基于GIS技术的颖川河流域水土流失空间数据库的创建

罗玉恒，周 健

（甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水741020）

1 引言

水土流失是当今世界范围内重要的区域性环境问题之一，它引发巨大的环境灾害，影响区域经济的持续发展，严重地危及人类的生命和财产安全［1］。近年来，天水地区连年发生暴雨引发的水土流失等灾害，仅2013年一年连续遭遇4次暴雨洪涝，引发山洪泥石流、滑坡及山体崩塌等灾害。创建颖川河流域的空间数据库可用于区域水土流失的防治、水灾害的预测、土地整理与规划以及环境保护和经济的可持续发展研究。本文基于3S技术，以颍川河流域为例，通过研究区的土壤、降雨量、土地利用类型、坡度数据、DEM数据以及遥感影像等资料，建立起一个基于GIS操作平台颍川河流域空间信息数据库。

2 研究区域概况

天水市麦积区颖川河流域地处北纬34°20′～34°30′、东经105°73′～106°之间，属天水市渭河东南一级支流，北接麦积城区和天水国家级经济技术开发区，南靠麦积山风景名胜区，覆盖颖川河“一川、两坡、八道沟”，即颖川河川区，川区东西向面坡，稠泥河、大江沟、谢崖沟、甘江沟、董水沟、石家沟、胡家沟、桦林沟，流域总面积356 km2，涉及麦积区马跑泉、甘泉、麦积、伯阳4镇57村7.7万人，总耕地面积23.7万亩，年降水量在400 mm～650 mm之间。境内西南面最高山峰海拔2 234 m，东北面最低处海拔1 048 m，相对高差1 186 m，南面以秦岭山为流域源头，山高谷深，峰锐坡陡平均坡度30°左右，部分坡度大于45°，有些地方超过60°，北面黄土沟谷地貌，土层深厚，侵蚀强烈，天然植被稀少，水土流失比较严重。近年来，颖川河流域气候恶劣，自然地质灾害频繁发生，仅2013年一年内连续遭遇4次特大暴雨洪涝灾害，引发一系列的山洪、泥石流、滑坡及山体崩塌等灾害。颖川河流域研究区域范围如图1所示。

3 水土流失数据模型的建立

3.1 水土流失数学模型

水土流失数学模型由影响水土流失的主要自然因素定量评价来实现。通过将研究区域进行数字栅格化，每一个栅格数据单元的赋予一个参数值，这个值就代表某一影响水土流失因子的权重值。将整个研究区域的水土流失因子转换栅格数据，不同影响因子的参数值换算成同等类型数值，便于在同等级下比较分析，当需要了解某网格区域内多个水土流失因子影响下的数据值时，就可以将在该区域下不同影响因子的参数通过GIS空间分析的栅格数据计算获得综合评价值［2］。

3.2 水土流失数学模型计算原理

由于不同水土流失影响因子在同一水平比较时存在影响强弱之分，根据这一思路，以及据卜兆宏等在我国多个水蚀区的实验研究和与云南省地理研究所的合作研究［3］，在自然环境中影响水土流失强弱参数值主要应是气候因子、地形因子、土壤因子、土地利用因子四因子参数累积相乘。方法涉及的主要模型土壤年流失量测算模型为：

式中A为土壤年流失量；f为使A代表我国单位量纲t／km2·年的综合转换常数等于224.42；R为降雨侵蚀力；K为土壤可蚀性；LS代表坡长因子L与坡度因子S的乘积；CP为植被、作物覆盖因子C与保土因子P之乘积；R、K为美国习用单位；SL、CP为量纲为一。模型形式虽与美国RUSLE相同，但因子算式和算法软件则根据我国不同水蚀区实测数据开发研制而成。

水土流失防治强度模型为

式中C＇P＇＝At／（f·R·K·LS）；At为土壤容许流失量，除黄土高原外，一般为500 t／km2·年；Y为在At容许流失时的防治强度差；C＇P＇为确保土壤年流失量500 t／km2·年所要求的植被与作物保土因子之乘积［4］。

4 水土流失空间调查

4.1 降雨量因子调查

降雨是气候因子中与水土流失关系最密切的一个因子。由于降雨是地表径流和下渗水分的来源，在形成水土流失过程中，降雨是引起侵蚀的直接外营力，暴雨对土壤的分散，破坏作用最大，同时又会增强地表径流的冲刷和搬运能力，从而加大土壤的侵蚀量。降雨量的大小对侵蚀量也有较大的影响，一年中少数几次的大暴雨能够引起的侵蚀量，可占全年侵蚀量的70%以上，由于研究区地处黄土高原，较大的一次暴雨引起的侵蚀量可占年侵蚀量的80%，如麦积区2005年7月5日一次暴雨降雨量达到143.4 mm。

结合研究区域特点，将降雨量作为气候因子参数，通过研究区域各站点的汛期数据采用插值的计算方法获取区域参数数据（表1）。

表1 麦积区近十年降雨量情况 mm

4.2 地形因子调查

地形是产生水土流失的重要条件之一。其中地面坡度的大小和坡长对水土流失的影响尤为明显。在一定范围内，地面坡度愈大，地表径流流速和水土流失量也愈大，同时在不考虑降雨条件时，水力侵蚀强度依坡面的长度来决定，坡面越长，径流速度就越大，汇聚的流量也愈大，因而其侵蚀力就愈强。根据地形影响水土流失的这一特点，以地形中坡度和坡长作为地形因子参数。

颖川河流域研究区最低海拔高度1 048 m，最高海拔高度2 234 m，平均海拔高度1 424 m，大部分地区海拔高程在1 300 m以上。海拔在1 200 m以下的区域仅占12.66%，而海拔1 400 m 以上区域面积占73.53% 。根据坡度分级统计，如表2，研究区坡度在2°以下的平地和微坡面积为67.418 5 km2，占10.99%，坡度在15度以内的区域面积248.357 6 km2，占38.07%，而大于15°的陡坡、峻坡和峭坡的面积达397.834 2 km2，占60.98%，其中大于25°的峻坡和峭坡面积228.646 2 km2，占35.82%。

表2 颖川河流域坡度分级统计

4.3 土壤因子调查

颖川河流域研究区土壤有褐色土、绵土、黑垆土、红土、淀土、潮土、综壤共7个土类，因母质成因差异，以块状镶嵌分布。北部和南部的山地、坪地、梁峁多为绵土、黑垆土和红土，西部和东南部山地为褐色土和山地棕壤土，河谷川区及沙滩冲积扇多为淀土和潮土。林业用地土壤，大部分为粗骨质山地褐色土和粗骨质山地棕壤土，土层较厚，土壤砂性大，排水良好，但熟化程度较低，质地较粗，结构和耕作性都较差，有机质0.29%～8.81%，含 氮 0.024% ～0.76%，含 磷 0.069% ～0.23%，含钾0.047%～0.26%，pH值6.2～8.2。以土壤类型作为可蚀性因子参数，通过对研究区域调查，将研究区域范围的土壤通过野外抽样调查划分成不同土壤类型区域，并通过离散型采样数据获取不同土壤可蚀性因子参数。

4.4 土地利用类型因子及植被覆盖度的解译调查

土地利用类型根据我国土地利用现状调查分类，土地的自然属性和经济属性是进行土地利用分类的理论根据。我国依据土地的用途、经营特点、利用方式和覆盖特征等因素，把全国土地利用现状划分。通过利用第二次全国土地调查的数据成果，获得研究区域土地利用地类图斑数据，研究区耕地面积54 765.71 hm2，园地面积13 768.12 hm2，林地面积26 779.91 hm2，草地面积4 287.48 hm2，城镇村工矿用地1 780.58 hm2等等。获取到土地类型资料数据后进一步实验研究获取不同土地利用类型对水土流失影响程度的参数，将参数按照土地类型的录入到二次土地调查的地类图斑数据中，再利用GIS软件中矢量数据与栅格数据的转换技术，获得土地利用类型影响因子参数的栅格数据。在提取土地利用类型信息后，对林地、草地等再根据影像的颜色和纹理结构特征判读植被覆盖度。林地和草灌按覆盖度＜30%，30%～45%，45%～60%，60%～75%，＞75%分成5级，草灌覆盖度大部分在30%～45%。

5 水土流失空间数据库的创建

5.1 数据库建立

数据库以SQL Server2005做为数据库管理软件平台，以ArcSDE作为连接空间数据引擎，安装和配置SQL Server和ArcSDE。将研究区的土壤信息、降雨量、土地利用类型、地形数据、DEM数据以及遥感影像等资料数据，导入到数据库中，建立起一个基于GIS软件操作平台的空间地理数据库。坐标参照系：采用高斯投影西安80坐标系；高程基准：1985国家高程基准，高程系统为正常高；高程坐标单位为“米”。属性精度：长度、宽度、高程、面积等均采用米制单位。

5.2 数据入库流程

颖川流域空间数据库建设的数据入库流程如图2所示。

5.2.1 水土流失因子数据的编辑与预处理

由于收集和野外采集有关研究区域的降雨量、地形、土壤、土地利用类型、植被覆盖率等资料数据为多类型多来源的数据，需要对原数据进行前期的编辑与预处理，如需要对研究区颍川河流域1∶5万地形图进行数字矢量化编辑工作，提取等高线、河流水系等地形信息，利用GIS空间分析中的地形分析生成DEM数字高程模型；还如需要对遥感影像数据进行预处理，根据影像特征的差异识别和区分不同的地物，解译出不同的土地利用类型，提取出地物的类型、位置、形状、大小等要素信息。

5.2.2 空间数据检查

空间数据检查主要是针对得到不同水土流失空间数据成果进行规范化检查，主要包括数据格式、数据完整性、数据的有效性、数据的分层处理、数据属性编码等方面，不符合规范化要求的需进行重新编辑预处理。

5.2.3 数据格式与坐标的转换

数据格式与坐标的转换包括数据格式抓换、坐标系统转换，图表的转换，数据代码的转换。通过转换，解决数据格式、坐标、代码等方面的差异，做到数据的一致性，便于后期的计算分析。

5.2.4 水土流失因子权重值的计算

由于水土流失强弱程度是由影响水土流失的气候（降雨量）、地形、土壤、土地利用类型、植被覆盖率等主要因子决定的。由于不同影响因子在同一水平比较时存在影响强弱之分，因此我们需要按照水土流失数字模型的计算原理，计算各参数值的权重值。

5.2.5 数据审核

数据审查是以空间数据的规范性、完整性、准确性为原则，对数据的属性逻辑关系、数据坐标系统、数据精度、图形点、线、面的拓扑关系、图形与属性的一致性、图幅接边融合情况等进行全面审核。数据审核是进行空间数据入库前必不可少的工作环节，也是创建空间数据库的质量保证。

5.2.6 导入空间数据库

导入空间数据库就是将审核合格的空间数据入库，可借助专业软件，如ArcGIS中的ArcCatalog模块。

5.3 数据库功能

5.3.1 数字的可视化能力

计算机技术的一个重要特点就是所见及所得，GIS是研究空间数据的计算机系统，其可视化能力更进一层。基于GIS技术的水土流失数字模型，将一切信息转换成空间数据并展显在数字地图上，并可通过DEM地形数据建立数字三维地形模型，加载各水土流失影响因子和研究区域地理要素数据，提高了数据的可读性。

5.3.2 数据采集、编辑、处理和分析能力

由于地理空间数据具有变化性，在实际工作过程中，空间数据库需要随时进行数据变更所涉及的数据源。通过GIS集成的数据采集、编辑、处理、分析等功能，随时可以更新变化数据，确保数据的准确性和可靠性。按照水土流失数字模型的设计思想，将各影响因子的空间数据，通过GIS空间分析数据处理方法，对各水土流水因子数据集成分析，增加了数据的信息化水平。

5.3.3 数据的辅助决策能力

建立的颖川河流域水土流失空间数据库，具有良好的系统性和宏观性，能够为决策者提供准确、可靠的数据参考，依据水土流失侵烛量的强弱将研究区划分为重点治理区、一般治理区、预防监督区和无需治理区，确定区域范围是否需要监督或治理，同时可以分析比较某一因子在研究区域的分布情况，有针对性因地制宜的对水土流失区域土地整理与规划［2］。

6 结语

水土流失空间数据库是一个动态的数据信息源，它的创建和维护是一个非常复杂的工作，同时对它的技术和数据的研究也是一个不断完善的过程。近年来，随着GIS空间技术、遥感技术、计算机技术、测绘仪器的发展，使得水土保持的技术应用和研究发生了重大的变化。本研究成果利用当前先进的GIS等技术能够合理的将颍川河流域的空间数据集成到一起，能够准确、直观、动态将多源数据展现出来，通过GIS可视化在计算机平台上的展现，形成直观的电子地图和三维数字模型，增强其可读性和应用效果；该成果可以为颍川河流域的水文、环境、地质灾害以及区域水土流失预测评估等领域的研究提供数据基础。

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［2］罗玉恒，周 健，王具元.基于GIS技术区域水土流失数字模型的构建［J］.甘肃科技，2013，29（2）：52～56.

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