水利工程論文-黃土高原區(qū)域水土流失評價數(shù)據(jù)庫的建立.doc

水利工程論文-黃土高原區(qū)域水土流失評價數(shù)據(jù)庫的建立摘要：數(shù)據(jù)庫的建設(shè)是實現(xiàn)區(qū)域水土流失評價的基礎(chǔ)。本文以黃土高原區(qū)域的水土流失為研究對象，根據(jù)區(qū)域評價對數(shù)據(jù)建設(shè)的需要，分析了該區(qū)的水土流失影響因素和進行水土流失評價的數(shù)據(jù)需求狀況，運用GIS(ARC/INFO)，建立了適于該區(qū)水土流失的系統(tǒng)、宏觀、綜合和定量評價的基本數(shù)據(jù)庫，并就區(qū)域水土流失評價數(shù)據(jù)庫建立中的若干問題進行了探討。結(jié)果表明，GIS是進行具有海量地理數(shù)據(jù)特點的區(qū)域地學研究的強有力工具。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)庫水土流失區(qū)域黃土高原GIS水土流失根據(jù)研究尺度的不同可分為3個層次：坡面、小流域和區(qū)域研究1。區(qū)域水土流失以大面積水土流失的宏觀規(guī)律為研究目的，可以為水土流失的規(guī)劃、區(qū)劃、區(qū)域環(huán)境治理決策、水土流失災情快速調(diào)查等工作提供技術(shù)支持和服務(wù)。實現(xiàn)區(qū)域水土流失評價的途徑有兩種：一種是區(qū)域大面積定位監(jiān)測研究，然后通過信息匯總(Aggregation)和尺度轉(zhuǎn)換(主要是Upscaling)的方式獲取區(qū)域的整體信息，這種方法如通用土壤流失方程USLE方法的區(qū)域應用，其實際上仍是基于對坡面的定位觀測，不是區(qū)域尺度意義上的模型；另一種方法是地學綜合統(tǒng)計法(Geostatistic)，主要是通過地理綜合的辦法對區(qū)域進行分區(qū)或網(wǎng)格化，然后分析全部單元區(qū)或單元格的專題信息的區(qū)域統(tǒng)計規(guī)律，建立起區(qū)域宏觀統(tǒng)計模型，作為評價和獲取區(qū)域宏觀信息的依據(jù)。本研究采用的是第二種方法。所以，這里所提的區(qū)域水土流失研究的概念，不同于傳統(tǒng)坡面、小流域研究依賴于定位觀測的特點，它主要強調(diào)區(qū)域尺度的層次性、系統(tǒng)性、整體性、宏觀性和綜合性，是一種從宏觀尺度出發(fā)并獲取宏觀尺度結(jié)論的地學綜合統(tǒng)計方法，而不是一般意義上的區(qū)域定位觀測研究。其目的在于建立區(qū)域宏觀水土流失模型和獲取大面積水土流失的區(qū)域宏觀規(guī)律，具有數(shù)據(jù)需求量大、數(shù)據(jù)更新快、比尺不一和數(shù)據(jù)多源、多型的特點和要求。而一個高效、全面的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)則是實現(xiàn)區(qū)域水土流失評價的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。所以，必須從區(qū)域水土流失評價的現(xiàn)實需要出發(fā)，科學解決區(qū)域評價中數(shù)據(jù)庫建設(shè)的問題。黃土高原地處我國從半濕潤半干旱向干旱荒漠過渡的地帶，由于受歷史上戰(zhàn)亂和人為不合理利用的影響，導致生態(tài)環(huán)境十分惡劣、脆弱，水土流失嚴重。全區(qū)62.38萬km2的面積，存在水土流失的面積就高達50萬km2，其中，年侵蝕模數(shù)超過5000t/km2年的面積達14.5萬km22。如此大范圍的水土流失，必然要求在治理的決策、規(guī)劃上有一個合理的統(tǒng)籌安排，同時也為區(qū)域水土流失宏觀規(guī)律的研究提供了條件(目前這一領(lǐng)域的工作還較薄弱)，而這一切則主要依賴于區(qū)域水土流失評價數(shù)據(jù)庫的完備性、系統(tǒng)性和科學性。目前關(guān)于黃土高原水土流失的數(shù)據(jù)庫建設(shè)，主要集中在小流域或試區(qū)、縣級等層次，且多屬信息系統(tǒng)性質(zhì)3，4，與本文所談的評價數(shù)據(jù)庫有所不同。信息系統(tǒng)主要提供專業(yè)信息的系統(tǒng)查詢和檢索，而區(qū)域水土流失評價數(shù)據(jù)庫則是立足于區(qū)域尺度評價的現(xiàn)實需要，主要強調(diào)信息的全面性和科學性、數(shù)據(jù)源的合理性和實用性、數(shù)據(jù)處理與更新的高效性、庫結(jié)構(gòu)的可擴充性以及與“3S”和土壤流失模型集成的可能性。本文根據(jù)黃土高原區(qū)域水土流失系統(tǒng)和宏觀評價的需要，首先分析了所涉及的數(shù)據(jù)需求，探討了區(qū)域水土流失評價數(shù)據(jù)庫的設(shè)計原則、結(jié)構(gòu)等問題，利用GIS，將多種來源、多種類型和多種比尺的數(shù)據(jù)集成到一個GIS系統(tǒng)中，并通過GIS的二次開發(fā)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)的聯(lián)系，實現(xiàn)了各類別數(shù)據(jù)的有機結(jié)合和集成一體化。1區(qū)域水土流失評價的思想及方法1.1區(qū)域水土流失的評價思想?yún)^(qū)域水土流失研究的是大面積水土流失發(fā)生的宏觀規(guī)律，它強調(diào)這種規(guī)律的區(qū)域尺度層次是有別于坡面和小流域尺度的。而研究黃土高原這樣大范圍的水土流失宏觀規(guī)律，靠建立定位觀測網(wǎng)絡(luò)所需要的人力、資金和時間均是相當驚人的；而采用地統(tǒng)計法則可以克服這些缺點。區(qū)域水土流失的宏觀規(guī)律在理論上是有別于坡面和小流域水土流失發(fā)生規(guī)律的，但作為水土流失問題的一個分支，區(qū)域水土流失的發(fā)生機制仍取決于各個影響因子。按照傳統(tǒng)的水土流失影響因子分類，通常包括土壤、氣候、植被、地形和土地利用5大因子。這里設(shè)土壤流失強度為L，土壤因子為S，氣候因子為P，植被因子為C，地形因子為G，土地利用因子為M，并且各因子之間均是相互獨立的，則土壤流失可以用下式來描述L=SPCGM(1)在上式中，各因子又均是由其內(nèi)部的下一級因子所決定的，也就是說，各因子最終被歸結(jié)為一些確定的數(shù)量指標(見2.1).在本研究中，首先根據(jù)區(qū)域自然分異將全區(qū)劃分為若干個用于建模和評價的基本地理單元，然后在GIS中將包含各因子信息的專題圖分別與評價單元圖進行疊加，使疊加結(jié)果圖內(nèi)的每一評價單元均攜帶有包括泥沙、土壤、植被、氣候、地形和土地利用在內(nèi)的建模基礎(chǔ)信息。這樣，各評價單元的各項專題信息就構(gòu)成了一個數(shù)據(jù)矩陣。對該矩陣進行回歸分析，即可建立起應用于全區(qū)范圍的水土流失統(tǒng)計模型。利用遙感和GIS快速更新植被、土地利用、氣候等數(shù)據(jù)(地形和土壤屬性在一定的時間內(nèi)具有相對的穩(wěn)定性)，通過模型的運算，就可以迅速地獲得區(qū)域大范圍水土流失的發(fā)生情況，實現(xiàn)區(qū)域水土流失(包括發(fā)生范圍、強度及各單因子)的快速評價和制圖(有關(guān)該模型的建立請閱參考文獻1).1.2區(qū)域水土流失的評價方法本數(shù)據(jù)庫建設(shè)所對應的研究方法和步驟為：(1)根據(jù)自然地理條件將全區(qū)劃分為適應于區(qū)域宏觀定量評價的若干個基本評價單元，它實質(zhì)上是地理單元，表現(xiàn)為基本的制圖單元；(2)將水土流失問題進行因子分解，確定各因子的主要影響指標，作為數(shù)據(jù)采集的基本依據(jù)；(3)利用GIS建立評價的基本數(shù)據(jù)庫，并實施GIS的空間和屬性分析，建立黃土高原區(qū)域水土流失的宏觀評價模型；(4)集成GIS、基本評價數(shù)據(jù)庫和評價模型，實現(xiàn)評價數(shù)據(jù)庫的快速更新與模型的應用評價。2區(qū)域水土流失評價的數(shù)據(jù)需求分析2.1區(qū)域水土流失的影響因素區(qū)域水土流失作為水土流失研究的一個分支，它具有傳統(tǒng)水土流失研究的一般共性。影響區(qū)域水土流失的因素同樣包括自然和人為兩個方面：自然因素有氣候(降水)、土壤、植被、地形4個因子；人為影響則主要指土地利用方式及土壤保護措施等1。在各影響因子的內(nèi)部，每個因子又可由若干個次因子來反映，我們可以通過構(gòu)造一棵影響因子樹來表征這種關(guān)系(圖1).但較傳統(tǒng)的水土流失研究不同，影響區(qū)域水土流失的各因素是區(qū)域氣候特征，區(qū)域土壤特征、區(qū)域植被狀況、區(qū)域地形條件及區(qū)域土地利用狀況，其度量指標通常是一些能夠反映區(qū)域宏觀綜合特征的概化指標，如地面糙度、溝壑密度、植被覆蓋率、坡耕地面積等，而非一些“微觀”的度量指標，如坡度、坡長等則較難應用，但有些微觀指標可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)部的客觀情況向區(qū)域的層次引申，如黃土高原的土壤質(zhì)地具有明顯的分帶性，則反映土壤質(zhì)地的土壤顆粒組成這一微指標就可以結(jié)合區(qū)內(nèi)的質(zhì)地分帶情況應用于區(qū)域研究。本文中所述的數(shù)據(jù)庫的建立，是適應于基于GIS的黃土高原區(qū)域水土流失評價方法和目標的1。所以，該數(shù)據(jù)庫的建立，一方面要考慮區(qū)域水土流失評價自身的數(shù)據(jù)需要，還需要考慮因評價方法和研究手段的不同對數(shù)據(jù)庫建設(shè)的影響和要求。利用GIS進行區(qū)域水土流失的評價，則要求相關(guān)的數(shù)據(jù)均能納入GIS的管理，對研究所涉及到的各因子數(shù)據(jù)的空間可表達性提出了較高的要求。圖1區(qū)域水土流失的影響因子樹在本研究中，根據(jù)區(qū)域水土流失宏觀評價對評價指標的要求及研究手段的特點，確定了進行區(qū)域水土流失評價的各項評價指標分別為汛期降雨量、溝壑密度、植被覆蓋率、坡耕地面積比、大于0.25mm風干土水穩(wěn)定性土壤團粒含量(在區(qū)域地帶上的分布)和產(chǎn)沙強度1。2.2基本數(shù)據(jù)需求根據(jù)對區(qū)域水土流失的影響因素、評價方法的分析和評價指標的確定，可以確定區(qū)域水土流失評價數(shù)據(jù)庫的建立所涉及的數(shù)據(jù)包括5大因子數(shù)據(jù)、泥沙數(shù)據(jù)以及輔助數(shù)據(jù)七大類。具體地說，各類數(shù)據(jù)所包括的內(nèi)容如下：(1)氣候數(shù)據(jù)。多年的降雨連續(xù)觀測資料。在本處是19561988年間連續(xù)30多年的降雨原始記錄資料，表現(xiàn)為站點、次降雨量和月降雨量的數(shù)據(jù)點集。(2)土壤數(shù)據(jù)。包括土壤團粒數(shù)據(jù)和土壤類型分布圖(1400萬，地圖出版社，1990).其中，土壤團粒數(shù)據(jù)由相應的土壤類型所對應的土壤有機質(zhì)含量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而來5，而土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)從陜西土種志6查得。(3)植被數(shù)據(jù)。目的在于獲取評價單元內(nèi)的植被覆蓋率。本處為43幅125萬的土地利用圖(電子版，ARC/INFO格式，中科院水保所完成，1990)，其內(nèi)容含有全區(qū)的植被覆蓋信息。(4)地形數(shù)據(jù)。指溝壑密度數(shù)據(jù)。從150萬黃土高原土壤侵蝕類型與侵蝕強度圖(中科院綜考會主持完成，1992)上采集而來，為點狀數(shù)據(jù)集。(5)土地利用數(shù)據(jù)。指坡耕地面積比。原始數(shù)據(jù)來源同植被數(shù)據(jù)，因該圖同時含有坡耕地利用與植被覆蓋兩種信息。(6)泥沙數(shù)據(jù)。基本泥沙數(shù)據(jù)來源于黃土高原全區(qū)各水文站、泥沙監(jiān)測站和試區(qū)共計198個站點自19551989年間的泥沙觀測資料。(7)輔助數(shù)據(jù)。包括基本評價單元圖(43幅125萬的電子地圖，ARC/INFO格式，中科院水保所完成，1990)和研究區(qū)邊界圖(150萬，地圖出版社，1988).3數(shù)據(jù)庫的設(shè)計基于GIS的區(qū)域水土流失評價研究，所涉及的數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多樣、格式各異，且要求評價周期短、數(shù)據(jù)更新快等特點，要求首先必須對數(shù)據(jù)庫進行科學的規(guī)劃和設(shè)計，保證區(qū)域水土流失評價在規(guī)范化和高效化的狀態(tài)下運行。3.1數(shù)據(jù)庫的設(shè)計原則(1)高效性。因區(qū)域評價所涉及的因素多、范圍廣、數(shù)據(jù)量大，且評價周期要求短，所以要求數(shù)據(jù)庫的建立首先要體現(xiàn)效率的原則：在數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)上層次分明；從數(shù)據(jù)采集與更新、數(shù)據(jù)處理到評價應用的各個環(huán)節(jié)銜接緊密、和諧統(tǒng)一；數(shù)據(jù)類型、格式及數(shù)據(jù)標準統(tǒng)一、規(guī)范。(2)可擴充。由于區(qū)域水土流失評價的多源數(shù)據(jù)需求，要求相應的基本數(shù)據(jù)庫應是一個可擴充的、相對開放的系統(tǒng)，在系統(tǒng)功能的設(shè)計上具有相當?shù)撵`活性，可以隨時根據(jù)評價的需求進行系統(tǒng)功能的調(diào)整。(3)數(shù)據(jù)更新能力強。限制區(qū)域快速評價實現(xiàn)的“瓶頸”就是數(shù)據(jù)的更新與采集和相應的數(shù)據(jù)處理過程。由于區(qū)域評價的數(shù)據(jù)量大、類型多等特點，要求數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有接受多種數(shù)據(jù)格式的能力，與多種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有著較好的兼容性，數(shù)據(jù)接口豐富。3.2數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)本研究中區(qū)域水土流失的評價過程，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與建模、評價應用3個階段。相應地，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心部分也由原始數(shù)據(jù)庫、規(guī)范數(shù)據(jù)庫和評價結(jié)果數(shù)據(jù)庫3個子庫組成。受GIS評價的需要，作為一個完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在核心數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上還需要擴充數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、應用模型模塊和結(jié)果輸出模塊。數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)如圖2所示。4數(shù)據(jù)庫的建立4.1數(shù)據(jù)預處理本研究中所涉及的原始數(shù)據(jù)的存放形態(tài)有3類：紙質(zhì)圖形資料、點狀數(shù)據(jù)集和電子格式數(shù)據(jù)產(chǎn)品。它們最終都要輸入計算機系統(tǒng)由GIS進行統(tǒng)一管理，但這些原始數(shù)據(jù)大部分存在空間與屬性信息不全、量綱不規(guī)范等問題，必需進行初步的處理才能向GIS輸入。圖2數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)主要包括：圖形資料上空間信息的增強處理；點狀數(shù)據(jù)的空間屬性配準，即將其處理為具有準確位置信息及其屬性信息、形如(x,y,z)的數(shù)據(jù)集。4.2數(shù)據(jù)錄入根據(jù)數(shù)據(jù)存放形態(tài)的不同，數(shù)據(jù)的錄入方式也有所不同。紙質(zhì)圖形數(shù)據(jù)采用手扶數(shù)字化的方式錄入，包括土壤類型圖和研究區(qū)邊界圖，在錄入的編輯過程中進行屬性信息的添加；電子格式數(shù)據(jù)產(chǎn)品的錄入較簡單，由GIS(本研究中為ARC/INFO)直接讀入，包括植被覆蓋、坡耕地面積與基本評價單元圖3種信息；點狀數(shù)據(jù)的GIS錄入比較復雜，必須先經(jīng)圖形分析軟件(本研究中使用的是Surfer)處理為圖形數(shù)據(jù)后，再通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)該圖形數(shù)據(jù)向GIS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，這部分數(shù)據(jù)包括溝壑密度、汛期降雨量和產(chǎn)沙強度的區(qū)域空間分布。4.3數(shù)據(jù)的后處理在完成原始數(shù)據(jù)的空間信息錄入和屬性添加后，還必須針對各不同類別數(shù)據(jù)的實際情況進行一些處理，使所有數(shù)據(jù)的質(zhì)量進一步符合GIS管理和區(qū)域評價的規(guī)范。這些處理主要包括：(1)對由電子數(shù)據(jù)產(chǎn)品而來的土地利用圖和基本評價單元圖，將每幅圖的控制點(TIC)移到圖幅的相應頂點進行矯正，以便對圖幅的內(nèi)容進行精確的空間定位；對每幅圖進行統(tǒng)一的地圖投影和坐標變換。(2)對由數(shù)字化而來的土壤類型圖和研究區(qū)邊界圖，首先進行拓撲關(guān)系的建立操作，然后進行投影和坐標變換。(3)對經(jīng)由Surfer分析完成而輸入GIS的泥沙、溝壑密度和汛期降雨量空間分布等值線圖，先建立圖形的空間拓撲關(guān)系，再進行地圖投影和坐標變換。4.4系統(tǒng)集成經(jīng)過上述處理的各項數(shù)據(jù)，已經(jīng)符合區(qū)域水土流失評價和GIS管理的數(shù)據(jù)規(guī)范。但是，各數(shù)據(jù)之間、各子庫之間還缺乏緊密的聯(lián)系，表現(xiàn)為一種零散的組合，不能進行相互的交流和訪問，必須進行系統(tǒng)的集成。本研究中應用的GIS為ARC/INFO，它本身提供一種二次開發(fā)語言SML(SimpleMacroLanguage)，同時還支持FoxBase的數(shù)據(jù)庫開發(fā)功能7。本研究中聯(lián)合應用FoxBase和SML兩種語言，將黃土高原區(qū)域水土流失評價的各項數(shù)據(jù)及3個子數(shù)據(jù)庫進行有機的集成，實現(xiàn)了子庫間數(shù)據(jù)的自由訪問、調(diào)用以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的現(xiàn)狀查詢、瀏覽、輸出等功能。同時，本數(shù)據(jù)庫中的所有GIS數(shù)據(jù)，均可在圖形窗口界面GIS系統(tǒng)ARCVIEW下進行瀏覽、查詢和編輯。5結(jié)論與討論數(shù)據(jù)庫的建設(shè)是實現(xiàn)在類似黃土高原這樣大的區(qū)域進行水土流失的宏觀與系統(tǒng)評價等工作的核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究通過對黃土高原區(qū)域水土流失評價的實踐，利用GIS實現(xiàn)對大量空間數(shù)據(jù)的管理與應用分析，取得了一定的成果，同時也存在一些問題。主要的結(jié)論有：(1)GIS是實現(xiàn)區(qū)域水土流失評價大量空間數(shù)據(jù)管理與分析應用的強有力工具。GIS的應用，完全改變了傳統(tǒng)地理分析的思路與途徑，實現(xiàn)了空間分析的定量化、整體化及精確的空間定位。(2)GIS的應用使研究的周期大大縮短，體現(xiàn)了效率的原則。GIS的空間數(shù)據(jù)處理及分析的技術(shù)基礎(chǔ)是現(xiàn)代計算機技術(shù)，并且具有整體化的特點，一個區(qū)域的空間分析往往在幾分鐘之內(nèi)就得以完成。(3)GIS將研究所需要的所有數(shù)據(jù)均納入系統(tǒng)中進行統(tǒng)一管理，并且可以