專利名稱:一種反映區域土壤自然侵蝕程度的方法
技術領域:
本發明涉及一種反映土壤侵蝕程度的方法,特別涉及一種反映區域土壤自然 侵蝕程度的方法。
背景技術:
土壤侵蝕強度是指地殼表層在自然營力(水力、風力、重力及凍融等)和人 類活動綜合作用下,單位面積和單位時段內被剝蝕并發生位移的土壤侵蝕量,以 土壤侵蝕模數表示。土壤侵蝕模數表示單位面積和單位時段內的土壤侵蝕量。其 單位名稱為噸每平方公里年[t/ (krn^a)]。侵蝕模數是定量表達區域土壤侵蝕強 度的一個重要指標,也是開展區域水土保持規劃、開發建設項目水土保持方案設 計及生態環境建設規劃的重要的科學依據。年土壤侵蝕模數是一個動態變量指 標,常用于反映水土流失的動態變化及發展趨勢;而年平均(多年平均,有起止 年限)侵蝕模數則是一個相對恒定的常數,常作為侵蝕區土壤侵蝕狀況的背景值 用于反映區域水土流失的嚴重程度,常用于水土流失調査和水土保持規劃。國內外目前研究土壤侵蝕模數的具體方法主要有1. 資料分析法根據水土保持試驗研究站(所)所代表的土壤侵蝕類型區 取得的實測徑流泥沙資料進行統計計算及分析。這類資料包括;①標準徑流場的 資料,但它只反映坡面上的濺蝕量及細溝侵蝕量,不能反映淺溝(集流槽)侵蝕, 故通常偏小;②全坡面大型徑流場資料,它能反映淺溝侵蝕,故比較接近實際; ③各類實驗小流域的徑流、輸沙資料。上述資料為建立坡面或流域產沙數學模型 提供最寶貴的基礎數據。2. 野外及室內人工模擬降雨在國外,這是取得坡面侵蝕產沙的主要手段, 我國在80年代也比較廣泛采用,主要形式有以下幾種。①室內人工模擬降雨設施。 這類設施比較現代化,以中科院地理所及水保所在80年代所建為代表。②室外人 工模擬降雨設施。它可以分為大、中、小型及微型,大型以黃河水利委員會西峰 水保實驗站1984年在南小河溝試驗場所建為代表,中小型以山西省離石水保所80 年代在王家溝試驗場所建為代表。上述大型固定及小型便攜式人工模擬降雨裝置,系用來測量不同坡度、植被、土壤、土地利用在設定暴雨頻率下的侵蝕量。3. 野外土壤侵蝕調查①坡面細溝及淺溝侵蝕量的量算、溝道斷面(縱、 橫)沖淤變化的量算、用地面立體攝影儀測量并監測滑坡及崩塌形式的重力侵蝕。 中科院西北水保所1978年在天水龍王溝建立控制網及固定攝影站,根據外業所取 得的立體像,在室內用Topocart-D儀器跟蹤等高線,繪成l/200比例尺的地形圖, 等高線間距20cm,精度可達7cm。②用竹竿等量測瀉溜形式的重力侵蝕。③80 年代在云南省小江河谷的將家溝,建立了現代化的觀測及數據采集系統,如雷達 流速儀測速裝置,超聲波泥位計測深裝置,遙測沖擊力儀、動態攝影儀等,進行 泥石流沖淤過程觀測。4. 模型方法采用土壤侵蝕或產沙數學模型,如通用土壤流失方程(USLE)、 多元回歸方程以及WEPP (Water Erosion Prediction Project)等但必須經過驗證、 謹慎采用。1965年Wischmier-Smith首創了USLE, 1975年WiUiams-Bemdt加以改 進,提出了修正通用土壤流失方程(MUSLE);以后又不斷進行修正,如侵蝕力 方面有Onstad-Foster (1975)、 土壤可蝕性方面有EIwell (1981), 土地經營措施 方面Laflen (1985)等。我國在應用方面有賈志軍在晉西黃土高原降雨侵蝕力 的研究;吳素業在安徽大別山區降雨侵蝕力指標的研究;馬志尊在應用衛星影象 估算USLE各因子值的研究;牟金澤等在黃土丘陵溝壑區估算各因子值的研究; 游松財等在江西省泰和縣灌溪鄉的土壤侵蝕量估算研究。WEPP模型(水蝕預 報模型)正在發展以取代USLE。以上采用的主要方法中,因其普遍存在研究周期長、研究過程復雜、所需的 監測儀器設備昂貴、針對性不強等原因,限制了其在實際中的廣泛應用;而且缺 乏反映區域土壤侵蝕強度空間變化。發明內容本發明目的是,針對上述技術缺點,提供一種反映區域土壤自然侵蝕程度的 方法,能夠直觀地反映區域土壤侵蝕強度在空間上的變化,為區域水土保持規劃 與水土保持提供了快速可靠的侵蝕模數。本發明采用的技術方案是, 一種反映區域土壤自然侵蝕強度的方法,在通用 地理信息系統(GIS)中,通過輸入各個土壤侵蝕因子參數,基于通用土壤流失(USLE)模型,獲得侵蝕模數;將所得侵蝕模數數值作為樣點數值,在winsurfer軟件界面下采用krige方法進行插值,獲得區域土壤侵蝕模數等值線圖。本發明侵蝕因子,包括降雨侵蝕力因子R、 土壤可蝕性因子K、地形因子LS、植被因子C和管理控制因子P。本發明結合遙感侵蝕調查結果、地面實測資料對插值的結果進行修正。 本發明采用專業繪圖軟件(CorelDraw軟件)對等值線圖進行修飾。本發明相對于現有技術優點在于,該方法能夠直觀地反映區域土壤侵蝕強度 在空間上的變化,為區域水土保持規劃與水土保持提供快速可靠的侵蝕模數,使 得該參數的獲取與更新效率成倍提高,降低野外工作成本。
圖1為一種反映區域土壤自然侵蝕強度背景值方法的實施流程圖。 圖2為實例中的廣東省自然侵蝕模數背景值等值線圖。
具體實施方式
為了更好的實施本發明,以廣東省為例對本發明作進一步詳細的描述。如圖1所示,本發明的詳細步驟如下 (1 )首先以Arc/Info或ArcView32為支持通用地理信息系統GIS軟件建立 土壤侵蝕模數估算數據庫,數據庫內容主要包括全省26個氣象站點的多年日 降雨數據、1 :25萬DEM、遙感數據解譯的2000年廣東省土地利用現狀,并在 GIS支持下分別提取了各縣的土地利用數據、全省1 : 20萬土壤類型基礎數據庫、 全省含縣界的行政區劃空間數據(Arc/Info數據格式coverage)、全省2000年土壤侵蝕遙感調査數據和重點水土保持站監測數據和各縣社會經濟統計數據(如面 積、人口等);(2)獲取各侵蝕因子,包括降雨侵蝕力因子R、 土壤可蝕性因子K、地 形因子LS、植被因子C和管理控制因子P。對降雨侵蝕力因子R的計算采用日雨量模型進行R值的計算方法,<formula>formula see original document page 5</formula>式中i ,表示第Z個半月時段的侵蝕力值單位是MJ*mnvhm-2*h—、 A表示該半月時段內的天數,P;表示半月時段內第/天的日雨量,要求日雨量^12mm,否則以0 計算,12mm與侵蝕性降雨標準對應;ct和"是模型參數,根據區域降雨特征進 行估算<formula>formula see original document page 6</formula> (2)<formula>formula see original document page 6</formula>式中尸di2表示日雨量^12mm的日平均雨量,&12表示日雨量^12mm的年平均雨量。 利用(1) ~ (3)式計算逐年各半月的降雨侵蝕力,經匯總可得到年降雨侵蝕力、 多年平均降雨侵蝕力等。計算得到各站點的多年平均降雨侵蝕力后,'采用Kriging 內插方法進行空間插值,繪制降雨侵蝕力等值線圖。對于缺值的縣域,則在R值 等值線圖中進行空間插補,得到完整的廣東省各縣降雨侵蝕力R值數據。對土壤可蝕性因子K的計算該因子反映了土壤顆粒組成及有機質含量對土 壤侵蝕量的影響。不同的土壤類型和不同的有機質含量表出不同的土壤可侵蝕 性。Williams等在EPIC模型中發展了土壤可蝕性因子K的估算方法。只要有土壤 的有機碳和有機顆粒物的資料,即可估算K的數值。本實例應用該估算方法估算 K值,具體是根據廣東省第二次土壤普査資料估算全省可土壤類型的K值。以廣 東省l: 20萬土壤類型圖為底圖,根據計算得出的土壤類型K值數據,在ArcGIS 中賦值并采用自然分界法(Natural break)分級標準繪制土壤可蝕性因子K值柵 格數據圖。對地形因子LS的計算地形參數由坡長和坡度角確定,該參數的確定是利 用黃炎和的LS因子計算公式求得,<formula>formula see original document page 6</formula>利用廣東省l:25萬數字高程模型(DEM)圖,用ArcView軟件提取對應的柵格 (柵格大小為500)坡度圖作為坡度值,即上式中的a。根據坡長被定義為從地 表徑流的起點到坡度降低到足以發生沉積的位置或徑流進入一個規定渠道的入 口處的距離,利用負地形中的山脊線即正地形中的溝谷線一河流的原理,先確定 負地形中每個柵格的水流方向,即可以算出每個水流方向上的柵格的坡度值,再 通過三角函數就可以提取出每個柵格上的坡長,累計每個柵格的坡長,能很準確 地求出從正地形的山脊到河流的坡長。整個運算過程用ArcView可以完成,得出坡長值,即上式中的/U最后把坡長/L和坡度值"代入算式LS二0.08/Ts"。56,即可計算出地形因子值£5,并用自然分界法(Natural break)分級標準繪出地形 因子L、 S值柵格數據圖。對植被因子C和管理控制因子P的計算植被因子和管理控制因子可統一 為下墊面因子CP,即統一表示為地表覆蓋狀況的參數,其大小在一定程度上反 映人為干擾程度的大小,且與土地利用類型和覆蓋度密切相關,因此可以建立土 地利用狀況與CP因子的對應關系。根據綜合考察廣東省植被覆蓋(田間管理) 及侵蝕控制狀況查USLE中C、 P值表,獲得與廣東省不同土地利用類型相對應 的CP值。以2000年廣東省1: IO萬土地利用現狀圖為底圖,在ArcGIS中賦值 并采用自然分界法(Natural break)分級標準繪制地表覆蓋因子CP值的柵格數 據圖。 .(3) 估算土壤侵蝕模數,打開數據庫,讀取各侵蝕因子值的柵格數據圖像, 這些因子圖像處于同一坐標系統下,由同樣大小(500mx500m)的柵格組成, 運行ARC/INFO的空間分析模塊,執行圖形疊加運算功能,進行基于USLE模 型的地圖代數運算,得到柵格土壤侵蝕量圖,用柵格侵蝕量除以柵格面積即為土 壤侵蝕模數圖。(4) 繪制土壤侵蝕模數等值線圖,在土壤侵蝕模數柵格圖上,以隨機和典 型相結合方法進行樣點采集,并以土壤侵蝕模數為樣點數值,進行空間分析和空 間插值。分析樣點數據的空間結構特性,進行變異函數擬合,為空間插值選擇插 值模型,然后在winsurfer軟件支持下應用Krige方法進行空間插值制圖。(5) 步驟(4)中得到的土壤侵蝕模數圖并不代表區域的自然侵蝕模數背景 值,而是屬于區域的潛在土壤侵蝕圖,因此必須進行檢驗校正。檢驗校正方法是 將廣東省的遙感侵蝕調查結果、地面實測資料等對插值的結果進行檢驗,同時結 合地質地貌條件、植被覆蓋等綜合因素進行分析,發現不合理的侵蝕模數分布狀 況后,重新檢驗運算過程和參數的選擇是否合理,進行相應的調整后再進行空間 插值。(6) 最后,根據上述過程得出的數據繪制自然侵蝕模數背景值等值線圖。 通過GIS軟件對估算得出的廣東省土壤侵蝕模數柵格數據進行半隨機的樣點數據采集。半隨機即隨機與典型相結合,是在對整個研究區域進行隨機樣點數據采集的同時,根據前人的研究與經驗,選定某些侵蝕典型地區進行隨機樣點數 據采集。土壤侵蝕背景值的數據采集則是對前述隨機采集的樣點數據根據廣東省 各地區的土壤侵蝕背景值進行數值調整。對離散的原始樣點數據進行空間插值是繪制等值線的前提條件。用Surfer 建立一個新的Worksheet文件,將各樣點的采集數據按名稱、經度、.緯度、數值 的順序輸入Worksheet表格中并保存。新建一個Plot Document文件,選擇主菜 單欄中Grid菜單下的Data命令進行離散數據的空間插值。在選項對話框中,選 定上述建立的Worksheet文件,出現離散數據插值對話框,在這一對話框中有幾 個選項區,在數據欄(data columns)中將X選為column B (經度值),Y選為 column C (瑋度值),Z選為column D (侵蝕模數),選好后可從對話框下部的下 拉窗口了解數據的基本統計特征,包括最大值、最小值、均值、方差等。然后在 General選項中的Gridding Method選擇Kriging,確定后便可利用上述Krige插值 方法進行空間插值,并生成后綴名是grd的插值文件。選擇Surfer主菜單欄中Map菜單下的Contour Map命令,出瑪對話框后選 定前一步生成的插值文件,這樣就可以根據插值文件繪制等值線圖。由于在等值 線插值過程中沒有用廣東省邊界限制其插值的外延范圍,故繪制出來的等值線超 出了廣東省的邊界,還需用廣東省的邊界圖去裁減邊界外的多余部分。選擇Map 菜單下的Base Map命令,調出廣東省邊界圖層,配準后再選擇overlay maps命 令將等值線與邊界圖疊合成一體,最后選擇Grid菜單下的Blank命令將超出廣 東邊界范圍的等值線截去。添加上其他地圖要素如縣界、河流、城市便可繪制成 廣東省自然侵蝕模數背景值等值線簡圖。Surfer軟件畢竟不是專業的繪圖工具軟件,還需用專業繪圖軟件CorelDraw 去修飾。用Surfer軟件將繪制好的等值線簡圖輸出成常用的jpg圖,在CorelDraw 中添加外框、標題、指北針、圖例、文字說明和經緯線等地圖元素,'最后輸出如 圖2所示的廣東省自然侵蝕模數背景值等值線圖。
權利要求
1、一種反映區域土壤自然侵蝕程度的方法,其特征在于在通用地理信息系統(GIS)中,通過輸入各個土壤侵蝕因子參數,基于通用土壤流失(USLE)模型,獲得侵蝕模數;將所得侵蝕模數數值作為樣點數值,在winsurfer軟件界面下采用krige方法進行插值,獲得區域土壤侵蝕模數等值線圖。
2、 根據權利要求1所述的反映區域土壤自然侵蝕程度的方法,其特征在于 所述侵蝕因子包括降雨侵蝕力因子R、 土壤可蝕性因子K、地形因子LS、植被 因子C和管理控制因子P。
3、 根據權利要求1所述的反映區域土壤自然侵蝕程度的方法,其特征在于 結合遙感侵蝕調査結果、地面實測資料對插值的結果進行修正。
4、 根據權利要求1所述的反映區域土壤自然侵蝕程度的方法,其特征在于-采用專業繪圖軟件對等值線圖進行修飾。
全文摘要
本發明公開了一種反映區域土壤自然侵蝕程度的方法,在通用地理信息系統(GIS)中,通過輸入各個土壤侵蝕因子參數,基于通用土壤流失(USLE)模型,獲得侵蝕模數;將所得侵蝕模數數值作為樣點數值,在winsurfer軟件界面下采用krige方法進行插值,獲得區域土壤侵蝕模數等值線圖。該方法能夠直觀地反映區域土壤侵蝕強度在空間上的變化,為區域水土保持規劃與水土保持提供快速可靠的侵蝕模數,使得該參數的獲取與更新效率成倍提高,降低野外工作成本。
文檔編號G01N33/24GK101216481SQ200810025649
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月4日 優先權日2008年1月4日
發明者平 劉, 劉曉南, 吳志峰, 李定強 申請人:廣東省生態環境與土壤研究所