3)沙地模型

式中:Qfs为沙地风蚀模数，t/(hm2·a);A为风速修订系数;V为植被覆盖度，%;沙地 Uj=1为5 m/s;a3、b3、c3为与沙地土壤类型有关的常数项，分别取6.168 9、-0.074 3、-27.961 3。

1.3.2 模型的修正 根据研究区实际情况，对模型进行修正和验证。

1)修正方法。由于研究区年均降水量不足100 mm，而年均蒸发量高达2 558.9 mm;因此，降水对风蚀的影响微乎其微，研究区内土壤含水量增加主要来源于灌溉。在土壤含水量如何影响土壤风蚀量方面，国内外学者从定性上已形成共识［12］。研究一致认为，随着土壤含水量的增加，土壤风蚀量是降低的［13］，因此，在耕地模型中加入了土壤含水量因子。

土壤质地是影响风蚀的关键因素之一，不同的土壤类型造成下垫面特性有差异［14］。直径小于0.84 mm的颗粒最易于风蚀［15］，因此，在耕地模型和林草地模型中加入了土壤粒径因子。据吴正［16］研究，塔克拉玛干沙漠的沙子几乎不含粒径大于1.0 mm的极粗沙，0.5 mm粒径的粗沙平均值也只有0.02%，基本可以视为所有颗粒均为可蚀性;因此，沙地模型中没有必要加入土壤粒径因子。

为防止和控制风蚀，研究区采取多种防风蚀措施，具体措施如表1所示。通过实地考察并结合国内研究者在经济林防风蚀、风蚀措施因子赋值、保护性耕作措施等方面的研究，估算出人工措施因子的值，并对人工措施因子分别进行赋值［17-20］。

表1 研究区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。通过以上修正，得到修正后的模型如下。

1)耕地风蚀模数模型

式中:S为直径大于0.84 mm的沙粒所占比例，%;W为土壤湿度，%;P为人工措施因子。

2)林草地风蚀模数模型

3)沙地风蚀模数模型

1.4 模型计算流程

首先将土壤风蚀模型中的基础因子数据输入到系统中，根据栅格值编码所属模型区，将模型软件系统对栅格数据中存储的各因子数据值代入不同模型公式分别进行自动运算，并从时间和空间2个层面快速得到风蚀模数大小及风蚀强度分级结果。软件系统风蚀模型计算流程如图2所示。

图2 软件系统风蚀模型计算流程Fig．2 Flow chart of calculation on wind erosion model software

2 软件系统实现的具体功能

根据软件系统风蚀模型结构框架，模型软件系统共划分成5个子功能模块，即数据管理模块、栅格管理模块、时间分析模块、空间分析模块、帮助模块。以所测2010年新疆塔里木盆地数据为例，介绍软件系统的功能。软件系统风蚀模型功能框架如图3所示。

2.1 基础数据管理及数据入库

系统为风蚀量计算所需的基础数据提供了全面的数据库支持，对不同数据类型设计了不同的存储方式，可以随时对数据导入导出。这些数据存储在数据库中，并在UI前端展现给用户，实现对数据的可视化管理，提高了工作效率，保证了数据的准确性和传输的实时性，为模型计算提供了基础支持。系统存储方式如图4所示。

2.2 风力因子计算

风力因子数据是土壤风蚀计算模型中的基础因子数据，用于根据地区条件和气象站点分布情况作气象数据插值，插值方法为距离倒数插值。利用调取数据资源库里的对象进行插值计算，计算结果以栅格格式保存在资源库中，风速因子基础数据直接以“.txt”格式入库，栅格数据以外部数据的方式由系统导入数据库。

图3 软件系统风蚀模型功能Fig．3 Function of soil erosion model software

图4 软件土壤风蚀系统功能及数据存储方式Fig．4 Function and data storage of soil erosion model software

2.3 土壤风蚀强度分级和风蚀量统计

土壤风蚀空间分析分为土壤风蚀强度分级和风蚀量统计。土壤风蚀强度分级是将风力侵蚀强度按剧烈程度分成6级，并输出土壤风蚀强度分级图(以2010年数据为例);风蚀量统计分析是将模型因子数据通过模型计算得到土壤侵蚀模数结果，并将其统计加和，输出土壤风蚀模数分布图(以2010年数据为例)。

在计算过程中，先确定要进行土壤侵蚀模数计算的月份和当前模型所属的土地利用类型，再进行土壤风蚀量计算。计算结果为土壤风蚀最终数据，即土壤风蚀强度分级图(图5)、土壤侵蚀模数分布图(图6)。

2.4 时间分析

在得到计算结果之后，根据用户需求，可以做出历年或当年每个月的土壤风蚀量直方对比图，显示风蚀量变化趋势和土壤侵蚀模数数据，如图7所示。

3 结论

1)软件利用计算机技术与GIS技术相结合的方式，实现了对数据库中栅格数据、属性数据的实时读取和监控，通过这项技术可以为大尺度区域土壤风蚀量进行快速计算和存储。

2)软件将通过网络数据库技术实现多点数据同时上传，实现各监测点数据同步更新，克服了传统方法中数据更新不及时的弱点。

3)软件通过设计高效数据库组织模型，实现对栅格数据的高效读取和运算，从而实现对土壤风蚀模数的实时、高效计算和时空分析。

4)软件系统可以从时间和空间尺度上快速得到风蚀模数及风蚀强度分级结果。

图5 土壤风蚀强度分级图Fig．5 Classification diagram of soil erosion intensity

图6 土壤风蚀模数分布图Fig．6 Distribution diagram of soil erosion intensity

图7 月风力侵蚀模数图Fig．7 Monthly soil erosion modulus

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