開展水土流失監(jiān)測(cè)是法律賦予水行政主管部門的法定職責(zé)，全國水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是貫徹落實(shí)《全國水土保持規(guī)劃（2015-2030 年）》的重要基礎(chǔ)工作，是全國水土保持規(guī)劃實(shí)施情況考核評(píng)估的重要內(nèi)容。
自2018 年起，北京國遙新天地信息技術(shù)股份有限公司（以下簡稱“國遙新天地”）在各級(jí)水行政主管部門的組織領(lǐng)導(dǎo)下，運(yùn)用高分辨率遙感影像開展持續(xù)有效的水土流失及其影響因子監(jiān)測(cè)。通過采用水土流失計(jì)算模型，即為技術(shù)指南中所指定的中國土壤流失方程（Chinese Soil Loss Equation, CSLE），該模型綜合考慮了降雨、土壤、植被、地形、措施等多項(xiàng)因子，針對(duì)中國地形地貌特征實(shí)現(xiàn)水土流失定量計(jì)算。
模型方程為：A=R·K·L·S·B·E·T
式中：A-土壤侵蝕模數(shù)（t·hm-2·a-1）；R-降雨侵蝕力因子（MJ·mm·hm-2·h-1·a-1）；K-土壤可蝕性因子（t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1）；L-坡長因子，無量綱；S-坡度因子，無量綱；B-植被覆蓋與生物措施因子，無量綱；E-工程措施因子，無量綱；T-耕作措施因子，無量綱。
由CSLE模型及技術(shù)指南中各個(gè)因子的計(jì)算方法可知，在現(xiàn)行的水土流失監(jiān)測(cè)工作中，R因子、K因子均相對(duì)穩(wěn)定；L、S因子采用統(tǒng)一的計(jì)算工具，通常情況下區(qū)域地形條件相對(duì)固定，年際變化幾乎為零；E因子、T因子均通過查表進(jìn)行賦值，計(jì)算過程比較簡單；只有B因子的計(jì)算比較復(fù)雜、植被覆蓋度年際之間存在波動(dòng)，不僅需要收集大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且涉及到多個(gè)計(jì)算公式及相關(guān)參數(shù)，耗時(shí)較長工作量大，容易引入人為誤差并逐步累積到后續(xù)計(jì)算當(dāng)中，影響評(píng)價(jià)結(jié)果的精度。
因此，國遙新天地針對(duì)以上存在的問題并結(jié)合實(shí)際工作需要，設(shè)計(jì)了一款界面友好、操作簡單的B因子計(jì)算工具。該工具是一款基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的桌面應(yīng)用程序，以CSLE模型為基礎(chǔ)，采用C#語言在.NET平臺(tái)上通過調(diào)用GDAL組件開發(fā)而成。為計(jì)算過程中涉及到的各個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)了獨(dú)立模塊，便于簡單直觀地進(jìn)行各步驟操作，具備數(shù)據(jù)處理、計(jì)算及自動(dòng)命名輸出結(jié)果等功能。
圖1 工具操作界面示意圖
基于收集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，按照技術(shù)指南中的規(guī)范要求，分別利用傳統(tǒng)工具（以下稱“手動(dòng)”）及自動(dòng)計(jì)算工具（以下稱“自動(dòng)”）計(jì)算B因子數(shù)據(jù)，并根據(jù)土地利用空間分布特征，在耕地、園地、林地、草地等植被分布密集的區(qū)域隨機(jī)選取數(shù)量不同的采樣點(diǎn)，將各步驟中的成果從精度及效率兩個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。
在計(jì)算B因子過程中，將手動(dòng)計(jì)算結(jié)果作為自變量、自動(dòng)計(jì)算結(jié)果作為因變量，分別對(duì)兩種計(jì)算方法獲取的修正FVC、SLR及B因子結(jié)果進(jìn)行擬合。由擬合結(jié)果可知，三個(gè)參數(shù)的擬合曲線均為線性關(guān)系，且R2均為1，整體上看各參數(shù)的擬合優(yōu)度極高（如圖2所示）。
基于24期修正FVC數(shù)據(jù)，分別在每期數(shù)據(jù)中的旱地、果園、有林地、灌木林地及其它草地中隨機(jī)選取2個(gè)采樣點(diǎn)，共計(jì)選取240個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行驗(yàn)證。由圖2A可知，擬合曲線服從線性分布，且斜率略大于1、Y軸截距極小，達(dá)到了小數(shù)點(diǎn)后5位的水平。在全部240個(gè)采樣點(diǎn)中，有219個(gè)點(diǎn)位結(jié)果是一致的，無差率達(dá)到91.25%，同一點(diǎn)位自動(dòng)計(jì)算與手動(dòng)計(jì)算結(jié)果之間的誤差范圍在1×10-3~4×10-3之間（表1）。
圖2 各參數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖
表1 各參數(shù)采樣點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表
在分別采用手動(dòng)及自動(dòng)方法對(duì)B因子進(jìn)行計(jì)算的過程中，對(duì)兩種方法在各步驟中所用時(shí)間進(jìn)行記錄并作對(duì)比，結(jié)果如圖所示。
圖3 各參數(shù)計(jì)算用時(shí)對(duì)比圖
表2 各參數(shù)計(jì)算用時(shí)統(tǒng)計(jì)表
從各參數(shù)的計(jì)算用時(shí)來看，自動(dòng)計(jì)算用時(shí)集中在30~40sec之間，整個(gè)B因子計(jì)算過程用時(shí)不到2mins，相對(duì)于手動(dòng)計(jì)算，各步驟之間效率提升30~142.5倍，整體計(jì)算效率提升超過77倍（如表2所示），由此可見自動(dòng)計(jì)算與手動(dòng)計(jì)算之間的用時(shí)差距比較懸殊。
這主要是兩種計(jì)算方法實(shí)施過程的差異造成的，手動(dòng)計(jì)算主要通過傳統(tǒng)工具中的柵格計(jì)算器實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算過程需要選取、手動(dòng)鍵入及修改相關(guān)的圖層名稱、判斷條件、運(yùn)算函數(shù)及相關(guān)參數(shù)，并需要人為定義輸出結(jié)果的存儲(chǔ)位置及命名，數(shù)據(jù)的加載、選取及處理比較耗時(shí)；自動(dòng)計(jì)算則只需要定義輸入及輸出文件的存儲(chǔ)路徑，計(jì)算過程無需人為干涉。
以SLR計(jì)算過程為例，手動(dòng)計(jì)算需要在柵格計(jì)算器中鍵入計(jì)算代碼，代碼中需要針對(duì)不同的土地利用類型來判斷適用的函數(shù)，還需要根據(jù)24期數(shù)據(jù)中不同地類修正FVC及林下蓋度值，并對(duì)各期數(shù)據(jù)代碼進(jìn)行逐條修改。而自動(dòng)計(jì)算工具只需要定義各項(xiàng)數(shù)據(jù)及參數(shù)的存儲(chǔ)路徑，無需人為調(diào)整，還可以進(jìn)行批量計(jì)算，因此效率提升效果最為明顯。
