CN102661842A - 一种定量估算年土壤风蚀量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种定量估算年土壤风蚀量的方法及装置，以解决在干旱农垦区利用监测模型得到的年土壤风蚀量准确度不够的问题。所述方法包括：提取土壤水分、土壤质地和水土保持措施三种因子；土壤风蚀定量模型中加入上述三种因子；利用土壤风蚀定量模型计算不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量；将不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量分别乘以不同土地利用类型的土地面积，得到不同土地利用类型的年土壤风蚀量；将不同土地利用类型的年土壤风蚀量按照土地利用类型叠加，得到整个区域的年土壤风蚀量。本申请结合极端干旱农垦区的气候特点和耕作制度，在原有土壤风蚀定量模型中加入上述三种因子，提高了年土壤风蚀量的计算精度。

Description

一种定量估算年土壤风蚀量的方法及装置

技术领域

本申请涉及土壤风蚀监测技术领域，特别是涉及一种定量估算年土壤风蚀量的方法及装置。

背景技术

土壤风蚀是指以风力为主的外营力作用于地面而引起尘土、沙的飞扬、跳跃和滚动的侵蚀过程。土壤风蚀对地表土壤的大量搬运和堆积，导致土壤粗粒化、肥力和生产力下降；且土壤细粒随风输移可形成沙尘暴，严重影响广大地区的空气环境质量，甚至诱发风沙电，干扰通讯线路、击穿设备及发生人身事故。

土壤风蚀定量监测是土壤风蚀监测领域发展的必然趋势，土壤风蚀量对风蚀区的生态效益定量评价，荒漠化评价，为政府在干旱农垦区的农业规划、决策等提供有力的数据支撑。但是目前国内使用的监测模型大部分是国外的，在干旱农垦区利用监测模型得到的年土壤风蚀量准确度不够。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种定量估算年土壤风蚀量的方法及装置，以解决在干旱农垦区利用监测模型得到的年土壤风蚀量准确度不够的问题。

为了解决上述问题，本申请公开了一种定量估算年土壤风蚀量的方法，包括：

提取土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

土壤风蚀定量模型中加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

利用土壤风蚀定量模型计算不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量；

将所述不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量分别乘以不同土地利用类型的土地面积，得到不同土地利用类型的年土壤风蚀量；

将所述不同土地利用类型的年土壤风蚀量按照土地利用类型叠加，得到整个区域的年土壤风蚀量。

优选的，所述的土壤风蚀定量模型按照土地利用类型包括：耕地风蚀定量模型、林草地风蚀定量模型和沙地风蚀定量模型。

优选的，所述的耕地风蚀定量模型中加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

所述的林草地风蚀定量模型中加入土壤质地因子和水土保持措施因子；

所述的沙地风蚀定量模型中加入水土保持措施因子。

优选的，所述的土壤水分因子通过下述方法提取：

按照土壤水分平衡方程，在风蚀发生时段，针对不同土地利用类型，根据单位面积的降水量、蒸发量和灌溉量，结合野外调查测定的单位面积的土壤含水量，利用回归分析，拟合单位面积下降水量、灌溉量、蒸发量与土壤含水量之间的函数关系式；

根据函数关系式推算出不同年份、不同土地利用类型单位面积的土壤含水量，得到土壤水分因子。

优选的，土壤包括非灌溉区域和灌溉区域，

在非灌溉土壤中所述的函数关系式是降水量、蒸发量和土壤水分之间的关系；

在灌溉土壤中所述的函数关系式是降水量、灌溉量、蒸发量和土壤水分之间的关系。

优选的，所述的土壤水分平衡方程为ΔW＝R+I-J-D-ET，

式中，ΔW为土壤水分的变化量，R为降水量，I为灌溉量，J为径流量，D为入渗量，ET为蒸发量，

结合干旱区降水量少、蒸发量大的特点，入渗量和径流量设为0。

优选的，所述的水土保持措施因子在农田防护林、护路林和防风固沙林中表示风蚀的有效空间防护范围，则还包括：

根据林带和主害风方向的交角，计算防护效能的相对平均值；

根据防护效能的相对平均值，确定有效空间防护范围。

本申请还公开了一种定量估算年土壤风蚀量的装置，包括：

因子提取模块，用于提取土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持因子；

模型修正模块，用于在土壤风蚀定量模型中加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

风蚀量计算模块，用于计算不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量，将所述不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量分别乘以不同土地利用类型的土地面积，得到不同土地利用类型的年土壤风蚀量；

风蚀量叠加模块，用于将不同土地利用类型的年土壤风蚀量按照土地利用类型叠加，得到整个区域的年土壤风蚀量。

优选的，所述的土壤风蚀定量模型按照土地利用类型包括：耕地风蚀定量模型、林草地风蚀定量模型和沙地风蚀定量模型。

优选的，所述模型修正模块在耕地风蚀定量模型中加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

所述模型修正模块在林草地风蚀定量模型中加入土壤质地因子和水土保持措施因子；

所述模型修正模块在沙地风蚀定量模型中加入水土保持措施因子。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

首先，本申请中的定量估算年土壤风蚀量的方法及装置是结合极端干旱农垦区的气候特点和耕作制度，在原有土壤风蚀定量模型中加入了土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子，从而提高了年土壤风蚀量的计算精度，更能真实反映干旱农垦区风蚀的特点和状况。

其次，本申请中的土壤水分因子提取方法按照土壤水分平衡方程，在风蚀发生时段，针对不同土地利用类型，根据单位面积的降水量、蒸发量和灌溉量，结合野外调查测定的单位面积的土壤含水量，利用回归分析，拟合单位面积下降水量、灌溉量、蒸发量与土壤含水量之间的函数关系式；根据函数关系式推算出不同年份、不同土地利用类型单位面积的土壤含水量，得到土壤水分因子，再进行空间面域化，得出空间范围上的土壤水分因子，解决了在遥感数据和地面监测数据缺失的情况下对土壤水分因子的提取问题。

再次，本申请中的水土保持措施因子在农田防护林、护路林和防风固沙林中表示风蚀的有效空间防护范围，根据林带和主害风方向的交角，计算出防护效能的相对平均值，根据防护效能的相对平均值，借助空间分析功能，在林带与主害风方向交角变化的情况下，确定出实际的空间防护范围，提高了林带防护范围的准确度。

附图说明

图1是本申请实施例一定量估算极端干旱农垦区的年土壤风蚀量的方法流程图；

图2是本申请实施例一在地理信息系统中定量估算年土壤风蚀量的方法流程图；

图3是本申请实施例二通过拟合出的函数关系式提取土壤水分因子的方法流程图；

图4是本申请实施例二在地理信息系统中通过拟合出的函数关系式提取土壤水分因子的方法流程图；

图5是本申请实施例三水土保持措施因子在农田防护林、护路林和防风固沙林中表示风蚀有效空间防护范围的流程图；

图6是本申请实施例四定量估算年土壤风蚀量的装置结构图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

本申请提出了一种定量估算年土壤风蚀量的方法和装置，重点是通过对原有的土壤风蚀定量模型进行修正，提高了土壤风蚀量的计算精度，其中，修正过程是将提取出的土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子加入到土壤风蚀定量模型中，并根据实验监测的结果对修正后的模型进行验证，调整模型尺度系数。下面将通过几个实施例详细介绍本申请提出的一种定量估算年土壤风蚀量的方法和装置。

通过实施例1，举例说明在极端干旱农垦区的环境下如何利用上述方法定量估算年土壤风蚀量。

实施例1，定量估算极端干旱农垦区的年土壤风蚀量的方法。

参照图1，示出了本申请一种定量估算年土壤风蚀量的方法流程图。

步骤11，提取土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

土壤水分因子是根据土壤含水量的等级，对其赋值，值域范围在0-1之间；

土壤含水量是土壤中所含水分的重量，一般是指土壤绝对含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也称土壤含水率；

土壤质地因子是根据土壤中不同大小直径的矿物颗粒的组合状况，对其赋值，值域范围在0-1之间；

水土保持措施因子是根据不同水土保持措施类型的防风蚀效能，对其赋值，值域范围在0-1之间；

所述提取是指根据观察、测量的结果或实际反映出的效能，对各因子进行赋值。

步骤12，土壤风蚀定量模型中加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

结合极端干旱农垦区的气候特点和耕作制度(耕地采用引水灌溉方法)，加入土壤水分因子(根据土壤含水率等级，对土壤水分因子赋值)，对风蚀存在阻碍作用；加入土壤质地因子是因为在不同的土地利用类型中，土壤质地(粒径大于0.84mm，则对风蚀存在阻碍作用，根据粒径含量的百分比对土壤质地因子赋值)不同，对风蚀的阻碍作用也不同；在干旱农垦区为保护农田，在农田田埂周围种植防护林，对风蚀存在阻碍作用，在公路两边设计草方格等沙障措施，对风蚀存在阻碍作用，所以加入水土保持措施因子(根据防护林和沙障对风蚀的影响强度和影响范围，对水土保持措施因子赋值)。

所述的土壤风蚀定量模型为经验模型，按照土地利用类型包括：耕地风蚀定量模型、林草地风蚀定量模型和沙地风蚀定量模型。

所述的耕地风蚀定量模型中加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

耕地风蚀定量模型原型：

$Q_{\mathrm{fa}}=10\·\hat{C}\·\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}\{T_j\·\exp [a_1+\frac{b_1}{z_0}+c_1\·\left[{(A\·U_j)}^{0.5}\right]\left]\right\}$

加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子的耕地风蚀定量模型：

$Q_{\mathrm{faf}}=10\·\hat{C}\·(1-S)\·(1-W)\·P\·\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}\{T_j\·\exp [a_1+\frac{b_1}{z_0}+c_1\·\left[{(A\·U_j)}^{0.5}\right]\left]\right\}$

式中，Q_fa为大田条件下耕地的土壤风蚀模数(t/km².a)，土壤风蚀模数表示因风力作用造成的单位面积、单位时间中的土壤流失量；

为尺度修订系数；

S为土壤质地因子(％)；

W为土壤水分因子(％)；

P为水土保持措施因子(％)；

A为风速修订系数，计算大田风蚀模数时需要利用当地气象站记录的风速资料；

U_j为气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第j级风速；

T_j为风蚀活动发生月份内风速为U_j的累积时间(min)。气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第一个风速等级为5.0～6.0m/s，取平均值5.5m/s，因此U_j＝1＝5.5m/s。依此类推，U_j＝2＝6.5m/s，U_j最高位整点风速表示记录中的最大风速；

风蚀活动发生月份为3-6月和9-10月；

a₁、b₁、c₁为与土壤类型有关的常数项，暂取-9.208、0.018、1.955。

所述的林草地风蚀定量模型中加入土壤质地因子和水土保持措施因子；

林草地风蚀定量模型原型：

$Q_{\mathrm{fgf}}=10\·\hat{C}\·\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}\{T_j\·\exp [a_2+b_2\·{\mathrm{VC}}^2+c_2/(A\·U_j)\left]\right\}$

加入土壤质地因子和水土保持措施因子的林草地风蚀定量模型：

$Q_{\mathrm{fgf}}=10\·\hat{C}\·(1-S)\·P\·\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}\{T_j\·\exp [a_2+b_2\·{\mathrm{VC}}^2+c_2/(A\·U_j)\left]\right\}$

式中，Q_faf为大田条件下林草地的土壤风蚀模数，(t/km².a)，土壤风蚀模数表示因风力作用造成的单位面积、单位时间中的土壤流失量；

为尺度修订系数；

S为土壤质地因子(％)；

P为水土保持措施因子(％)；

A为风速修订系数，计算大田风蚀模数时需要利用当地气象站记录的风速资料；

VC为植被覆盖度(％)；

U_j为气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第j级风速；

T_j为风蚀活动发生月份内风速为U_j的累积时间(min)。气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第一个风速等级为5.0～6.0m/s，取平均值5.5m/s，因此U_j＝1＝5.5m/s。依此类推，U_j＝2＝6.5m/s，U_j最高位整点风速表示记录中的最大风速；

风蚀活动发生月份为3-6月和9-10月；

A₂、b₂、c₂为与土壤类型有关的常数项，暂取2.4869、-0.0014、-54.9472。

所述的沙地风蚀定量模型中加入水土保持措施因子。

沙地风蚀定量模型原型：

$Q_{\mathrm{fs}}=10\·\hat{C}\·\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}{T}_j\·\exp [a_3+b_3\·\mathrm{VC}+c_3\·\ln (A\·U_j)/(A\·U_j)]$

加入水土保持措施因子的沙地风蚀定量模型：

$Q_{\mathrm{fs}}=10\·\hat{C}\·P\·\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}\{T_j\·\exp [a_3+b_3\·\mathrm{VC}+c_3\·\ln (A\·U_j)/(A\·U_j)\left]\right\}$

式中，Q_fs为大田条件下沙地的土壤风蚀模数(t/km².a)，土壤风蚀模数表示因风力作用造成的单位面积、单位时间中的土壤流失量；

P为水土保持措施因子(％)；

为尺度修订系数；

VC为植被覆盖度(％)；

A为风速修订系数，计算大田风蚀模数时需要利用当地气象站记录的风速资料；

U_j为气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第j级风速；

T_j为风蚀活动发生月份内风速为U_j的累积时间(min)。气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第一个风速等级为5.0～6.0m/s，取平均值5.5m/s，因此U_j＝1＝5.5m/s。依此类推，U_j＝2＝6.5m/s，U_j最高位整点风速表示记录中的最大风速；

风蚀活动发生月份为3-6月和9-10月；

a₃、b₃、c₃为与土壤类型有关的常数项，暂取6.1689、-0.0743、-27.9613。

上述土壤风蚀定量模型加入因子以后，选取风蚀活动发生时段，针对各因子进行大量野外调查、取样分析以及实地风蚀量监测，从而对模型修正结果进行验证，调整模型尺度修正系数，保证模型的准确度，更能反映干旱农垦区风蚀的特点，真实地表现出风蚀状况，同时提高模型在极端干旱农垦区的计算精度。

步骤13，利用土壤风蚀定量模型计算不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量；

针对不同的土地利用类型，采集相关的参数值，如所述的A、VC、U_j和T_j等，再结合所提取的土壤质地因子S、土壤水分因子W和水土保持措施因子P，按照相对应的加入上述因子的土壤风蚀定量模型，计算得出耕地单位面积的土壤风蚀量、林草地单位面积的土壤风蚀量和沙地单位面积的土壤风蚀量。

步骤14，将所述不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量分别乘以不同土地利用类型的土地面积，得到不同土地利用类型的年土壤风蚀量；

确定整个区域耕地的土地面积、林草地的土地面积和沙地的土地面积，再分别与所述的不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量相乘，得到耕地年土壤风蚀量、林草地年土壤风蚀量和沙地年土壤风蚀量。

步骤15，将所述不同土地利用类型的年土壤风蚀量按照土地利用类型叠加，得到整个区域的年土壤风蚀量。

所述叠加是指：如果整个区域内耕地年土壤风蚀量为x，林草地年土壤风蚀量为y，沙地年土壤风蚀量为z，则整个区域的年土壤风蚀量表示为在整个区域内，耕地年土壤风蚀量为x，林草地年土壤风蚀量为y，沙地年土壤风蚀量为z。

参照图2，示出了本申请一种在地理信息系统中定量估算年土壤风蚀量的方法流程图。

所述的地理信息系统是在计算机软硬件支持下，把各种地理信息按照空间分布及属性，以一定的格式输入、存储、检索、更新、显示、制图、综合分析和应用的技术系统；

在原有土壤风蚀定量模型中包括地表粗糙度因子、风力因子和植被盖度因子的基础上增加了土壤质地因子、水土保持措施因子和土壤水分因子，结合原有的因子和新加入的因子，对土壤风蚀定量模型进行修正；

同时，在地理信息系统中利用各自的空间分布栅格数据对各因子进行形象的表示；

修正后的耕地模型中包括：地表粗糙度因子、风力因子、土壤质地因子、水土保持措施因子和土壤水分因子；

修正后的林草地模型中包括：风力因子、土壤质地因子、水土保持措施因子和植被盖度因子；

修正后的沙地模型中包括：风力因子、水土保持措施因子和植被盖度因子；

通过修正后的土壤风蚀定量模型计算得出各土地利用类型相对应的风蚀模数；

将所述的风蚀模数再乘以各自土地利用类型的土地面积，得到各土地利用类型的年土壤风蚀量；

在地理信息系统中，将各土地利用类型的年土壤风蚀量进行叠加，就表示出整个农垦区年土壤风蚀量。

本申请中的定量估算年土壤风蚀量的方法是结合极端干旱农垦区的气候特点和耕作制度，在原有土壤风蚀定量模型中加入了土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子，从而提高了年土壤风蚀量的计算精度，更能真实反映干旱农垦区风蚀的特点和状况。

本申请定量估算年土壤风蚀量的方法中，在提取土壤水分因子时，还可以通过拟合出的函数关系式，利用相关参数，包括降水量、蒸发量和灌溉量，对土壤水分因子进行赋值，下面利用实施例2举例说明通过拟合出的函数关系式提取土壤水分因子的方法。

实施例2：通过拟合出的函数关系式提取土壤水分因子的方法。

参照图3，示出了本申请一种通过拟合出的函数关系式提取土壤水分因子的方法流程图。

步骤31，按照土壤水分平衡方程，在风蚀发生时段，针对不同土地利用类型，根据单位面积的降水量、蒸发量和灌溉量，结合野外调查测定的单位面积的土壤含水量，利用回归分析，拟合单位面积下降水量、灌溉量、蒸发量与土壤含水量之间的函数关系式；

土壤包括非灌溉区域和灌溉区域；

非灌溉土壤的土地利用类型包括：有林地、水土保持林、荒草地、裸土地、裸岩石砾地、盐碱地、天然草地、固定沙地、半固定沙地和流动沙地；

灌溉土壤的土地利用类型包括：水浇地、灌溉农田、人工草地、果园、新垦地；

非灌溉土壤的土壤水分主要收入项为降水量，主要支出项为蒸发量；

灌溉土壤的土壤水分主要收入项为降水量和灌溉量，主要支出项为蒸发量；

所述的土壤水分平衡方程为ΔW＝R+I-J-D-ET，

式中，ΔW为土壤水分的变化量(土壤含水量的差值)，R为降水量，I为灌溉量，J为径流量，D为入渗量，ET为蒸发量，

结合干旱区降水量少、蒸发量大的特点，入渗量和径流量设为0；

所述的风蚀发生时段为3-6月和9-10月；

所述回归分析是指确定单位面积的降水量、灌溉量、蒸发量和野外调查测定的单位面积的土壤含水量之间相互依赖的定量关系；

所述拟合是指利用土壤水分平衡方程，根据已知的土壤水分的变化量、降水量、灌溉量、径流量、入渗量和蒸发量，通过调整土壤水分平衡方程中的各参数值，得出土壤含水量与降水量、灌溉量、径流量、入渗量和蒸发量之间的函数关系式，该函数关系式是一种经验规律；

对于非灌溉土壤，其表层土壤水分主要来源于降水，根据气象资料中月均降水量对风蚀发生时段的整个农垦区进行插值，根据蒸发量计算公式得到蒸发量，结合野外调查测定的非灌溉土壤采样点在风蚀发生时段的土壤含水量，利用回归分析，拟合出风蚀发生时段的降水量、蒸发量与土壤含水量之间的函数关系式，

该函数关系式为W＝f(R，ET)＝0.0183·R-0.0009·ET+1.2771，

式中，W为土壤含水量，R为降水量，ET为蒸发量，单位都为mm。

同样地，对于灌溉土壤，其表层土壤水分不仅来源于降水，灌溉对其影响也很大，根据气象资料中月均降水量对风蚀发生时段的整个农垦区进行插值，根据蒸发量计算公式得到蒸发量，结合野外调查测定的灌溉土壤采样点在风蚀发生时段的土壤含水量，利用回归分析，拟合出风蚀发生时段的降水量、灌溉量、蒸发量与土壤含水量之间的函数关系式，

该函数关系式为W＝f(I，R，ET)＝0.1216·R-0.0248·ET+0.0100·I+6.7640，

式中，W为土壤含水量，R为降水量，ET为蒸发量，I为灌溉量，单位都为mm。

所述插值是指利用气象资料中，风蚀发生时段内有限的降水量数据，估算出风蚀发生时段内未知区域的降水量数据。

所述的蒸发量计算公式是根据月平均气温和蒸发量数据，找出月平均气温与蒸发量之间的关系，其公式为：ET＝49.158·e^0.0835T，

式中，ET为蒸发量，单位为mm；T为月平均气温，单位为℃。

步骤32，根据函数关系式推算出不同年份、不同土地利用类型单位面积的土壤含水量，得到土壤水分因子。

通过气象或监测数据确定不同年份、不同土地利用类型的降水量、灌溉量和蒸发量，再利用所述的函数关系式，得到不同年份、不同土地利用类型的土壤水分因子。

参照图4，示出了本申请一种在地理信息系统中通过拟合出的函数关系式提取土壤水分因子的方法流程图。

所述的地理信息系统是在计算机软硬件支持下，把各种地理信息按照空间分布及属性，以一定的格式输入、存储、检索、更新、显示、制图、综合分析和应用的技术系统；

整个农垦区的土地利用类型包括：非灌溉土壤和灌溉土壤；

非灌溉土壤包括：有林地、水土保持林、荒草地、裸土地、裸岩石砾地、盐碱地、天然草地、固定沙地、半固定沙地和流动沙地；

灌溉土壤包括：水浇地、灌溉农田、人工草地、果园、新垦地；

非灌溉土壤的土壤水分主要收入项为降水量，主要支出项为蒸发量；

灌溉土壤的土壤水分主要收入项为降水量和灌溉量，主要支出项为蒸发量；

根据土壤水分平衡方程，结合干旱区降水量少、蒸发量大的特点，土壤水分平衡方程中的入渗量和径流量设为0；

对于非灌溉土壤，拟合出风蚀发生时段的降水量、蒸发量与土壤含水量之间的函数关系式，

该函数关系式为W＝f(R，ET)＝0.0183·R-0.0009·ET+1.2771，

式中，W为土壤含水量，R为降水量，ET为蒸发量，单位都为mm。

同样地，对于灌溉土壤，拟合出风蚀发生时段的降水量、灌溉量、蒸发量与土壤含水量之间的函数关系式，

该函数关系式为W＝f(I，R，ET)＝0.1216·R-0.0248·ET+0.0100·I+6.7640，

式中，W为土壤含水量，R为降水量，ET为蒸发量，I为灌溉量，单位都为mm。

根据函数关系式，推算出不同年份、不同土地利用类型的土壤水分因子，在地理信息系统中，将不同土地利用类型的土壤水分因子进行空间面域化，得到农垦区土壤水分空间栅格图。

所述的空间面域化是指在地理信息系统中，将农垦区土壤按照不同土地利用类型进行空间上立体地展现。

上述方法是在遥感时相无法满足以月为时间尺度的土壤水分反演(基于遥感知识的基础上，依据已知的土壤水分数据参数值去反推目标状态下的水分数据参数值)需求下，且土壤含水量采样点数量、时间有限的情况下，通过分析干旱农垦区的地域特点和土壤水分平衡方程，解决如何根据有限的农垦区降水量和蒸散量、以及灌溉量资料，定量估算干旱农垦区域土壤含水量值，解决在遥感数据和地面监测数据缺失的情况下，实现土壤水分因子的提取；并结合农垦区土地利用类型，进行面域化，得到空间范围上的土壤水分因子，满足土壤风蚀定量模型的需求。

本申请中的水土保持措施因子表示不同水土保持措施类型的防风蚀效能，防风蚀效能在地理信息系统中可以通过防护范围的形式形象的表示出来，下面利用实施例3举例说明水土保持措施因子在农田防护林、护路林和防风固沙林中表示风蚀的有效空间防护范围。

实施例3：水土保持措施因子在农田防护林、护路林和防风固沙林中表示风蚀的有效空间防护范围。

参照图5，示出了本申请一种水土保持措施因子在农田防护林、护路林和防风固沙林中表示风蚀有效空间防护范围的流程图。

步骤51，根据林带和主害风方向的交角，计算防护效能的相对平均值；

所述林带是指为了防风沙等而培植的带状树林，也就是上述的农田防护林、护路林和防风固沙林；

所述主害风是指风蚀过程中起主要伤害作用的风；

所述的防护效能的相对平均值指林带树高的倍数；

在确定林带的防护范围时，由于林带与主害风方向交角之间的变化，防护范围也会有所变化。林带与主害风方向的交角与防护效能的相对平均值存在相互关系，其关系式为：y＝0.25x+2.5

式中x：林带与主害风方向的交角(角度数)，0＜x≤90；y：防护效能的相对平均值，

通过确定林带的方向和主害风的方向，计算出林带与主害风方向的交角，再结合所述的关系式，得出防护效能的相对平均值。

步骤52，根据防护效能的相对平均值，确定有效空间防护范围。

基于防护效能的相对平均值，借助ArcGIS的单侧缓冲区空间分析功能，向主林带背风侧方向做单侧缓冲区，从而从空间上确定有效防护范围。

所述的ArcGIS是一种地理信息系统软件；

所述的缓冲区是地理空间目标的一种影响范围或服务范围，具体指在点、线、面实体的周围，自动建立的一定宽度的多边形；单侧缓冲区是对于线对象的一种缓冲区形态。

本申请提出了一种定量估算年土壤风蚀量的方法和装置，下面通过实施例4举例说明如何利用上述装置定量估算年土壤风蚀量。

实施例4：一种定量估算年土壤风蚀量的装置。

参照图6，示出了本申请一种定量估算年土壤风蚀量的装置结构图。

因子提取模块61，用于提取土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持因子；

土壤水分因子是根据土壤含水量的等级，对其赋值，值域范围在0-1之间；

土壤含水量是土壤中所含水分的重量，一般是指土壤绝对含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也称土壤含水率；

土壤质地因子是根据土壤中不同大小直径的矿物颗粒的组合状况，对其赋值，值域范围在0-1之间；

水土保持措施因子是根据不同水土保持措施类型的防风蚀效能，对其赋值，值域范围在0-1之间；

所述提取是指根据观察、测量的结果或实际反映出的效能，对各因子进行赋值。

模型修正模块62，用于在土壤风蚀定量模型中加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

结合极端干旱农垦区的气候特点和耕作制度(耕地采用引水灌溉方法)，加入土壤水分因子(根据土壤含水率等级，对土壤水分因子赋值)，对风蚀存在阻碍作用；加入土壤质地因子是因为在不同的土地利用类型中，土壤质地(粒径大于0.84mm，则对风蚀存在阻碍作用，根据粒径含量的百分比对土壤质地因子赋值)不同，对风蚀的阻碍作用也不同；在干旱农垦区为保护农田，在农田田埂周围种植防护林，对风蚀存在阻碍作用，在公路两边设计草方格等沙障措施，对风蚀存在阻碍作用，所以加入水土保持措施因子(根据防护林和沙障对风蚀的影响强度和影响范围，对水土保持措施因子赋值)。

所述的土壤风蚀定量模型为经验模型，按照土地利用类型包括：耕地风蚀定量模型、林草地风蚀定量模型和沙地风蚀定量模型；

所述的模型修正模块62在耕地风蚀定量模型中加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

耕地风蚀定量模型原型：

$Q_{\mathrm{fa}}=10\·\hat{C}\·\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}\{T_j\·\exp [a_1+\frac{b_1}{z_0}+c_1\·\left[{(A\·U_j)}^{0.5}\right]\left]\right\}$

加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子的耕地风蚀定量模型：

$Q_{\mathrm{faf}}=10\·\hat{C}\·(1-S)\·(1-W)\·P\·\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}\{T_j\·\exp [a_1+\frac{b_1}{z_0}+c_1\·\left[{(A\·U_j)}^{0.5}\right]\left]\right\}$

式中，Q_fa为大田条件下耕地的土壤风蚀模数(t/km².a)，土壤风蚀模数表示因风力作用造成的单位面积、单位时间中的土壤流失量；

为尺度修订系数；

S为土壤质地因子(％)；

W为土壤水分因子(％)；

P为水土保持措施因子(％)；

A为风速修订系数，计算大田风蚀模数时需要利用当地气象站记录的风速资料；

U_j为气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第j级风速；

T_j为风蚀活动发生月份内风速为U_j的累积时间(min)。气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第一个风速等级为5.0～6.0m/s，取平均值5.5m/s，因此U_j＝1＝5.5m/s。依此类推，U_j＝2＝6.5m/s，U_j最高位整点风速表示记录中的最大风速；

风蚀活动发生月份为3-6月和9-10月；

a₁、b₁、c₁为与土壤类型有关的常数项，暂取-9.208、0.018、1.955。

所述的模型修正模块62在林草地风蚀定量模型中加入土壤质地因子和水土保持措施因子；

林草地风蚀定量模型原型：

$Q_{\mathrm{fgf}}=10\·\hat{C}\·\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}\{T_j\·\exp [a_2+b_2\·{\mathrm{VC}}^2+c_2/(A\·U_j)\left]\right\}$

加入土壤质地因子和水土保持措施因子的林草地风蚀定量模型：

$Q_{\mathrm{fgf}}=10\·\hat{C}\·(1-S)\·P\·\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}\{T_j\·\exp [a_2+b_2\·{\mathrm{VC}}^2+c_2/(A\·U_j)\left]\right\}$

式中，Q_faf为大田条件下林草地的土壤风蚀模数，(t/km².a)，土壤风蚀模数表示因风力作用造成的单位面积、单位时间中的土壤流失量；

为尺度修订系数；

S为土壤质地因子(％)；

P为水土保持措施因子(％)；

A为风速修订系数，计算大田风蚀模数时需要利用当地气象站记录的风速资料；

VC为植被覆盖度(％)；

U_j为气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第j级风速；

T_j为风蚀活动发生月份内风速为U_j的累积时间(min)。气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第一个风速等级为5.0～6.0m/s，取平均值5.5m/s，因此U_j＝1＝5.5m/s。依此类推，U_j＝2＝6.5m/s，U_j最高位整点风速表示记录中的最大风速；

风蚀活动发生月份为3-6月和9-10月；

a₂、b₂、c₂为与土壤类型有关的常数项，暂取2.4869、-0.0014、-54.9472。

所述的模型修正模块62在沙地风蚀定量模型中加入水土保持措施因子。

沙地风蚀定量模型原型：

$Q_{\mathrm{fs}}=10\·\hat{C}\·\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}{T}_j\·\exp [a_3+b_3\·\mathrm{VC}+c_3\·\ln (A\·U_j)/(A\·U_j)]$

加入水土保持措施因子的沙地风蚀定量模型：

$Q_{\mathrm{fs}}=10\·\hat{C}\·P\·\underset{j=1}{\mathrm{\Σ}}\{T_j\·\exp [a_3+b_3\·\mathrm{VC}+c_3\·\ln (A\·U_j)/(A\·U_j)\left]\right\}$

式中，Q_fs为大田条件下沙地的土壤风蚀模数(t/km².a)，土壤风蚀模数表示因风力作用造成的单位面积、单位时间中的土壤流失量；

P为水土保持措施因子(％)；

为尺度修订系数；

VC为植被覆盖度(％)；

A为风速修订系数，计算大田风蚀模数时需要利用当地气象站记录的风速资料；

U_j为气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第j级风速；

T_j为风蚀活动发生月份内风速为U_j的累积时间(min)。气象站整点风速统计中高于临界侵蚀风速的第一个风速等级为5.0～6.0m/s，取平均值5.5m/s，因此U_j＝1＝5.5m/s。依此类推，U_j＝2＝6.5m/s，U_j最高位整点风速表示记录中的最大风速；

风蚀活动发生月份为3-6月和9-10月；

a₃、b₃、c₃为与土壤类型有关的常数项，暂取6.1689、-0.0743、-27.9613。

上述土壤风蚀定量模型加入因子以后，选取风蚀活动发生时段，针对各因子进行大量野外调查、取样分析以及实地风蚀量监测，从而对模型修正结果进行验证，调整模型尺度修正系数，保证模型的准确度，更能反映干旱农垦区风蚀的特点，真实地表现出风蚀状况，同时提高模型在极端干旱农垦区的计算精度。

风蚀量计算模块63，用于计算不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量，将所述不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量分别乘以不同土地利用类型的土地面积，得到不同土地利用类型的年土壤风蚀量；

针对不同的土地利用类型，采集相关的参数值，如所述的A、VC、U_j和T_j等，再结合所提取的土壤质地因子S、土壤水分因子W和水土保持措施因子P，按照相对应的加入上述因子的土壤风蚀定量模型，计算得出耕地单位面积的土壤风蚀量、林草地单位面积的土壤风蚀量和沙地单位面积的土壤风蚀量，再确定整个区域耕地的土地面积、林草地的土地面积和沙地的土地面积，分别与所述的不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量相乘，得到耕地年土壤风蚀量、林草地年土壤风蚀量和沙地年土壤风蚀量。

风蚀量叠加模块64，用于将不同土地利用类型的年土壤风蚀量按照土地利用类型叠加，得到整个区域的年土壤风蚀量。

所述叠加是指：如果整个区域内耕地年土壤风蚀量为x，林草地年土壤风蚀量为y，沙地年土壤风蚀量为z，则整个区域的年土壤风蚀量表示为在整个区域内，耕地年土壤风蚀量为x，林草地年土壤风蚀量为y，沙地年土壤风蚀量为z。

本申请中的定量估算年土壤风蚀量的装置是结合极端干旱农垦区的气候特点和耕作制度，在原有土壤风蚀定量模型中加入了土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子，从而提高了年土壤风蚀量的计算精度，更能真实反映干旱农垦区风蚀的特点和状况。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本申请所提供的一种定量估算年土壤风蚀量的方法及装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种定量估算年土壤风蚀量的方法，其特征在于，包括：

提取土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

土壤风蚀定量模型中加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

利用土壤风蚀定量模型计算不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量；

将所述不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量分别乘以不同土地利用类型的土地面积，得到不同土地利用类型的年土壤风蚀量；

将所述不同土地利用类型的年土壤风蚀量按照土地利用类型叠加，得到整个区域的年土壤风蚀量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述的土壤风蚀定量模型按照土地利用类型包括：耕地风蚀定量模型、林草地风蚀定量模型和沙地风蚀定量模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述的耕地风蚀定量模型中加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

所述的林草地风蚀定量模型中加入土壤质地因子和水土保持措施因子；

所述的沙地风蚀定量模型中加入水土保持措施因子。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的土壤水分因子通过下述方法提取：

按照土壤水分平衡方程，在风蚀发生时段，针对不同土地利用类型，根据单位面积的降水量、蒸发量和灌溉量，结合野外调查测定的单位面积的土壤含水量，利用回归分析，拟合单位面积下降水量、灌溉量、蒸发量与土壤含水量之间的函数关系式；

根据函数关系式推算出不同年份、不同土地利用类型单位面积的土壤含水量，得到土壤水分因子。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

土壤包括非灌溉区域和灌溉区域，

在非灌溉土壤中所述的函数关系式是降水量、蒸发量和土壤水分之间的关系；

在灌溉土壤中所述的函数关系式是降水量、灌溉量、蒸发量和土壤水分之间的关系。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述的土壤水分平衡方程为ΔW＝R+I-J-D-ET，

式中，ΔW为土壤水分的变化量，R为降水量，I为灌溉量，J为径流量，D为入渗量，ET为蒸发量，

结合干旱区降水量少、蒸发量大的特点，入渗量和径流量设为0。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述的水土保持措施因子在农田防护林、护路林和防风固沙林中表示风蚀的有效空间防护范围，则还包括：

根据林带和主害风方向的交角，计算防护效能的相对平均值；

根据防护效能的相对平均值，确定有效空间防护范围。

8.一种定量估算年土壤风蚀量的装置，其特征在于，包括：

因子提取模块，用于提取土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持因子；

模型修正模块，用于在土壤风蚀定量模型中加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

风蚀量计算模块，用于计算不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量，将所述不同土地利用类型单位面积的土壤风蚀量分别乘以不同土地利用类型的土地面积，得到不同土地利用类型的年土壤风蚀量；

风蚀量叠加模块，用于将不同土地利用类型的年土壤风蚀量按照土地利用类型叠加，得到整个区域的年土壤风蚀量。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，

所述的土壤风蚀定量模型按照土地利用类型包括：耕地风蚀定量模型、林草地风蚀定量模型和沙地风蚀定量模型。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：

所述模型修正模块在耕地风蚀定量模型中加入土壤水分因子、土壤质地因子和水土保持措施因子；

所述模型修正模块在林草地风蚀定量模型中加入土壤质地因子和水土保持措施因子；

所述模型修正模块在沙地风蚀定量模型中加入水土保持措施因子。

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