土壤風(fēng)蝕是一個全球性的環(huán)境問題。中國是世界上受土壤風(fēng)蝕危害最嚴(yán)重的國家之一，土壤風(fēng)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(fēng)蝕荒漠化面積達(dá)160.74×104km2，占國土總面積的16.7%，嚴(yán)重影響這些地區(qū)的資源開發(fā)和社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。自20世紀(jì)80年代以來，土壤風(fēng)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(shí)驗(yàn)研究工作，揭示了各種因素對風(fēng)蝕過程的影響，尤其是人為因素對風(fēng)蝕的加劇作用，并提出了不同地區(qū)的風(fēng)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(yán)重，威脅著國家的生態(tài)安全，當(dāng)?shù)仫L(fēng)蝕模數(shù)的估算工作對維護(hù)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(gòu)建能夠更好地探尋侵蝕的原因，以便對土壤侵蝕進(jìn)行一系列預(yù)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(fù)雜，因此建模需要充分考慮各項(xiàng)因素，例如氣象、水文、地質(zhì)環(huán)境、土壤條件等。修正的土壤風(fēng)蝕方程（revised wind erosion equation，RWEQ）被廣泛應(yīng)用于土壤風(fēng)蝕預(yù)報。該模型由美國農(nóng)業(yè)部（USDA）農(nóng)業(yè)研究服務(wù)（Agricultural Research Service）組織開發(fā)，它是一個基于過程模擬的經(jīng)驗(yàn)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(fēng)蝕量的影響。

本教程將結(jié)合案例講解RWEQ模型的運(yùn)行及相關(guān)的歸因分析，從原理、數(shù)據(jù)、方法、歸因分析方面對土壤風(fēng)蝕情況進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)講解。原理篇，介紹土壤侵蝕和土壤風(fēng)蝕的基本原理和主要模型，并結(jié)合國內(nèi)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(diǎn)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(diǎn)；采用Python與ArcGIS有效結(jié)合的運(yùn)行環(huán)境，充分利用Python高效地數(shù)據(jù)處理能力、ArcGIS強(qiáng)大的空間分析及可視化能力，通過代碼解析和工具實(shí)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(fēng)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(shí)現(xiàn)對土壤風(fēng)蝕的歸因分析及可視化。

您將通過RWEQ模型運(yùn)行的全流程實(shí)戰(zhàn)演練，深入理解風(fēng)蝕模型的原理和驅(qū)動因子；掌握多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理、模型參量提取、歸因分析等風(fēng)蝕模數(shù)估算中的技術(shù)；在具體實(shí)踐案例中，學(xué)會運(yùn)用上述原理和技術(shù)方法，提升風(fēng)蝕模型的應(yīng)用能力水平。

第一章?理論基礎(chǔ)

1、土壤侵蝕的基本原理

?土壤侵蝕:在水力、風(fēng)力、凍融、重力等外營力作用下，土壤、土壤母質(zhì)被破壞、剝蝕、轉(zhuǎn)運(yùn)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(fēng)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(zhì)疏松深厚，降雨強(qiáng)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(fēng)蝕模型
?土壤風(fēng)蝕發(fā)生的機(jī)理
?土壤風(fēng)蝕的影響因子：1）風(fēng)速；2）地表土壤物理特性；3）地表覆蓋及粗糙度狀況
?土壤風(fēng)蝕評估模型：

?風(fēng)蝕方程模型（Wind Erosion Equation, WEQ）
風(fēng)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(jìn)而有效防治農(nóng)田的風(fēng)力侵蝕。WEQ用于預(yù)報美國的農(nóng)田的年風(fēng)蝕量(kg/ha-1)。
WEQ 是第一個用于估算田間年風(fēng)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：E=f(I,K,C,L,V)其中，E為年風(fēng)蝕量( t / acre， 1 acre= 4046 .86m2) ; f為函數(shù)關(guān)系;Ⅰ為土壤可蝕性( t / acre) ; K為土壤糙度因子; C為氣候因子; L為田塊裸露長度( ft, 1 ft =30 .48 cm); V為植被因子。
?修正風(fēng)蝕方程模型（Revised Wind Erosion Equation, RWEQ)修正的風(fēng)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(fēng)蝕狀況進(jìn)行長時間序列估算, 從而有效預(yù)測風(fēng)蝕量的模型, 可以為土地沙化防治提供依據(jù) 。

第二章?平臺基礎(chǔ)

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(shè)置
2、ArcGIS空間分析與制圖
2.1 ArcGIS如何定義坐標(biāo)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(jìn)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??；（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(jì)、分級、頻數(shù)取值；（4）鄰域分析：鄰域形狀、鄰域統(tǒng)計(jì)類型、點(diǎn)統(tǒng)計(jì)；（5）區(qū)域分析：分區(qū)幾何統(tǒng)計(jì)、分區(qū)統(tǒng)計(jì)、面積制表、區(qū)域直方圖；（6）插值分析：反距離權(quán)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(jī)點(diǎn)采樣、重分類、查找表等；
2.3 ArcGIS版面設(shè)計(jì)
?ArcGIS基礎(chǔ)地圖服務(wù)使用：配置地圖服務(wù)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(shè)計(jì)。過去踩過的那些坑—常見錯誤和使用注意事項(xiàng)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(yù)處理
?矢量數(shù)據(jù)的認(rèn)識?矢量數(shù)據(jù)創(chuàng)建、轉(zhuǎn)換、編輯

2.柵格數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理
?柵格數(shù)據(jù)的認(rèn)識?柵格數(shù)據(jù)的輸入、輸出及轉(zhuǎn)換?空間分辨率的認(rèn)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(rèn)識與讀取?ArcGIS模型構(gòu)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(jìn)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(zhuǎn)換?NC數(shù)據(jù)與*.TIF數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換?批量數(shù)據(jù)投影定義與轉(zhuǎn)換

第四章?RWEQ模型參量提取

1、氣候因子WF提取
風(fēng)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(fēng)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(fēng)力對土壤顆粒的搬運(yùn)能力，其表達(dá)式如下：

式中，WF為氣象因子（kg/m）；WE為風(fēng)場強(qiáng)度因子（m3/ s3），由監(jiān)測風(fēng)速μ2（m /s）、起沙風(fēng)速μ1（假定為5 m/ s）和觀察周期天數(shù) Nd 計(jì)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(jì)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(jì)算得到；SD為雪覆蓋因子（無量綱）；P為計(jì)算時段內(nèi)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(jī)械組成和理化性質(zhì)的土壤種類，粒度越小，有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)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(jì)算公式如下：

3、土壤結(jié)皮因子SCF提取
土壤結(jié)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(chǎn)生機(jī)理可分為生物性結(jié)皮和物理性結(jié)皮。其中，生物性結(jié)皮有利于抵抗土壤風(fēng)蝕；物理性結(jié)皮易碎，反而加速了土壤被風(fēng)蝕的過程。其計(jì)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(fēng)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(nóng)田、裸地5個植被類型，根據(jù)不同的系數(shù)計(jì)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(nóng)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(jì)算得到。

5、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(fēng)蝕的影響式中，Kr 為因地形起伏產(chǎn)生的地形粗糙度長度 （cm）；Crr 為隨機(jī)糙度因子，取 0；ΔH為距離L范圍內(nèi)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。

6、土壤風(fēng)蝕量的計(jì)算

SL為土壤風(fēng)蝕量(thm-2a-1)；Qmax為風(fēng)沙最大轉(zhuǎn)移量(kg/m)；S為關(guān)鍵地塊長度(m)；z為下風(fēng)向最大風(fēng)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(jié)皮因子；C為植被覆蓋因子。

第五章?歸因分析

1.統(tǒng)計(jì)分析

將結(jié)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(guān)研究成果，統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)空間分布特征，為土壤風(fēng)蝕防治措施方面進(jìn)行深入分析。
2.相關(guān)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(jìn)行分割地圖、采樣分析、劃分研究單元等。相關(guān)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(fēng)蝕量堯?qū)嶋H風(fēng)蝕量和防風(fēng)固沙量的散點(diǎn)圖，并對散點(diǎn)圖進(jìn)行最優(yōu)函數(shù)擬合，探討其在空間分布上的相關(guān)性。
3.通徑分析
以三江源地區(qū)2015年年土壤風(fēng)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(jìn)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(xiàn)。

4.因子探測分析--地理探測器
風(fēng)蝕量的空間分布并非由某單一地理、氣候或人文因素導(dǎo)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(xiàn)較大的因素將決定其實(shí)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(shù)提出的。它通常用于研究影響空間層次異質(zhì)性的因素及其潛在機(jī)制。
?因子探測器因子探測器可評估某一影響因素對風(fēng)蝕量的貢獻(xiàn)程度，具體公式如下：

其中，D為某一影響因子，H為風(fēng)蝕量，Q為影響因子對風(fēng)蝕量的貢獻(xiàn)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(dāng)Q值越大時，表明該影響風(fēng)蝕量的貢獻(xiàn)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(fēng)蝕量的貢獻(xiàn)程度，以便更準(zhǔn)確分析實(shí)際多影響因子共同作用下的貢獻(xiàn)度。

?基于R的地理探測器實(shí)現(xiàn)
①　自變量和因變量數(shù)據(jù)制備；②　地理探測器運(yùn)行準(zhǔn)備；③　R軟件及程序包的安裝、基本設(shè)置等；④　地理探測器運(yùn)行代碼解析；⑤　因子探測器結(jié)果分析與可視化；⑥　交互探測器結(jié)果與可視

第六章?RWEQ模型相關(guān)的SCI論文撰寫技巧

1.科技論文結(jié)構(gòu)
2.引言?科學(xué)問題是否清楚？?邏輯推理是否嚴(yán)密？?文獻(xiàn)綜述的寫作技巧?引言寫作的示例
3.摘要和結(jié)論?英文摘要的寫作要求?摘要的五要素?如何構(gòu)建一篇SCI論文的總結(jié)摘要?摘要和結(jié)論的區(qū)別?數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理?模型因子提取方法
4.討論?討論的寫作要點(diǎn)?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

注：請?zhí)崆白詡潆娔X及安裝所需軟件