CN104714001A - 一种土壤侵蚀调查单元空间布局的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土壤侵蚀调查单元空间布局的方法，其包括以下步骤：依据高斯-克吕格投影分带方法将地球经纬度进行分带，在每一个分得的三度带内划分多个5km×5km的网格作为控制区，再将每个控制区划分为多个1km×1km的网格作为基本调查单元；选取调查区域，生成位于调查区域内的分带网格图层；根据分带经纬度范围，计算调查区域内所有控制区中心点的经纬度；根据调查区域的高程、降雨量和坡耕地占调查区域总面积的百分比三方面来确定野外调查单元数量和位置，并根据调查区域的地形选择网格亦或面积约0.2～3km²的小流域作为野外调查单元。本发明采用分层不等概系统抽样的方法，通过在调查区域内合理的布局野外调查单元，既降低了调查成本，同时也保证了土壤侵蚀调查结果的准确性。

Description

一种土壤侵蚀调查单元空间布局的方法

技术领域

本发明涉及一种土壤侵蚀调查单元空间布局的方法，属于土壤侵蚀调查技术领域，特别是水土流失定量测评技术领域。

背景技术

土壤侵蚀调查是我国水利普查水土保持专项普查的重要组成部分。最终目标是查清一定区域范围内土壤侵蚀的分布、面积与强度，掌握土壤侵蚀动态，推动数字水土保持工作。为科学评价水土保持效益及生态服务价值提供基础数据，为国家水土保持与生态建设提供决策依据。

目前世界范围内的区域土壤侵蚀调查主要有三种方法：1.无缝隙网格估算。按一定空间分辨率将区域划分为网格，在GIS技术支持下，利用土壤侵蚀模型估算各网格土壤流失量，实现了区域无缝隙评价。该方法以澳大利亚和欧盟各国为代表。网格大小取决于能够获得的数据空间分辨率，如反映地形特征的数字高程数据DEM分辨率，反映植被覆盖度的遥感植被指数分辨率等，目前采用较多的是1km×1km网格。因这种方法在田块尺度上水土流失影响因子的计算精度低，不能反映水土保持措施的作用，多假设水土保持措施因子等于1，反映的是实际土地利用和植被覆盖下可能的土壤侵蚀状况，因此称为土壤侵蚀危险性评价。2.遥感调查。基于30m×30m空间分辨率TM遥感影像和1∶5万地形图资料，在GIS技术支持下，利用人机交互判读方法，对非农地采用坡度与植被覆盖、对农地采用坡度直接判断土壤侵蚀强度。该方法以我国为代表，从20世纪80年代至今共进行了3次。网格估算可以实现全区域无缝隙评价，但每块地的精度并不高。遥感调查实现了区域无缝隙评价，但存在3个问题:一是30m×30m空间分辨率依然较粗，尤其是无法反映土地利用破碎和有水土保持措施分布时的真实情况；二是考虑因素不够，评价只依据地形和植被覆盖2个因子，既没有考虑侵蚀动力—降雨，也没用考虑被侵蚀对象—土壤；三是定量不足，评价结果只能区分土壤侵蚀强度级别，无法估算土壤流失量。网格估算和遥感调查由于空间分辨率的限制，都无法反映水土保持措施的影响，进而无法评价水土保持效益。3.抽样调查。依据抽样确定调查位置和范围，实地调查土壤侵蚀影响因子，然后利用土壤侵蚀模型评价水土流失现状。该方法以美国为代表，从20世纪50年代开始不断完善，1977年首次采用通用土壤流失方程和风蚀方程评价土壤侵蚀，到1997年，每隔5年进行1次，共进行了5次。2000年以后每年进行，以积累的数据为基础，减少抽样数量，进行动态变化监测。至今已发布6个年度(1982、1987、1992、1997、2002和2007年)节点的全国土壤侵蚀评价动态变化成果。美国的抽样调查方法选择调查对象为坡面，不足的是坡面的代表性差，必须选取巨量的样本才能反映区域的土壤侵蚀状况。

总结现有土壤侵蚀调查方法的主要不足为：

(1)无缝网格计算中水土流失影响因子的计算精度低，不能反映水土保持措施的作用；

(2)遥感调查中水土流失影响因子考虑不全面，且无法定量化。

(3)以美国为代表的抽样调查法抽样单元代表性不足，。

发明内容

本发明为了解决上述提到的现有的土壤侵蚀调查存在的准确性差以及调查成本高等缺点，提供一种新的土壤侵蚀调查单元空间布局的方法，其通过在调查区域内合理布设野外调查单元，即降低了调查成本；同时保证了土壤侵蚀调查结果的准确性。

具体地，本发明提供一种土壤侵蚀调查单元空间布局的方法，其包括以下步骤：

S1、依据高斯-克吕格投影分带方法，将地球的经纬度进行分带，划分为60个六度带和120个三度带；

S2、在每一个三度带内，分别沿X轴赤道方向和Y轴中央经线方向以赤道和中央经线为基准向两侧划分大小为5km×5km的网格，每一个网格作为一个控制区，再将每个控制区划分为多个1km×1km的网格，作为基本调查单元；

S3、选取调查区域，利用调查区域图层切割地球地形图的分带网格，生成位于调查区域内的分带网格图层；

S4、根据分带经纬度范围，计算调查区域图层内所有控制区中心点的经纬度；

S5、在调查区域内根据调查区域的高程、降雨量和坡耕地占调查区域总面积的百分比三方面来确定野外调查单元密度，根据野外调查单元的密度选取对应的控制区中心处的基本调查单元并确定其经纬度，以所确定的经纬度作为待调查的野外调查单元的经纬度；

S6、根据调查区域内所有待调查的野外调查单元的经纬度，计算其各自所在的1:10000地形图图幅号，获取所有地形图；

S7、根据所获取的地形图的地形，判断选取位于地形图中心的1km*1km的网格亦或面积约0.2～3km²的小流域作为野外调查单元。

优选地，S5中当调查区域内坡耕地面积大于等于总调查区域面积的20％时，此时野外调查单元的密度为4％，选择调查区域内所有控制区中心处的基本调查单元，确定该基本调查单元的经纬度，并以此经纬度作为待调查的野外调查单元的经纬度；当调查区域高程大于350m时或者当调查区域内年降雨量小于400mm时，此时野外调查单元的密度为0.25％，自调查区域内第一个控制区起，每隔3个控制区选择一个控制区，选择其中心处的基本调查单元，确定该基本调查单元的经纬度，并以此经纬度作为待调查的野外调查单元的经纬度；在坡耕地面积小于总调查区域面积的20％，同时高程小于等于350m并且降雨量大于等于400mm的区域，野外调查单元的密度为1％，自调查区域内第一个控制区起，间隔1个控制区选择一个，并选取其中心处的基本调查单元，确定该基本调查单元的经纬度，并以此经纬度作为待调查的野外调查单元的经纬度。

优选地，S6中根据获取的地形图可判断野外调查单元的地形，如属于山区或丘陵，选择地形图中心处的面积约0.2～3km²的小流域作为野外调查单元，并勾绘小流域边界；如属于山区或丘陵的水力侵蚀区之外的地形时，选取位于地形图中心处的1km*1km的网格作为野外调查单元，并勾绘边界。

优选地，在冰川、永久雪地、沙漠、戈壁、沼泽、大型湖泊、水库区域等无人类生活和居住的区域中，不进行野外调查单元的选取。

优选地，S6中，在勾绘小流域边界时，首先要保证小流域边界与等高线垂直相交，沿脊线延伸，在沟口处闭合。

优选地，如果小流域出口处为较宽的河谷，野外调查单元应包括宽谷部分，将小流域左、右岸的边界直接延伸到宽谷中心，与宽谷中心线构成闭合的野外调查单元。

本发明采用分层不等概系统抽样的方法，通过在调查区域内合理的布局野外调查单元，既降低了调查成本，同时也保证了土壤侵蚀调查结果的准确性。

附图说明

图1为依据高斯-克吕格投影分带方法将地球进行分带的方法示意图；

图2为分带示意图；

图3为在大川、大河、塬面、平原区等调查图上勾绘出的野外调查单元示例图；以及

图4为在山地、丘陵区调查图上勾绘出的野外调查单元示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理及工作步骤做进一步解释：

本发明提供一种土壤侵蚀调查单元空间布局的方法，其包括以下步骤：

S1、如图1及图2所示，依据高斯-克吕格投影分带方法将地球进行分带，自地球的0度子午线起每隔经差6度自西向东分带，获得带号依次为第1、2…60带的多个六度带，再自地球1.5度子午线起每隔经差3度自西向东分带，获得带号依次为第1、2…120带的多个三度带，六度带以及三度带分别用不同颜色进行标记，三度带的中央子午线与六度带的中央子午线和分带子午线重合。

高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影简称“高斯投影”，又名"等角横切椭圆柱投影”，地球椭球面和平面间正形投影的一种。是由德国数学家、物理学家、天文学家高斯于十九世纪二十年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格于1912年对投影公式加以补充，故名高斯-克吕格(Gauss-Kruger)投影。

该投影按照投影带中央子午线1投影为直线且长度不变和赤道投影为直线的条件，确定函数的形式，从而得到高斯一克吕格投影公式。投影后，除中央子午线1和赤道3为直线外，其他子午线均为对称于中央子午线的曲线。设想用一个椭圆柱横切于椭球面上投影带的中央子午线，按上述投影条件，将中央子午线两侧一定经差范围内的椭球面正形投影于椭圆柱面。将椭圆柱面沿过南北极的母线2剪开展平，即为高斯投影平面。取中央子午线与赤道交点的投影为原点，中央子午线的投影为纵坐标Y轴，赤道的投影为横坐标X轴，构成高斯克吕格平面直角坐标系。

高斯-克吕格投影在长度和面积上变形很小，中央经线无变形，自中央经线向投影带边缘，变形逐渐增加，变形最大之处在投影带内赤道的两端。由于其投影精度高，变形小，而且计算简便(各投影带坐标一致，只要算出一个分带的数据，其他各分带都能应用)，因此在大比例尺地形图中应用，可以满足军事上各种需要，并能在图上进行精确的量测计算。

按一定经差将地球椭球面划分成若干投影带,这是高斯投影中限制长度变形的最有效方法。分带时既要控制长度变形使其不大于测图误差，又要使带数不致过多以减少换带计算工作，据此原则将地球椭球面沿子午线划分成经差相等的瓜瓣形地带,以便分带投影。通常按经差6度或3度分为六度带或三度带。六度带自0度子午线起每隔经差6度自西向东分带，带号依次编为第1、2…60带。三度带是在六度带的基础上分成的，它的中央子午线与六度带的中央子午线和分带子午线重合，即自1.5度子午线起每隔经差3度自西向东分带，带号依次编为三度带第1、2…120带。我国的经度范围西起73°东至135°，可分成六度带十一个，各带中央经线依次为75°、81°、87°、……、117°、123°、129°、135°，或三度带二十二个。六度带可用于中小比例尺(如1：250000)测图，三度带可用于大比例尺(如1：10000)测图，城建坐标多采用三度带的高斯投影。

图2为分带示意图，其中L₀为六度带中央子午线经度，L为六度带分带子午线经度，n为六度带编号，n’为三度带编号。

S2、在每一个三度带内，分别沿X轴赤道方向和Y轴中央经线方向以赤道和中央经线为基准向两侧划分大小为5km×5km的网格，每一个网格作为一个控制区，再将每个控制区划分为多个1km×1km的网格，作为基本调查单元；

S3、选取调查区域，利用调查区域图层切割地球地形图的分带网格，生成位于调查区域内的分带网格图层；

S4、根据分带经纬度范围，计算调查区域图层内所有控制区中心点的经纬度；

S5、在调查区域内根据调查区域的高程、降雨量和坡耕地占调查区域总面积的百分比三方面来确定野外调查单元密度，并根据野外调查单元的密度选取对应的控制区中心处的基本调查单元作为野外调查单元；野外调查单元的密度即为野外调查单元数目与基本调查单元数目的百分比。

当调查区域内坡耕地面积大于等于总调查区域面积的20％时，此时野外调查单元的密度为4％，选择调查区域内所有控制区中心处的基本调查单元，确定该基本调查单元的经纬度，并以此经纬度作为待调查的野外调查单元的经纬度；当调查区域高程大于350m时或者当调查区域内年降雨量小于400mm时，此时野外调查单元的密度为0.25％，自调查区域内第一个控制区起，每隔3个控制区选择一个控制区，选择其中心处的基本调查单元，确定该基本调查单元的经纬度，并以此经纬度作为待调查的野外调查单元的经纬度；在坡耕地面积小于总调查区域面积的20％，同时高程小于等于350m并且降雨量大于等于400mm的区域，野外调查单元的密度为1％，自调查区域内第一个控制区起，间隔1个控制区选择一个，选择其中心处的基本调查单元，确定该基本调查单元的经纬度，并以此经纬度作为待调查的野外调查单元的经纬度。

S6、根据调查区域内待调查的野外调查单元的经纬度，计算1:10000地形图图幅号，获取该地形图，该地形图表示的实际区域大小可以与S5中选出的控制区大小不同，但其中心位置与选出的控制区中心位置相同，均为相应野外调查单元所在的经纬度。1:10000地形图由相关部门提交申请后，在省级以上测绘局购买，通过野外调查单元的经纬度即可得到1:10000地形图图幅号，并获取该地形图。

S7、根据获取的地形图的地形，判断选取位于地形图中心的1km*1km的网格亦或面积约0.2～3km²的小流域作为野外调查单元。

如图3所示，根据获取的地形图可判断野外调查单元的地形，如属于山区或丘陵，选择地形图中心处的面积约0.2～3km²的小流域作为野外调查单元，并用笔将小流域边界勾绘出来；如图4所示，如属于山区或丘陵之外的大川、大河、塬面、平原等地势较为平坦的区域，则直接勾绘位于地形图中心处的1km*1km的网格作为野外调查单元。

如图3所示，在勾绘小流域边界时，首先要保证小流域边界10与等高线20垂直相交，沿脊线30延伸，在沟口处闭合。如果分辨不清是脊线还是谷底线，可垂直该线画一条直线，分析与该直线相交的等高线高程变化：如果从该线向两侧高程逐渐降低，则为脊线，反之为沟底线。如果小流域出口处为较宽的河谷(如河流阶地等)，简称宽谷，调查单元应包括宽谷部分。具体方法是：小流域左、右岸的边界直接延伸到宽谷中心，与宽谷中心线构成闭合的野外调查单元。

本发明采用分层不等概系统抽样的方法，通过在调查区域内合理的布局野外调查单元，既降低了调查成本，同时也保证了土壤侵蚀调查结果的准确性。

Claims (6)

1.一种土壤侵蚀调查单元空间布局的方法，包括以下步骤：

S1、依据高斯-克吕格投影分带方法，将地球的经纬度进行分带，划分为60个六度带和120个三度带；

S2、在每一个三度带内，分别沿X轴赤道方向和Y轴中央经线方向以赤道和中央经线为基准向两侧划分大小为5km×5km的网格，每一个网格作为一个控制区，再将每个控制区划分为多个1km×1km的网格，作为基本调查单元；

S3、选取调查区域，利用调查区域图层切割地球分带网格，生成位于调查区域内的分带网格图层；

S4、根据分带经纬度范围，计算调查区域内所有控制区中心点的经纬度；

S5、根据调查区域的高程、降雨量和坡耕地占调查区域总面积的百分比三方面来确定野外调查单元密度，根据野外调查单元的密度选取对应的控制区中心处的基本调查单元并确定其经纬度，以所确定的经纬度作为待调查的野外调查单元的经纬度；

S6、根据调查区域内所有待调查的野外调查单元的经纬度，计算其各自所在的1:10000地形图图幅号，获取所有地形图；

S7、根据所获取地形图的地形，判断选取位于地形图中心的1km*1km的网格亦或面积约0.2～3km²的小流域作为野外调查单元。

2.根据权利要求1所述的土壤侵蚀调查单元空间布局的方法，其特征在于：S5中当调查区域内坡耕地面积大于等于总调查区域面积的20％时，此时野外调查单元的密度为4％，选择调查区域内所有控制区中心处的基本调查单元，确定该基本调查单元的经纬度，并以此经纬度作为待调查的野外调查单元的经纬度；当调查区域高程大于350m时或者当调查区域内年降雨量小于400mm时，此时野外调查单元的密度为0.25％，自调查区域内第一个控制区起，每隔3个控制区选择一个控制区，选择其中心处的基本调查单元，确定该基本调查单元的经纬度，并以此经纬度作为待调查的野外调查单元的经纬度；在坡耕地面积小于总调查区域面积的20％，同时高程小于等于350m并且降雨量大于等于400mm的区域，野外调查单元的密度为1％，自调查区域内第一个控制区起，间隔1个控制区选择一个，并选取其中心处的基本调查单元，确定该基本调查单元的经纬度，并以此经纬度作为待调查的野外调查单元的经纬度。

3.根据权利要求2所述的土壤侵蚀调查单元空间布局的方法，其特征在于：S6中根据获取的地形图可判断野外调查单元的地形，如属于山区或丘陵，选择地形图中心处的面积约0.2～3km²的小流域作为野外调查单元，并勾绘小流域边界；如属于山区或丘陵之外的地形时，选取位于地形图中心处的1km*1km的网格作为野外调查单元，并勾绘边界。

4.根据权利要求1所述的土壤侵蚀调查单元空间布局的方法，其特征在于：调查区域中包含冰川、永久雪地、沙漠、戈壁、沼泽、大型湖泊、水库区域等无人类生活和居住的区域，不进行野外调查单元的选取。

5.根据权利要求3所述的土壤侵蚀调查单元空间布局的方法，其特征在于：S6中，在勾绘小流域边界时，首先要保证小流域边界与等高线垂直相交，沿脊线延伸，在沟口处闭合。

6.根据权利要求5所述的土壤侵蚀调查单元空间布局的方法，其特征在于：如果小流域出口处为较宽的河谷，野外调查单元应包括宽谷部分，将小流域左、右岸的边界直接延伸到宽谷中心，与宽谷中心线构成闭合的野外调查单元。