殷 兵, 吳健平, 章文波
(1.華東師范大學(xué) 地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200241; 2.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875)
基于GIS的降雨侵蝕力計(jì)算器實(shí)現(xiàn)研究
殷 兵1, 吳健平1, 章文波2
(1.華東師范大學(xué) 地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200241; 2.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院, 北京 100875)
降雨侵蝕力是土壤流失模型的一個(gè)基本因子,在收集和處理降雨數(shù)據(jù)時(shí)耗時(shí)耗力,且以文本格式保存的降雨數(shù)據(jù)存在諸多缺失問(wèn)題。為此,將逐日、半月、累月及累年降雨侵蝕力計(jì)算模型與組件式GIS平臺(tái)ArcGIS Engine及.NET平臺(tái)結(jié)合,開(kāi)發(fā)一種降雨侵蝕力因子計(jì)算器,并利用多種空間插值方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的空間插值。結(jié)果表明:該計(jì)算器可快速、有效地的管理數(shù)據(jù);對(duì)計(jì)算的降雨侵蝕力數(shù)據(jù),使用插值方法可獲得柵格數(shù)據(jù),且能進(jìn)一步進(jìn)行單一或批量掩膜、重采樣;同時(shí)也可對(duì)降雨侵蝕力因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、專題圖制作等。為結(jié)果的可視化及保存提供應(yīng)用基礎(chǔ)。
降雨侵蝕力; 空間分析; 統(tǒng)計(jì)分析; 空間顯示
降雨侵蝕力(Rainfall Erosivity)是指降雨引起土壤侵蝕的潛在能力,它是評(píng)價(jià)這種潛在能力的一個(gè)動(dòng)力指標(biāo)[1]。由于降雨過(guò)程資料難于獲取,許多研究者提出了基于易獲取的常規(guī)觀測(cè)資料計(jì)算降雨侵蝕力的簡(jiǎn)易算法。在不同的簡(jiǎn)易算法中,使用的常規(guī)降雨資料各不相同,周伏建[2]、吳素業(yè)等[3]使用了逐年、月雨量資料;劉秉正[4]、馬至尊[5]、Wischmeier等[6]則同時(shí)使用了逐年年雨量和月雨量資料,Arnoldus[7]、Renard等[8]、Yu等[9]使用的是多年平均年雨量和月雨量,還有應(yīng)用逐年年雨量資料、日雨量資料、小時(shí)降雨量資料、多年一遇的時(shí)段雨量等[10-14]。
降雨侵蝕力的計(jì)算及其柵格數(shù)據(jù)的獲取,是基于土壤侵蝕模型預(yù)報(bào)土壤流失量的關(guān)鍵所在。降雨數(shù)據(jù)常以文本文件格式保存,數(shù)據(jù)內(nèi)容中存在很多缺失問(wèn)題,在收集和處理這樣大量的數(shù)據(jù)時(shí)非常困難且耗時(shí)。而應(yīng)用GIS不僅可以方便地進(jìn)行降雨侵蝕力計(jì)算中各參數(shù)的輸入,還能將模型計(jì)算結(jié)果以圖形方式輸出,更形象、直觀的表達(dá)計(jì)算結(jié)果,顯示降雨侵蝕力的空間分布規(guī)律。范建容等[15]利用GIS空間分析功能獲得長(zhǎng)江上游降雨侵蝕力分布圖、降雨侵蝕力年際變化圖和各區(qū)域降雨侵蝕力R值平均年內(nèi)分配曲線;李靜[16]基于組件式GIS開(kāi)發(fā)在延河流域水土保持效益評(píng)價(jià)系統(tǒng)中獲取降雨侵蝕力因子的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
本文研究的系統(tǒng)以ArcGIS Engine和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言C#.NET為基礎(chǔ)平臺(tái),進(jìn)行降雨侵蝕力計(jì)算器的開(kāi)發(fā)。該計(jì)算器可有效地解決數(shù)據(jù)的增、刪、改,選擇不同降雨侵蝕力計(jì)算模型,計(jì)算降雨侵蝕力,使用不同的空間插值方法得到降雨侵蝕力柵格數(shù)據(jù),并根據(jù)需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單一或批量掩膜、重采樣;同時(shí),可進(jìn)一步對(duì)降雨侵蝕力進(jìn)行最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)分析,生成曲線圖或?qū)n}圖,為結(jié)果的可視化及保存提供應(yīng)用基礎(chǔ)。
在降雨侵蝕力計(jì)算中,各氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)格式往往不統(tǒng)一,需要對(duì)各氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化管理,并對(duì)基礎(chǔ)的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。針對(duì)不同詳細(xì)程度的降雨數(shù)據(jù),本系統(tǒng)提供不同的降雨侵蝕力因子計(jì)算模型。
系統(tǒng)主要功能有數(shù)據(jù)庫(kù)管理、降雨侵蝕力計(jì)算、空間分析、統(tǒng)計(jì)制圖及空間顯示,采用自頂向下、逐步求精、可拓展性及模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)原則。系統(tǒng)界面直觀,功能明確,操作簡(jiǎn)單。同時(shí),本計(jì)算系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)為PC機(jī),內(nèi)存2GB,CPU為Inter(R) Core(TM) i3,硬盤100GB以上;應(yīng)用的操作系統(tǒng)為Windows XP+SP3,GIS組件采用ArcGISEngine9.3,系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用Microsoft Visual Studio 2005,空間數(shù)據(jù)庫(kù)采用的是ArcGIS的File Geodatabase。
2.1 數(shù)據(jù)管理
降雨侵蝕力計(jì)算器系統(tǒng)以ArcGIS自帶的File Geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)方式對(duì)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理及維護(hù),主要用來(lái)管理和導(dǎo)入基礎(chǔ)地理背景資料,以獲取研究區(qū)域所需的地理信息數(shù)據(jù),包括數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出、刪除等。由于研究中生成的降雨侵蝕力柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大,F(xiàn)ile Geodatabase存儲(chǔ)空間有限,因此柵格數(shù)據(jù)將由文件的方式進(jìn)行存儲(chǔ),方便拷貝,并同其他土壤侵蝕模型因子計(jì)算。
計(jì)算器可導(dǎo)入兩種格式的降雨數(shù)據(jù),一種是文本文件,另一種是Excel。導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中的表,表名為R+站點(diǎn)編號(hào),字段分別是站點(diǎn)編號(hào)+年(+月+日)+值。數(shù)據(jù)導(dǎo)出的格式為Excel,并可對(duì)站點(diǎn)表進(jìn)行增加、刪除、更新等操作。
2.2 降雨侵蝕力計(jì)算
系統(tǒng)中所用的降雨侵蝕力計(jì)算模型,針對(duì)于不同詳細(xì)程度的降雨數(shù)據(jù):日雨量計(jì)算模型用于數(shù)據(jù)比較詳細(xì),精度相對(duì)較高的計(jì)算;半月計(jì)算模型、累月計(jì)算模型、累年計(jì)算模型應(yīng)用于數(shù)據(jù)詳細(xì)程度弱,精度相對(duì)偏低的計(jì)算。在計(jì)算時(shí)直接點(diǎn)擊要選用的模型,程序?qū)⒂?jì)算的降雨侵蝕力自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。計(jì)算完后,在數(shù)據(jù)輸入中點(diǎn)擊相對(duì)應(yīng)的模型將產(chǎn)生的降雨侵蝕力寫入到站點(diǎn)圖層。系統(tǒng)中各計(jì)算模型所應(yīng)用的公式主要為:
(1) 逐日計(jì)算模型[17]。
α=21.239β-7.3967
(2) 半月計(jì)算模型。
(EI30半月)=Ai·P半月·P半月1440
式中:(EI30)半月——半月降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm2·h)];P半月——半月內(nèi)日雨量大于等于12mm的雨量之和(mm);P半月1440——半月平均最大日雨量(mm),Ai——區(qū)域i的擬合系數(shù)。
(3) 累月計(jì)算模型。
(EI30累月)=Bi·P累月·P累月1440
式中:(EI30)累月——多年平均月降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm2·h)];P累月——多年平均月降雨量(mm);P累月1440——多年平均月最大日雨量(mm);Bi——區(qū)域i的擬合系數(shù)。
(4) 累年計(jì)算模型。
(EI30)累年=Ci·P累年·P累年1440
式中:(EI30)累年——多年平均年降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm2·h·a)];P累年——多年平均年降雨量(mm);P累年1440——多年平均年最大日雨量(mm);Ci——區(qū)域i的擬合系數(shù)。
程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖1。用戶選擇降雨侵蝕力計(jì)算模型,并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)中站點(diǎn)圖層矢量數(shù)據(jù),獲取所需計(jì)算的站點(diǎn)編號(hào)列表,循環(huán)遍歷獲取每個(gè)站點(diǎn)的日降雨資料,如果在數(shù)據(jù)庫(kù)中存在該站點(diǎn),則通過(guò)模型進(jìn)行計(jì)算,若不存在將該站點(diǎn)信息保存到日志中。當(dāng)所有站點(diǎn)結(jié)束后,判斷信息保存中信息條數(shù),如果大于1條記錄,則提示用戶導(dǎo)入缺失站點(diǎn)數(shù)據(jù)或刪除站點(diǎn)圖層中該站點(diǎn)。
圖1 降雨侵蝕力計(jì)算流程
2.3 空間分析
空間分析包括空間插值及對(duì)插值結(jié)果進(jìn)行空間處理,對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行單一裁剪、重采樣,同時(shí)也可進(jìn)行批量裁剪、重采樣。
2.3.1 空間插值
(1) 克里金插值[18]??死锝?Kriging)插值法又稱空間自協(xié)方差最佳插值法。該方法基于包含自相關(guān)(即測(cè)量點(diǎn)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系)的統(tǒng)計(jì)模型,包括普通克里金法和泛克里金法。
(2) 反距離權(quán)重插值[19]。反距離權(quán)重(IDW)插值使用一組采樣點(diǎn)的線性權(quán)重組合來(lái)確定像元值。權(quán)重是一種反距離函數(shù),進(jìn)行插值處理的表面是具有局部因變量的表面。
(3) 樣條函數(shù)插值[20]。利用最小化表面總曲率的數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)估計(jì)值,從而生產(chǎn)恰好經(jīng)過(guò)輸入點(diǎn)的平滑表面。采樣點(diǎn)被拉伸到它們數(shù)量上的高度;樣條函數(shù)折彎一個(gè)橡皮頁(yè),該橡皮頁(yè)在最小表面總曲率的同時(shí)穿過(guò)這些輸入點(diǎn)。在穿過(guò)采樣點(diǎn)時(shí),它將一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)與指數(shù)量的最近輸入點(diǎn)進(jìn)行擬合。主要包括規(guī)則樣條函數(shù)和張力樣條函數(shù)。
用戶根據(jù)需求選擇插值方法,輸入所選插值方法中所需參數(shù),主要有站點(diǎn)圖層、插值字段、輸出像元大小、插值區(qū)域等各種差值方法共有參數(shù),還有各種方法自帶的參數(shù),如克里金插值需選擇克里金變異模型,反距離插值需要設(shè)置冪值等。程序?qū)⒄{(diào)用ArcGISEngine中的插值方法,對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值生成柵格數(shù)據(jù)并保存。
2.3.2 空間處理 基于全國(guó)或大區(qū)域的空間插值結(jié)果,其分辨率不可設(shè)置的太高。當(dāng)小范圍研究如3km2以內(nèi)的小流域時(shí),需對(duì)大范圍及低分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪、重采樣。針對(duì)各個(gè)半月所占比例及多年平均年降雨侵蝕力柵格圖并且裁剪范圍不單一的情況,若進(jìn)行單一裁剪、重采樣,則工作重復(fù),浪費(fèi)時(shí)間和精力,因此本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這些需求。
裁剪柵格和裁剪范圍(重采樣?xùn)鸥窈椭夭蓸臃秶?都有文件和目錄兩種選擇:當(dāng)都選擇文件時(shí),則對(duì)文件進(jìn)行單一裁剪,輸出柵格就保存為文件形式;當(dāng)其中一個(gè)為目錄時(shí),這時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理,輸出柵格將保存為一個(gè)目錄,生成的數(shù)據(jù)名稱將與裁剪柵格及裁剪范圍相聯(lián)系。
2.4 統(tǒng)計(jì)制圖
對(duì)研究區(qū)各半月降雨侵蝕力所占比例數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析制圖,可對(duì)數(shù)據(jù)的可視化及應(yīng)用提供方便。系統(tǒng)可對(duì)各半月降雨侵蝕力所占比例及年平均降雨侵蝕力柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得出最大值、最小值、平均值及標(biāo)準(zhǔn)差等。并可將統(tǒng)計(jì)結(jié)果導(dǎo)出成Excel格式數(shù)據(jù),同樣也可對(duì)各半月降雨侵蝕力所占比例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果制成曲線圖。
2.5 空間顯示
系統(tǒng)中空間數(shù)據(jù)可以在數(shù)據(jù)視圖中直接顯示,并可實(shí)現(xiàn)基本的地圖功能,如數(shù)據(jù)打開(kāi)、放大縮小、全屏顯示、平移、按比例放大縮小等。在制版視圖中,可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行制版設(shè)計(jì),其包含的功能也主要有頁(yè)面放大縮小、平移等。
本研究采用北京及周邊地區(qū)的氣象站點(diǎn)日降雨數(shù)據(jù)資料,運(yùn)用克里金插值法對(duì)北京地區(qū)降雨侵蝕力因子進(jìn)行計(jì)算,統(tǒng)計(jì)分析并制作專題圖。
3.1 數(shù)據(jù)入庫(kù)
(1) 降雨數(shù)據(jù)和站點(diǎn)數(shù)據(jù)入庫(kù)。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)管理中批量導(dǎo)入降雨數(shù)據(jù),選擇相應(yīng)路徑后點(diǎn)擊確定,數(shù)據(jù)庫(kù)中將以R+站點(diǎn)編號(hào)格式存放降雨數(shù)據(jù),包含站點(diǎn)編號(hào)、名稱、經(jīng)緯度,所在省的站點(diǎn)數(shù)據(jù)將以Station導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
(2) 矢量數(shù)據(jù)入庫(kù)。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)管理中導(dǎo)入矢量數(shù)據(jù),選擇中國(guó)底圖的存放路徑,填寫導(dǎo)入的名稱。
3.2 降雨侵蝕力計(jì)算
(1) 站點(diǎn)侵蝕力表。點(diǎn)擊降雨侵蝕力計(jì)算模塊模型選擇中的日雨量計(jì)算模型,計(jì)算結(jié)束后,在數(shù)據(jù)庫(kù)中將生成以R+站點(diǎn)編號(hào)+m1命名的站點(diǎn)侵蝕力表。
(2) 數(shù)據(jù)寫入。點(diǎn)擊降雨侵蝕力計(jì)算模塊數(shù)據(jù)輸入中的日雨量計(jì)算模型,對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中站點(diǎn)侵蝕力表進(jìn)行多年平均半月降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì),寫入站點(diǎn)圖層中對(duì)應(yīng)字段中。
3.3 空間分析
選擇空間分析模塊空間插值中的克里金插值,相關(guān)參數(shù)設(shè)置為:點(diǎn)要素類為數(shù)據(jù)庫(kù)中的站點(diǎn)圖層,插值字段為降雨侵蝕力字段r,插值范圍為數(shù)據(jù)庫(kù)中的北京邊界,選擇結(jié)果存放在路徑,及象元大小為30m×30m,其他默認(rèn),依次將24個(gè)半月降雨侵蝕力所占比例和多年平均降雨侵蝕力進(jìn)行插值,即可得多年平均降雨侵蝕力。
3.4 統(tǒng)計(jì)制圖
選擇上述計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)路徑,點(diǎn)擊“確定”,程序?qū)?duì)研究區(qū)北京24個(gè)半月降雨侵蝕力所占比例及多年平均年降雨侵蝕力進(jìn)行最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì),點(diǎn)擊“導(dǎo)出”可將統(tǒng)計(jì)結(jié)果導(dǎo)出。
若要制作曲線圖,點(diǎn)擊“曲線圖”按鈕,程序自動(dòng)對(duì)統(tǒng)計(jì)值作圖,可選擇顯示的統(tǒng)計(jì)值類型,并可導(dǎo)出圖片格式。橫坐標(biāo)代表24個(gè)半月的名稱,縱坐標(biāo)代表24個(gè)半月所占統(tǒng)計(jì)值。將北京市多年平均年降雨侵蝕力進(jìn)行專題制作,如附圖17所示,顏色從藍(lán)到紅降雨侵蝕力值逐漸增加。
本系統(tǒng)在ArcGISEngine9.3+vs2005+C#環(huán)境下,利用ArcGISEngine9.3提供的API,實(shí)現(xiàn)了降雨侵蝕力計(jì)算的軟件化,為降雨侵蝕力計(jì)算提供了技術(shù)支持。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)降雨數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的管理。將降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化管理,為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化提供了基礎(chǔ)。系統(tǒng)針對(duì)不同時(shí)段、不同詳細(xì)程度的數(shù)據(jù),提供多種降雨侵蝕力計(jì)算方法。同時(shí),系統(tǒng)提供了多種空間插值方法,可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的空間插值,用戶可對(duì)比不同插值方法結(jié)果精度,以便選擇精度較高插值方法;空間處理可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理裁剪、重采樣。另外,本計(jì)算系統(tǒng)可對(duì)柵格結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,制作專題圖,生成曲線圖,為結(jié)果的可視化提供基礎(chǔ)。
研究對(duì)降雨侵蝕力的計(jì)算機(jī)可視化呈現(xiàn)進(jìn)行了實(shí)踐,通過(guò)軟件的編寫實(shí)現(xiàn)證明了系統(tǒng)的可行性。但在具體的實(shí)現(xiàn)中仍然存在著如下幾個(gè)問(wèn)題:ArcGISEngine9.3部分功能存在許多bug,處理大量數(shù)據(jù)時(shí),程序可能出現(xiàn)意想不到的錯(cuò)誤;系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí),運(yùn)用FileGeodatabase,并將30m×30m的柵格數(shù)據(jù)以文件夾的存儲(chǔ)方式存儲(chǔ),沒(méi)有將此柵格數(shù)據(jù)放入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)柵格數(shù)據(jù)專題圖的制作進(jìn)行不同種類選擇,固定了柵格的渲染方式及比例尺,圖例等形式。
以研究區(qū)北京市降雨侵蝕力為例,進(jìn)行降雨侵蝕力的計(jì)算及可視化輸出,雖達(dá)到了預(yù)期結(jié)果,但在數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇上存在的缺陷,數(shù)據(jù)量變大情況下,可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題,并且沒(méi)有對(duì)柵格結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,沒(méi)有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一化管理。因此希望在后來(lái)可以將數(shù)據(jù)庫(kù)移植到ArcGISSDE空間數(shù)據(jù)庫(kù)中,對(duì)初始數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理;并可根據(jù)不同情況,增加降雨侵蝕力的算法,加強(qiáng)對(duì)柵格數(shù)據(jù)專題圖制作的功能,最終實(shí)現(xiàn)更為完善數(shù)據(jù)管理,侵蝕力計(jì)算,空間分析及其可視化。
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DevelopmentofRainfallErosivityCalculatorBasedonGIS
YIN Bing1, WU Jian-ping1, ZHANG Wen-bo2
(1.KeyLaboratoryofGeographicInformationScience,MinistryofEducation,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China; 2.SchoolofGeography,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China)
Rainfall erosivity is one of the essential factors in soil erosion models. Collection and processing of rainfall data are usually time-consuming. These data are generally stored in text format, which causes a common issue on data missing. This study developed a rainfall erosivity calculator by integrating the daily, half-monthly, monthly and yearly rainfall erosivity calculation models with ArcGIS Engine and .NET platform. Moreover, various spatial interpolation methods were implemented in this calculator in order to generate different interpolation results based on the collected rainfall data. The results demonstrate that this developed calculator is able to manage rainfall data quickly and effectively. Different interpolation methods can be employed to generate raster data for the spatial distribution of rainfall erosivity. These raster data can be masked or resampled individually or in batch by request. Statistics and thematic mapping of the rainfall erosivity can also be conducted by using this calculator, which provides the application basis for the visualization and storage of results.
rainfall erosivity; spatial analyst; statistical analysis; spatial visualization
:2014-04-22
第一次全國(guó)水利普查水土保持情況普查全國(guó)土壤侵蝕影響因子計(jì)算分析與制圖第I標(biāo)段水力侵蝕因子計(jì)算分析與制圖
殷兵(1989—),男,江西南昌人,碩士研究生,研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)開(kāi)發(fā)與遙感應(yīng)用。E-mail:bingoyin@ecnu.cn
吳健平(1962—),男,浙江寧波人,博士,教授,主要從事地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與遙感應(yīng)用。E-mail: jpwu@geo.ecnu.edu.cn
TV121
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