基于“RWEQ+”集成技术在土壤风蚀模拟与风蚀模数估算、变化归因分析中的应用

土壤风蚀是一个全球性的环境问题。中国是世界上受土壤风蚀危害最严重的国家之一，土壤风蚀是中国干旱、半干旱及部分湿润地区土地荒漠化的首要过程。中国风蚀荒漠化面积达160.74×104km2，占国土总面积的16.7%，严重影响这些地区的资源开发和社会经济持续稳定发展。自20世纪80年代以来，土壤风蚀作为沙漠化的首要环节而得到前所未有的重视，相继开展了大量的实验研究工作，揭示了各种因素对风蚀过程的影响，尤其是人为因素对风蚀的加剧作用，并提出了不同地区的风蚀防治措施。中国西部山区生态脆弱，水土流失现象较为严重，威胁着国家的生态安全，当地风蚀模数的估算工作对维护其生态环境可持续发展具有一定意义。

土壤侵蚀模型的构建能够更好地探寻侵蚀的原因，以便对土壤侵蚀进行一系列预测工作，减轻其对生态环境的影响。由于侵蚀过程较为复杂，因此建模需要充分考虑各项因素，例如气象、水文、地质环境、土壤条件等。修正的土壤风蚀方程（revised wind erosion equation，RWEQ）被广泛应用于土壤风蚀预报。该模型由美国农业部（USDA）农业研究服务（Agricultural Research Service）组织开发，它是一个基于过程模拟的经验性模型。RWEQ模型能够成功模拟田间管理措施、不同作物轮作对风蚀量的影响。

RWEQ模型的运行及相关的归因分析。从原理、数据、方法、归因分析方面对土壤风蚀情况进行实战。原理篇，介绍土壤侵蚀和土壤风蚀的基本原理和主要模型，并结合国内外最新的科研成果分析讲解；数据篇：介绍气象、植被、土壤等数据的获取方式；讲解各种数据的特点和适用性；方法篇：介绍RWEQ模型中各个参量提取的方法和要点；采用Python与ArcGIS有效结合的运行环境，充分利用Python高效地数据处理能力、ArcGIS强大的空间分析及可视化能力，通过代码解析和工具实操演练，讲解多元化的模型参量提取方法；分析篇：分析土壤风蚀分布特征及其影响因素；讲解通经分析、地理探测器等归因分析方法的原理，在R、SPSS等环境中实现对土壤风蚀的归因分析及可视化。

通过RWEQ模型运行的全流程实战演练，深入理解风蚀模型的原理和驱动因子；掌握多源异构数据的处理、模型参量提取、归因分析等风蚀模数估算中的技术；在具体实践案例中，学会运用上述原理和技术方法，提升风蚀模型的应用能力水平。

点击查看原文

第一章、理论基础

1、土壤侵蚀的基本原理

土壤侵蚀:在水力、风力、冻融、重力等外营力作用下，土壤、土壤母质被破坏、剥蚀、转运和沉积的全部过程。

土壤侵蚀的分类：水力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和风力侵蚀等。

土壤侵蚀的危害及原因：中国山地丘陵面积广，地形起伏大，地面组成物质疏松深厚，降雨强度大，垦殖历史久，植被覆盖率低等，都是引起土壤侵蚀的重要因素。多种因素的不同组合，决定着土壤侵蚀的类型、程度、区域分布以及潜在危险的大小等。

2、土壤风蚀模型

土壤风蚀发生的机理

土壤风蚀的影响因子：1）风速；2）地表土壤物理特性；3）地表覆盖及粗糙度状况.

土壤风蚀评估模型：

风蚀方程模型（Wind Erosion Equation, WEQ）

风蚀方程模型（WEQ）由Woodruff和Siddoway在1965年提出，旨在分析田间地表情况和田间管理措施对侵蚀速率的影响,进而有效防治农田的风力侵蚀。WEQ用于预报美国的农田的年风蚀量(kg/ha-1)。

WEQ 是第一个用于估算田间年风蚀量的模型，其中包含5组11个变量：气候因子、土壤可蚀性、土壤表面粗糙度、田块长度、以及作物残留物。其中土壤可蚀性与气候因子是最重要的因变量。

WEQ可用下式表示：

E=f(I,K,C,L,V)

其中，E为年风蚀量( t / acre， 1 acre= 4046 .86m2) ; f为函数关系;Ⅰ为土壤可蚀性( t / acre) ; K为土壤糙度因子; C为气候因子; L为田块裸露长度( ft, 1 ft =30 .48 cm); V为植被因子。

修正风蚀方程模型（Revised Wind Erosion Equation, RWEQ)

修正的风蚀方程 (revised wind erosion equation, RWEQ)是一种以较高时空分辨率对区域土壤风蚀状况进行长时间序列估算, 从而有效预测风蚀量的模型, 可以为土地沙化防治提供依据。

第二章、平台基础

1、ArcGIS软件介绍及安装、常用功能介绍

l ArcGIS版本介绍，安装；

l ArcGIS软件界面，常用功能介绍；

l ArcGIS工作空间环境设置

2、ArcGIS空间分析与制图

2.1 ArcGIS如何定义坐标系

2.2 ArcGIS空间分析

在ArcGIS软件的空间分析工具箱中，提供了大量的栅格数据处理工具，其中对栅格数据进行平滑处理的工具在去除图像上的椒盐噪音的处理中有非常重要的作用

（1）提取分析：按属性或空间位置提取、按像元值提取；

（2）地图代数：地图代数语言规则；

（3）局部分析：栅格数据叠合分析、像元统计、分级、频数取值；

（4）邻域分析：邻域形状、邻域统计类型、点统计；

（5）区域分析：分区几何统计、分区统计、面积制表、区域直方图；

（6）插值分析：反距离权重法、自然邻域法、趋势面法、样条函数法、克里金法；

（7）采样与重采样：渔网分析、随机点采样、重分类、查找表等；

2.3 ArcGIS版面设计

ArcGIS基础地图服务使用：配置地图服务器；在线地图添加与使用

地图、鹰眼图、范围指示器、格网、表格、图表等的制作与设计。

过去踩过的那些坑—常见错误和使用注意事项等

第三章、RWEQ模型数据支持

1. 矢量数据的获取与预处理

矢量数据的认识

矢量数据创建、转换、编辑

2. 栅格数据的获取与预处理

栅格数据的认识

栅格数据的输入、输出及转换

空间分辨率的认识

栅格数据重采样

3. 遥感云平台数据获取

遥感云平台数据简介

遥感云平台基本语法

遥感云平台数据获取

4. NetCDF数据的获取与处理

NC数据的认识与读取

ArcGIS模型构建器的组成

ArcGIS新建工具箱与自定义工具

5. 基于Python的气象数据的获取与处理

气象数据简介

Python开发环境搭建

Python代码库的安装与讲解

对文本、矢量、栅格等文件进行读写操作

Python数据清洗

文本数据与栅格数据的转换

NC数据与*.TIF数据的转换

批量数据投影定义与转换

第四章、RWEQ模型参量提取

1、气候因子WF提取

风速、气温、降雨、日照辐射以及雪盖天数等气候状况都会影响土壤风蚀模数，其共同组成了气候因子。

气候因子WF表征了在考虑降雨、温度、日照及雪盖等因素的条件下风力对土壤颗粒的搬运能力，其表达式如下：

式中，WF为气象因子（kg/m）；WE为风场强度因子（m3/ s3），由监测风速μ2（m /s）、起沙风速μ1（假定为5 m/ s）和观察周期天数 Nd 计算得到；ρ 为空气密度（kg /m3 ），由海拔高度 EL（km）和绝对温度 T（K）计算得到；g 为重力加速度（m/s2）；S为土壤湿度因子（无量纲）；R为降雨量（mm）；I为灌溉量（mm）；Rd为降雨次数和（或）灌溉天数；ETP为地表潜在相对蒸发量（mm），由太阳辐射SR（cal /cm2 ）和平均温度 DT（℃）计算得到；SD为雪覆盖因子（无量纲）；P为计算时段内积雪覆盖深度（Hsnow）大于25.4 mm的概率。

Wf因子