ArcGIS Pro土壤侵蚀模型USLE计算全过程
ArcGIS Pro土壤侵蚀模型USLE计算全过程
USLE（Universal Soil Loss Equation）模型是一种广泛应用于土壤侵蚀评估的模型，它通过综合考虑降雨、土壤特性、地形、植被覆盖和人类活动等因素，来预测土壤侵蚀量。在生态系统服务评估中，USLE模型可以用来计算土壤保持服务，即生态系统过程中潜在土壤侵蚀与实际土壤侵蚀之差。本文将详细介绍如何使用ArcGIS Pro软件进行USLE模型的计算过程。
土壤侵蚀模型USLE
USLE模型的基本公式为：
- USLE = R * K * L * S * P * C
其中，USLE表示土壤侵蚀量，R表示降雨侵蚀因子，K表示土壤可蚀性因子，L表示坡长因子，S表示坡度因子，P表示水土保持工程措施因子，C表示植被管理因子。
此外，还有两个相关的计算公式：
- RKLS = R * K * L * S
- SD = RKLS - USLE
其中，SD表示土壤保持量，即生态系统过程中潜在土壤侵蚀与实际土壤侵蚀之差。
一、降雨侵蚀因子R
降雨侵蚀因子R的计算需要使用ArcGIS Pro中的Spatial Analyst工具箱中的栅格计算器。具体步骤如下：
首先计算年降水量：
“pre2020_12.tif” +“pre2020_11.tif”+ “pre2020_10_.tif”+ “pre2020_8_.tif”+ “pre2020_9.tif”+ “pre2020_7.tif”+ “pre2020_6.tif”+ “pre2020_5.tif”+ “pre2020_4.tif”+ “pre2020_3.tif”+ “pre2020_2.tif”+ “pre2020_1.tif”然后计算降雨侵蚀因子R：
1.735 * Power(10,(1.51* Log10((Power(“pre2020_1.tif”,2))/ “PRE_2020”)-0.8188))+ 1.735 * Power(10,(1.51* Log10((Power(“pre2020_2.tif”,2))/ “PRE_2020”)-0.8188))+ 1.735 * Power(10,(1.51* Log10((Power(“pre2020_3.tif”,2))/ “PRE_2020”)-0.8188))+ 1.735 * Power(10,(1.51* Log10((Power(“pre2020_4.tif”,2))/ “PRE_2020”)-0.8188))+ 1.735 * Power(10,(1.51* Log10((Power(“pre2020_5.tif”,2))/ “PRE_2020”)-0.8188))+ 1.735 * Power(10,(1.51* Log10((Power(“pre2020_6.tif”,2))/ “PRE_2020”)-0.8188))+ 1.735 * Power(10,(1.51* Log10((Power(“pre2020_7.tif”,2))/ “PRE_2020”)-0.8188))+ 1.735 * Power(10,(1.51* Log10((Power(“pre2020_8.tif”,2))/ “PRE_2020”)-0.8188))+ 1.735 * Power(10,(1.51* Log10((Power(“pre2020_9.tif”,2))/ “PRE_2020”)-0.8188))+ 1.735 * Power(10,(1.51* Log10((Power(“pre2020_10.tif”,2))/ “PRE_2020”)-0.8188))+ 1.735 * Power(10,(1.51* Log10((Power(“pre2020_11.tif”,2))/ “PRE_2020”)-0.8188))+ 1.735 * Power(10,(1.51* Log10((Power(“pre2020_12.tif”,2))/ “PRE_2020”)-0.8188))
二、土壤可蚀性因子K
土壤可蚀性因子K的计算需要使用ArcGIS Pro中的Spatial Analyst工具箱中的栅格计算器。具体步骤如下：
首先需要准备土壤属性栅格数据，包括粉砂粘百分比含量、土壤有机碳百分比含量等。
然后使用以下公式计算土壤可蚀性因子K：
(0.2+(0.3 * Exp(-0.0256 * “HWSD_sand1” * (1-“HWSD_silt1”/100)))) * Power((“HWSD_silt1” / (“HWSD_clay1” + “HWSD_silt1”)),0.3) * (1-0.25 * “HWSD_oc1” / (“HWSD_oc1” + Exp(3.72-2.95 * “HWSD_oc1”))) * (1-0.7 * (1 - “HWSD_sand1”/100) / ( (1- “HWSD_sand1”/100) + Exp(-5.51 + 22.9 * (1- “HWSD_sand1”/100))))
三、坡度因子S
坡度因子S的计算需要使用ArcGIS Pro中的Spatial Analyst工具箱中的表面分析和栅格计算器。具体步骤如下：
首先计算坡度：
使用工具箱-Spatial Analyst工具-表面分析-坡度
然后计算坡度因子S：
由于坡度栅格数据默认为角度，取值范围为0至90度，需要转换成弧度制（π/180）。使用以下条件语句计算坡度因子S：
Con(“Slope_dem_al1”< 5.14,10.8 * Sin(“Slope_dem_al1” * 3.1415926 / 180)+0.03,Con(“Slope_dem_al1”< 10.2,16.8 * Sin(“Slope_dem_al1”* 3.1415926 / 180) - 0.5,Con(“Slope_dem_al1”< 28.81,21.91* Sin(“Slope_dem_al1”* 3.1415926 / 180) - 0.96,9.5988)))
四、坡长因子L
坡长因子L的计算需要使用ArcGIS Pro中的Spatial Analyst工具箱中的水文分析、表面分析和栅格计算器。具体步骤如下：
- 首先计算山脊线：
- 使用水文分析求流向、流量栅格
- 使用填洼、流向、流量工具
- 提取流量累积栅格中等于0的值
- 平滑处理流量累积量0值栅格
- 生成等值线和山体阴影作为参考图
- 根据等值线和山体阴影，划分流量累计0值栅格的赋值方式
- 计算正地形和负地形
- 计算最终山脊线栅格
- 然后计算近似坡长λ：
- 使用欧式距离工具计算负地形下的每个栅格像元到山脊线的近似距离
- 使用行政区划数据提取研究区域
- 计算近似坡长λ
- 最后计算坡长因子L：
- 计算sinθ：Sin(“Slope_dem_al1” * 3.1415926 / 180)
- 计算β：(“L_sin_dem0”/0.0896)/ (3 * Power(“L_sin_dem0”,0.8)+0.56)
- 计算α：“L_β_dem0” /(“L_β_dem0” +1 )
- 计算L：Power(“Extract_EucDist_F0”/22.13,“L_α_dem0”)
或者使用另一种方法计算L：
- 计算λ：“FlowAcc_Flow2” * 0.00027777777777777854
- 计算L：Power(“L_λ_dem3”/22.13,“L_α_dem0”)
五、植被管理因子C
植被管理因子C的计算需要使用ArcGIS Pro中的Spatial Analyst工具箱中的栅格计算器。具体步骤如下：
首先计算EVI（Enhanced Vegetation Index）：
( “EVI_2020_12_hu.tif”+ “EVI_2020_11_hu.tif”+ “EVI_2020_10_hu.tif”“+EVI_2020_9_hu.tif”+ “EVI_2020_8_hu.tif”+“EVI_2020_7_hu.tif” +“EVI_2020_6_hu.tif”+“EVI_2020_5_hu.tif” +“EVI_2020_4_hu.tif”+ “EVI_2020_2_hu.tif”+ “EVI_2020_1_hu.tif”+ “EVI_2020_3_hu.tif”)/12然后计算植被管理因子C：
Exp(-7.291*“EVI_2020_RA1”)
六、水土保持工程措施因子P
水土保持工程措施因子P的计算需要根据土地类型进行赋值：
- 耕地：0.3
- 森林、灌木、草地、稀疏植被、湿地、裸地：1
- 城市用地、水体：0
七、土壤侵蚀量SD
土壤侵蚀量SD的计算需要使用ArcGIS Pro中的Spatial Analyst工具箱中的栅格计算器。具体步骤如下：
首先计算RKLS：
“R_2020” * “K_EPIC_HWSD0” * “L_dem0” * “S_dem3”然后计算USLE：
“R_2020” * “K_EPIC_HWSD0” * “L_dem0” * “S_dem3”* “P_2020” * “C_2020”最后计算土壤保持量SD：
“RKLS_2020” - “USLE_2020”
或者使用另一种方法计算SD：
“R_2020” * “K_EPIC_HWSD0” * “L_dem0” * “S_dem3” * (1-“P_2020” * “C_2020”)
通过以上步骤，可以使用ArcGIS Pro软件完成USLE模型的计算，从而评估研究区域的土壤侵蚀情况和土壤保持服务。