小流域土壤侵蚀预测信息系统设计与实现

陈学华，周建中

(1.华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北武汉 430074;2.四川省经济信息中心，四川成都 610041)

我国是世界上水土流失最为严重的国家之一，据全国第二次土壤侵蚀遥感调查，有水土流失面积356万km2，其中水蚀面积165万km2、风蚀面积191万km2［1］，土壤侵蚀预测已成为土壤侵蚀研究的热点。随着科学技术的进步，地理信息和遥感技术被广泛应用于土壤侵蚀研究，尤其是在区域尺度的土壤侵蚀定量研究方面，如土壤侵蚀遥感调查、土壤侵蚀量估算等［1－4］。而在小流域土壤侵蚀模型研究方面，对统计模型及引进的统计模型中各因子的本地化研究较多，对基于过程的物理模型系统研究较少，特别是适用于我国国情的系统的过程模型则更少［4－6］。因此，研究如何将坡面产流、产沙及整个流域汇流、输沙系统有机地组织起来，如何使用GIS和RS技术客观、准确地为模型提供参数，以及如何利用模型为管理决策提供依据等都是小流域土壤侵蚀模型进一步发展急需解决的问题。本研究基于GIS、RS技术，以通用土壤流失方程(USLE)模型为核心，在VISUAL BASIC 6.0和ArcGIS Engine组件式地理信息系统开发环境下开发了适用于小流域的土壤侵蚀预测信息系统，并验证了系统预测结果的准确性。

1 系统结构与功能设计

1.1 系统逻辑结构设计

小流域土壤侵蚀预测信息系统是通过分析小流域尺度的土壤侵蚀特征，对特定区域的土壤侵蚀状况进行定量评价。该系统在逻辑结构上分为3个层面(3层架构)，即应用层、服务层、数据层，见图1。

1.2 系统功能设计

通过研究土壤侵蚀过程，开发的土壤侵蚀预测信息系统能在较短的时间内自动获取某小流域一定时间段内的土壤侵蚀量，并以侵蚀图的形式输出模拟结果。该系统具有一定的结构性，其基本功能包括输入输出、图形显示、空间查询、表面分析、水文分析、坡长计算、栅矢转换、USLE模拟等。

图1 小流域土壤侵蚀预测信息系统逻辑结构

(1)输入输出功能。系统输入、输出的主要格式有ArcGIS通用的MXD格式、SHP格式以及IMG格式的栅格图像。

(2)图形显示功能。图形显示功能是GIS的一项基本功能，通常包括图形的放大、缩小和漫游等。GIS环境下的图形由空间数据构成，在处理空间数据的过程中经常需要在整体和局部数据之间来回切换，对于特定的显示窗口，需要根据数据的变化调整图形的显示范围，即对图形进行局部放大或返回整体视图的缩小处理。

(3)空间查询功能。空间查询过程中，用户可以选择系统中的矢量数据，将该数据所有的属性信息以列表形式输出，或者选择查询矢量数据的某些属性，并以地图形式显示。

(4)表面分析功能。对现有的表面进行一些特定的运算，生成新的数据和识别模式，从而提取更多的信息。之后，在高程数据(DEM)栅格数据的基础上，直接提取坡度、坡向、山体阴影等地形因子。

(5)水文分析功能。水文分析功能是以高程数据(DEM)为输入数据，采用水文分析法计算集水流域和水流网络数据，实现了洼地填充、水流方向提取、汇流累积量计算、河网密度提取、河网分级、流域分析(提取子流域)等。

(6)坡长计算功能。采用累积流量方法在格网DEM上计算坡长就是模拟地表的水流路径，要求水流在DEM所模拟的地形表面上能够畅通无阻地流动，也就是说在DEM上的任何一点，其水流都存在一个汇聚点或出口。

(7)栅矢转换功能。模型中各因子生成时原始数据涉及大量矢量数据，而计算时都是栅格数据的地图代数运算，因此需要进行特定矢量数据的因子和参数的矢量转栅格操作。

(8)USLE模型模拟计算。①降雨侵蚀力因子。采用日降雨量估算降雨侵蚀力，以txt格式存储观测站降雨资料，将历史日降雨数据、年降雨数据及计算年份的日降雨数据作为输入文件，分别计算出日平均降雨量和年平均降雨量，得到计算年份的降雨侵蚀力因子R，并转换为栅格因子，以方便后续计算。②土壤可蚀性因子。土壤可蚀性因子受许多因素影响，程序可根据数据自动生成参数因子，并将土壤试验数据转化为模型计算因子，最后自动计算土壤可蚀性因子。③坡度和坡长因子。根据DEM生成坡度图，用换算公式计算坡度因子;采用汤国安的快速算法，模型自动生成坡长，再得到坡长因子。④植被覆盖因子。在Erdas中对图像进行切割、去云等操作，计算植被覆盖度，得到植被覆盖因子。⑤土壤侵蚀量。综合各土壤侵蚀因子，计算得到小流域土壤侵蚀量，并将成果数据输出成图。

2 系统功能的实现

在研究土壤侵蚀理论的基础上，以ArcGIS Engine组件开发方式，在面向对象开发平台Visual Basic 6.0上，选择通用土壤流失方程(USLE)中的土壤侵蚀因子，开发并实现了小流域土壤侵蚀预测信息系统(图2)。该系统具有水文分析、表面分析、坡长提取、栅矢转换及空间要素查询等功能，在完成各土壤侵蚀模型因子的自动提取与计算后，最终实现土壤侵蚀量的自动估算与预测。

图2 小流域土壤侵蚀预测信息系统

3 应用实例

为了检验系统的应用效果，以重庆忠县石宝镇为研究区，采用石宝镇小流域1∶1万地形图、2004年5月TM遥感影像和1953—2004年降雨资料、土壤侵蚀资料及土地利用数据等，系统计算小流域各土壤侵蚀因子，并估算土壤侵蚀状况。计算结果如下：①2004年石宝镇小流域降雨丰沛，降雨侵蚀力较大［7 703 MJ·mm/(hm2·h·a)］，运行土壤侵蚀模数估算模块，模拟结果显示最大侵蚀模数为15 989 t/(km2·a)，与实际监测结果接近;②运行流域土壤侵蚀量模块，估算出2004年石宝镇小流域土壤侵蚀总量为36 064 t，平均土壤侵蚀模数为1 243 t/(km2·a)，属轻度侵蚀，与实际监测结果吻合;③运行土壤侵蚀面积分布比例模块，得到石宝镇小流域土壤侵蚀总面积为29.01 km2，其中微度侵蚀 14.21 km2，占土壤侵蚀总面积的48.98%;轻度侵蚀 10.42 km2，占 35.92%;中度侵蚀 2.88 km2，占9.93%;强烈侵蚀 1.00 km2，占 3.45%;极强烈侵蚀 0.48 km2，占 1.65%;剧烈侵蚀 0.02 km2，占 0.07%。

4 结语

(1)开发土壤侵蚀预测信息系统能减少水土保持技术人员在使用USLE模型进行土壤侵蚀预测时繁琐的软件操作及数据处理工作，大大提高了土壤侵蚀定量预测的效率，有利于实现高效、快速的土壤侵蚀调查。

(2)利用ArcGIS Engine组件开发土壤侵蚀预测信息系统，是将地理信息系统技术应用于水土保持行业的新的尝试。该系统为水土保持决策者提供了数据更新、查询信息、快速预测土壤侵蚀量等水保管理工作的平台，并完全脱离了ArcGIS软件系统在Windows操作系统下运行，操作简单方便。

(3)通用土壤流失方程(USLE)中各个因子的自动生成，包括地形因子的自动生成，是本系统的一个创新点，为土壤侵蚀快速、定量预测提供了强大支持。

(4)实例应用表明，系统具有界面友好、使用简便、因子提取方法先进等特点，并且ArcGIS Engine组件具有强大的GIS的空间数据处理、分析功能，能够满足土壤侵蚀预测的需要。

［1］王恰堂，高林，张世清，等.北京郊区水土流失信息系统的建立与应用［J］.水土保持学报，1989，3(2)：1 －9.

［2］孙成明，袁登荣，王余龙.地理信息系统的农业应用与进展［J］.上海农业学报，2004，20(3)：99 －101.

［3］陈常松.我国GIS技术应用现状的调查与分析［J］.测绘科技动态，1996(1)：26 －34.

［4］褚庆全，李林.地理信息系统(GIS)在农业上的应用及其发展趋势［J］.中国农业科技导报，2003，5(1)：22 －26.

［5］李锐.杨勤科，赵永安，等.现代空间信息技术在中国水土保持中的应用［J］.水土保持通报，1998，18(5)：1 －5.

［6］李锐，杨勤科，赵永安，等.中国水土保持管理信息系统总体设计方案［J］.水土保持通报，1998，18(5)：40 －43.