基于ArcGIS的大沽河流域土壤数据库构建

封宇轩

摘要：科学利用土壤水资源对指导节水灌溉，提高水资源利用率具有重要意义，而获取全面的土壤性质数据并构建数据库是土壤水资源利用的前提。在大沽河流域范围内根据不同土壤类型，选择64个取样点，对不同剖面的土壤水动力学基本参数和8个基本理化性质进行了室内外测定。在此基础上，基于ArcGIS软件构建了大沽河流域土壤信息地理空间数据库，为大沽河流域土壤理化性质的查询、统计、分析和流域土壤水资源利用提供了高效便捷的数据库支撑。

关键词：大沽河流域；土壤；数据库；ArcGIS，土壤水动力学参数

0前言

土壤水是水资源的重要组成部分。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们重视。将土壤水和地下水联系起来考虑，可以更加全面的评价农业水资源，减少农业水的浪费，提高水资源的利用效率。大沽河流域位于胶东半岛西部，约在东经120°03′-120°25′，北纬36°10′-37°12′之间。干流全长179.9km，流域总面积6131.3km2，是胶东半岛的最大河流。随着经济的发展和人民生活水平的提高，水资源需求迅猛增加，水资源短缺状况日益加剧。在滨海流域合理的利用土壤水资源，制定合理的节水灌溉措施，提高水资源利用率等变得尤为重要。

获取全面准确的土壤性质数据并构建数据库是土壤水资源利用的前提，为了充分掌握大沽河流域土壤理化性质，为青岛市大沽河流域土壤水利用和节水灌溉管理提供数据支撑，在大沽河流域范围内根据不同土壤类型，选择64个取样点，对不同剖面的土壤水动力学参数和容重、粒径分布、有机质含量、pH值、全氮等基本理化性质进行了测定，获取了较为详细的流域土壤理化性质数据。在此基础上，基于ArcGIS软件构建了大沽河流域土壤信息地理空间数据库，为大沽河流域土壤理化性质的调查、统计、存储和地下水/土壤水联合管理提供了高效便捷的数据库支撑。

1土壤水动力学参数和理化性质测定

土壤饱和导水率和土壤水分特征曲线是土壤水动力学的基本参数，是研究土壤水分有效性、土壤水分的保持、运动以及与土壤水分运动有关的溶质运移等的必须参数。大沽河流域土壤主要有棕壤、砂姜黑土、潮土、褐土、盐土等5个土类。根据不同土壤类型和种植作物情况，在流域内选择64个取样点，图1为GIS下大沽河流域取样点空间分布图。

在取样点挖掘一个长约1.5 m，宽约0.6 m，深约1 m的土坑，分别测量土壤剖面的具体分层情况并详细记录对土壤剖面不同层面的土壤进行渗水试验，确定其饱和水力传导率，并分别取土壤原状样，测定土壤水分特征曲线，图2为野外土壤剖面开挖及取样现场图，表1为部分取样点分层情况统计表。

为准确确定每个取样点的地理位置、剖面特征等空间属性，采用GPS进行三维定位，记录取样点的详细地理位置和经纬度坐标、地面高程。

土壤饱和水力传导率采用渗水试验测定，采用德国UGT仪器有限公司生产的HOOD IL-2700入渗仪开展渗水试验，如图3所示。

土壤水分特征曲线采用张力计法测定，它是测定土壤水分基质势的一种较为迅速和简便的方法。

另外，对应土壤不同的层面取土样，在实验室测定土壤的容重、粒径分布、电导率、有机质含量、氧化还原电位、pH值、全氮、氧化铁、氧化锰等理化性质，土壤基本理化性质测定方法如表2所示。

2基于ArcGIS的土壤数据库构建

ArcGIS是ESRI公司集40余年地理信息系统（GIS）咨询和研发经验开发的一套完整的GIS平台产品，具有强大的地图制作、空间数据管理、空间分析、空间信息整合、发布与共享的能力。本次基于ArcGIS软件平台，结合青岛市1：50000地形图和青岛市1：200000万土壤类型分布图，根据流域上获取的土壤水动力基本参数和基本理化性质数据，构建了大沽河流域土壤地理空间信息数据库，为大沽河流域土壤理化性质的调查、统计、存储和地下水/土壤水联合管理提供了高效便捷的数据库支撑。

2.1数据库组成

大沽河流域土壤信息数据库主要分为基础空间数据库、土壤属性信息库二大类（图4）：

（1）基础空间数据库，包括流域地形、水系、行政区划等，主要来源于青岛市1：50000地形图的基础数据，空间数据库的创建主要是通过GIS软件进行图形数据的采集与编辑，建成不同的点要素、线要素和面要素等组成的地理数据库（GeoDatabase）。以点信息存储的数据表有土壤取样点位置，以线数据存储的有主要河流、铁路线、高速公路、行政边界，以面数据存储的有水库、县市区域、青岛市域、相关县域。空间数据库与属性数据库之间是相互对应的，通过关键字相关联接。

（2）土壤信息数据库主要是流域内获取的土壤水动力学参数和理化性质测定的数据结果。

2.2数据库构建步骤

基于ARCGIS的土壤数据库采用ArcCatalog创建，主要步骤如下：

（1）创建地理数据库：启动ArcCatalog，在既定目录下创数据库“大沽河.流域土壤信息数据库.mdb”。

（2）创建要素集：在已创建的地理数据库下，创建地理底图要素集，定义要素集的坐标系及其投影，此次选择用经纬度存储地理坐标数据，采用“Geographic Coordinate Systems”下的CGCS_2000坐标系。在要素集中定义空间参照系是为了让同一要素集中的要素类享有同一空间参照系，这样要素集内的要素类之间才可以建立拓扑关系。

（3）创建要素类：在己创建的要素集下按照已经定义的要素类及其属性，分别定义点、线、面各要素类，并在各要素类的属性页面输入要素类的属性，同時按设计要求选择属性的约束条件。

（4）基础空间数据输入：基础空间数据输入为整个系统提供最为基础的空间数据和属性数据，主要来源于大沽河流域1：50000地形图及一些水文监测、野外调查的相关地理空间数据。按照统一数据的格式及坐标系统并根据数据的类型、属性进行分类，使数据符合入库标准。

（5）土壤属性数据处理及录入：流域土壤信息数据库，包括土壤分类信息、采样点信息、剖面层次分类、土层水动力参数、物理性质、化学性质等类别。

每一个取样点土壤剖面分为2-3层，每层包含地理位置、采样时间、经纬度、地面高程、饱和水力传导率、土壤水分特征曲线、有机质含量、氧化还原电位、电导率、pH、全氮、氧化铁、氧化锰等14项属性数据。

为了保证这些属性的正确空间位置，将获取的土壤理化性质数据按照不同的取样层次分为表层、中间层和底层三个数据表格。

建好的数据库通过统一的编码和数据格式，包括具体的文本和数值格.式要求，将空间数据库和属性数据库连接起来，以便进行数据的入库和操作管理，表3为大沽河流域土壤属性数据库字段结构表。

按照统一的数据结构将土壤信息数据输入完成后，土壤信息数据便以数据库格式存储在“大沽河流域土壤信息数据库.mdb”中，在ArcGIS桌面地图软件ArcMAP窗口下，可以按照数据库指定的空间属性数据加载到大沽河流域地图中，如图1所示，也可以输出成“.shp”格式的图层文件，方便加载使用。图5为流域表层土壤采样点土壤属性表截图。系统生成的数据库以Microsoft Access支持的“.mdb”文件存储。

2.3数据库功能

基于ArcGIS的大沽河流域土壤信息数据库将土壤的水力学参数和理化性状作了详细归纳，它一方面可以为流域土壤资源信息系统的创建提供数据库支撑，另一方面可以单独作为一个完整的土壤信息数据库地理空间查询与检索系统。土壤信息数据库建成后，可以实现土壤理化性质数据的查询、数据的添加、删除和修改、统计分析、地图文档加载、地图浏览和输出等各种数据库管理功能。通过本数据库还可以使用ArcGIS中的各种空间分析功能，如地质统计分析、距离分析、缓冲区分析、插值分析等，使各种数据更为形象直观。

（1）数据查询

用户可以点击土层栏浏览土壤数据库成果地图，分层显示大沽河流域土壤采样点空间分布图，从而直观地显示土壤信息采样点的在流域内的空间分布。数据库还可以根据用户的要求，设置不同的属性值查询条件，在查询时，地图中符合查询条件的采样点土壤数据信息被突出显示出来，从而实现属性数据和空间分布的组合查询。用户还可以设置其他不同的组合查询条件进行查询。

（2）数据的修改、添加和删除

数据库可以实现各种相关数据的修改、添加和删除等各种编辑功能，在ArcMAP“开始编辑”状态下，可以很容易实现具体属性数据的修改。在ArcCatalog和ArcMap和窗口下均可以实现属性数据的添加，包括要素类的添加和属性字段的添加，在添加字段对话框中，为新字段命名并选择数据类型，并设置相应的字段特性。

（3）统计分析和空间分析

基于ArcGIS的流域土壤信息数据库系统还可以实现属性数据的排序、汇总等各种统计分析功能，同时根据需要创建各种属性数据的分析图表，通过本数据库还可以使用ArcGIS中的各种空间分析功能，如地质统计分析、距离分析、缓冲区分析、插值分析等，使各种数据更为形象直观。

3结论

（1）首次对大沽河流域内64个采样点不同剖面的土壤水动力学基本参数和基本理化性质测定的基础上，基于ArcGIS软件构建了大沽河流域土壤信息地理空间数据库，为大沽河流域土壤水資源的高效利用提供了高效便捷的数据库支撑。

（2）数据库作为一个完整的土壤信息数据库地理空间查询与检索系统在土壤取样点和数据库功能开发方面需要再一步开发拓展。