基本信息
- 项目名称：
- 水土流失评价可视化系统研发--以抚河流域为例
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 生态环境可持续发展是经济建设中倍受关注的一个重要的因素，本项目以区域水土流失评价为目标，GIS技术为基础，进行系统功能、数据组织及评价分析研究与系统开发，主要创新内容如下： 1、对抚河流域的地形、降雨量等影响水土流失评价的基础数据进行有效组织，实现图-属一体化管理； 2、利用AE控件，编程实现了基础数据的统计分析、查询；地形坡度、坡向分析；降雨量的等值线绘制及各种分析处理结果的可视化表达； 3、系统采用水土流失USLE模型，实现了对各因子单独进行分析和多因子综合分析，并对分析结果进行可视化表达； 4、此系统具有很好的移植性，对其它各个省市只要收集到以上几种数据即可使用，不须要修改任何代码。 系统提供了一个较为完整的水土流失评价平台，利用平台可进行评价分析和评价结果的直观表达，为环境保护决策提供依据。
- 详细介绍：
- 一、研究背景和意义 土壤侵蚀是个世界性的环境问题，我国有土壤侵蚀面积367万平方公里，占全国总土地面积38.2%，其中水力侵蚀面积为179万平方公里，风力侵蚀面积为188万平方公里。土壤侵蚀遍布全国各省、市和自治区。每年因此流失的土壤达50亿吨以上、损失的土地面积6.67万公顷以上，大量氮、磷、钾肥料和多种微量元素随之付诸东流。土壤侵蚀使生态环境恶化、土地生产力下降、耕地减少、污染水质、江河、湖泊淤塞、威胁城市和乡村防洪安全、加剧旱涝风沙等灾害。它使人类赖以生存并越来越短缺的土地资源遭受退化和损失。Lowdermike 1953年的研究表明：土地退化是导致历史上很多辉煌一时的王朝走向灭亡的一个重要原因。一位美国总统曾经说过：谁要是管理不好土地就管理不好这个国家。中国古人云：能治山者能治天下。目前，在我国土壤侵蚀已成为制约很多地区可持续发展的重要因素之一，全国每年因土壤侵蚀造成的经济损失在100亿元人民币以上。因此治理水土流失不仅是保护土地资源的需要，也是经济和社会可持续发展的基本保障。土壤侵蚀问题已得到了众多学者的广泛关注，并进行了大量研究以对其进行有效地监控和治理。但传统的土壤流失量调查方法耗时多、周期长，而且在表示单一的地理区域的特征时存在缺陷，往往不能完全确定以各种地理单元作为基本空间单元的特定小流域的侵蚀量，给水土保持规划带来不便，更无法适时定量监测水土保持效果。相对而言，基于GIS和RS的土壤侵蚀量估算方法突破了传统调查方法在多源信息的“整体分析”上存在的技术瓶颈，能快速、准确地获取土壤流失和土地退化方 面的深层信息，为土壤侵蚀量的计算提供了一条较好的途径。 二、系统设计与功能实现 1、USLE介绍 通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation即USLE)是美国人Wischmeier与Smith在对美国东部地区30个州10000多个径流小区近30年的观测资料进行系统分析于20世纪60年代提出的，是目前预测土壤侵蚀最广泛使用的方法之一。USLE属于因子分析模型，其实验分析研究主要集中在降水、植被、土壤和坡形等因子上。依据实验观测资料,利用统计相关分析,建立侵蚀量和产沙量与其主要控制因素之间的影响关系,而后根据选定因素的资料估算侵蚀量或产沙量因子的解释具有物理意义。其方程为A=R•K•LS•C•P，式中：A为单位面积年平均土壤流失量; R为降雨侵蚀力因子;K为土壤可蚀性因子;LS为坡长坡度因子；C为植被覆盖因子；P为水土保持因子。正是由于USLE模型的因子考虑全面，形式简单，所以在全世界被广泛使用。 2、系统开发平台 抚河流域水土流失评价系统选用ArcEngine为地理信息系统平台，利用地理信息系统（GIS）理论和技术，对各个气象站和水文站多年所采集的数据，以及流域土壤、水系、等高线等数据进行科学化管理。 本系统用美国ESRI公司的ArcEngine，开发语言选用Visual Basic 6.0，系统运行于Windows操作系统平台。ArcEngine是ESRI公司推出的ArcGIS 9.0系列产品中新加入的一个产品，是用于构建定制应用的一个完整的嵌入式GIS组件库，它可以为用户提供针对GIS解决方案的定制应用。 3、地理空间数据库的建立 空间数据库主要管理的是图形数据，其获取方式主要采用屏幕跟踪矢量化将栅格地图转换成矢量地图。 (1) 首先将1：100000地形图进行扫描成栅格图像，经过配准后将其作为底图，并利用手扶式跟踪，将其分成气象站、FZ等高线、抚河流域范围等8个图层在MapInfo中进行矢量化。 (2) 矢量化完成后在MapInfo中将其转换成*.e00格式，通过Arc/Info的Impor功能把*.e00格式转换成Arc/Info的图层，在Arc/Info软件中建立拓扑结构、去除悬挂弧段等修正数据，得数据无误后，将其输出，转换成MapInfo格式的图层，即可得到准确有效的地理数据。 (3) 通过ArcMap中的数据集管理器添加所有图层并合并成一个FH.mxd文件，便得到了ArcEngine所需的图形数据库。 4、系统设计的基本原理 ①实用性原则。系统应能满足抚河流域水土保持管理者的需求，真正实现管理科学化。 ②可靠性原则。数据库可靠性，数据库中的所有数据应是准确可靠的；系统运行可靠性，系统应有很强的容错能力和处理突发事件的能力，不会因某个动作或某个突发事件而导致数据丢失和系统瘫痪。 ③完备性原则。数据库中的各种数据应是全面、完整的，能够满足系统各项功能的需要；系统具有数据采集、存储、处理、查询、分析、显示、绘图、转换及输出等功能。 ④科学性和规范性原则。系统应以软件工程的思想和方法来建立，保证系统结构的科学性和合理性，同时，系统的各项功能应符合污水管理的要求，信息类型、编码、图式符号应符合现有的国家标准和行业规范。 ⑤经济性和可操作性原则。在保证各项功能完满实现的基础上，应以最好的性能价格配置系统的软、硬件；系统应有良好的用户界面，用户易学懂，操作简便、灵活。 ⑥通用性原则。系统能够在不同的范围内推广使用，不受区域的限制。 ⑧可扩展性和开放性原则。系统设计时应采用模块化结构设计，模块的独立性强，模块增加、减少或修改均对整个系统影响很小，便于对系统改进、扩充，使系统能够得到不断的完善。 三、总结与展望 本系统重在利用GIS二次开发技术实现对水土流失ULSE模型的实现，重点实现了对模型中各个因子的提取，除此之外系统还能满足基本查询功能。如对比分析、统计分析等等、该系统研究的主要意义是通过对抚河流域数据库的建立，利用GIS的叠加分析功能最后得到流失评价图。使计算机更有效准确的实现图形属性一体化管理，以提高检索速度，数据能即时更新，并在此数据库的基础上做出详细的统计分析，如对地理数据的统计分析：对年月日降雨量的对比统计分析，对流量，输沙率的对比统计，流量线，区域降水量的统计，土壤类型统计与查询功能等。很多数据通过对比图，以表格的形式输出，将分析结果以一种很直观的图表的方式提供用户，并根据此数据库管理的数据的特点，建立一种合适的数学模型，对抚河流域水土流失强度分级和水土流失区划提供依据；最后给用户提拱一种傻瓜式操作界面，通过此界面即可完成土地可视化等级图的生成。通过本课题的研究能使此系统在数据库的管理、空间分析等方面在水文工程管理与实践中得到很好的利用价值。 为了进一步提高系统的适用性，将从以下两个方面进行研究： 1、在获取数据方面，可将各个站点通过网络与系统联系起来，使数据可以及时、有效地进行动态跟踪与更新。 2、利用WebGIS技术，使有关部门通过网络就可快速、便捷的查询相关地区土地信息，并通过此系统进行水土流失评价，提供一定的决策支持。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本系统的特色和创新之处主要表现在将错综复杂的水文信息用GIS进行有效管理，给用户提供一种很直观很友好的操作界面，不需要太多GIS专业知识的背景下进行操作；另外，选择一种合适的数据模型，对抚河流域水土流失评价建模，最重要的是进行可视化开发，并能将此模型进行扩展，也可选择其它模型进行可视化。 主要是对抚河流域的地形图，水文站、气象站的数据进行了收集，可以对其进行动手设计操作，这对本系统的开发奠定了基础；本系统在水文工程管理与实践中有很好的利用价值；其研发目的是摆脱以往依靠一种特殊的软件进行空间分析、水土流失评价，操作上比较复杂，操作人员必需具备GIS专业知识才能完成的不足,实现水文与GIS有机的结合。 本系统已解决的关键问题主要表现在以下几个方面： (一) 建立数据库时平台的选择以及属性数据库结构的设计； (二)数据库建立后对系统进行编程，实现属性数据库与图形数据库的连接，属性、图形数据的修改，各种空间分析等功能。 (三)水土流失评价模型的选择以及有一定的难度可视化系统开发。 系统采用美国ESRI公司的ArcEngine，结合可视化开发语言(Visual Basic 6.0)进行开发
科学性、先进性
- 以GIS为核心的信息技术在水土流失评价中的应用，在世界范围内得到普遍的关注，并取得了丰硕的成果。然而，在我国，特别是在中小城市，一些水文资料均还是以excel表格式等方式进行存储，以人工方式进行管理，在瞬息万变的信息社会里，这种管理方式明显存在着如下缺点：检索查询速度慢、工作量大；数据更新困难、难以保持信息的现势性；难以利用现存的资料进行统计、分析；另外还存在与现况不符、缺乏数据及数据精度不高等问题。以抚河流域为例：其水土流失严重，生态环境正遭到破坏，所以一个能对抚河流域的水土流失情况进行分析决策的系统就显得异常重要，它可以对使用者提供决策作用，对抚河流域的环境改善有着积极的作用。 因此如何建立开发一种合适的水文信息系统数据库是现阶段迫切需要解决的主要问题。 目前，在水土流失方面，已有很多学者进行了相关研究，但这些研究对数据的处理、更新、检索、分析等方面在某种程度上显得不够智能，存在着一些不足。因此开发一套能对水土流失做出准确评价的智能系统就显得势在必行。
获奖情况及鉴定结果
- 2008年学校赛区科技创新基金项目二等奖 2009年获第十一届全国大学生“挑战杯”省级赛区一等奖
作品所处阶段
- 实验阶段
技术转让方式
- 产品现处于开发阶段尚未投入生产
作品可展示的形式
- 录像的形式或者系统演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本系统重在利用GIS二次开发技术实现对水土流失USLE模型的实现，重点实现了对模型中各个因子的提取，除此之外系统还能满足基本查询功能。如对比分析、统计分析等等、 该系统研究的主要意义是通过对抚河流域数据库的建立，利用GIS的叠加分析功能最后得到流失评价图。使计算机更有效准确的实现图形属性一体化管理，以提高检索速度，数据能即时更新，并在此数据库的基础上做出详细的统计分析，如对地理数据的统计分析：对年月日降雨量的对比统计分析，对流量，输沙率的对比统计，流量线，区域降水量的统计，土壤类型统计与查询功能等。很多数据通过与对比图，以表格的形式输出，将分析结果以一种很直观的图表的方式提供用户，并根据此数据库管理的数据的特点，建立一种合适的数学模型，对抚河流域水土流失强度分级和水土流失区划提供依据；最后给用户提拱一种傻瓜式操作界面，通过此界面即可完成土地可视化等级图的生成。通过本课题的研究能使此系统在数据库的管理、空间分析等方面在水文工程管理与实践中得到很好的利用价值。
同类课题研究水平概述
- 目前，地理信息系统(GIS)已经在水文学研究与水资源管理、水土流失评价等领域中得到了广泛的应用,例如在国内外广泛开展的“数字流域”建设;GIS与遥感(RS)结合在洪水灾情分析中的应用;GIS在水量调度决策支持系统中的应用;应用GIS进行水文资料整编系统设计;应用GIS进行无资料地区流域水文模拟研究,以及GIS与USLE模型、RUSLE模型结合对水土流失进行评价等等.纵观这些应用成果发现：这些成果一方面是基于某种软件的结合里面某个功能进行，有些特殊功能这些GIS软件根本满足不了；另一方面，虽然对建库有一定的研究，但数据库的修改方面还存着改进，因而应用面也相当狭窄，除此之外，基于某种GIS软件其操作也比较麻烦。而我国水文信息管理更糟糕，特别是在中小城市，一些水文资料均还是以excel表格式等方式进行存储，以人工方式进行管理，在目前瞬息万变的信息社会里，这种管理方式明显存在着如下缺点：检索查询速度慢、工作量大；数据更新困难、难以保持信息的现势性；难以利用现存的资料进行统计、分析；另外还存在与现况不符、缺乏数据及数据精度不高等问题。 近年来，国内外对区域尺度土壤侵蚀研究给予了高度的重视，其研究成果层出不穷主要表现在以下两个方面：一是对土壤侵蚀问题的研究在研究水平、方法和技术手段具有历史性和阶段性。例如:对区域土壤侵蚀的考察，我国在20世纪50-60年代通过人工调查的方法对区域环境进行认识，逐渐发展到现在的通过遥感技术和地理信息系统工具结合典型样区野外调查对区域问题可以做出快速的调查和认识，以便制定相应的解决问题的方法。二是不同的研究者及其研究对象的地理位置和环境的差异，使其具有各自的研究侧重和深度。但是，综观这些成果发现，对区域水土流失的研究还很薄弱，主要因为区域性水土流失的加剧、土壤侵蚀学科自身的发展以及水土保持宏观决策的因素的影响，除此之外，其程序可视化的系统几乎没有，这样那些非专业人士操作上有一定能难度，从而限制了对土壤侵蚀的认识,因此开发一套傻瓜式操作系统势在必行。
