遥感图像下的的地面风蚀修正模型研究

第一章引言

1.1.硏究背景
继美国、前苏联、非洲等国家出现历史上严重的风蚀灾害以来，土壤风蚀问题已上升为全球性问题，引起国内外众多学者的密切关注（UNEP， 1990)。我国干旱和半干旱区域面积较大，是世界上受土壤风蚀侵袭最为严重的国家之一，土壤风蚀及土地沙漠化影响面积已占到国土面积的1/2以上（慈龙骏，1997)。土壤风蚀灾害不仅容易造成浮尘、扬沙和沙尘暴等恶劣天气，而且也会致使农田土壤日趋瘠薄，土壤颗粒逐渐变得粗大，土地生产力水平急剧下降，严重威胁着人们的正常生产生活，影响着地区社会经济发展（王涛，2004)。因此，亟待深入开展干旱区和半干旱区土壤风蚀监测的相关研究，为有效防治土壤风蚀及风沙灾害提供技术支撑。新疆维吾尔自治区位于我国西北边陲，面积占全国总面积的1/6，地理位置极为重要。作为典型的温带干旱、半干旱区，新疆地区地表植稀少、土壤组成物质松散，风沙灾害频繁发生（高卫东，2008)。风蚀灾害已经严重威胁着新疆的生态环境，制约着社会经济的发展，甚至对全国的生态环境造成了影响。对土壤风蚀灾害极为严重的新疆生产建设兵团进行土壤风蚀监测和预报研究，对于改善新疆地区乃至全国的生态环境，实现经济、社会的可持续发展意义重大。

1.2.土壤风蚀硏究综述
1.2. 1.国内外风蚀研究概况国外对土壤风蚀的研究起步较早，已有近百年的历史，大致可以划分为以下四个阶段，前期萌芽阶段、大发展阶段、理论检验和完善阶段、应用与整合阶段。
1.2. 2. 土壤风蚀监测与估算方法风蚀量的监测与估算一直以来都是风蚀研究领域的热点与重点（Toy etal.， 2002；胡云锋等，2003)。不同研究者在风蚀量观测方法方面，也各自提出了多种思路和途径，如集沙仪监测法（马玉明，2001;荣娇凤，2004;刘永兵和岳德鹏，2005)，风蚀圈法（赵沛义，2009)，测钎法（赵羽，1988;孔兴帮，1990;赵存玉，1992;徐斌，1993)，扫描摄影法（邹学勇，1999;邢茂，2003)，风洞实验模拟法（Stroosnijder,2005；贺大良，1983;董光荣等，1987;邹学勇，1994;包洪涛，2010)，风蚀模型评价（Woodruff and Siddoway, 1965； Coleetal., 1983； Hagen, 1991； Shaoetal.,1996； Gregory et al., 2004;董治宝，1998;王训明，2001;臧英，2006)， i37cs同位素法（Sutherland etal.， 1991； Chappell, 1998；严平等，2003;赵婢，2005)等，以上方法要么仅仅局限于田块尺度，不能满足大尺度下区域风蚀量快速估算的需求，要么就是缺少野外实测验证，测量结果仅仅停留于定性研究或半定量的描述。
近年来，"3S" (GPS、 RS和GIS)技术在大尺度区域风蚀研究方面的应用，引起越来越多风蚀研究者的关注和重视。将RS应用于风蚀调査（Drake, 1997；张增祥，2001)、风蚀模型评价（GaborandJozsef, 1998)、风蚀量估算（刘连友，1999)、沙尘暴监测（郑新江等，2001)以及风蚀影响因子的调査较为常见，而GIS的应用多见于风蚀模型评价（Shietal.， 2007),风蚀影响因子空间描述（张国平和张增祥，2001)和风蚀监测与预报（Chappell, 1998； Shaoetal., 1996； Lu and Shao, 2001)。虽然国外在WEPS(wind erosion prediction system)模型上做出了较大改进，希望借助GIS和RS的技术优势，在遥感生态模型支持下，实现实时、逐格网的风蚀量估算（Foxetal., 2001)；国内岳耀杰和王静爱（2011)首次提出基于地面实测与遥感数据的区域土壤风蚀量反演方法，但是能够真正将GIS和RS相结合，进行区域大尺度土壤风蚀量快速估算的研究与应用仍然非常少见。
1. 2. 3. 土壤风蚀模型
土壤风蚀模型是定量评价土壤风蚀量动态变化、指导防止土壤风蚀实践与综合治理以及进行水土保持生态效益评价的重要工具。自1965年，世界上第一个通用风蚀方程（wind erosion equation, WEQ) (Woodruff and Siddoway, 1965)在美国被提出以来，土壤风蚀模型不断发展，全球各国家不同学者也针对自身需要，相继提出不同结构、不同复杂程度的模型，其种类日渐增多，种类日益完善，在自然过程的分析和数据输入输出方面也存在很大差异。
1.2. 3. 1.模型的分类
根据模型的物理机制、算法差异以及数据要求的不同，可以概况为以下三类：经验模型、概念模型和物理模型。经验模型，相对概念模型和物理模型来说，是最简单的。它主要是通过大量观测资料的模拟、统计与分析而来，其参数是模型校准而来，在模型复杂度和数据依赖度方面都比其他两个模型低，因此，如果输入数据和模型参数有限，经验模型成为首选。然而，该模型也存在明显的不足，即模型通常是基于各种假设条件成立的情况下，忽略物理过程以及各参数之间的非线性耦合关系，模型精度不高。概念模型是经验模型和物理模型的过渡模型，模型在自然过程的描述上，相对经验模型有进步，但是仍不深入，对过程机理以及模型各参数之间定量关系的研究不明确，参数的物理意义较含糊，只是形成了一个近似的模拟方程，通常较为抽象。在数据方面，同经验模型类似，要求不高，但是在参数率定时，数据缺乏乃缺点之一。
物理模型是对大自然的真实描述，无论从过程的抽象描述还是参数的物理意义都较为明确，模型对风蚀过程考虑全面，势必对数据需求度较高，计算量大增，虽然理论上来说所有参数都可以实测，但是大量参数的空间异质性，增加实测校验的工作量，有些不能实测的参数，也必须通过实测数据进行验证，因此在结果验证上难度也较大。综合来说，三类模型并非完全独立，区分度也并不特别明显，其分类也只是人为的主观划分方式，对于某个模型来说，可能是完全的经验模型，概念模型抑或物理模型，也可能是三者当中其中几个的组合，而第二种建模方式是正成为目前研究的热点。

    1.3. 土壤风蚀模型存在的问题及发展方向 ......................19-22 
    1.4. 研究内容与技术路线 ......................22-24
        1.4.1. 研究目的和意义 ......................22
        1.4.2. 研究内容 ......................22-23
        1.4.3. 技术路线 ......................23-24
第二章研究区概况 ......................24-30
    2.1. 自然地理概况 ......................24-27
        2.1.1. 地理位置 ......................24
        2.1.2. 地形地貌 ......................24
        2.1.3. 气候 ......................24-26
        2.1.4. 水文 ......................26
        2.1.5. 土壤 ......................26
        2.1.6. 植被 ......................26-27
    2.2. 土地利用现状 ......................27-28
    2.3. 风蚀现状 ......................28-30
第三章实验方案 ......................30-41
    3.1. 风蚀模型研究 ......................30-35
        3.1.1. 模型选取 ......................30-31
        3.1.2. 模型修正 ......................31-35
    3.2. 数据源选择与数据预处理 ......................35-38
        3.2.1. 数据源选择 ......................35-36
        3.2.2. 遥感数据预处理 ......................36-38
    3.3. 野外调查监测方案设计 ......................38-40
        3.3.1. 调查样区总体设计 ......................38
        3.3.2. 调查样区数量设置 ......................38
        3.3.3. 调查路线布设 ......................38-39
        3.3.4. 调查频率设计 ......................39
        3.3.5. 调查仪器与资料 ......................39-40
        3.3.6. 调查监测指标 ......................40
    3.4. 小结 ......................40-41
第四章基于遥感和地面实测的风蚀影响因子提取 ......................41-71
    4.1. 风力因子 ......................41-44
    4.2. 植被盖度因子 ......................44-52
    4.3. 土壤粒径因子 ......................52-54
    4.4. 地表粗糙度因子 ......................54-57
    4.5. 土壤含水量因子 ......................57-61
    4.6. 风蚀措施因子 ......................61-66
    4.7. 土地利用类型 ......................66-70
    4.8. 小结 ......................70-71
第五章土壤风蚀修正模型的验证 ......................71-75
    5.1. 2010年模拟土壤风蚀量 ......................71-72
    5.2. 2010年实测土壤风蚀量 ......................72-73
        5.2.1. 测量材料和方法 ......................72
        5.2.2. 测量结果 ......................72-73
    5.3. 对比分析 ......................73
    5.4. 小结 ......................73-75
第六章风蚀模型软件构建和风蚀模数变化分析 ......................75-87
    6.1. 风蚀模型软件构建 ......................75-78
    6.2. 风蚀模型软件运行 ......................78-81
        6.2.1. 数据格式转换 ......................78
        6.2.2. 模型数据入库 ......................78-80
        6.2.3. 模型计算 ......................80-81
    6.3. 风蚀模型结果表达与分析 ......................81-86
        6.3.1. 空间统计分析 ......................81-84
        6.3.2. 时间序列分析 ......................84-86
    6.4. 小结 ......................86-87

结论

目前，虽然我国土壤风蚀在风沙地貌与沙漠化、风蚀影响因子、风蚀量监测与模型评估、风蚀强度分级、沙尘暴监测、风蚀防治技术等理论研究领域，取得了较大进展，但我国土壤风蚀信息化水平仍较低，土壤风蚀快速定量监测模型系统以及信息服务平台的构建方面仍处于起步阶段，尤其是新疆地区尚未建立起土壤风蚀监测模型系统，信息化程度不高。
本研究通过遥感和野外调査监测相结合，引入风沙物理学、地统计学和"3S"技术方法，对风蚀模型的特点、风蚀影响因子的监测、计算与提取、风蚀变化规律等进行了初步分析，探讨了遥感和GIS在土壤风力侵蚀研究中的应用，并为土壤风蚀定量监测与风蚀快速估算提供借鉴与参考，同时也为干旱区、半干旱区防风治沙工作和保障农业可持续发展提供了科学依据。
本研究的创新点在于：首次选择新疆生产建设兵团农一师S区为研究对象，结合我国干旱区土壤风蚀特点和研究区特定的区域概况，对相适合的土壤风蚀模型进行了改进和完善；系统的总结了一套基于遥感和地面实测手段的风蚀影响因子提取方法与技术体系；首次采用国内先进专业地理信息系统软件DTGIS核心服务为平台，C#为开发语言，Silverlight为界面开发工具，数据库采用轻型数据库sqlite,构建了一款C/S架构的模型软件系统，能够为风蚀研究提供远程数据服务和风蚀量快速估算服务。