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自动化工具支撑水土流失动态监测工作
发布时间:2022-10-21 | 来源: | 点击量:1352

 开展水土流失监测是法律赋予水行政主管部门的法定职责,全国水土流失动态监测是贯彻落实《全国水土保持规划(2015-2030 年)》的重要基础工作,是全国水土保持规划实施情况考核评估的重要内容。

 自2018 年起,北京国遥新天地信息技术股份有限公司(以下简称“国遥新天地”)在各级水行政主管部门的组织领导下,运用高分辨率遥感影像开展持续有效的水土流失及其影响因子监测。通过采用水土流失计算模型,即为技术指南中所指定的中国土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation, CSLE),该模型综合考虑了降雨、土壤、植被、地形、措施等多项因子,针对中国地形地貌特征实现水土流失定量计算。

 模型方程为:A=R·K·L·S·B·E·T

 式中:A-土壤侵蚀模数(t·hm-2·a-1);R-降雨侵蚀力因子(MJ·mm·hm-2·h-1·a-1);K-土壤可蚀性因子(t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1);L-坡长因子,无量纲;S-坡度因子,无量纲;B-植被覆盖与生物措施因子,无量纲;E-工程措施因子,无量纲;T-耕作措施因子,无量纲。

 由CSLE模型及技术指南中各个因子的计算方法可知,在现行的水土流失监测工作中,R因子、K因子均相对稳定;L、S因子采用统一的计算工具,通常情况下区域地形条件相对固定,年际变化几乎为零;E因子、T因子均通过查表进行赋值,计算过程比较简单;只有B因子的计算比较复杂、植被覆盖度年际之间存在波动,不仅需要收集大量的基础数据,而且涉及到多个计算公式及相关参数,耗时较长工作量大,容易引入人为误差并逐步累积到后续计算当中,影响评价结果的精度。

 因此,国遥新天地针对以上存在的问题并结合实际工作需要,设计了一款界面友好、操作简单的B因子计算工具。该工具是一款基于地理信息系统(GIS)的桌面应用程序,以CSLE模型为基础,采用C#语言在.NET平台上通过调用GDAL组件开发而成。为计算过程中涉及到的各个参数设计了独立模块,便于简单直观地进行各步骤操作,具备数据处理、计算及自动命名输出结果等功能。

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图1 工具操作界面示意图

 基于收集到的基础数据,按照技术指南中的规范要求,分别利用传统工具(以下称“手动”)及自动计算工具(以下称“自动”)计算B因子数据,并根据土地利用空间分布特征,在耕地、园地、林地、草地等植被分布密集的区域随机选取数量不同的采样点,将各步骤中的成果从精度及效率两个方面进行验证。

 在计算B因子过程中,将手动计算结果作为自变量、自动计算结果作为因变量,分别对两种计算方法获取的修正FVC、SLR及B因子结果进行拟合。由拟合结果可知,三个参数的拟合曲线均为线性关系,且R2均为1,整体上看各参数的拟合优度极高(如图2所示)。

 基于24期修正FVC数据,分别在每期数据中的旱地、果园、有林地、灌木林地及其它草地中随机选取2个采样点,共计选取240个点位进行验证。由图2A可知,拟合曲线服从线性分布,且斜率略大于1、Y轴截距极小,达到了小数点后5位的水平。在全部240个采样点中,有219个点位结果是一致的,无差率达到91.25%,同一点位自动计算与手动计算结果之间的误差范围在1×10-3~4×10-3之间(表1)。

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图2 各参数计算结果对比图

表1 各参数采样点统计表

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 在分别采用手动及自动方法对B因子进行计算的过程中,对两种方法在各步骤中所用时间进行记录并作对比,结果如图所示。

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图3 各参数计算用时对比图

表2 各参数计算用时统计表

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 从各参数的计算用时来看,自动计算用时集中在30~40sec之间,整个B因子计算过程用时不到2mins,相对于手动计算,各步骤之间效率提升30~142.5倍,整体计算效率提升超过77倍(如表2所示),由此可见自动计算与手动计算之间的用时差距比较悬殊。

 这主要是两种计算方法实施过程的差异造成的,手动计算主要通过传统工具中的栅格计算器实现的,计算过程需要选取、手动键入及修改相关的图层名称、判断条件、运算函数及相关参数,并需要人为定义输出结果的存储位置及命名,数据的加载、选取及处理比较耗时;自动计算则只需要定义输入及输出文件的存储路径,计算过程无需人为干涉。

 以SLR计算过程为例,手动计算需要在栅格计算器中键入计算代码,代码中需要针对不同的土地利用类型来判断适用的函数,还需要根据24期数据中不同地类修正FVC及林下盖度值,并对各期数据代码进行逐条修改。而自动计算工具只需要定义各项数据及参数的存储路径,无需人为调整,还可以进行批量计算,因此效率提升效果最为明显。