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水利工程论文-黄土高原区域水土流失评价数据库的建立.doc水利工程论文-黄土高原区域水土流失评价数据库的建立.doc -- 2 元

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水利工程论文黄土高原区域水土流失评价数据库的建立摘要数据库的建设是实现区域水土流失评价的基础。本文以黄土高原区域的水土流失为研究对象,根据区域评价对数据建设的需要,分析了该区的水土流失影响因素和进行水土流失评价的数据需求状况,运用GISARC/INFO,建立了适于该区水土流失的系统、宏观、综合和定量评价的基本数据库,并就区域水土流失评价数据库建立中的若干问题进行了探讨。结果表明,GIS是进行具有海量地理数据特点的区域地学研究的强有力工具。关键词数据库水土流失区域黄土高原GIS水土流失根据研究尺度的不同可分为3个层次坡面、小流域和区域研究1。区域水土流失以大面积水土流失的宏观规律为研究目的,可以为水土流失的规划、区划、区域环境治理决策、水土流失灾情快速调查等工作提供技术支持和服务。实现区域水土流失评价的途径有两种一种是区域大面积定位监测研究,然后通过信息汇总Aggregation和尺度转换主要是Upscaling的方式获取区域的整体信息,这种方法如通用土壤流失方程USLE方法的区域应用,其实际上仍是基于对坡面的定位观测,不是区域尺度意义上的模型另一种方法是地学综合统计法Geostatistic,主要是通过地理综合的办法对区域进行分区或网格化,然后分析全部单元区或单元格的专题信息的区域统计规律,建立起区域宏观统计模型,作为评价和获取区域宏观信息的依据。本研究采用的是第二种方法。所以,这里所提的区域水土流失研究的概念,不同于传统坡面、小流域研究依赖于定位观测的特点,它主要强调区域尺度的层次性、系统性、整体性、宏观性和综合性,是一种从宏观尺度出发并获取宏观尺度结论的地学综合统计方法,而不是一般意义上的区域定位观测研究。其目的在于建立区域宏观水土流失模型和获取大面积水土流失的区域宏观规律,具有数据需求量大、数据更新快、比尺不一和数据多源、多型的特点和要求。而一个高效、全面的数据库系统则是实现区域水土流失评价的基础和关键。所以,必须从区域水土流失评价的现实需要出发,科学解决区域评价中数据库建设的问题。黄土高原地处我国从半湿润半干旱向干旱荒漠过渡的地带,由于受历史上战乱和人为不合理利用的影响,导致生态环境十分恶劣、脆弱,水土流失严重。全区62.38万km2的面积,存在水土流失的面积就高达50万km2,其中,年侵蚀模数超过5000t/km2年的面积达14.5万km22。如此大范围的水土流失,必然要求在治理的决策、规划上有一个合理的统筹安排,同时也为区域水土流失宏观规律的研究提供了条件目前这一领域的工作还较薄弱,而这一切则主要依赖于区域水土流失评价数据库的完备性、系统性和科学性。目前关于黄土高原水土流失的数据库建设,主要集中在小流域或试区、县级等层次,且多属信息系统性质3,4,与本文所谈的评价数据库有所不同。信息系统主要提供专业信息的系统查询和检索,而区域水土流失评价数据库则是立足于区域尺度评价的现实需要,主要强调信息的全面性和科学性、数据源的合理性和实用性、数据处理与更新的高效性、库结构的可扩充性以及与3S和土壤流失模型集成的可能性。本文根据黄土高原区域水土流失系统和宏观评价的需要,首先分析了所涉及的数据需求,探讨了区域水土流失评价数据库的设计原则、结构等问题,利用GIS,将多种来源、多种类型和多种比尺的数据集成到一个GIS系统中,并通过GIS的二次开发和数据库系统开发的联系,实现了各类别数据的有机结合和集成一体化。1区域水土流失评价的思想及方法1.1区域水土流失的评价思想区域水土流失研究的是大面积水土流失发生的宏观规律,它强调这种规律的区域尺度层次是有别于坡面和小流域尺度的。而研究黄土高原这样大范围的水土流失宏观规律,靠建立定位观测网络所需要的人力、资金和时间均是相当惊人的而采用地统计法则可以克服这些缺点。区域水土流失的宏观规律在理论上是有别于坡面和小流域水土流失发生规律的,但作为水土流失问题的一个分支,区域水土流失的发生机制仍取决于各个影响因子。按照传统的水土流失影响因子分类,通常包括土壤、气候、植被、地形和土地利用5大因子。这里设土壤流失强度为L,土壤因子为S,气候因子为P,植被因子为C,地形因子为G,土地利用因子为M,并且各因子之间均是相互独立的,则土壤流失可以用下式来描述LSPCGM1在上式中,各因子又均是由其内部的下一级因子所决定的,也就是说,各因子最终被归结为一些确定的数量指标见2.1.在本研究中,首先根据区域自然分异将全区划分为若干个用于建模和评价的基本地理单元,然后在GIS中将包含各因子信息的专题图分别与评价单元图进行叠加,使叠加结果图内的每一评价单元均携带有包括泥沙、土壤、植被、气候、地形和土地利用在内的建模基础信息。这样,各评价单元的各项专题信息就构成了一个数据矩阵。对该矩阵进行回归分析,即可建立起应用于全区范围的水土流失统计模型。利用遥感和GIS快速更新植被、土地利用、气候等数据地形和土壤属性在一定的时间内具有相对的稳定性,通过模型的运算,就可以迅速地获得区域大范围水土流失的发生情况,实现区域水土流失包括发生范围、强度及各单因子的快速评价和制图有关该模型的建立请阅参考文献1.1.2区域水土流失的评价方法本数据库建设所对应的研究方法和步骤为1根据自然地理条件将全区划分为适应于区域宏观定量评价的若干个基本评价单元,它实质上是地理单元,表现为基本的制图单元2将水土流失问题进行因子分解,确定各因子的主要影响指标,作为数据采集的基本依据3利用GIS建立评价的基本数据库,并实施GIS的空间和属性分析,建立黄土高原区域水土流失的宏观评价模型4集成GIS、基本评价数据库和评价模型,实现评价数据库的快速更新与模型的应用评价。2区域水土流失评价的数据需求分析2.1区域水土流失的影响因素区域水土流失作为水土流失研究的一个分支,它具有传统水土流失研究的一般共性。影响区域水土流失的因素同样包括自然和人为两个方面自然因素有气候降水、土壤、植被、地形4个因子人为影响则主要指土地利用方式及土壤保护措施等1。在各影响因子的内部,每个因子又可由若干个次因子来反映,我们可以通过构造一棵影响因子树来表征这种关系图1.但较传统的水土流失研究不同,影响区域水土流失的各因素是区域气候特征,区域土壤特征、区域植被状况、区域地形条件及区域土地利用状况,其度量指标通常是一些能够反映区域宏观综合特征的概化指标,如地面糙度、沟壑密度、植被覆盖率、坡耕地面积等,而非一些微观的度量指标,如坡度、坡长等则较难应用,但有些微观指标可以根据区域内部的客观情况向区域的层次引申,如黄土高原的土壤质地具有明显的分带性,则反映土壤质地的土壤颗粒组成这一微指标就可以结合区内的质地分带情况应用于区域研究。本文中所述的数据库的建立,是适应于基于GIS的黄土高原区域水土流失评价方法和目标的1。所以,该数据库的建立,一方面要考虑区域水土流失评价自身的数据需要,还需要考虑因评价方法和研究手段的不同对数据库建设的影响和要求。利用GIS进行区域水土流失的评价,则要求相关的数据均能纳入GIS的管理,对研究所涉及到的各因子数据的空间可表达性提出了较高的要求。图1区域水土流失的影响因子树在本研究中,根据区域水土流失宏观评价对评价指标的要求及研究手段的特点,确定了进行区域水土流失评价的各项评价指标分别为汛期降雨量、沟壑密度、植被覆盖率、坡耕地面积比、大于0.25mm风干土水稳定性土壤团粒含量在区域地带上的分布和产沙强度1。2.2基本数据需求根据对区域水土流失的影响因素、评价方法的分析和评价指标的确定,可以确定区域水土流失评价数据库的建立所涉及的数据包括5大因子数据、泥沙数据以及辅助数据七大类。具体地说,各类数据所包括的内容如下1气候数据。多年的降雨连续观测资料。在本处是1956~1988年间连续30多年的降雨原始记录资料,表现为站点、次降雨量和月降雨量的数据点集。2土壤数据。包括土壤团粒数据和土壤类型分布图1∶400万,地图出版社,1990.其中,土壤团粒数据由相应的土壤类型所对应的土壤有机质含量数据转化而来5,而土壤有机质数据从陕西土种志6查得。3植被数据。目的在于获取评价单元内的植被覆盖率。本处为43幅1∶25万的土地利用图电子版,ARC/INFO格式,中科院水保所完成,1990,其内容含有全区的植被覆盖信息。4地形数据。指沟壑密度数据。从1∶50万黄土高原土壤侵蚀类型与侵蚀强度图中科院综考会主持完成,1992上采集而来,为点状数据集。5土地利用数据。指坡耕地面积比。原始数据来源同植被数据,因该图同时含有坡耕地利用与植被覆盖两种信息。6泥沙数据。基本泥沙数据来源于黄土高原全区各水文站、泥沙监测站和试区共计198个站点自1955~1989年间的泥沙观测资料。7辅助数据。包括基本评价单元图43幅1∶25万的电子地图,ARC/INFO格式,中科院水保所完成,1990和研究区边界图1∶50万,地图出版社,1988.3数据库的设计基于GIS的区域水土流失评价研究,所涉及的数据量大、数据类型多样、格式各异,且要求评价周期短、数据更新快等特点,要求首先必须对数据库进行科学的规划和设计,保证区域水土流失评价在规范化和高效化的状态下运行。3.1数据库的设计原则1高效性。因区域评价所涉及的因素多、范围广、数据量大,且评价周期要求短,所以要求数据库的建立首先要体现效率的原则在数据库的结构上层次分明从数据采集与更新、数据处理到评价应用的各个环节衔接紧密、和谐统一数据类型、格式及数据标准统一、规范。2可扩充。由于区域水土流失评价的多源数据需求,要求相应的基本数据库应是一个可扩充的、相对开放的系统,在系统功能的设计上具有相当的灵活性,可以随时根据评价的需求进行系统功能的调整。3数据更新能力强。限制区域快速评价实现的瓶颈就是数据的更新与采集和相应的数据处理过程。由于区域评价的数据量大、类型多等特点,要求数据库系统具有接受多种数据格式的能力,与多种数据处理系统有着较好的兼容性,数据接口丰富。3.2数据库的结构本研究中区域水土流失的评价过程,包括数据采集、数据处理与建模、评价应用3个阶段。相应地,数据库系统的核心部分也由原始数据库、规范数据库和评价结果数据库3个子库组成。受GIS评价的需要,作为一个完整的数据库系统,在核心数据库的基础上还需要扩充数据采集系统、应用模型模块和结果输出模块。数据库的结构如图2所示。4数据库的建立4.1数据预处理本研究中所涉及的原始数据的存放形态有3类纸质图形资料、点状数据集和电子格式数据产品。它们最终都要输入计算机系统由GIS进行统一管理,但这些原始数据大部分存在空间与属性信息不全、量纲不规范等问题,必需进行初步的处理才能向GIS输入。图2数据库的结构主要包括图形资料上空间信息的增强处理点状数据的空间属性配准,即将其处理为具有准确位置信息及其属性信息、形如x,y,z的数据集。4.2数据录入根据数据存放形态的不同,数据的录入方式也有所不同。纸质图形数据采用手扶数字化的方式录入,包括土壤类型图和研究区边界图,在录入的编辑过程中进行属性信息的添加电子格式数据产品的录入较简单,由GIS本研究中为ARC/INFO直接读入,包括植被覆盖、坡耕地面积与基本评价单元图3种信息点状数据的GIS录入比较复杂,必须先经图形分析软件本研究中使用的是Surfer处理为图形数据后,再通过数据接口实现该图形数据向GIS系统的转换,这部分数据包括沟壑密度、汛期降雨量和产沙强度的区域空间分布。4.3数据的后处理在完成原始数据的空间信息录入和属性添加后,还必须针对各不同类别数据的实际情况进行一些处理,使所有数据的质量进一步符合GIS管理和区域评价的规范。这些处理主要包括1对由电子数据产品而来的土地利用图和基本评价单元图,将每幅图的控制点TIC移到图幅的相应顶点进行矫正,以便对图幅的内容进行精确的空间定位对每幅图进行统一的地图投影和坐标变换。2对由数字化而来的土壤类型图和研究区边界图,首先进行拓扑关系的建立操作,然后进行投影和坐标变换。3对经由Surfer分析完成而输入GIS的泥沙、沟壑密度和汛期降雨量空间分布等值线图,先建立图形的空间拓扑关系,再进行地图投影和坐标变换。4.4系统集成经过上述处理的各项数据,已经符合区域水土流失评价和GIS管理的数据规范。但是,各数据之间、各子库之间还缺乏紧密的联系,表现为一种零散的组合,不能进行相互的交流和访问,必须进行系统的集成。本研究中应用的GIS为ARC/INFO,它本身提供一种二次开发语言SMLSimpleMacroLanguage,同时还支持FoxBase的数据库开发功能7。本研究中联合应用FoxBase和SML两种语言,将黄土高原区域水土流失评价的各项数据及3个子数据库进行有机的集成,实现了子库间数据的自由访问、调用以及系统数据管理的现状查询、浏览、输出等功能。同时,本数据库中的所有GIS数据,均可在图形窗口界面GIS系统ARCVIEW下进行浏览、查询和编辑。5结论与讨论数据库的建设是实现在类似黄土高原这样大的区域进行水土流失的宏观与系统评价等工作的核心和关键环节。本研究通过对黄土高原区域水土流失评价的实践,利用GIS实现对大量空间数据的管理与应用分析,取得了一定的成果,同时也存在一些问题。主要的结论有1GIS是实现区域水土流失评价大量空间数据管理与分析应用的强有力工具。GIS的应用,完全改变了传统地理分析的思路与途径,实现了空间分析的定量化、整体化及精确的空间定位。2GIS的应用使研究的周期大大缩短,体现了效率的原则。GIS的空间数据处理及分析的技术基础是现代计算机技术,并且具有整体化的特点,一个区域的空间分析往往在几分钟之内就得以完成。3GIS将研究所需要的所有数据均纳入系统中进行统一管理,并且可以实现数据子库间的自由交流,使传统类似研究中最繁琐的数据管理工作变得方便起来。存在的问题有1数据的采集是限制数据库建设的主要难点,主要表现为数字化与扫描输入的低效率、GIS可直接接受的数据格式少、由外系统向GIS的转换快但数据接口的建立又相对困难。2GIS中管理的空间数据的多比例尺问题。由于GIS在处理空间数据时对比例尺问题的盲目性和现实数据比例尺的客观差异,必将对不同空间数据的分析结果带来一定的误差后果。3对空间数据的矫正和投影变换的处理等操作需要在GIS系统与用户间进行交互,使数据库建立的效率受到影响。比较理想的方式是由数据库提供一个数据编辑模块来自动完成。参考文献1胡良军,李锐,杨勤科,等。基于GIS的区域水土流失评价模型J。应用基础与工程科学学报,2000,118.2中国科学院黄土高原综合科学考察队。黄土高原自然环境及其演变M。北京科学出版社,1992.3于芳,甘大勇,朱启疆。黄土高原小流域土壤侵蚀信息系统初步研究A。见林培主编,黄土高原遥感专题研究论文集C。北京北京大学出版社,1990。4王洽堂,高林。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,1989,3219.5胡良军。基于GIS的区域水土流失评价指标研究J。水土保持通报,1998,1852427.6喻建波主编。陕西土种志M。西安陕西科技出版社,1988。7ESRI.UnderstandingGIS.Redlands,U.S.A.1989.
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