陈燕琼

（福州大学福建省空间信息工程研究中心空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室，福建 福州350002）

0 引言

土壤侵蚀是全球性的环境问题之一，制约着经济、社会、环境的可持续发展。土壤侵蚀降低了土地生产力，直接影响了农业的生产发展，开展土壤侵蚀强度研究并提出有效的治理措施具有一定的现实意义。然而，大范围的土壤侵蚀强度监测需要耗费大量的时间、人力和经费。因此，在一定精度范围内，得到满足科学计算要求的土壤侵蚀估算已成为一种趋势。长期以来，国内外学者[1-4]对土壤侵蚀规律及估算模型的研究，促进了土壤侵蚀强度估算和水土保持工作的推进。李忠佩等[5]分析了红壤丘陵区水土流失的过程，并提出了相应的技术措施，为水土流失区综合治理献策。土壤侵蚀定量评价方法主要以土壤侵蚀估算模型为核心，其中，最为著名、应用最广泛的是美国修正通用土壤流失方程（RUSLE，Revised Universal Soil Loss Equation）。国内一些学者通过对RUSLE的影响因子，如降雨侵蚀力值[6]、土壤可蚀性[7]、植被覆盖度[8]等的研究，为RUSLE 在国内相应区域的应用奠定了理论基础。同时，GIS 和RS技术的发展，为土壤侵蚀的定量估算提供了强有力的支持。Arekhi[9]、李辉[10]、徐涵秋[11-12]、林惠花[13]等运用地理信息系统和遥感技术，对研究区土壤侵蚀强度进行了估算，以了解土壤的侵蚀现状，并提出相应的治理措施。以上的研究都是在已有软件工具的基础上运用土壤侵蚀估算模型进行分析研究，这对于非专业用户来说尚有困难。计算结果以平面图的形式展示，未充分发挥三维可视化的优势。因此，根据用户需求开发数据处理工具，简化土壤侵蚀评价的计算逻辑，可以有效提高工作效率。充分发挥三维可视化功能的优势，可以方便用户更好地理解土壤侵蚀发生机理。

鉴于上述研究背景，结合COM 技术，在自主研发的虚拟森林环境平台VisForest[14]上，集成修正通用土壤流失方程模型，构建具有良好可操作性、能够服务于土壤侵蚀评价的子系统。

1 系统设计

1.1 总体设计思想

土壤侵蚀估算涉及到大量空间数据和非空间数据的采集、处理与利用，土壤侵蚀评价与可视化子系统涉及数据输入、因子计算分析、数据输出、结果可视化4个主要功能。数据输入主要包括矢量数据、遥感影像数据和DEM 数据的输入。因子计算分析是子系统的核心模块，为保证计算结果的准确性，需要选择合理的参数计算公式。各个评价因子计算完成后，通过叠加等空间分析运算输出。由于土壤侵蚀评价因子只是一个半定量的计算结果，为了定量反映土壤侵蚀强度，系统需要基于RUSLE 土壤侵蚀预报模型进行设计，估算土壤侵蚀量。考虑到空间分析的方便性，数据输出格式主要为栅格数据。结果可视化主要包括二维和三维两种形式，将计算得到的二维结果图叠加到三维地形上，提高可读性。土壤侵蚀量的计算和土壤侵蚀结果可视化能够初步反映土壤流失过程的特征，用于土地利用和土壤侵蚀的关系研究，为土地利用格局的优化设计和水土流失综合治理提供技术支持。

1.2 结构设计

根据土壤侵蚀评价模块的设计思想、计算逻辑和ArcGIS Engine 的技术特点，模块结构设计（见图1）采用三层结构模式：①数据层主要用来提供和管理所需的空间和非空间数据；②逻辑层是模块功能实现的技术支持，通过VC++语言调用ArcGIS Engine 中的组件，构建土壤侵蚀评价模块的结构框架；③表现层主要包括土壤侵蚀评价模块的土壤侵蚀量计算和土壤侵蚀结果可视化两个模块。

图1 土壤侵蚀评价与可视化系统的结构框架

2 功能实现

基于ArcGIS Engine 的开发，在VC++开发环境中，实现土壤侵蚀评价与可视化的解决方案。其核心是在自主研发的虚拟森林环境平台VisForest 上，定义插件遵循的接口，以及自定义组件接口的实现。模块建设的技术流程如下：在工程中引用ArcObjects 对象库；采用智能指针声明所需接口，在类模块中写入实现特定ArcObject 接口的代码；定义过程函数；添加初始化事件Oncreate、Click 等代码；编译成DLL；加载到VisForest 平台中，根据这一过程构建土壤侵蚀评价模块。

2.1 土壤侵蚀量计算子模块

本模块主要是依据RUSLE 模型建立，并根据中国水土保持的特点和前人研究的结果对参数因子计算公式进行了修正。RUSLE 的数学表达公式为：式中：A为土壤侵蚀模数；R为降雨量侵蚀力指标；K为土壤可蚀性因子；LS、C、P分别为地形因子、水土保持因子、植被覆盖与管理因子。

其主要功能是通过RUSLE 土壤侵蚀预报模型估算区域的土壤侵蚀量。根据RUSLE 模型涉及的参数因子设计了6 个模块，分别为降雨侵蚀因子R、土壤可蚀性因子K、坡度因子S、坡长因子L、作物覆盖与管理因子C、水土保持措施因子P、土壤侵蚀量计算。通过这些子模块，可以分别获得各计算因子的结果图层，最后通过土壤侵蚀量计算子模块的叠加，计算输出土壤侵蚀量图层。

2.2 土壤侵蚀量结果可视化子模块

在自主研发的虚拟森林环境系统（VisForest）平台基础上，针对土壤侵蚀分析的业务需求，集成修正通用土壤流失方程（RUSLE），形成土壤侵蚀评价与可视化子系统。将遥感影像和计算得到的土壤侵蚀量图层与三维地形进行叠加，形成土壤侵蚀强度三维场景如图2 所示，在图2中，可定位到关心的区域，查看该区域的地形地貌、土地覆盖/利用等，结合土壤侵蚀强度图进行分析。

图2 土壤侵蚀三维场景

3 应用实例

本文主要数据源为：长汀县周边20 个气象观测站1971—2012 年的各月总降雨数据；长汀县DEM数据（分辨率为30m）；长汀县已有的2010年的土地利用类型图和1∶5万土壤类型矢量图；2010年归一化植被覆盖指数分布图。

首先，使用上述因子的取值及计算方法对数据进行预处理，然后，将各因子图进行栅格连乘计算，即可获得每个栅格的土壤侵蚀模数。按照《土壤侵蚀强度分级标准》对计算所得的长汀县土壤侵蚀强度进行归并，得到长汀县2010 年土壤侵蚀强度的面积、侵蚀总量分布及不同侵蚀强度侵蚀量对侵蚀总量的贡献率，见表1。

表1 2010年土壤侵蚀级别统计表

由表1可知：

（1）2010年水土流失的侵蚀总量为369.37万t，平均土壤侵蚀模数为11.92t·hm-2·a-1，属于轻度侵蚀；其与2003 年水土流失平均土壤侵蚀模数27.03t·hm-2·a-1相比[15]，年平均土壤侵蚀强度下降明显；

（2）长汀全县侵蚀面积为39 995hm2，估算结果符合当地情况[16]，其与1985 年（97 469hm2）和2000 年（70 364 hm2）相比[17]，土壤侵蚀总面积大大减少，其中，微度侵蚀面积24 937hm2，占侵蚀总面积的2.35%；轻度侵蚀面积13 217hm2，占侵蚀总面积的33.08%；中、强和极强度分别占侵蚀总面积的3.56%、0.77%、0.15%；剧烈侵蚀面积达37hm2，占侵蚀总面积的0.01%；治理成效卓越与长汀县多年来大力扶持的政策及一系列有效措施的实施有着密切联系。

地形的起伏变化是造成长汀县内土壤侵蚀空间差异性大的关键因素。统计长汀县不同坡度下的土壤侵蚀模数（见表2）发现，随着坡度的增加，土壤侵蚀模数的变化总体呈现递增趋势，坡度大于25°的侵蚀模数最大，其次是20～25°和15～20°，15°是土壤侵蚀模数的相对质变点。将土壤侵蚀强度图和遥感影像叠加在三维地形上形成三维场景图（见图3），图3（a）、图3（b）内的矩形框区域在实地为坡度大于15°的果园，其植被覆盖分布均匀，但矩形框内的土壤侵蚀强度相比周边坡度小于15°的区域，其土壤侵蚀明显更为严重。

表2 不同坡度的土壤侵蚀

图3 坡度对土壤侵蚀影响的三维表达

4 结论

本文借助组件式GIS技术，在自主研发的虚拟森林环境系统（VisForest）平台基础上，集成修正通用土壤流失方程（RUSLE），以可视化形式表达土壤侵蚀空间分布特征。本文的创新点在于自主研发的虚拟森林环境系统（VisForest）平台集成了GIS和RUSLE，实现了土壤侵蚀的评价功能，简化土壤侵蚀估算步骤。将计算得到的土壤侵蚀结果叠加在三维地形上，充分发挥三维可视化表达的优势，方便用户分析导致土壤侵蚀严重的可能因素。

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