[发明专利]一种基于栅格DEM的山丘区土壤厚度预测的方法

说明书

技术领域

本发明属于水文模型技术领域，具体涉及一种基于栅格DEM的山丘区土壤厚度预测的方法。

背景技术

由于土壤厚度在水文模型研究与应用中的重要地位，低成本高精度地获得土壤厚度制图显得非常重要，为了研究和应用的需要，各种各样的土壤厚度预测模型得到发展。大体而言，模型可以分为两大类，即随机模型和有物理基础的模型。

新兴发展起来的地理信息系统地形分析技术和广泛可获得的数字高程模型对随机模型起了辅助促进的作用。由于这些模型具有结构简单，参数较少的特点，多被用来建立地形因素和土壤属性(如土壤厚度)之间的定量联系。然而，所有的这些随机模型的应用都需遵从一个基本的假设，就是采样地的土壤厚度和地形因素之间的经验关系可以被拓展去推测其他地区的土壤厚度属性，即采样地与目标预测区具有相似性。为了使得模型满足这一假定，就需要大量且广泛的田间采样数据用于参数的校验，这无形中增加了模型的应用成本。正是因为统计模型的经验性，它使得这类模型仅适用于建模区，这已严重的限制了模型预测其他无资料或者少资料流域土壤厚度的能力。

相对而言，有物理基础的模型(如地貌演化模型)，则侧重于描述地质年代尺度上的土壤生成、输移的过程，即土壤厚度演化的过程。例如，通过假设土壤输移的速率与坡度成正比，即假定土壤运动为简单的蠕动模型，Dietrich et al.[1995]建立了基于栅格数字高程模型的预测流域尺度土壤厚度的数值模型。Roering et al.[2008]则进一步发展了Dietrich et al.[1995]的工作，他在已有的土壤厚度演化模型中引入三个线性、非线性土壤输移公式。但是，传统上这些土壤厚度演化模型通常被认为是地貌演化动力学模型的一部分，它的求解往往依赖于复杂且精确的求解技术，例如采用数值方法模拟地质时间尺度上气候和构造作用力影响下的地貌演化[Saco et al.，2006；Pelletier et al.，2011]。

Dietrich,W.E.,R.Reiss,M.-L.Hsu,and D.R.Montgomery(1995),A process-based model for colluvial soil depth and shallow landsliding using digital elevation data,Hydrol.Process.,9,383–400,doi:10.1002/hyp.3360090311.

Roering,J.J.(2008),How well can hillslope evolution models“explain”topography？,Geol.Soc.Am.Bull.,120,1248-1262,doi:10.1130/B26283.1.

Saco,P.M.,G.R.Willgoose,and G.R.Hancock(2006),Spatial organization of soil depths using a landform evolution model,J.Geophys.Res.,111,F02016,doi:10.1029/2005JF000351.

显然，在水文模拟中应用地貌演化数学模型非常专业、代价非常之大。因此，为了便于水文领域的应用，我们急需一些简单而通用的土壤厚度表达式，这些表达式一般为地形的函数。基于这一认识，许多研究往往采用解析或者降低数值求解难度的简化方法。例如，土壤生成和侵蚀的平衡态假设，Bertoldi et al.[2006]给出一个简单的土壤厚度预测的解析公式，其采用土壤蠕动模型来描述土壤的输移。Pelletier和Rasmussen[2009]则延续了Bertoldi的平衡稳定方法，其分别用三个非线性土壤输移方程来描述土壤颗粒运动。然而平衡稳定状态只在满足特定条件下的地区有效，并非广泛适用的。

Bertoldi,G.,R.Rigon,and T.M.Over(2006),Impact of watershed geomorphic characteristics on the energy and water budgets,J.Hydrometeorol.,7,389–403.