土壤風蝕是一個全球性的環(huán)境問題。中國是世界上受土壤風蝕危害最嚴重的國家之一，土壤風蝕是中國干旱、半干旱及部分濕潤地區(qū)土地荒漠化的首要過程。中國風蝕荒漠化面積達160.74×104km2，占國土總面積的16.7%，嚴重影響這些地區(qū)的資源開發(fā)和社會經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。自20世紀80年代以來，土壤風蝕作為沙漠化的首要環(huán)節(jié)而得到前所未有的重視，相繼開展了大量的實驗研究工作，揭示了各種因素對風蝕過程的影響，尤其是人為因素對風蝕的加劇作用，并提出了不同地區(qū)的風蝕防治措施。中國西部山區(qū)生態(tài)脆弱，水土流失現(xiàn)象較為嚴重，威脅著國家的生態(tài)安全，當?shù)仫L蝕模數(shù)的估算工作對維護其生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有一定意義。

土壤侵蝕模型的構建能夠更好地探尋侵蝕的原因，以便對土壤侵蝕進行一系列預測工作，減輕其對生態(tài)環(huán)境的影響。由于侵蝕過程較為復雜，因此建模需要充分考慮各項因素，例如氣象、水文、地質環(huán)境、土壤條件等。修正的土壤風蝕方程（revised wind erosion equation，RWEQ）被廣泛應用于土壤風蝕預報。該模型由美國農業(yè)部（USDA）農業(yè)研究服務（Agricultural Research Service）組織開發(fā)，它是一個基于過程模擬的經(jīng)驗性模型。RWEQ模型能夠成功模擬田間管理措施、不同作物輪作對風蝕量的影響。

將結合案例講解RWEQ模型的運行及相關的歸因分析。本課程從原理、數(shù)據(jù)、方法、歸因分析方面對土壤風蝕情況進行實戰(zhàn)講解。原理篇，介紹土壤侵蝕和土壤風蝕的基本原理和主要模型，并結合國內外最新的科研成果分析講解；數(shù)據(jù)篇：介紹氣象、植被、土壤等數(shù)據(jù)的獲取方式；講解各種數(shù)據(jù)的特點和適用性；方法篇：介紹RWEQ模型中各個參量提取的方法和要點；采用Python與ArcGIS有效結合的運行環(huán)境，充分利用Python高效地數(shù)據(jù)處理能力、ArcGIS強大的空間分析及可視化能力，通過代碼解析和工具實操演練，講解多元化的模型參量提取方法；分析篇：分析土壤風蝕分布特征及其影響因素；講解通經(jīng)分析、地理探測器等歸因分析方法的原理，在R、SPSS等環(huán)境中實現(xiàn)對土壤風蝕的歸因分析及可視化。

通過本內容，您將通過RWEQ模型運行的全流程實戰(zhàn)演練，深入理解風蝕模型的原理和驅動因子；掌握多源異構數(shù)據(jù)的處理、模型參量提取、歸因分析等風蝕模數(shù)估算中的技術；在具體實踐案例中，學會運用上述原理和技術方法，提升風蝕模型的應用能力水平。

第一章：理論基礎

1、土壤侵蝕的基本原理

●土壤侵蝕:在水力、風力、凍融、重力等外營力作用下，土壤、土壤母質被破壞、剝蝕、轉運和沉積的全部過程。

● 土壤侵蝕的分類：水力侵蝕、重力侵蝕、凍融侵蝕和風力侵蝕等。

●土壤侵蝕的危害及原因：中國山地丘陵面積廣，地形起伏大，地面組成物質疏松深厚，降雨強度大，墾殖歷史久，植被覆蓋率低等，都是引起土壤侵蝕的重要因素。多種因素的不同組合，決定著土壤侵蝕的類型、程度、區(qū)域分布以及潛在危險的大小等。

2、土壤風蝕模型

●土壤風蝕發(fā)生的機理

● 土壤風蝕的影響因子：1）風速；2）地表土壤物理特性；3）地表覆蓋及粗糙度狀況.

●土壤風蝕評估模型：

●風蝕方程模型（Wind Erosion Equation, WEQ）

風蝕方程模型（WEQ）由Woodruff和Siddoway在1965年提出，旨在分析田間地表情況和田間管理措施對侵蝕速率的影響,進而有效防治農田的風力侵蝕。WEQ用于預報美國的農田的年風蝕量(kg/ha-1)。

WEQ 是第一個用于估算田間年風蝕量的模型，其中包含5組11個變量：氣候因子、土壤可蝕性、土壤表面粗糙度、田塊長度、以及作物殘留物。其中土壤可蝕性與氣候因子是最重要的因變量。

WEQ可用下式表示：

●修正風蝕方程模型（Revised Wind Erosion Equation, RWEQ)

修正的風蝕方程 (revised wind erosion equation, RWEQ)是一種以較高時空分辨率對區(qū)域土壤風蝕狀況進行長時間序列估算, 從而有效預測風蝕量的模型, 可以為土地沙化防治提供依據(jù) 。

第一章：平臺基礎

1、ArcGIS軟件介紹及安裝、常用功能介紹

● ArcGIS版本介紹，安裝；

● ArcGIS軟件界面，常用功能介紹；

● ArcGIS工作空間環(huán)境設置

2、ArcGIS空間分析與制圖

2.1 ArcGIS如何定義坐標系

2.2 ArcGIS空間分析

在ArcGIS軟件的空間分析工具箱中，提供了大量的柵格數(shù)據(jù)處理工具，其中對柵格數(shù)據(jù)進行平滑處理的工具在去除圖像上的椒鹽噪音的處理中有非常重要的作用

（1）提取分析：按屬性或空間位置提取、按像元值提取；

（2）地圖代數(shù)：地圖代數(shù)語言規(guī)則；

（3）局部分析：柵格數(shù)據(jù)疊合分析、像元統(tǒng)計、分級、頻數(shù)取值；

（4）鄰域分析：鄰域形狀、鄰域統(tǒng)計類型、點統(tǒng)計；

（5）區(qū)域分析：分區(qū)幾何統(tǒng)計、分區(qū)統(tǒng)計、面積制表、區(qū)域直方圖；

（6）插值分析：反距離權重法、自然鄰域法、趨勢面法、樣條函數(shù)法、克里金法；

（7）采樣與重采樣：漁網(wǎng)分析、隨機點采樣、重分類、查找表等；

2.3 ArcGIS版面設計

●ArcGIS基礎地圖服務使用：配置地圖服務器；在線地圖添加與使用

●地圖、鷹眼圖、范圍指示器、格網(wǎng)、表格、圖表等的制作與設計。

過去踩過的那些坑—常見錯誤和使用注意事項等

第三章：RWEQ模型數(shù)據(jù)支持

1. 矢量數(shù)據(jù)的獲取與預處理

●矢量數(shù)據(jù)的認識

●矢量數(shù)據(jù)創(chuàng)建、轉換、編輯

2. 柵格數(shù)據(jù)的獲取與預處理

● 柵格數(shù)據(jù)的認識

● 柵格數(shù)據(jù)的輸入、輸出及轉換

●空間分辨率的認識

●柵格數(shù)據(jù)重采樣

3. 遙感云平臺數(shù)據(jù)獲取

● 遙感云平臺數(shù)據(jù)簡介

● 遙感云平臺基本語法

● 遙感云平臺數(shù)據(jù)獲取

4. NetCDF數(shù)據(jù)的獲取與處理

● NC數(shù)據(jù)的認識與讀取

● ArcGIS模型構建器的組成

● ArcGIS新建工具箱與自定義工具

5. 基于Python的氣象數(shù)據(jù)的獲取與處理

● 氣象數(shù)據(jù)簡介

● Python開發(fā)環(huán)境搭建

●Python代碼庫的安裝與講解

● 對文本、矢量、柵格等文件進行讀寫操作

●?Python數(shù)據(jù)清洗

●?文本數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)的轉換

●NC數(shù)據(jù)與*.TIF數(shù)據(jù)的轉換

●批量數(shù)據(jù)投影定義與轉換

第四章：RWEQ模型參量提取

1、氣候因子WF提取

風速、氣溫、降雨、日照輻射以及雪蓋天數(shù)等氣候狀況都會影響土壤風蝕模數(shù)， 其共同組成了氣候因子。

氣候因子WF表征了在考慮降雨、溫度、日照及雪蓋等因素的條件下風力對土壤顆粒的搬運能力，其表達式如下：

式中，WF為氣象因子（kg/m）；WE為風場強度因子（m3/ s3），由監(jiān)測風速μ2（m /s）、起沙風速μ1（假定為5 m/ s）和觀察周期天數(shù)?Nd?計算得到；ρ?為空氣 密度（kg /m3?），由海拔高度?EL（km）和絕對溫度?T（K） 計算得到；g?為重力加速度（m/s2）；S為土壤濕度因子（無量綱）；R為降雨量（mm）；I為灌溉量（mm）；Rd為降雨次數(shù)和（或）灌溉天數(shù)；ETP為地表潛在相對蒸發(fā)量（mm），由太陽輻射SR（cal /cm2?）和平均溫度?DT（℃）計算得到；SD為雪覆蓋因子（無量綱）；P為計算時段內積雪覆蓋深度（Hsnow）大于25.4 mm的概率。

Wf因子

ETp因子

SW因子

WF因子

2、土壤可蝕性因子EF提取

土壤可蝕性是指土壤對侵蝕的敏感性。對于不同的機械組成和理化性質的土壤種類，粒度越小，有機質含量越低，其土壤可蝕性越大，越容易被侵蝕；反之粒度越粗，有機質含量越高，其可蝕性越小，越不容易被侵蝕。對于土壤可蝕性因子的計算公式如下：

3、土壤結皮因子SCF提取

土壤結皮是指某些低等生物與土表相互作用或降水滴濺在土表上形成的微層，一般按產生機理可分為生物性結皮和物理性結皮。其中，生物性結皮有利于抵抗土壤風蝕；物理性結皮易碎，反而加速了土壤被風蝕的過程。其計算公式如下：

4、植被覆蓋度因子C提取

不同的植被有著不同的根系，也就有不同的固水固沙能力。植被覆蓋度因子表示一定植被覆蓋條件下，對土壤風蝕的抑制作用大小。依據(jù)研究區(qū)LUCC分類圖，將植被分為林地、灌木、草地、農田、裸地5個植被類型，根據(jù)不同的系數(shù)計算各植被覆蓋度因子。

式中，ai為不同植被類型的系數(shù)，其中，林地為?-0.153 5，灌木為?-0.092 1，草地為?-0.151 1，農田為-0.043 8，裸地為-0.076 8；SC為植被覆蓋度（無量綱），由NDVI?數(shù)據(jù)集計算得到。

2、地表粗糙度因子K’提取

地表粗糙度是指由地形引起的土地表面粗糙程度對土壤風蝕的影響

式中，Kr 為因地形起伏產生的地形粗糙度長度 （cm）；Crr 為隨機糙度因子，取 0；ΔH為距離L范圍內的海拔高程差（m），根據(jù)不同的起伏地形情況，L 具有不同的值。

2、土壤風蝕量的計算

SL為土壤風蝕量(thm-2a-1)；Qmax為風沙最大轉移量(kg/m)；S為關鍵地塊長度(m)；z為下風向最大風蝕出現(xiàn)距離(m)；WF為氣候因子(kg/m)；K’為地表粗糙度因子；EF為土壤可蝕性因子；SCF為土壤結皮因子；C為植被覆蓋因子。

第五章：歸因分析

1. 統(tǒng)計分析將結合根據(jù)研究區(qū)土地利用、覆蓋變化信息的提取與分析及其他相關研究成果，統(tǒng)計分析研究區(qū)空間分布特征，為土壤風蝕防治措施方面進行深入分析。

1. 相關性分析

漁網(wǎng)分析：利用ArcGIS漁網(wǎng)工具在研究區(qū)域創(chuàng)建一定大小的格網(wǎng),進行分割地圖、采樣分析、劃分研究單元等。

相關性分析：通過格網(wǎng)法分別建立三江源地區(qū)植被等因子與潛在風蝕量堯實際風蝕量和防風固沙量的散點圖，并對散點圖進行最優(yōu)函數(shù)擬合，探討其在空間分布上的相關性。

2. 通徑分析

以三江源地區(qū)2015年年土壤風蝕量為因變量，以氣候因子和植被覆蓋度等因子為自變量進行通徑分析，量化分析各個因子的直接和間接作用的共同貢獻。

4. 因子探測分析--地理探測器

風蝕量的空間分布并非由某單一地理、氣候或人文因素導致，其形成與多種因素的共同作用密不可分，因此對其作用貢獻較大的因素將決定其實際的空間分布規(guī)律。地理探測器模型（GDM）是基于空間分化理論和地理信息系統(tǒng)（GIS）空間分析技術提出的。它通常用于研究影響空間層次異質性的因素及其潛在機制。

●因子探測器????

因子探測器可評估某一影響因素對風蝕量的貢獻程度，具體公式如下：

其中，D為某一影響因子，H為風蝕量，Q為影響因子對風蝕量的貢獻度，取值范圍是[0-1]，N、σ2為樣本量及其方差，h為樣本層數(shù)，L為影響因子分類數(shù)。當Q值越大時，表明該影響風蝕量的貢獻度越大。

●交互作用探測器

交互探測器可評估兩種影響因子交互作用時對研究區(qū)風蝕量的貢獻程度，以便更準確分析實際多影響因子共同作用下的貢獻度。

●基于R的地理探測器實現(xiàn)：

① 自變量和因變量數(shù)據(jù)制備；

② 地理探測器運行準備；

③ R軟件及程序包的安裝、基本設置等；

④ 地理探測器運行代碼解析；

⑤ 因子探測器結果分析與可視化；

⑥ 交互探測器結果與可視化；

第六章：RWEQ模型相關的SCI論文撰寫技巧

1. 科技論文結構

2. 引言

●科學問題是否清楚？

●邏輯推理是否嚴密？

●文獻綜述的寫作技巧

●引言寫作的示例

3. 摘要和結論

●英文摘要的寫作要求

●摘要的五要素

● 如何構建一篇SCI論文的總結摘要

●摘要和結論的區(qū)別

● 數(shù)據(jù)來源與預處理

●模型因子提取方法

4. 討論

l 討論的寫作要點

l 討論撰寫中的常見問題

5. 論文投稿技巧分析

6. SCI論文案例分析