（森林经理学专业论文）南京市水土保持地理信息系统研制及其应用.pdf

摘要 1 9 6 8 年国际知名的加拿大地理信息系统专家r f t o m l i n s o n 在联邦科学与工 业研究组织( c s i r o ) 的一次学术会议上，在一篇题为“区域规划中的地理信息系 统”论文中，第一次使用了“地理信息系统g i s ”这一科学术语，地理信息系统发 展迅速，其功能相当强大，作为一个较新的学科在各个方面都得到了很好的应用， 组件式地理信息系统( c o m g i s ) 是当前地理信息系统发展方向之一。本文阐述了 组件式g i s 在本研究中的应用。 笔者在研究中进行了南京市小流域水土保持地理信息系统的二次开发，并在 分析系统需求的基础上，从数据管理、数据查询、专题制图、叠加分析等多方面 探讨g i s 在小流域水土保持规划中的应用。在系统的开发过程中，应用到了一系 列的图层数据处理、数据加工、空间数据与属性数据连接、矢量和栅格数据转换、 结合编程语言对地图进行运算等操作步骤，获取基于栅格数据的小流域水流失 量及其他数据，并统一数据的规格，运用m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 数据库管理 软件建立了南京市水土保持地理信息数据库，结合c o m g i s 组件m a p o b j e c t s 开发了南京市小流域水土保持地理信息系统，形成对小流域水土流失情况的有效 管理，为南京市水土流失保持规划和治理工作服务。 本文介绍了地理信息系统在水土保持方面应用的一些发展，参考美国通用土 壤流失方程( u s l e 模型) 为评价模型，在系统可以通过分析各因子对水土流失的 影响，分析过往几年的流失情况，分析流失的趋势，作出相应的决策分析，用户 可以使用系统进行水土流失方面的预测提供参考，为小流域进行规划治理提供较 可靠的数据支持，本文中具体介绍了付家边小流域的应用。研究中将南京市分为 3 3 2 个小流域，诣在通过地理信息系统这一工具，以小流域为基本监测单元，实 现对南京市水土流失情况的监测和规划治理。 关键词：g i s ：r s ；c o m g i s ；小流域；水土保持 a b s t r a c t t h ew e l lk n o w ng i se x p e no fc a n a d ar f t o m l i n s o nu s e dt h es c i e n t i n ct e r mo f g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m i nh i sp a p e r “g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mo f r e g i o np r o g 姐m m i n g ”i nt h es c i e n c em e e t i n go f ( c s i r o ) i n19 6 8 ，a n dg a v eo u tt h e d e 矗n i t i o no fg i s ，i li st h ef i r s tu s i n go f “g i s ”，b e i n gan e ws u b je c t ，g i sh a s d e v e l o p e dw e l la n dh a sa p p l i e di nm a n yf i e l d s b e c a u s eo fi t s s t r o n gf h n c t i o n c o m g i si so n eo ft e n d e n c yo fg 1 s ，ie x p a t i a t ec o n c e p t i o no fc o m g i sa n d a p p i i c a t i o ni nm yr e s e a r c h i n g f nt h i sr e s e a r c h i n gt h ew f i t e rd e v e 】o pg l sj nw a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o nb a s e d s m a l lw a t e r s h e do fn a n ji n g ，a n dd i s c u s st h ea p p l i c a t i o no fg i si nw a t e ra n ds o i l c o n s e r v a t i o nb a s e ds m a nw a t e r s h e d ，t h r o u g hd a t am a n a g e m e n t ， t h e m a t i cm a p f h n c t i o n ，m a pa d d e da n a l y z i n ga n ds oo n ，b a s e do fs y s t e md e m a n d i n ga n a i y z i n g t h ew r i t e rh a su s e dt h et e c h n o l o g yo fm a pl a y e rp r o c e s s i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，t h e u n i o no fs p a c ed a t aa n da t t r i b u l ed a t a ， t h ec o n v e r t i n go fv e c t o rt o g r i d ，m a p c a l c u l a t i n gw i t hp r o g r a ml a n g u a g e ，m a d et h eg r i dd a t ao fs o i le r o s i o ns t a n d a r dd a t a o fs m a l lw a t e r s h e da n do t h e rd a t a t h ew r i t e rb u i i dd a t a b a s eo fs o i la n dw a t e f c o n s e r v a t i o no fn a n j i n gb a s e do nt h ed b m ss o f t w a r e m i c r o s f o ts q ls e e r 2 0 0 0 a n dc a r r i e do u tg i so fs o i ia n dw a t e rc o n s e r v a t i o no fs m a l lw a t e r s h e do f n a n j i n gw i t hm a p o b j e c t s ( c o m g i s ) ，t h i ss y s t e mw i l lm a n a g et h es m a l lw a t e r s h e d e f n c i e n t i y ， s e r v i c ef o rn a n j i n gs o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o np r o g r a m m l n ga n d f a t h e f i n g i nt h i sp a p e ft h ew r i t e ri n t r o d n e eo t 】b rf e s e a r c h i n go fs o i la n dw a t e rc o 珏s e r v 8 i l o i l ， a n de v a l u a f e db yu s i n gu n i v e r s a ls d j 】l o s se q u a t i o n ( u s l e ) ，a n a l y z i n ge f 凳c t i n go f t h ef a c t o r st os o i la n dw a t e rl o s sa n dt h ed a t ao fp a s s i n gy e a r s f o r e c a s t i n gt h e t f e n do ff h t t 王r e ，d o i n gd e i s i o n m a k i n go ff 矗t h e n n g ，u s e r sc a nd dp r o g r a ma n d f a r t h e rw i t hc r e d i b l ed a t af o rs m a nw a t e r s h e d ，t h ew r i t e ri n t r o d u c et h ea p p i i c a t i o n o ff u j i a b i a ns m a 王王w a t e r s h 号dw i t ht h i ss y s t e m 。l nt h er e s e a r c h i n gt h er e s e a r c h e r d i v i d e dn a n j i n gt o3 3 2w a t e r s h e d s ，i no r d e rt os u r v e i l i a n c ea n dp r o g r a ma n df a r t h e r s o i la n dw a t e re r o s i o no fn a n j i n gb a s e di ns m a l lw a t e r s h e d ， k e y w o r d s ：g 【s ir s ： c o m g r s ； s m a f lw a t e f s h e d ；s o i ia n dw a t e rc o 扛s e r v a t i o n 致谢 y9 0 6 2 8 本论文是在导师徐雁南副教授的悉心指导下完成的，导师对本论文的完成都 倾注了大量的心血；指导了论文的选题、设计和实施；对整个论文的进展，特别 是对论文的撰写和修改给予了极大的关注、指导和帮助。三年来，导师对我付出 无微不至的关心和帮助，导师严谨治学和认真的态度，使我受益非浅。特此向我 的导师表示衷心的感谢! 南京水土保持地理信息系统课题的负责人张金池教授对我的科研和论文工 作提供了巨大的支持，他的无私帮助和热心指导使我能顺利的完成课题研究和论 文，特此向张老师表示衷心的感谢! 论文的完成还得到了我所在的学科组的彭世揆教授、余光辉教授、周春国 教授、温小荣老师、李明诗老师等老师的帮助和指导。在资料的收集和课题研究 方面得到了江苏省水利厅刘复新高工、南京水利局彭桂兰高工和南京各区县水利 局的支持；另外，林杰老师、施新程博士、陈鑫硕士、丁胜硕士、杨志刚硕士、 张现武硕士、陈三雄硕士、李海东硕士、贾向琳硕士、徐超硕士在项目的研究和 论文写作方面给予了大量的帮助，在此一并表示感谢l 感谢南京林业大学研究生院、森林经理组教研室老师的帮助和关心，感谢 我的家人以及女朋友王辛芝在学习和生活上对我的理解、鼓励和支持。感谢其他 帮助过我的所有的朋友们。 旖开分 2 0 0 6 年6 月9 日 第一章综述 本苹摘要： 地理信息系统对于解决与地学有关的所有问题都是一个很好的工具。本章介 绍了地理信息系统的发展和应用。同时着重介绍了目前国内外地理信息系统在水 土保持工作中应用的相关研究，主要有关于水土流失方程的各个因子的研究，水 土流失过程模拟的研究，水土保持地理信息系统研究。 1 1 、地理信息系统概述 地理信息系统( g e o g r a p h i c l ai n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是处理空间数据 的一种工具，是资源与环境管理的重要手段，是用于回答地理学问题的艺术、科 学、工程和技术的统称、是一种用计算机创建和描述地表的数学方法( p a u l a l o n g i e ym i c h a e lf g o o d c h i l d 等) 。 1 1 1 、地理信息系统的发展 我国著名的科学家陈述彭认为：地理信窟系统是由计算机系统、地理数据和 用户组成的，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各 种增哩信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城 市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务 ( 陈述彭等，1 9 9 9 ) 。它是二十世纪六十年代开始迅速发展起来的一门新兴技术， 其发展之快、应用之广、影响之深刻是其它地理学科无可比拟的。目前几乎用于 涉及地理( 空问) 信息的所有领域，并呈迅猛发展趋势。 本世纪6 0 年代初，加拿大政府需要编制土地资源图来预测和控制土地利用 的变化，但由于这种土地资源图( 1 ：2 5 一一l ：2 万) 在加拿大需编制上千幅，传统的 编制方法在短时间内难以完成，必须寻求一种新手段加以解决。国际知名豹加拿 大地理信息系统专家r f t 0 m l i n s o n 在1 9 6 0 年第一次提出了应用计算机分析和处 理土地资源数据的设想，1 9 6 2 年他利用计算机在进行森林分类和统计上取得了 成功，开发出了世界上第一个数据分析系统。1 9 6 8 年在联邦科学与工业研究组 织( c s i r o ) 的一次学术会议上，他在一篇题为“区域规划中的地理信息系统”论文 中，第一次使用了“地理信息系统g i s ”这一科学术语，并给出了地理信息系统的 定义，地理信息系统从此诞生f 李永兵等，2 0 0 2 ) 。 7 0 年代，随着政府部门的重视以及计算机成本的下降、存贮量和处理速度 的提高，不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的的信息系统在世界各地纷 纷研制，出现了一些商用的地理信息系统软件，出版了第一部地理信息系统的专 著一地理数据的处理；这时是地理信息系统发展的巩固阶段( 房佩君等，2 0 0 0 ) 。 8 0 年代，计算机技术发展迅速，地理信息系统也因此经历了一个突破发展 阶段，在世界各个国家如加拿大、日本、英国等国都发展了很强的地理信息秕， 用于资源与环境的管理决策。还出现了一些知名的地理信息系统企业如美国的 e s r i ，该公司开发了a r c ，i n f 0 ，其产品在地理信息系统的相关产品目前在世界 上占有大部分市场。 目前g i s 的发展因为计算机技术的进一步发展而有了新的发展，c o m g i s 、 网格计算、w e b g i s 、三维g i s 、虚拟g i s 等等方面的发展不断更新，g i s 正面 临全新的、革命性的变化( 刘晓艳等；汪成为等，1 9 9 6 ；陈述彭等：c h e n s h u p e n g ， 2 0 0 l ；杨旭等，2 0 0 2 1 。 1 1 2 、地理信息系统的应用 地理信息系统是在用数字计算机处理和分析地图数据的道路以及地图自动 生产过程的基础上发展起来的( p a u la l o n g l e ym i c h a e lf g o o d c h i l d 等) ；g i s 的 发展与景观建筑与环境敏感性规划领域有关系；g i s 的产生也与城市学、人口统 计学密切相关；另外，g i s 的产生与遥感科学技术的发展密切相关，作为方便的 不可替代的地球观测( 数据) 源，遥感的发展也刺激着g i s 的发展( 常庆瑞等， 2 0 0 4 、。 g i s 的研究对象是整个地理空间，而世界上的信息与地理位置有关，因而 g i s 的发展受到已了世界范围的普遍重视，它具有采集、管理、分析和输出多种 地理空间信息的能力，具有空闯性和动态性；以地理研究和地理决策为目的，班 地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产 生高层次的地理信息；由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程 序模拟常规的或专门的地理分析方法。作用于空间数据，产生有用信息，完成人 类难以完成的任务，是一种崭新的决策支持方式。具体在人口管理系统、生态环 境管理分析系统、金融管理分析系统、港口管理系统、城市综合管理系统、城市 地下管网的管理系统等方面有很好的应用( 张山山，1 9 9 9 ) 。 g i s 应用及发展的特点：g i s 的应用的一个主要特征是海量也多维数据( 如x ， y ，z 坐标) 的使用，以及多用户对空间数据的连续访问：由于关系数据库 r d b m s ) 技术的快速发展，和多个0 i s 的软件开发商都开始使用r d b m s 管理非图形数据； 网络技术的发展肯定成为最大g i s 技术创新的外部影响，i n t e r n e t 计算环境已经 作为分布处理主题( 数据) 和分布处理主题功能的标准( p a u la l o n 9 1 e y m i c h a e l f g o o d c h i l d 等) 。g i s 的技术方面的每一个进步，都向提高存储、操作、显示和 查询地理数据能力的方向发展，并深刻改变数据信息计算实现的方式，即由一个 用户与文件服务器的交互的行为，变为由客户服务器与数据信息源操作目标对 等方式的计算。 1 2 、水土保持的概念 1 2 1 、水土保持的定义及其发展过程 水土保持( w a t e ra n ds o i lc o n s e r v a t i o n ) 是我国科技工作者首先提出并被世界 各国科学技术界所接受的。在中国大科全书农业卷中水土保持的定义为： 防治水土流失，保护、改良与合理利用山丘区和风沙区水土资源，维护和提高土 地生产力，以利于充分发挥水土资源的经济效益和社会效益，建立良好生态环境 的事业。土壤侵蚀是水土保持工作的对象，水土保持是在合理利用水、土地资源 基础上，组织运用水土保持林草措施、水土保持工程措施、水土保持农业措施、 水土保持管理措施等构成水土保持综合治理措施体系，以达到保持水土、提高土 地生产力、改善山丘区和风沙区生态环境的目的。 1 2 2 、水土保持工作的重要性 水土流失是土地退化的一个重要原因，它带来的灾害是巨大的( 刘国华， 2 0 0 2 1 ，我国是是世界上水土流失最严重的国家之一，根据第二次全国水土流失 遥感调查结果显示：主要表现在水土流失成因复杂、分布广泛、流失量巨大、危 害严重。我国现有水土流失面积3 5 6 万k m 2 ，风蚀面积约1 9 l 万k m 2 ，冻融侵 蚀面积约1 2 5 k m 2 。中度以上土壤侵蚀面积2 6 0 2 0 万k m 2 ( 刘震，2 0 0 2 ) 。严重的 水土流失使得土地地力减退，耕地面积逐年减少，沙化面积不断扩展，生态环境 恶化，一定程序上加剧了自然灾害的发生，制约社会经济的快速发展。 水土流失所造成的破坏极其严重： 1 、首先是破坏生态环境。在农村、山区的水土流失直接或间接的导致山体 滑坡、泥石流等现象的产生；也会影响山区植被的破坏；影响农作物的生长，破 坏土壤表层等等。城市建设过程中，大规模的房地产开发、修路、建厂、挖山采 矿及其他基础设施建设，破坏原有的地形地貌、植被和水土保持设施，排放大量 的废土弃渣，破坏城市生态景观，暴雨时大量泥沙涌入街道、城市排水管道、河 道、水库和湖泊，淤积和堵塞城市排水系统，造成洪涝灾害，污染水体。大风时 灰尘飞扬，污染空气，直接危害农作物生长和人类健康。城市工矿区的大气污染 物在环境中迁移转化及由此造成的广泛影响，已超过了大气环境介质本身，硫化 物、氮氧化物等主要酸性物质形成酸雨而降落地面，破坏土壤和生态系统( 郭志 贤，1 9 9 8 ) 。 2 、其次是影响人民生活，危害其身心健康。城市区域特别是工矿集中的城 市，大气和水体都会受到污染，威胁着人们的身心健康。长期生活在飘尘浓度 高的环境中，引用超标污染水，人们的消化系统、呼吸系统发病率会明显增加。 3 、再次是阻碍和制约着社会经济的发展。水土流失不仅影响自然环境；造 成自然灾害；影响城市景观；也影响到改革开放、引进外资及城市建设和经济发 展。治理水土流失，改善生态环境，需要大量的物力、财力和人力，需要相当的 时间，增加了政府的财政支出和负担，阻碍社会的正常发展步伐。如陕西省铜川 市1 9 9 0 年之后，环卫部门每年要拿出3 万元多元清除5 0 0 0 多m 3 道路淤泥和杂 物。据深圳市水土保持部门1 9 8 6 年所做的城市水土保持规划报告中提供的资料， 治理中单靠恢复植被是远远不够的，还要修建高起点、高标准、高质量的工程， 每治理一平方公里的水土流失面积，需要投资4 3 0 0 万元，才能达到城市总体规 划布局的要求。( 刘伟常，1 9 9 9 ) 由于水土流失所带来的严重环境、社会和经济恶果，因而开展水土保持工作 就成了抑制甚至消除这些影响的最直接的途径，本研究的目的就在于为提高水土 保持工作的成效提供一个可行的方法或者途径。 1 2 3 、南京市的水土保持 1 2 3 1 、研究区介绍： 南京，简称宁，南京总面积6 5 9 8 平方公里。其中市区4 7 3 7 平方公里f 包括 江宁区、 浦口区，六合区) ，城区2 0 0 4 4 平方公里。总人口5 3 8 8 2 万人；南京 属北亚热带季风气候区，四季分明，雨水充沛，光能资源充足，年平均温度为 1 5 7 ，最高气温4 3 度( 1 9 3 4 年7 月1 3 日) ，最低气温一1 6 9 度( 1 9 5 5 年1 月6 目) ，年平均降雨1 1 7 天，降雨量1 1 0 6 5 毫米，最大平均湿度8 l 。最大风速 1 9 _ 8 m s 。土壤最大冻结深度0 0 9 m 。夏季主导风向东南、东风，冬季主导风向 东北、东风无霜期2 3 7 天。每天6 月下旬到7 月中旬为梅雨季节。年度晟佳气 节为秋季9 一1 1 月。地下水源丰富，水质优良，江宁的汤山温泉、江浦的汤泉、 浦口的珍珠泉等矿泉尤为闻名。 1 2 3 2 、南京市水土流失状况： 水土流失因素造成水土流失因素有两个：一是自然因素；二是人为因素。 南京市区座落在秦淮河与长江共同作用形成的高河漫滩上，为一河谷盆地。 宁镇山脉逶迤于市区，并分成东、中、南三支切近城市边缘或锲入城区，形成市 区三面环山一面临江的地势，呈西北开口的簸箕状，这种类似于盆地的特殊地貌， 不利于冷热气体的交换，也不利于城区大气污染物质的扩散。静风天气时将导致 污染物出现滞留或下沉，致使地面浓度升高。 图2 1 南京市水土流失等级状况图 南京市地质现象众多，构造典型、清楚，褶皱、断裂构造发育，岩石种类多， 地层出露齐全，从最古老的地层震旦纪白云岩到第四纪土层都有出露，有白云岩、 4 石灰岩、花岗岩、火山岩及各种有色金属和黑色金属矿床，以及栖霞灰岩标准剖 面、六合火山群石柱山等，是我国重要的天然地质博物馆。但由于岩石风化强烈， 土壤侵蚀潜在危险性较大；同时也有部分采矿的裸露地容易引起流失。 与此同时经济快速发展，城镇建筑，交通道路等配套工程紧随其后。同时， 因各项工程建设所造成的水土流失随之相伴而生，工业固体废弃物量大、城市垃 圾随意排放、山丘地区植被严重破坏，裸岩、裸土的存在，这些所造成水土流失 情况是非常严重的，一到汛期往往造成水土流失危害，给人们生产生活带来严重 灾难。 综合两个原因，致使南京市的一部分地区水土流失情况比较严重，过去对水 土流失的防治往往没有较好的科学指导工具，近几年随着科学技术的发展，水土 保持如果继续沿用旧的一套，就会无法跟上发展的步伐，使得水土保持工作落伍， 影响防治效果。 1 3 、地理信息系统与水土保持 地理信息系统的重要功能，就是解决地学有关的一些问题，而水土保持的关 键则是水土流失的预防治理问题，应用地理信息系统来到水土保持工作中去，可 以实时动态的获取某一区域( 某一小流域) 的水土流失具体情况；预测某一地块的 水土流失危险等级，结合二次开发实现某一地区或者某一单位的数据共享，对水 土保持工作意义重大。 1 3 1 、国外的相关研究 水土流失的严重危害关系到一个地区、国家经济发展和人类生存的根本性问 题，已经引起了各级政府的高度重视和业内人士的深切关注，对水土保持工作的 方法和水土流失的成因进行了不断的实践和研究。国外在g i s 应用到水土保持工 作中的相关研究比国内起步要走早，主要有以下几个方面的探索。 1 3 1 1 、相关的模型的研究 如常用土壤侵蚀模型，如农业非点源污染模型( a g n p ，a g r i c u l t u r a ln o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o nm o d e l ) 、区域性流域环境非点源响应模拟模型 ( a n s w e r s ， a r e a ln o n p o i n ts o u r c e 、a t e r s h e de n v i r o n m e n tr e s p o n s e s i m u l a t i o n ) 、水蚀预报模型( w e p p ，w a t e re r o s i o np r e d i c t i o np r o j e c t ) 等。 2 0 世纪3 0 年代，美国设立了1 9 个保土试验站，研究降雨强度、降雨历时、 季节分配和土壤可蚀性的关系，地面坡度、作物覆盖及土地利用和土壤侵蚀的相 互关系等。近年来，美国在基础理论和应用基础等方面进行了大量的工作，应用 基础方面的主要研究内容为研制评估、预测和监测土地生产能力和土地资源变化 的新技术，提供为改良、保护和恢复农业用地生产能力的技术，合理利用水资源 的先进管理制度及用水技术，优化土地资源管理所需要的综合利用土、水、气资 源技术。美国的通用土壤流失方程( u s l e ) 是目前使用最广泛、应用也较方便的 土壤侵蚀模型，使用u s l e 同g i s 进行结合多是通过自行开发的g i s 软件或商 业g 1 s 软件来获取u s l e 算式中c 因子和l s 因子。其主要原因是c 因子和l s 因子与g i s 计算结果最为相关，其中l s 因子多通过g i s 运算d e m 获得，c 因 子的获取则借助遥感图像分析方法。 1 3 1 2 、相关因子的研究 b f z a i t c h i k 等人提出了斜坡稳定性系数制图( s t a b i l i t yi n d e xm a p p i n g ) ，它是 个物理坡面稳定模型，其相对危险预报由坡面坡度( a ) 和相对湿度( w ) 决定，根据 a 和w 来划分不稳定带。a 和w 因特定的土壤、特定的地点而变化，了解潜在 不稳定地带的a w 就可以实旌稳定管理措施，提高危险模型在潜在滑坡危险区 域的效用( b f z a i t c h i k ，2 0 0 3 ) p j j d e s m e t 和g g o v e r s 开发出了一个g i s 程序，根据自己推导的公式基于 d e m 计算地形复杂地区的l s 因子，该程序具有快速、客观的特点，手工方法相 比，该程序可充分考虑细沟侵蚀的存在。k t m e l l e r o w i c 等在a r c g i s 中，通过 d e m 提取坡度图和坡向图，叠加并细分从土地利用图中提的水流图，根据通用 土壤流失方程修正式( r u s l e ) 的定义计算出l s 因子值。 在进行土壤侵蚀定量研究的同时，也开始了土壤侵蚀影响因子的定量研究， 径流和侵蚀过程分析性研究。m i d d l e t o n ( 1 9 3 0 ) 提出土壤分散率( 末分散土壤粉粘 粒含量与水中分散土壤的粉粘粒含量之比) 可以作为土壤可蚀性指标；h o r t o n 研 究了土壤入渗能力及其对地表径流的影响。1 9 3 5 年前后h a y s 、p a l m e r 、n e a l 和 b a s v e r 等进行了降雨总量、强度、速度与径流和侵蚀之间的相互关系研究( 柯克 比，1 9 8 7 ) 。e l l i s o n ( 1 9 4 4 ) 研究了雨滴对土壤的机械破坏作用，并指出降落的雨滴 是一个完全的侵蚀营力，当地面有大量的覆盖物保护时，只出现轻微的侵蚀乃至 不出现侵蚀，因此，植物的保护作用是由于它使降落雨滴丧失动能。在这一时期， 随着研究遗域的扩大、资料的积累和交换，为土壤侵蚀预测预报的研究提供了有 利的条件。 1 3 1 3 、土壤侵蚀监测和预报的研究 k p b a r t s c h 等人就使用这个程序计算出尤他州c a m pw i l l i a m s 地区饷1 s 因 子并应用到该地区土壤侵蚀危险性评价中( b a r t s c hk p ，1 9 9 7 ) 。 c f e r n a n d e z 等综合g i s 、r u s l e 和s e d d ( t h es e d i m e n td e l i v e r yd i s t r i b u t e d m o d e l ) 对小流域的土壤侵蚀和泥沙输送的空间分布进等评估，用r u s l e 测算 水力侵蚀的年平均值，用s e d d 测定运输到河流的泥沙量。综合模型可以辨别初 始泥沙源区、泥沙运输能力的空问变化及每个区域的泥沙产量，可为长期水力侵 蚀预报和评估各种植制度、水土保持措施对侵蚀的作用提供有用、高效的工具 ( c f e m a n d e x ，2 0 0 3 ) 。 1 3 1 2 、其他的研究 地理数据库可以用来保存城市有关人口、贸易活动、商业、交通和服务等方 面数据。这些数据可在非常详细情况检查城市现象但也需新方法用于分析、理解 和明确显示空间现象。g i u s e p p eb o r f u s o 和g a b r i e i l as c h o i e r 提出了一个从庞大 地理数据库中抽取空间信息的以密度为基础的方法，并提供了其在城市尺度的应 用结果。kde 被用作密度基础技术检测空间数据分布的聚集情况( g i u s e p p e 6 b o r r u s o ，2 0 0 4 ) 。g i s 和空间分析方法用于探测城市环境中高质量服务供给的区 域，这个分析的目标在于鉴别城市环境中服务的聚集情况和校核城市中心和高水 平服务的对应情况。综合r s 和g i s 技术建立城市发展对地面径流的影响模型， 城市发展和水文分布模型共享土她利用和土地覆盖数据，美国地球资源卫星专题 制图仪数据用来探测城市土地覆盖变化( q i h a o w a n g 2 0 0 1 ) 。g i s 分析用于检查城 市发展的空间变化模式，r s 和g i s 的综合应用于基于水土保持局模型地表径流 的自动估计。综合两个模型形成空间分析技术，研究( 检查) 城市发展对地面径流 和降雨径流的影响 应用遥感技术获取同类侵蚀地图单元、作物轮作制度和管理措施、坡面的地 形信息和改进的土壤可蚀性图，并通过编程对土壤侵蚀量进行估算，不仅精度高、 速度快，而且可以全年制图( p r s t e p h e n s ，1 9 8 5 ) 。 1 3 2 、国内相关方面的研究 地理信息系统应用到水土保持工作中的作用优势很大，目前有很多的研究应 用，了解各种研究的优缺点，结合本地有实际和应用的目的，来分析如何解决南 京市小流域水土保持地理信息系统的开发，以及相关的研究。 国内有许多的学者和技术人员在3 s 技术应用到水土保持上已经有了一定的 研究，有关流失因子的相关研究： 1 3 2 1 、降雨因子的研究 水土流失的相关因子中，降雨因子是对水土流失有较大影的因子，特别是在 动态监测过程中，对水土流失量进行年统计时，由于每年的降雨因子都有较大的 变化，因而降雨量因子图层的变更是计算每年的新的水土流失数据所要的重要步 骤。 左长清、马良等的研究：通过气象观测站与标准径流小区的试验观测，全面 系统地分析了江西省红壤坡地的天然降雨特征，主要内容包括与土壤流失关系密 切的降雨量( p ) ，降雨强度( i ) 等降雨特征参数的等级划分和时间分配规律；确定 了江西红壤坡地侵蚀性降雨标准；确立了红壤坡地降雨侵蚀力因子r 的最佳计 算组合，并分析了r 值的季度分配，月分配特征以及雨量分配，雨强分配特征， 这为探索控制江西红壤坡地水土流失的最佳时段，研究水土流失产生的动力来源 以及发生演变的规律具有积极的借鉴意义。 于野等“地理信息系统支持下的降雨时空统计分析”将地理信息系统( g i s ) 技 术与3 维虚拟现实( v r ) 技术引用到防汛工作中，研究并建立g i s 支持下的降雨 时空统计模型：该模型为早期防汛预报调度提供了先决条件，是防汛信息系统的 一个核心评估计算模型，汛期所带来的不断水灾的可能性，汛期必然引起大面积 的水土流失。 章文波等人的中国降雨侵蚀力空间变化特征中，提出降雨是导致土壤侵蚀的 主要动力因素，通用土壤流失方程( u s l e ) 中降雨侵蚀力因子r 反映了降雨气候 因素对土壤侵蚀的潜在作用。为更精确估算降雨侵蚀力，以全国5 6 4 个测站 1 9 7 1 1 9 9 8 年的逐日降雨资料为基础，采用一种新方法估算降雨侵蚀力，分析 全国降雨侵蚀力空间变化特征。结果显示全国降雨侵蚀力的空间分布与降雨量近 似，但降雨降雨侵蚀力取决于降雨量和降雨强度两个方面，因此二者的空间分布 又存在许多差别。一般在降雨侵蚀力较小地区，降雨侵蚀力的年内分配非常集中， 全国大部分地区降雨侵蚀力年际变化表现出正的趋势，江西和湖南等交界的部分 地区为明显的正趋势中心。 1 3 2 2 、地形因子的相关研究 d e m 图的应用分析如不同比例尺数字高程模型在水土保持信息提取中的应 用分析( 赵帮元等，2 0 0 4 ) ；蔡崇法等通过i d r i s ig i s 中的空间分析模块将等高线 转换成栅格图像，根据表面内标原理给每个网格点赋予高程值，在i d r i s i 中计 算s 值，将地形、水系等基础数据相叠加生成l 因子，相乘后生成l s 因子层( 蔡 崇法，2 0 0 0 ) 。倪九派等使用a r c i n f o 的t i n 和g r i d 模块把等高线图生成d e m ， 对d e m 进行表面分析得到每一个栅格的坡度和坡长值，二者相乘得到l s 因子。 地形因子对水土流失的影响较大，在平坦的地表和陡峭的地表的水土流失情 况有很大的区别，同时相对来说地形因子也是变化较小的一个因子，在水土流失 模型计算中主要是保证地形因子的精度。h 兆宏等的有关g i s 像元地形因子的算 法的研究：g i s 像元地形因子算法是土壤流失量遥感监测中的关键技术，其算法 原理、应用程序、应用结果和应用精度，对水土流失模型计算结果有很大的影响。 g i s 像元地形因子算法虽比图斑地形因子算法的运算量大和较复杂，但它有较严 密可靠、较高的应用精度和较好的自动化程度。因像元坡长几乎相等而忽视或视 像元坡长因子为相同的常数( h 兆宏等) 。 1 3 2 4 、土壤k 值的相关研究 利用土壤普查图件和剖面理化分析的成果资料编制了土壤可蚀性( k ) 值图， 介绍了求取剖面点k 值的查图表法、图斑分并与图斑k 值的确定原则和编制程 序等应用上述方法，完成了我国第一张地区级k 值图( 姜小三，2 0 0 4 ) 。 1 3 2 5 、植被因子的相关研究 游松财等在i l w l sg i s 的支持下，使用遥感影像计算出n d v i ，以傅里叶指 数作为加权平均因子，得到了年均地表覆盖率，参考土地利用类型图和专家知识 确定了c 因子值。周斌等则使用e r m a p p e r 以最大似然法对陆地卫星t m 影像进 行分类，得到土地覆盖类型图，根据经验值确定每一地类的c 值，生成c 因子 层( 游松财，1 9 9 9 1 。 1 2 3 6 、水土流失定量监测的模型相关研究 h 兆宏等用定量遥感方法监测u n d p 试区小流域水土流失研究中，简要介 绍了水土流失定量遥感方法的组成和基本原理，重点叙述了它在小流域治理试区 的应用作业和应用结果，并讨论了它的适应性、准确性、实用性和应用前景等。 该法的监测模型可与美国近年刊出的r u s l e 相媲美，且其因子算式算法系由我 国实测资料所建，故更适合我国水土流失实际的应用效果，尤其适用于遥感和 g i s 数据的微机处理。其应用结果，不仅有比常规调查法和定性遥感法更准确实 用的流失总量、各级面积的统计数据和流失现状图，而且还有流失治理规划的防 治强度预报图。在u n d p 试区应用表明，该法所建立的系统，也可对小流域( 大 于7 k m 2 1 每年实施监测，以获水土流失变化动态的准确信息( 卜兆宏等，1 9 9 9 1 。 h 兆宏等在应用水土流失定量遥感方法监测山东全省山丘区的研究：简要介 绍了水土流失定盘遥感方法的组成和基本原理，重点叙述了它在山东全省山丘区 的应用作业和应用结果，并讨论了它的准确性、实用性和应用前景等。该法的监 侧模型可与美国近年刊出的r u s l e 相媲美，且其因子算式算法系由我国实测资 料所建，故有更合我国流失实际的应用效果，尤其它适用于遥感和g i s 数据的微 机处理。其应用结果，不仅有比常规调查法和定性遥感法更准确实用的流失总量、 各级面积的统计数据和流失现状图，而且还有流失治理规划的防治强度预报图。 研究中9 个拦河水库汇水区监测的年均流失总量与水文站实测算得的年均淤积 量有8 3 的一致性，且更符合近十年的流失治理实际，则表明定量遥感方法的监 测结果比较可靠( h 兆宏等) 。 1 3 2 7 、应用3 s 技术对水土流失流失过程进行模拟的相关研究 万晔等人运用3 s 技术和不同水蚀区修正的土壤流失方程，对金沙江流域龙 川江上游的水土流失量和需要治理的面积进行了数值模拟和定量研究；取得了不 错的效果，模拟计算结果与实测值接近，说明该方法对西南红壤季风区的水土流 失定量监测与分析具有准确、实用和方便的特点( 万晔等，2 0 0 4 ) 。 徐雨清等人的研究，为解决黄土高原半干旱地区农业和生活缺水问题，许多 地方实施了集水工程以收集雨水。为分析集水潜力，以黄土高原半干旱地区的6 个自然集水区为研究对象，利用遥感和地理信息系统获得研究区地形、植被、流 域特征等参数。通过统计分析的办法得出该区域多年平均年径流量与降雨量、地 形、植被等因素的关系模型。该模型将影响降雨径流关系的几个主要因素定量 表示出来，可以快速、准确地计算一个集水区的径流量，克服采用径流等值线计 算径流带来的误差( 徐雨清，2 0 0 0 ) 。 1 2 3 8 、遥感和地理信息系统技术结合在水土流失动态监测中的应用 动态监测方面如三峡库区水土流失动态变化分析( 赵俊华等，1 9 9 1 ) 遥感技术 的应用如彩红外航空遥感技术在晋城市水土保持规划中的应用；利用3 s 技术实 现小流域水土保持的动态监测；基于a r c v i e w 、m a p g i s 开发的重庆城市水土 流失地理信息系统。 胡良军等人的研究：立足于区域水土流失问题的探索和3 s 技术应用的研究， 提出了区域水土流失宏观快速定量评价的方法及其实现的技术路线，并以整个黄 土高原为研究区进行了实例研究，确定了一套适于该区水土流失宏观定量评价的 指标，建立了相应的评价模型，并利用该模型对研究区一定年限内的水土流失状 况进行了评价。区域水土流失的快速调查和评价对于水土保持宏观决策、灾情快 速反应以及水土流失定期公告制的建立具有十分重要的意义( 胡良军等，2 0 0 0 ) 。 还有如冯九梁等人采用遥感解译( r s ) 、地理信息系统( g i s ) 、计算机辅助设 计( c a d ) 与常规方法相结合进行小流域水土保持规划设计，在静乐县狼窝沟流域 q 生态环境综合治理初步设计的实践，以r s 、g i s 为主的现代空间信息技术在水 土保持规划设计中的应用，可节约大量人力、物力、财力，并能大大提高规划设 计的准确性( 冯九梁) 。 水土保持规划是以流域或一定行政区域为地域单元，在全面了解规划区自然 条件、社会经济状况、水土流失现状的基础上，在地块单元上合理布设各项水土 保持治理措施，以满足社会经济发展和生态建设的需要，达到投资最少，效益最 优的规划目标：它主要包括调查制图、数据采集、图斑量测、数据分析、措施规 划规划成图等工作；以往用人工方式进行水土保持规划，在制图和数据计算方面 要花费大量的人力物力，而且容易出错，效率极低，规划质量也不高；如果在地 理信息系统平台上，利用g i s 的图形数据的输入和处理数据库管理( 包括空间数 据和属性数据) 、数据分析( 包括空间数据分析、属性数据分析和综合查询检索) 功能，实现小流域水土保持规划，则可大大提高工作效率和规划质量。 1 2 3 9 、水土保持地理信息系统的开发管理 在g i s 方面如基于m a p g i s 和a r c v i e w 的城市水土流失地理信息系统设计与 开发( 郭跃等) ；“朝阳市水土保持信息系统”在水保规划中的应用( 王亮等， 2 0 0 1 1 ；深圳在城市水土治理规划基础上，以深圳城市水土保持信息系统数据库 和d t m 空问分析模型作支持，开展深圳城市水土流失系统评估模型研究。 l o 第二章研究资料与研究方法 本章摘要： 介绍了本课题研究的主要内容和意义，讨论了如何将遥感这一大范围、快速 的数据获取方式，结合前人水土流失与地理信息系统相结合的研究，应用g i s 进 行大范围水土流失量的计算、水土流失相关图层的计算等工作；就如何展开地理 信息系统的二次开发，进行水土保持地理信息系统开发技术路线的设计，这是开 发一个功能完善系统的基础步骤。 2 1 、课题来源及研究的目的与意义 2 1 1 、课题来源 南京市水利局水土保持规划及地理信息系统研制课题。 2 1 2 、本文研究的主要内容 八十年代初期，一些地理学家开始研究基于知识的地理学分析方法，提出了 应用专家系统来解决地学问题的设想，八十年代中后期，有学者提出了基于地理 信息系统的专家系统的设计思想，即将地理信息系统与专家系统视为两个紧密联 系且又相互独立的系统，以地理信息系统来对大量的地理数据进行分析管理和空 间关系的分析，而以专家系统来解决地理研究中所涉及到知识推理问题，本研究 中应用地理信息系统对数据进行分析管理，应用水土保持的专业模型和知识来解 决系统在水土保持上的应用。 南京市小流域水土保持地理信息系统的数据