基于USLE方程和安卓系統的水土流失預測軟件開發

周曉樂

(遼寧省水土保持局， 遼寧 沈陽 110003)

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基于USLE方程和安卓系統的水土流失預測軟件開發

周曉樂

(遼寧省水土保持局， 遼寧 沈陽 110003)

USLE方程；安卓系統；水土流失預測預報；遼寧省

水土流失預測是一個比較復雜的過程。遼寧省水土保持局開發了一種以小流域為單元的土壤侵蝕預報模型，建立了基于安卓(Android)系統的土壤侵蝕預報軟件，只要輸入降雨量就能夠實現土壤侵蝕量的手機實時預報。軟件計算類型有按日、半月、月、季和年計算等5種，輸入不同時間段的侵蝕性降雨量，即可得到流域相應的土壤侵蝕量和侵蝕模數，還可以對土壤侵蝕危害進行評估和預測，為遼寧省水土保持措施布設提供基礎數據支持。

1 開發背景和要求

遼寧省位于我國東北地區，根據遼寧省第四次遙感普查成果，全省現有土壤侵蝕面積422.95 萬hm2，占全省土地總面積的28.9%。針對水土流失，尤其是黑土地土壤侵蝕，遼寧省政府不斷加大治理力度，但是邊治理邊破壞的現象沒有得到根本改變，因此加強土壤侵蝕調查和演變過程研究對于開展水土流失治理至關重要。為了更直觀地預測水土流失量，為水土保持綜合治理和監督管理提供參考數據，提高公眾的水土保持意識，遼寧省水土保持局開發了基于USLE方程和安卓(Android)系統的水土流失預測軟件。

該款水土流失預測軟件的開發要求：一是簡便快捷，只要輸入降雨量就能夠實現土壤侵蝕量的實時預測；二是易于普及，以免費手機APP的形式，即時查詢，占用內存小，下載安裝便捷；三是專業性、實用性強，能實現覆蓋大多數小流域的水土流失預測，對實際工作具有指導意義。

2 軟件數據支持

采用美國通用土壤流失方程(USLE)，建立降雨量與土壤侵蝕模數之間的關系。要預測土壤侵蝕模數，需要先掌握遼寧省降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長坡度因子、植被覆蓋和管理措施因子的分布情況[1]。

(1)降雨侵蝕力因子。利用遼寧省及周邊31個氣象站1951—2010年日降雨資料，通過公式得到降雨-降雨侵蝕力計算模型及其參數α和β[2]，在ArcGIS中生成α和β點狀圖層，利用克里金插值法對生成的點狀圖層進行插值得到柵格圖層，再將柵格圖層矢量化得到矢量圖層[3]。將α和β矢量圖層與遼寧省小流域圖層疊加得到兩個圖層屬性相疊加的部分，通過Excel中的數據透視表計算出每個小流域的α和β值。

(2)土壤可蝕性因子(K)。遼寧土壤的區域性分布可分為遼東山地丘陵區、遼西低山丘陵區和遼河平原區三種類型[4]。查閱《遼寧土種志》找出對應的土壤類型及其粒徑特征，得到其幾何平均粒徑和占地面積，并通過公式計算出每種土壤類型的土壤可蝕性值。

(3)坡長坡度因子(LS)。將遼寧省DEM圖進行填洼處理，提取坡度、坡長信息，將坡長因子圖層與坡度因子圖層相乘得到坡長坡度因子圖層。將坡長坡度因子圖層轉換成矢量圖層，再將矢量圖層與遼寧省小流域圖層相疊加得到兩個圖層屬性相疊加的部分。將新圖層的屬性表導出，用Excel打開，根據Excel中的數據透視表計算出每個小流域的坡長坡度因子值。

(4)植被覆蓋與管理措施因子和水土保持措施因子。通過試驗模擬、徑流小區試驗和流域觀測，獲得遼寧省不同土地利用方式的植被覆蓋度和不同水土保持措施因子值。

3 核心部分開發

安卓是一種基于Linux的自由及開放源代碼的操作系統，主要使用于移動設備，如智能手機和平板電腦。編程人員將遼寧省土壤侵蝕模型制作成APP應用軟件，該軟件以土壤侵蝕數據計算為核心模塊，將計算出來的土壤可蝕性因子、坡長坡度因子、植被覆蓋與管理措施因子，以及遼寧省5 591條小流域基礎數據等植入，用戶可通過輸入降雨量來預測小流域的土壤侵蝕量。

軟件基本原理：首先，利用ArcGIS 軟件分別加載遼寧省LS、K、α、β因子圖層，將矢量圖層分別與5 591條小流域分界圖層疊加得到兩個圖層之間的重疊部分，計算相同屬性區域的面積和LS、K、α、β值，并將這些值輸出到Excel 表格中，利用數據透視表計算出每個小流域的LS、K、α和β值；然后，將遼寧省不同土地利用方式的植被覆蓋度和水土保持措施因子值錄入模型；最后，輸入日、半月、月、季或年侵蝕性降雨量，即可得到小流域的土壤侵蝕量。利用遼寧省及周邊31個氣象站1951—2010年日降雨資料，建立降雨-降雨侵蝕力計算模型，采用EI30(降雨動能E和最大30 min降雨強度I30的乘積)方法進行驗證，模型有效系數為96.4%，相對誤差為7.7%。

4 軟件應用

本軟件的設計采用綠色漸變色調，突出自然、生態的理念，體現環境與科技的結合，應用效果及操作步驟見圖1。

(a)步驟1:輸入小流域信息 (b)步驟2:小流域基本情況查詢 (c)步驟3:輸入時間長度

(d)步驟4:輸入降雨量 (e)步驟5:選擇措施類型 (f)步驟6:計算結果

軟件實現的主要功能有：一是查詢小流域基本信息，包括所屬行政區劃、流域多年平均侵蝕性降雨量、面積、代碼、地理坐標等；二是計算日、半月、月、季和年等不同時段的土壤侵蝕模數與土壤侵蝕量；三是計算小流域實施不同水土保持措施后的土壤侵蝕模數與土壤侵蝕量。

5 結 語

目前遼寧省水土流失預測軟件已開發并投入使用，用戶可以登錄安卓應用市場免費下載使用。基于USLE模型和安卓系統的水土流失預測軟件開發為遼寧省水土流失防治、土地資源合理利用，以及小流域水土保持規劃等提供了科學依據和技術保障，為提高公眾參與水土保持的意識和實現全民水保、全面水保奠定了堅實的基礎。目前國內外還沒有運用手機進行土壤侵蝕預報的相關報道，本研究利用安卓操作平臺，實現土壤侵蝕量的手機實時預報，為遼寧省預報水土流失危害提供了有效的技術支撐，也為社會各界了解水土保持，行使知情權、參與權和監督權提供了一條行之有效的途徑。

[1] 劉寶元,史培軍. WEPP水蝕預報模型[J].水土保持通報,1998,18(5):6-12.

[2] 章文波,付金生.不同類型雨量資料估算降雨侵蝕力[J].資源科學,2003,25(1):35-37.

[3] 章文波,謝云,劉寶元.利用日雨量計算降雨侵蝕力的方法研究[J].地理科學,2002,22(6):45-49.

[4] 賈文錦.遼寧土壤[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,1992:110.

(責任編輯 李楊楊)

S157

A

1000-0941(2016)11-0058-03

周曉樂(1981—)，男，遼寧鞍山市人，高級工程師，碩士，主要從事水土流失綜合治理、水土保持監測等工作。

2016-06-25