小麦自然水分亏缺干旱评估模型的GIS建模方法与流程

本发明涉及一种小麦自然水分亏缺干旱评估模型的gis建模方法，属于农业灾害评估的技术领域。

背景技术：

小麦是我国重要的粮食作物之一，小麦干旱灾害严重影响我国粮食安全，对小麦干旱的评估显得尤为重要。

自然水分亏缺率模型为作物自然供水量与需水量的差值占需水量的百分比，较好地反映了土壤、植物和气象三方面因素的综合影响，比较真实地反映出作物水分亏缺状况，是常用的作物干旱诊断方法之一。计算过程如下：

式中，e为小麦全生育期的需水量，w为小麦全生育期的自然供水量；单位均为mm。

e＝kc×et0(2)

式中，kc为作物系数，小麦全生育期kc取1.04；et0为可能蒸(mm),采用fao(1998)推荐的penman-monteith公式求得。

式中：et0为参考作物蒸散量(mm/d)；rn为净辐射[mj/(m2·d)]；g为土壤热通量[mj/(m2·d)]，当计算时段在10～30d时，日平均土壤热通量值很小，可忽略不计；而在逐日或长期估算时，g值通常很重要；u2为2m高处风速(m·s-1)；δ为饱和水气压温度关系曲线上在ta处的切线斜率(kpa/℃)；γ为干湿表常数(kpa/℃)；ta为日平均气温(℃)；ea为饱和水气压(kpa)；eb为实际水气压(kpa)。

小麦自然供水量(w)包括三部分：①小麦的土壤有效底墒(w1)；②小麦全生育期内的有效降水量(w2)；③地下水供水量(w3)。计算公式为：

w＝w1+w2+w3(4)

w1＝(wt-wd)×ρ×h×0.1(5)

式中，w1为小麦播种前的土壤有效底墒量，单位为mm；wt为小麦播种前的实际土壤湿度，单位为％；wd为凋萎湿度，取值6.5，单位为％；ρ为土壤容重1.44，单位为g/cm3；h为土层厚度，单位为cm；0.1为单位换算系数。

w2＝p(6)

其中p为实际降水量，单位为毫米(mm)。

在实际计算小麦供水量中，地下水供水量w3可忽略不计。

模型构造器(modelbuilder)是arcgis提供的构造地理分析和处理工作流和脚本的图形化数据建模工具。modelbuilder由输入数据、空间处理工具和输出数据等3个基本结构组成。

空间插值方法，即通过已获取的样点数据的规律，外推或内插到整个研究区域为面数据的方法。

栅格计算器是建立复杂的应用数学模型的基本模块，基于数学运算符以及数学函数将数值连续的空间栅格数据进行计算，得到所需要的空间栅格数据。

自然水分亏缺率模型涉及较多的数据和大量复杂的公式，在现实应用中存在易出错、效率低等弊端。本文将该模型与gis相结合，逐步分块建立基于gis的小麦自然水分亏缺干旱评估模型，从而改善原数学模型的缺点，提高模型的使用效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种便于使用者理解，提高模型使用效率的小麦自然水分亏缺干旱评估模型的gis建模方法。

本发明采用的技术方案为：一种小麦自然水分亏缺干旱评估模型的gis建模方法，包括以下步骤：

步骤一：首先将自然水分亏缺率模型分成2个部分：小麦全生育期的需水量e和小麦全生育期的自然供水量w。再将小麦全生育期的需水量e公式中的小麦可能蒸散量et0分为8个部分。

步骤二：选取研究区一段时间的气象站点数据与土壤墒情报表，在modelbuilder建模平台上采用反距离加权插值工具将点数据处理为数值连续的空间栅格数据。

步骤三：利用栅格计算器对小麦可能蒸散量et0中的变量进行叠加分析，分别建模，包括饱和水气压温度关系曲线上在ta处的切线斜率δ、湿表常数γ、土壤热通量g、2m高处风速u2、饱和水气压es、日平均气温ta、实际水气压ea以及净辐射rn的建模。

步骤四：根据步骤三中已经建立的模型，同样利用modelbuilder中的栅格计算器对小麦可能蒸散量et0进行建模，并利用小麦可能蒸散量et0模型对小麦全生育期需水量e进行建模。

步骤五：采用modelbuilder中的栅格计算器分别对小麦的土壤有效底墒w1、小麦全生育期内的有效降水量w2及地下水供水量w3进行建模，同时对麦全生育期的自然供水量w进行建模。

步骤六：结合步骤四和步骤五中已经建立的小麦全生育期需水量e模型和小麦全生育期的自然供水量w模型，建立小麦生育阶段的自然水分亏缺率g模型。

本发明的有益效果：本发明方法将自然水分亏缺率模型中的公式合理化分解，将该数学模型与gis相结合，并分别建模，最后组成完整的gis模型，启动模型后即可自动完成复杂的空间计算过程。该方法将复杂的数学模型转变为方便快捷的gis栅格计算，便于读者理解整个模型，实现模型计算过程的自动化、一体化、空间可视化，同时模型逻辑关系清晰，便于数据修改维护。

附图说明

图1：研究区情况图；

图2：原始数据插值结果图；

图3：饱和水气压温度关系曲线上在ta处的切线斜率δ建模图；

图4：干湿表常数γ建模图；

图5：2m高处风速u2建模图；

图6：饱和水气压es的建模图；

图7：实际水气压ea的建模图；

图8：净辐射rn的建模图；

图9：可能蒸散量et0的建模图；

图10：全生育期需水量e的建模图；

图11：全生育期的自然供水量w的建模图；

图12：小麦生育阶段的自然水分亏缺率g的建模图；

图13：睢阳区2013年10月6日和2013年10月7日小麦干旱评估图；

图14：方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，选取河南省商丘市睢阳区7个站点的2013年10月6日和2013年10月7日的气象站点数据(由a文件转换)与土壤墒情报表。气象站点数据包括日最高气温、日最低气温、日平均气温、平均相对湿度、日照时数、平均风速和降水量。下面表1为站点基本信息表，表2为站点气象要素表。

表1

表2

(1)如图2所示，采用arcgis软件的空间插值方法将点数据处理为数值连续的空间栅格数据。

(2)如图3-图9所示，对小麦可能蒸散量et0进行建模：小麦可能蒸散量et0是一个复杂的计算公式，为了便于理解，先对公式中的变量一一建模，最终再对et0建模。

(3)如图10所示，根据公式和上述已经建立的模型对小麦全生育期需水量e进行建模。

(4)如图11所示，利用arcgis中的modelbuilder对小麦全生育期的自然供水量w进行建模。

(5)如图12所示，根据已经建立的全生育期需水量e的模型和全生育期的自然供水量w的模型，建立完整的自然水分亏缺率g的模型。

(6)如图13所示，设置好数据路径，启动模型后完成小麦自然水分亏缺干旱评估计算，并利用裁切功能得到干旱评估结果图。

如图14为本发明小麦自然水分亏缺干旱评估模型的gis建模方法流程图。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。