TWI476620B - Estimation method and system of soil erosion in catchment area - Google Patents

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TWI476620B TW098107072A TW98107072A TWI476620B TW I476620 B TWI476620 B TW I476620B TW 098107072 A TW098107072 A TW 098107072A TW 98107072 A TW98107072 A TW 98107072A TW I476620 B TWI476620 B TW I476620B
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集水區土壤沖蝕量估算方法及系統
本發明係與集水區沖蝕量估算方法及系統有關，更詳而言之係指一種利用遙測或地理資訊系統進行分析以取得參數，再將參數輸入計算模組以取得該集水區土壤沖蝕量之估算方法及系統。
按，由於台灣地處於相當不穩定之地質環境中，而台灣中、高海拔的坡地，不僅地形陡峭、地質脆弱且雨量充沛，加上人為之開發，如伐木、墾殖、開闢道路…等因素，使得近年來發生土石流之災害頻傳，導致無數生命及財產損失。
有鑑於此，除災害後之補救外，針對土石坡地、集水區土壤之狀態的預警機制建立，則更顯重要，而預警機制中之一環便為土壤沖蝕量之估算。土壤沖蝕量之估算目前仍以人力親自就現場環境之堪查、記錄為主，不僅耗時、耗力、不夠精確外，更無法立即而有效地對土壤沖蝕量作估算，導致預警機制無法有效地立即呈現，因此如何更為簡易、有效率對土壤沖蝕量作估算，便為現今急需解決之課題。
有鑑於此，本發明主要乃在提供一種集水區土壤沖蝕量估算系統，係能估算集水區之土壤沖蝕量。
本發明另外提供一種集水區土壤沖蝕量估算方法，以達簡便、迅速地估算出集水區之土壤沖蝕量。
緣此，本發明提供一種集水區土壤沖蝕量估算系統，實際應用於一電腦平台上，且該電腦平台至少配備有一輸出裝置及一輸入裝置，用以供操作者透過該輸入裝置操作該系統，以進行集水區土壤沖蝕量之估算，並可於估算後由輸出裝置加以顯示；該集水區土壤沖蝕量估算系統包含有：一操作者介面，係藕合至該電腦平台的輸出裝置及輸入裝置，以由輸出裝置提供視窗化之操作介面，讓使用者由輸入裝置加以操作；一計算模組，內建有至少一計算公式，且該計算公式中訂一可供輸入數值之參數設定群，以由將該參數設定群之數值輸入至計算公式內，而能加以計算出所選定集水區之土壤沖蝕量；一參數資料庫，內建有對應該計算公式中參數設定群之數值，以供操作者選擇輸入至計算模組之計算公式中；依據本發明之一種集水區土壤沖蝕量估算系統，其中，該計算模組之計算公式可為通用土壤流失公式(Universal Soil Loss Equation,USLE)，其公式為：
A=K m ×R m ×L×S×C×P
上述式中A為每公頃之年平均土壤流失量(ton/ha-year)；參數設定群為Km 、Rm 、L、S、C及P；Km 為土壤沖蝕性指數(ton-ha-hr-year/MJ-mm-ha-year)、Rm 為年平均降雨沖蝕指數(MJ-mm/ha-hr-year)、L為坡長因子、S為坡度因子、C為作物管理因子、P為水土保持處理因子；依據本發明之一種集水區土壤沖蝕量估算系統，其中該計算模組之計算公式亦可為土壤沖蝕指標模式(指標法，Soil Erosion Index Model,SEIM)，其公式為：
AI=KI+RI+TI+CI
SE =6×10-7 AI 5.12 ，
SE =0.233AI 1.83 ，AI >50
上述式中AI為土壤總指標值、SE為土壤沖蝕量；參數設定群為KI、RI、TI及CI；其中KI為土壤指標、RI為降雨指標、TI為地形指標、CI為覆蓋指標；依據本發明之一種集水區土壤沖蝕量估算系統，其中該參數資料庫中參數設定群之數值，係可藉由遙感探測(Remote Sensing)技術與地理資訊系統(Geographic Information Systems,GIS)取得而建立。
本發明提供一種集水區土壤沖蝕量估算方法，係於一電腦平台上操作一系統，以由該系統進行集水區土壤沖蝕量之估算，該方法包含有下列步驟：於該系統中建立至少一計算公式，並令該計算公式中具一可供輸入數值之參數設定群；於該系統中建立一參數資料庫，該參數資料庫內建立對應該計算公式中參數設定群之數值，以供操作者選擇輸入至計算公式中，而能加以計算出所選定集水區之土壤沖蝕量；依據本發明之一種集水區土壤沖蝕量估算方法，其中該計算公式可為通用土壤流失公式(Universal Soil Loss Equation,USLE)，其公式為：
A =K m ×R m ×L×S×C×P
上述式中A為每公頃之年平均土壤流失量(ton/ha-year)，參數設定群為Km 、Rm 、L、S、C及P；其中Km 為土壤沖蝕性指數(ton-ha-hr-year/MJ-mm-ha-year)、Rm 為年平均降雨沖蝕指數(MJ-mm/ha-hr-year)、L為坡長因子、S為坡度因子、C為作物管理因子、P為水土保持處理因子；
依據本發明之一種集水區土壤沖蝕量估算方法，其中該計算公式亦可為土壤沖蝕指標模式(指標法，Soil Erosion Index Model,SEIM)，其公式為：
AI=KI+RI+TI+CI
SE =6×10-7 AI 5.12 ，
SE =0.233AI 1.83 ，AI >50
上述式中AI為土壤總指標值、SE為土壤沖蝕量；參數設定群為KI、RI、TI及CI；其中KI為土壤指標、RI為降雨指標、TI為地形指標、CI為覆蓋指標；依據本發明之一種集水區土壤沖蝕量估算方法，其中該參數資料庫中參數設定群之數值，係可藉由遙感探測(Remote Sensing)與地理資訊系統(Geographic Information Systems,GIS)取得而建立。
為使貴　審查委員能對本發明之特徵與特點有更進一步之了解與認同，茲列舉以下較佳實施例說明如下：請配合參閱第1圖，係本發明所提供一種集水區土壤沖蝕量估算系統100：該集水區土壤沖蝕量估算系統100，實際應用於一可連結至區域網路、網際網路或內建有資料庫(儲存裝置，如硬碟…等)之電腦平台1，如桌上型電腦、筆記型電腦、個人數位助理裝置(Personal Digital Assistant，PDA)、網路工作站…等，且該電腦平台1至少配備有一輸出裝置2(如螢幕)及一輸入裝置3(例如鍵盤、滑鼠、手寫觸控板)，用以供操作者透過電腦平台1進行集水區土壤沖蝕量估算，並可於估算後，由輸出裝置2加以顯示或由與電腦平台1連接之出圖設備4進行出圖展示。
本發明集水區土壤沖蝕量估算系統100的基本架構包含有一操作者介面10、一計算模組20、一參數資料庫30及一出圖模組40。
該操作者介面10，係藕合至該電腦平台1的輸出裝置2及輸入裝置3，以由輸出裝置2提供視窗化之操作介面，讓使用者由輸入裝置3加以操作本系統100。
該計算模組20，預存有至少一計算公式，且令該計算公式中預先訂出一可由輸入而變更之參數設定群；該計算公式可為通用土壤流失公式(Universal Soil Loss Equation,USLE)或土壤沖蝕指標模式(指標法，Soil Erosion Index Model,SEIM)二者中之其中一種。
當該計算公式採用通用土壤流失公式(Universal Soil Loss Equation,USLE)時，其公式為：
A =K m ×R m ×L×S×C×P
上述式中A為每公頃之年平均土壤流失量(ton/ha-year)；而此計算公式中之參數設定群則為Km 、Rm 、L、S、C及P。
Km ：土壤沖蝕性指數(ton-ha-hr-year/MJ-mm-ha-year)；Rm ：年平均降雨沖蝕指數(MJ-mm/ha-hr-year)；L：坡長因子；S：為坡度因子；C：為作物管理因子；P：為水土保持處理因子。
其中：Km (土壤沖蝕性指數)：為由萬鑫森、黃俊義(於1989年)依據Wischmeier and Smith的線解圖推算出台灣280處土壤沖蝕性指數Km 值、謝兆申、王明果(於1991年)針對台灣地區土壤綜合調查分類出81種土類，並計算出各土類之Km 值，繪製台灣地區土壤分類圖。利用其土壤分類圖，數化為全台灣地區之Km 圖層。
Rm (降雨沖蝕性指數)：利用基隆、花蓮、台東、新竹、台中、嘉義及高雄等雨量站之歷年降雨資料，研究台灣地區年總降雨量與年降雨沖蝕指數之關係，並建立適用於台灣地區之年總降雨量與年降雨沖蝕指數之迴歸關係式(盧昭堯等，2005)。
L(坡長因子)：係以標準試區坡長為22.13公尺，故在GIS圖層上採用類似標準試區之網格大小20公尺來計算。
S(坡長與坡度因子)：由於台灣地區多屬陡坡地，若在國內應用Wischmeier and Smith(1978)所訂定之坡度因子，陡坡計算有高估現象，因此改採取McCool et al.(1987)所建議較適用於陡坡地形之坡度因子(S)來計算，其公式如下所示：
S=10.8sinθ+0.03,θ＜9%
S=(sinθ/0.0896)0.6 ,θ≧9%
C(作物管理因子)：林文賜(2002)利用NDVI值(值域-1~1)反向配置求取作物管理因子(C)值，惟NDVI小於0時，表示地表為非植生情況，而非植生情況下之土地利用，則包含裸露地、水體以及建屋用地等。NDVI大於0時，NDVI值能反映地表植生覆蓋之情況，覆蓋率程度高代表植生覆蓋良好，植物生長情況旺盛。
NDVI＜0,建地等非裸露地,C=0.01
裸露地,C=1.0
NDVI：常態化差異植生指標(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)。
P(水土保持處理因子)：吳嘉俊(1994)彙整分析台灣歷年來有關水土保持處理控制土壤流失效益的研究成果，訂定適合於台灣地區的水土保持處理因子(P)之初值。為讓決定P值時能有更多的參考依據，蒐集台灣地區1995～2005年相關的田間試驗資料，整理歸納不同水土保持處理之抑制土砂成效(陳樹群等，2007)，並結合吳嘉俊(1994)所分析之台灣水土保持處理因子之初值，來完成台灣地區現階段之水土保持處理因子之P值。
當該計算公式採用土壤沖蝕指標模式(指標法，Soil Erosion Index Model,SEIM)時，其公式為：
AI=KI+RI+TI+CI
SE =6×10-7 AI 5.12 ,
SE =0.233AI 1.83 ,AI >50
上述式中AI為土壤總指標值；SE為土壤沖蝕量。
而此計算公式中之參數設定群則為KI、RI、TI及CI。KI：土壤指標；RI：降雨指標；TI：地形指標；CI：覆蓋指標。
其中：KI(土壤指標)：土壤指標值代表土壤抵抗降雨或地表逕流侵蝕之能力，土壤指標(KI )值越大，則土壤抗沖蝕性效果越差。利用謝兆申、王明果(1991)針對台灣地區土壤綜合調查分類之81種土類所計算之K m 值，代入下式求得KI 值。
KI=Int (200×K m )
RI(降雨指標)：降雨指標係由可直接反映土壤沖蝕量之年總降雨量(P)，再乘上一個間接反映土壤沖蝕量之因子，該因子代表降雨量分散型態，以12個逐月累積雨量之標準偏差值(S p )表示之。
TI(地形指標)：地形指標值係以平均坡度為因子，代入下式求得。利用地形指標關係整理出常用坡度之地形指標對照，如表1所示。
TI=Int( 10×S)+ 1
CI(覆蓋指標)：地表覆蓋分為植生覆蓋及非植生敷蓋二種地表覆蓋型態。植生情況之地表覆蓋型態以覆蓋率程度反映出地表覆蓋指標值(CI)，覆蓋率程度高表植生覆蓋良好，植物生長情況旺盛，而NDVI值能反映植生地表植生覆蓋之情況，並且利用NDVI快速分類地表土地利用類型來估算土壤沖蝕結果。
該參數資料庫，內建有對應該計算模組之計算公式中所需之參數，即當該計算公式為通用土壤流失公式(Universal Soil Loss Equation,USLE)時，該參數為Km 、Rm 、L、S、C及P值，而當該計算公式為土壤沖蝕指標模式(指標法，Soil Erosion Index Model,SEIM)時，該參數為KI、RI、TI及CI值。
該參數資料庫30中之參數係可藉由遙感探測(Remote Sensing)技術或由地理資訊系統(Geographic Information Systems,GIS)技術所取得。
其中，該遙感探測技術係藉由航空器、衛星…等機動性載具，以無須接觸之方式，利用感測器記錄與檢測地表資料之技術，其範圍包括地表資料蒐集、影像前期處理、影像展示及遙測資訊之應用等。以衛星影像配合多譜掃描，判釋各種土地利用及裸露地，再進一步以常態化差異植生指標(Normalized Difference Vegetation Index,BDVI)評估地表植生覆蓋情形。
而地理資訊系統，係一套能整合各項相關地理資料的資訊化作業系統，可有效地進行空間資訊的擷取、儲存、管理、分析及展示…等，更可依特殊用途與其它資料連結，如防災科技、遙測、資料庫管理系統等技術，以改善各項空間事物與提升環境資源之使用效率與效果。近年來，地理資訊系統蓬勃發展，用來處理集水區複雜且龐大之地文、水文資料、劃分格區並演算格區之各屬性資料之方法，不但大幅提升模擬之精度，更節省大量人力與時間。
是以，上述即為本發明集水區土壤沖蝕量估算系統100之介紹，接著再將操作方式介紹如下：
首先，本系統計算模組20中之計算公式可採用通用土壤流失公式(Universal Soil Loss Equation,USLE)或土壤沖蝕指標模式(指標法，Soil Erosion Index Model,SEIM)二者中之一種，當然亦可二者同時並存，以下便以同時具有土壤流失公式(Universal Soil Loss Equation,USLE)及土壤沖蝕指標模式(指標法，Soil Erosion Index Model,SEIM)二種計算公式為例說明：首先由操作者進入操作者介面10，再藉由輸入裝置3供操作者選擇計算模組20中之何種計算公式，即可擇一選擇通用土壤流失公式(Universal Soil Loss Equation,USLE)或土壤沖蝕指標模式(指標法，Soil Erosion Index Model,SEIM)，當操作者選用土壤沖蝕指標模式(指標法，Soil Erosion Index Model,SEIM)時，則先行選定欲計算土壤沖蝕量之集水區，此時該計算公式之參數設定群KI、RI、TI及CI值，便可直接由參數資料庫30所匯入，以進行自動計算，而能輕易、快速地計算出該集水區之土壤沖蝕量(SE)，當然該等參數設定群KI、RI、TI及CI值，亦能經由手動調整之方式加以計算得出，其手動調整方式如下：
KI：
(a)輸入Km所需資料『坋粒%、黏粒%、有機質含量%(a)、土壤平均粒徑(mm)、土壤滲透速率(mm/hr)、各點座標位置(TM2_97)』，再由內建公式計算出KI。其內建公式為：
M=(坋粒%+粘粒%)×(100%-粘粒%)
KI=Int (200×K m )
(b)或利用「反距加權法」計算出該集水區之KI值。
RI:
(a)藉由輸入集水區邊界內及周圍雨量站對12個月之當月累積雨量資料得出(b)利用內建公式計算，其內建公式為：
其中R=年總降雨量(mm)，Sp=12個月降雨偏差(mm)。
(c)利用「反距加權法」計算得出該集水區之RI值。
TI:
(a)匯入該集水區之坡度檔。
(b)假設全區之平均坡度，直接輸入，其TI之計算公式如下：
CI:
(a)輸入該集水區平均植生覆蓋率(Cm 值)。
(b)利用內建公式計算出該集水區之平均CI值，其內建公式如下：
NDVI=(IR-R)/(IR+R)
其中，IR 為近紅外光；R 為紅光。
是以，無論係利用直接由參數資料庫30中匯入參數設定群之數值，或由上述之方式經由手動調整而輸入參數設定群之數值，皆能完成該集水區土壤沖蝕量之估算，且得出三種結果，為沖蝕土方量(m3 )、平均沖蝕量(ton/ha-yr)及地平均沖蝕深度(cm)。
當然，除將結果由輸出裝置2顯示外，亦可由該出圖模組40將資料連結至該出圖設備4加以出圖。
另外，當操作者進入操作者介面10後，如選用通用土壤流失公式(Universal Soil Loss Equation,USLE)之計算公式時，則同樣先行選定欲計算土壤沖蝕量之集水區，此時該計算公式之參數設定群Km 、Rm 、L、S、C及P值，便可直接由參數資料庫30所匯入，以進行自動計算而能輕易、快速地計算出該集水區之土壤沖蝕量(A)，當然該等參數設定群Km 、Rm 、L、S、C及P值，亦能經由手動調整之方式加以計算得出，其手動調整方式如下：
Km ：
(a)輸入Km 所需資料『坋粒%、黏粒%、有機質含量%(a)、土壤平均粒徑(mm)、土壤滲透速率(mm/hr)、各點座標位置(TM2_97)』，再由內建公式計算出K m 。其內建公式如下：
M =(坋粒%+粘粒%)×(100%-粘粒%)
(b)利用所建KI藉由『反距加權法』計算出Km值。
Rm ：
(a)輸入內建雨量站之各雨量站年總降雨量資料。
(b)由內建公式計算出Rm 值，其內建公式如下：
(R m 單位：MJ‧mm/ha‧hr‧year)
(c)由「反距加權法」計算出Rm 值。
L、S：
(a)匯入該集水區之坡度檔。
(b)假設全區之平均坡度，直接輸入。
C：
(a)輸入平均C值。
(b)經由內建公式計算出C值，其內建公式如下：
裸露地，C=1
P：
由參考表選擇輸入，由於參考表會有變動，因此不在此呈現。
是以，無論係利用直接由參數資料庫30中匯入參數設定群之數值，或由上述之方式經由手動調整而輸入參數設定群之數值，皆能完成該集水區土壤沖蝕量之估算，且得出三種結果，為沖蝕土方量(m3 )、平均沖蝕量(ton/ha-yr)及地平均沖蝕深度(cm)。
當然，除將結果由輸出裝置2顯示外，亦可由該出圖模組40將資料連結至該出圖設備4加以出圖展示。
利用上述之系統能藉由遙測與地理資訊系統分析之技術進行參數資料之萃取，以達數據建立之快速及精確性，並以電腦視窗化之介面操作，以使土壤沖蝕量之估算達到更為簡便、迅速。
以上所揭，僅為本發明的較佳實施方式而已，不能以此來限定本發明實施例的範圍，本技術領域內的一般技術人員根據本發明所作的均等變化，以及本領域內技術人員熟知的改變，都應仍屬本發明專利涵蓋的範圍。
100．．．集水區土壤沖蝕量估算系統
1．．．電腦平台
2．．．輸出裝置
3．．．輸入裝置
4．．．出圖設備
10．．．操作者介面
20．．．計算模組
30．．．參數資料庫
40．．．出圖模組
第1圖係本發明一較佳實施例之系統架構示意圖。
100．．．集水區土壤沖蝕量估算系統
1．．．電腦平台
2．．．輸出裝置
3．．．輸入裝置
4．．．出圖設備
10．．．操作者介面
20．．．計算模組
30．．．參數資料庫
40．．．出圖模組

Claims (12)

  1. 一種集水區土壤沖蝕量估算系統，實際應用於一電腦平台上，且該電腦平台至少配備有一輸出裝置及一輸入裝置，用以供操作者透過該輸入裝置操作該系統，以進行集水區土壤沖蝕量之估算，並可於估算後由輸出裝置加以顯示；該集水區土壤沖蝕量估算系統包含有：一操作者介面，係藕合至該電腦平台的輸出裝置及輸入裝置，以由輸出裝置提供視窗化之操作介面，讓使用者由輸入裝置加以操作；一計算模組，內建有至少一計算公式，且該計算公式中訂一可供輸入數值之參數設定群，以由將該參數設定群之數值輸入至計算公式內，而能加以計算出所選定集水區之土壤沖蝕量；一參數資料庫，內建有對應該計算公式中參數設定群之數值，以供操作者選擇輸入至計算模組之計算公式中；其中該計算模組之計算公式為土壤沖蝕指標模式(指標法，Soil Erosion Index Model,SEIM)，其公式為：AI=KI+RI+TI+CI SE =6×10-7 AI 5.12 ， SE =0.233AI 1.83 ，AI >50上述式中AI為土壤總指標值；SE為土壤沖蝕量；此計算公式中之參數設定群為KI、RI、TI及CI； KI：土壤指標；RI：降雨指標；TI：地形指標；CI：覆蓋指標。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述集水區土壤沖蝕量估算系統，其中該參數資料庫中參數設定群之數值，係可藉由遙感探測(Remote Sensing)技術取得而建立。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述集水區土壤沖蝕量估算系統，其中該遙感探測技術係藉由航空器或衛星，以無須接觸之方式，利用感測器記錄與檢測地表資料之技術，其範圍包括地表資料蒐集、影像前期處理、影像展示及遙測資訊之應用等，以衛星影像配合多譜掃描，判釋各種土地利用及裸露地，再進一步以常態化差異植生指標(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)評估地表植生覆蓋情形。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述集水區土壤沖蝕量估算系統，其中該參數資料庫中參數設定群之數值，係可藉由地理資訊系統(Geographic Information Systems,GIS)取得而建立。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述集水區土壤沖蝕量估算系統，其中該地理資訊系統，係一套能整合各項相關地理資料的資訊化作業系統，可有效地進行空間資訊的擷 取、儲存、管理、分析及展示，更可依特殊用途與其它資料連結，如防災科技、遙測、資料庫管理系統等技術，用來處理集水區複雜且龐大之地文、水文資料、劃分格區並演算格區之各屬性資料。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述集水區土壤沖蝕量估算系統，更包含有一出圖模組，係可將由計算模組所計算出之土壤沖蝕量加以由電腦平台之一出圖設備加以出圖。
  7. 一種集水區土壤沖蝕量估算方法，係於一電腦平台上操作一系統，以由該系統進行集水區土壤沖蝕量之估算，該方法包含有下列步驟：於該系統中建立至少一計算公式，並令該計算公式中具一可供輸入數值之參數設定群；於該系統中建立一參數資料庫，該參數資料庫內建立對應該計算公式中參數設定群之數值，以供操作者選擇輸入至計算公式中，而能加以計算出所選定集水區之土壤沖蝕量；其中該計算公式為土壤沖蝕指標模式(指標法，Soil Erosion Index Model,SEIM)，其公式為：AI=KI+RI+TI+CI SE =6×10-7 AI 5.12 ， SE =0.233AI 1.83 ，AI >50上述式中AI為土壤總指標值； SE為土壤沖蝕量；此計算公式中之參數設定群為KI、RI、TI及CI；KI：土壤指標；RI：降雨指標；TI：地形指標；CI：覆蓋指標。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述集水區土壤沖蝕量估算方法，其中該參數資料庫中參數設定群之數值，係可藉由遙感探測(Remote Sensing)技術取得而建立。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述集水區土壤沖蝕量估算方法，其中該遙感探測技術係藉由航空器或衛星，以無須接觸之方式，利用感測器記錄與檢測地表資料之技術，其範圍包括地表資料蒐集、影像前期處理、影像展示及遙測資訊之應用等，以衛星影像配合多譜掃描，判釋各種土地利用及裸露地，再進一步以常態化差異植生指標(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)評估地表植生覆蓋情形。
  10. 依據申請專利範圍第7項所述集水區土壤沖蝕量估算方法，其中該參數資料庫中參數設定群之數值，係可藉由地理資訊系統(Geographic Information Systems,GIS)取得而建立。
  11. 依據申請專利範圍第10項所述集水區土壤沖 蝕量估算方法，其中該地理資訊系統，係一套能整合各項相關地理資料的資訊化作業系統，可有效地進行空間資訊的擷取、儲存、管理、分析及展示，更可依特殊用途與其它資料連結，如防災科技、遙測、資料庫管理系統等技術，用來處理集水區複雜且龐大之地文、水文資料、劃分格區並演算格區之各屬性資料。
  12. 依據申請專利範圍第7項所述集水區土壤沖蝕量估算方法，其中於該系統中建立一操作者介面，係藕合至該電腦平台之一輸出裝置及一輸入裝置上，以由輸出裝置提供視窗化之操作介面，讓使用者由輸入裝置加以操作。
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