小麦自然水分亏缺干旱评估模型的GIS建模

朱一晗，薛丰昌，唐步兴，黄敏敏

(1. 南京信息工程大学地理与遥感学院，江苏 南京 210044； 2. 气象灾害省部共建教育部重点实验室(南京信息工程大学)，江苏 南京 210044)

小麦自然水分亏缺干旱评估模型的GIS建模

朱一晗1,2，薛丰昌1,2，唐步兴1,2，黄敏敏1,2

(1. 南京信息工程大学地理与遥感学院，江苏 南京 210044； 2. 气象灾害省部共建教育部重点实验室(南京信息工程大学)，江苏 南京 210044)

小麦是我国重要的粮食作物之一，小麦干旱灾害严重影响我国粮食安全，因此对小麦干旱的评估显得尤为重要。自然水分亏缺率模型是评估小麦干旱状况的主要模型之一，该模型涉及数据类型多，模型计算复杂，影响模型的实际应用。本文利用GIS建模工具ModelBuilder建立自然水分亏缺率模型的GIS逻辑计算模型。研究结果表明：基于GIS的小麦自然水分亏缺干旱评估模型，将复杂的数学模型转变为方便快捷的GIS栅格计算，实现了模型计算过程的自动化、一体化、空间可视化，同时模型逻辑关系清晰，便于数据修改维护。

GIS；干旱；自然水分亏缺率模型；ModelBuilder

自然水分亏缺率为作物需水量与供水量之差，以百分率(%)表示。水分亏缺率较好地反映了土壤、植物和气象三方面因素的综合影响，能比较真实地反映出作物水分亏缺状况，是常用的作物干旱诊断方法之一[1-6]。黄晚华[7]利用作物水分亏缺指数对春玉米季节性干旱进行了分析，研究结果表明春玉米生长季节内干旱呈现明显的季节性和空间区域分布特征；彭世彰等[8]研究了不同生育阶段水分亏缺对水稻生长的影响。普宗朝等[9]对新疆水分亏缺量时空变化进行了分析，结果表明，新疆水分亏缺量的空间分布总体呈现南疆大于北疆、东部大于西部、平原和盆(谷)地大于山区的分布格局。乌兰等[10]研究了马铃薯苗期水分亏缺对产量的影响，结果表明，生育前期干物质积累量随苗期水分亏缺程度的增加而逐渐降低，一定程度的水分亏缺后，马铃薯存在明显的复水补偿效应。

自然水分亏缺率模型是评估小麦干旱状况的主要模型之一，该模型涉及数据类型多，模型计算复杂，影响模型的实际应用。

GIS具有强大的空间分析功能，能够快速处理各种空间信息。ArcGIS软件提供的ModelBuilder模型编辑器及一系列空间栅格分析计算模块，可方便建立各种复杂数学模型的GIS模型，实现高效分析计算。本文基于ModelBuilder模型编辑器实现小麦干旱评估模型自然水分亏缺率模型的GIS建模及其空间可视化计算。

1 研究方法

1.1 小麦自然水分亏缺模型

依据农田水分平衡原理，小麦自然水分亏缺率(G)可以描述为小麦自然供水量与需水量的差占需水量的百分比的负值[11]。计算过程如下

(1)

式中，E为小麦全生育期的需水量；W为小麦全生育期的自然供水量。两者单位均为mm。

E=Kc×ET0

(2)

式中，Kc为作物系数，小麦全生育期Kc取1.04；ET0为可能蒸散量(mm),采用FAO(1998)推荐的Penman-Monteith公式[12-13]求得，即

(3)

式中，ET0为参考作物蒸散量(mm/d)；Rn为净辐射[MJ/(m2·d)]；G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]；U2为2 m高处风速(m/s)；Δ为饱和水气压温度关系曲线上在Ta处的切线斜率(kPa/℃)；γ为干湿表常数(kPa/℃)；Ta为日平均气温(℃)；Es为饱和水气压(kPa)；Ea为实际水气压(kPa)。

小麦自然供水量(W)包括3部分：①小麦的土壤有效底墒(W1)；②小麦全生育期内的有效降水量(W2)；③地下水供水量(W3)。计算公式为

W=W1+W2+W3

(4)

W1=(Wt-Wd)×ρ×h×0.1

(5)

式中，W1为小麦播种前的土壤有效底墒量，单位为mm；Wt为小麦播种前的实际土壤湿度，单位为%；Wd为凋萎湿度，取值6.5，单位为%；ρ为土壤容重1.44，单位为g/cm3；h为土层厚度，单位为cm；0.1为单位换算系数。

W2=P

(6)

式中，P为实际降水量，单位为mm。

在实际计算小麦供水量中，地下水供水量(W3)可忽略不计。

1.2 ModelBuilder

模型构造器(ModelBuilder)是ArcGIS提供的构造地理分析、处理工作流和脚本的图形化数据建模工具。ModelBuilder由输入数据、空间处理工具和输出数据3个基本结构组成[14]。ModelBuilder提供的图形化建模工具，能够集成三维、空间分析和地理统计等多种空间分析处理工具[15]，将多种空间处理分析工具在模型图表中串在一起，模型运行时分析工具按顺序执行，从而实现工作的流程化和自动化，提高数据处理的效率[16]。基于ModelBuilder建立起GIS模型后，将模型涉及的各种数据预先插值形成空间栅格数据后，设置好数据路径，启动模型后即可自动完成复杂空间计算过程。图1为ModelBuilder建模的图解，方便读者理解整个模型。模型由很多个如图1所示的图表串联而成。

图1 ModelBuilder建模图解

2 小麦自然水分亏缺率模型的GIS建模

由上述自然水分亏缺率模型原理发现，该数学模型涉及较多的数据和大量复杂的公式，在现实应用中存在易出错、效率低等弊端。本文将该模型与GIS相结合，逐步建立基于GIS的小麦自然水分亏缺干旱评估模型，从而改善原数学模型的缺点，提高模型的使用效率。

2.1 小麦全生育期的需水量GIS建模

小麦可能蒸散量ET0是一个复杂的计算公式，为了便于理解，先对公式中的变量一一建模，最终再对ET0建模，模型中饱和水气压温度关系曲线上在Ta处的切线斜率，用weizhi1来表达；干湿表常数，模型中用gswdjcs表示。如图2—图8所示。

再根据公式对小麦全生育期需水量E进行建模。如图9所示。

2.2 小麦全生育期的自然供水量的GIS建模

图10是利用ArcGIS中的ModelBuilder对小麦全生育期的自然供水量(W)的建模。

最后将小麦全生育期需水量E和小麦全生育期的自然供水量W结合，得到小麦生育阶段的自然水分亏缺率G的模型。如图11所示。

2.3 基于GIS的小麦自然水分亏缺率模型

将以上各节中各参数模型按照逻辑计算关系进行连接后，即形成完整的基于GIS的小麦自然水分亏缺率模型，如图12所示。将模型涉及的各种数据预先插值形成空间栅格数据后，设置好数据路径，启动模型后即可完成特定时间点的小麦自然水分亏缺干旱评估计算。

图2 饱和水气压温度关系曲线上在Ta处的切线斜率Δ建模

图3 干湿表常数γ建模

图4 2 m高处风速U2建模

图5 饱和水气压Es的建模

图6 实际水气压Ea的建模

图7 净辐射Rn的建模

图8 可能蒸散量ET0的建模

图9 小麦全生育期需水量E进行建模

图10 小麦全生育期的自然供水量W的建模

图11 小麦生育阶段的自然水分亏缺率G的建模

3 基于GIS的小麦自然水分亏缺干旱模型应用实例

3.1 研究区概况

以河南省商丘市睢阳区作为本文研究区域，全区面积为960 km2，耕地693 km2，是国家优质小麦产区。

3.2 资料来源与处理

选取河南省商丘市睢阳区7个站点的2013年7月1日—2014年6月30日的气象站点数据(由A文件转换)与土壤墒情报表。气象站点数据包括日最高气温、日最低气温、日平均气温、平均相对湿度、日照时数、平均风速和降水量。利用土壤墒情报表读取2013年7月1日—2014年6月30日0～30 cm、0～50 cm、0～100 cm的土壤平均相对湿度。

在基于GIS的小麦自然水分亏缺干旱评估中，涉及最高气温、最低气温、平均气温、日照时数、降水量、土壤湿度、风速等点数据，这些点数据都可以采用空间插值方法得到栅格数据，插值得到的数值都是连续的。表1是根据《小麦干旱灾害等级》气象行业标准列出的不同时段小麦干旱灾害的等级指标，根将小麦干旱划分为4个等级：轻旱、中旱、重旱、严重干旱。

表1 小麦干旱灾害等级指标

本例选取睢阳区2013年10月6日和2013年10月7日的气象站点数据(由A文件转换) 与土壤墒情报表，表2、表3为2013年10月6日和2013年10月7日的气象站点数据。

根据上述小麦自然水分亏缺干旱模型原理，利用ArcGIS10.2中的ModelBuilder建立基于GIS的小麦自然水分亏缺干旱评估模型(如图13所示)。首先对李口、郭村、路河、宁陵、柘城、虞城和商丘气象站点数据，以及宁陵、柘城、虞城和商丘站点的土壤墒情报表数据采用反距离加权法进行插值，得到栅格数据，再根据小麦自然水分亏缺干旱评估模型的原理建立GIS计算模型，最后利用裁切功能得到结果图，如图12所示。

表2 20131006—20131007的7个站点信息

在ArcGIS中运行已经建立的模型，可以在很短的时间内得到最终的栅格图像，并根据《小麦干旱灾害等级》气象行业标准评估各个区域的干旱情况，并制定干旱等级分布图(如图13所示)。这段时间中，李口镇、娄店、冯桥、高辛镇4个区域的干旱等级为严重干旱，其他区域均为适宜。

表3 7个站点气象要素表 (℃)

由于降水是冬小麦生长发育过程中极为重要的因子，而从表2可以看出，10月6日—10月7日7个站点降水量均为0，因此该时段局部地区冬小麦处于严重干旱。结果表明，该模型能较好地解决小麦干旱的评估问题，且在ArcGIS软件中实现，既容易构建又容易修改，而且可以快速得到结果。

图12 原始数据插值结果

图13 睢阳区2013年10月6日和2013年10月7日小麦干旱评估图

4 结 论

自然水分亏缺率模型是评估小麦干旱的方法之一，现如今已经被许多学者使用，该模型涉及大量的空间数据及复杂的运算过程。GIS的空间分析功能能够处理大量空间数据，ArcGIS的栅格计算器不仅可以方便地完成基于数学运算符的栅格运算，以及基于数学函数的栅格运算，而且它还支持直接调用ArcGIS自带的栅格数据空间分析函数，并且可以方便地实现多条语句的同时输入和运行。利用自然水分亏缺率模型的原理，以GIS空间分析技术为手段，结合ArcGIS软件的ModelBuilder将复杂的数学模型转变为GIS模型。实践证明，基于GIS的自然水分亏缺率模型能较好地进行小麦干旱的评估。

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ResearchonWheat’sNatureWaterStressDroughtEvaluationModelsBasedonGIS

ZHU Yihan1,2，XUE Fengchang1,2，TANG Buxing1,2，HUANG Minmin1,2

(1. College of Geography and Remoting Sensing,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China； 2. Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education(NUIST),Nanjing 210044，China)

Wheat is one of the important food crops in China.Wheat drought disasters affect food security seriously in China.Assessing wheat drought is particularly important.Nature water stress model is one of the main model of the evaluation of wheat drought conditions.This model involves lots of data types,model calculation is complicated,affecting the actual application of the model.The natural water stress model is established into GIS logical calculation model by ModelBuilder.The results showed that the natural water stress drought evaluation models based on GIS transformed complex mathematical model into simple GIS grid computing.It realized counting process automation,intergration,spatial visualization.And the model has a clear convenient for modification,maintenance of data.

GIS；drought；nature water stress model；ModelBuilder

朱一晗，薛丰昌，唐步兴，等.小麦自然水分亏缺干旱评估模型的GIS建模[J].测绘通报，2017(11)：101-107.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0357.

P237;P208

A

0494-0911(2017)11-0101-07

2017-03-09

江苏省自然科学基金(BK20151458)；江苏省博士后科研基金(1101024B)；中国气象局北京城市气象研究城市气象科学研究基金(IUMKY&UMRF201103)；江苏省研究生培养创新工程项目(KYCX17-0890;KYCX17-0891)

朱一晗(1993—)，男，硕士生，研究方向为气象GIS、气象灾害数值模拟。E-mail：zyhan93@163.com

薛丰昌