SWAT模型教程---土地利用、土壤数据、气象数据的处理
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ArcSWAT介紹與數(shù)據(jù)準備
氣象數(shù)據(jù)庫與土壤數(shù)據(jù)庫下載
土壤數(shù)據(jù)庫構(gòu)建
ArcSWAT模型構(gòu)建與結(jié)果解讀
基于SWAT-CUP的模型率定
土地利用數(shù)據(jù)的處理
數(shù)據(jù)下載
首先登陸網(wǎng)址中科院1km土地利用數(shù)據(jù):http://www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=264
也可以去清華大學高精度土地利用數(shù)據(jù):http://data.ess.tsinghua.edu.cn/
本次以中科院的下載方式進行介紹。
進入界面如圖所示
在數(shù)據(jù)集(庫)目錄中選擇土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù),點擊進入,可以看到數(shù)據(jù)詳情介紹,包含有數(shù)據(jù)的具體分類系統(tǒng)表。
下滑至最下面有下載鏈接,如果看不到下載鏈接,請先注冊登陸,根據(jù)需要下載資料,一天好像只能下載一次,此處我以北京的為例。
下載完解壓后長這樣。
數(shù)據(jù)處理
為什么要進行數(shù)據(jù)處理?
此處下載的數(shù)據(jù)類型包含25個二級類型,通常來講種類過多,不利于后面SWAT的計算與處理,在不影響研究的情況下,可以進行適當?shù)暮喜?#xff0c;當然,如果研究關(guān)注各種土地利用的影響,就另當別論了。
這里我考慮都使用一級類型,即將11和12兩種類型和為一種,21、22、23、24等和為第二種,依次類推。
首先打開工具箱,找到重分類。
打開重分類工具箱,進行重分類。
重分類完成之后的圖像。
構(gòu)建索引表
為什么需要構(gòu)建索引表?
我們下載的數(shù)據(jù)集與swat模型中自帶的數(shù)據(jù)庫類型不完全一致,因此需要根據(jù)重分類后的土地利用情況與SWAT數(shù)據(jù)庫中的類型進行一一對應(yīng)起來,即建立索引表。
構(gòu)建索引表,根據(jù)下載的土地利用的數(shù)據(jù)說明表可以看出,總共分為7類,其中海洋在北京這塊沒有,因此總共是六類,分別是:耕地,林地,草地,水域,城鄉(xiāng)、工礦和居民用地以及未利用土地。
將我們下載的這些土地利用情況與SWAT分類對應(yīng),建立索引表。
這個對應(yīng)表來源網(wǎng)絡(luò),在實際使用時根據(jù)情況自行調(diào)整,如果有更好更準確的對應(yīng)方法,不妨各位大佬評論留言一起分享~~~
新建一個txt文件,根據(jù)前面查得的對應(yīng)關(guān)系,將資料填進去,即得到索引表。
土壤數(shù)據(jù)庫
數(shù)據(jù)下載
數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)所構(gòu)建的世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database)(HWSD)。
http://www.fao.org/nr/land/soils/harmonized-world-soil-database/en/
數(shù)據(jù)分辨率為1km,中國境內(nèi)數(shù)據(jù)源為第二次全國土地調(diào)查南京土壤所提供的1:100萬土壤數(shù)據(jù),外蒙地區(qū)數(shù)據(jù)源為區(qū)域土壤及地形數(shù)據(jù)庫(SOTWIS)比例尺為1:500萬。
數(shù)據(jù)處理
為什么需要進行重分類?
我們下載的數(shù)據(jù)中土壤種類通常很多,數(shù)據(jù)量大,不便于后續(xù)的處理和計算,因此一般先進行重分類,將一些土壤合并,減少種類。
根據(jù)所需要的區(qū)域進行裁剪,同時對裁剪完的圖像進行投影
在SWAT模型中,DEM、土地利用數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)需要投影到統(tǒng)一坐標系,前面的土地利用圖層也是需要投影的,記得自己加上去。
右鍵投影后的圖像,打開圖層屬性,選擇用唯一值顯示,如圖所示。
進行上一步操作后,圖像變成五顏六色的了,左側(cè)每個顏色對應(yīng)一個數(shù)字,數(shù)字表示土壤的編號。
為了更好地理解,需要先打開下載的HWSD數(shù)據(jù)庫。
打開HWSD數(shù)據(jù)庫,雙擊HWSD_DATA這張表,可以看到,這張表里面含有很多數(shù)據(jù),后面會用到,其中這張表MU_GLOBAL這一列表示的就是前面GIS每種土壤后面對應(yīng)的數(shù)字。
HWSD_DATA這張表后面還會用到,因此先將其導(dǎo)出,在HWSD_DATA上右鍵導(dǎo)出為excel即可,導(dǎo)出之后的表如圖所示,命名為HWSD_DATA。
打開GIS中剛剛處理完的圖層的屬性表,可以看出,其中的VALUE值對應(yīng)上面的MU_GLOBAL,COUNT表示柵格的個數(shù),需要將這個屬性表導(dǎo)出。
全選屬性表,左上角的小三角下拉選擇Export,選擇路徑和命名,將.dbf文件導(dǎo)出,這個文件可以直接用excel打開。
導(dǎo)出后的表如圖所示,包含VALUE和COUNT。
利用導(dǎo)出的圖層的VALUE值,在HWSD_DATA中的MU_GLOBAL查找,找到相同數(shù)字的一行(即相同土壤編號),復(fù)制粘貼到一起,如圖。
為了便于看清,我習慣于將各個土壤進行中文分類。
利用SU_SYM90這一列的縮寫,對應(yīng)查找土壤的名稱,得到各個土壤的分組,最后匯總得到如圖所示。
經(jīng)過以上的操作,就把GIS的目標圖層的所有土壤數(shù)據(jù)從HWSD_DATA中提取出來了,并且每一個土壤的柵格個數(shù)也統(tǒng)計好了(可以理解為每種土壤面積的占比),同時對每種土壤進行了中文名稱的匯總。
從這張匯總表里面可以看出,土壤的種類有幾十,如果不進行重分類,后面的操作過于麻煩,因此考慮根據(jù)土壤分組進行重分類,同一土壤分組下的所有土壤歸為一類,將該土壤分組中百分比最高的這類土作為最終土壤,該組中其他土壤都采用這類土的屬性。
簡而言之,統(tǒng)一土壤分組中的土,誰的百分比高,其他土就都聽她的,變成它的小弟。
舉例來說根據(jù)得到的這張總表,雛形土中11031這類占比最多,那么其他的雛形土都命名為11031。
這里的分類方法沒有那么絕對,主要目的就是為了減少土壤數(shù)量,在減少數(shù)量的情況下盡量保證原始土壤類型占比多的土壤類型,在處理完之后仍然比較多,而相對小的有可能就被其他土壤類型合并了。
原理清楚了,下面就接著進行GIS操作。打開工具箱,找到重分類。
最后分類完成,得到新的圖層,可以看出土壤類型減少了很多。
為什么需要建立土地利用索引表?
我們下載的數(shù)據(jù)與SWAT中生成的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)不一樣,也就是說我們的土地類型的相關(guān)數(shù)據(jù)在SWAT自帶的數(shù)據(jù)庫中檢索不到,我們需要自己把這些屬性信息添加進去才能使用。
首先我們研究一下SWAT中土壤屬性表有哪些字段,打開SWAT中新建的工程文件夾,其中數(shù)據(jù)庫SWAT2012則是在項目創(chuàng)建時自動建立的,打開土壤屬性表usersoil,將屬性表導(dǎo)出來,單獨放在excel中,將之前根據(jù)圖層篩選得到的土壤類型數(shù)據(jù)粘貼過來,構(gòu)建新的屬性表,下面會講述如何對應(yīng)粘貼。
下面逐一進行介紹,首先介紹土壤的基本屬性。
對于沒有太多作用的字段OBJECTID、MUID、SEQN、S5ID、CMPPT可以自己編寫,我習慣性將HWSD數(shù)據(jù)庫中的MU_GLOBAL填在OBJECTID這一列,SEQ填在SEQN這一列。
其他字段設(shè)置情況:
SNAM可將HWSD中的SU_SYM90寫入;
NLAYERS對應(yīng)HWSD中的T_TEXTURE;
HYDGRP后續(xù)需要計算,先空著;
SOL_ZMX可參考REF_DEPTH,也可寫默認值1000,注意SWAT中單位是mm,HWSD中是cm;
ANION_EXCL默認0.5;
SOL_CRK默認0.5;
TEXTURE后續(xù)需要計算得到,先空著。
注意:有的字段如果原來數(shù)據(jù)庫中有值的話,可以按照HWSD中填寫,如果沒有就寫默認值也行。
下面是土壤第一層的屬性字段,字母后面都寫有數(shù)字1,依次類推,若土壤有三層,則最后這些參數(shù)需要填到3。
字段設(shè)置情況:
SOL_Z1是表層到深層的深度,注意這里要看土壤分幾層,一般如果前述SOL_ZMX是1000mm且土壤分為兩層,那么第一層一般寫300mm,第二層寫700mm;
SOL_BD1可以采用HWSD中的T_REF_BULK_DENSITY字段,也可以采用后面計算的結(jié)果;
SOL_AWC1和SOL_K1需要計算,先空著;
SOL_CBN1采用T_OC的值;CLAY1采用T_CLAY的值;
SILT1采用T_SILT的值;
SAND1采用T_SAND的值;
ROCK1采用T_GRAVEL的值;
SOL_ALB1默認0.001;
USLE_K1需要計算獲得,先空著;
SOL_EC1采用T_ECE的值。
注意:HWSD中字母開頭為T表示第一層,開頭為S表示第二層。
根據(jù)上述的規(guī)則,依次對照前面獲取的HWSD的數(shù)據(jù),填寫SWAT表頭的數(shù)據(jù)表,最后得到表如圖所示,除了幾個空著的(標黃部分),我的土壤最多只有兩層,因此只寫到了兩層。
計算TEXTURE、SOL_BD(可選)、SOL_AWC、SOL_K。
SOL_BD可以用之前數(shù)據(jù)庫中的值,也可以用這里計算的值
這里要根據(jù)土壤層數(shù)分別計算,TEXTURE對應(yīng)填寫土壤質(zhì)地,用英文首字母縮寫表示,土壤層之間用-連接,以第一層的計算為例。
打開SPAW,點擊options,選擇Units下面的Metric和Volume。
根據(jù)前面填寫的各個參數(shù),對應(yīng)計算,如圖所示。
將計算得到的數(shù)據(jù)填進excel即可,后面第二層計算方式相同,兩層都計算完了就可以填寫土層結(jié)構(gòu)了。
水文分組HYDGRP的計算
根據(jù)土壤平均粒徑分層計算土壤下滲率,若最小下滲率出現(xiàn)在土層上層深度小于500mm時,則參考正常標準;若最小下滲率出現(xiàn)在土層上層深度500-1000mm時,則將土壤水文單元上調(diào)一類,即B調(diào)至A;若最小下滲率出現(xiàn)在土層上層深度1000mm之下,則基于1000mm之上的土壤下滲率來劃分水文分組。
但一般簡便來算,計算的都最小下滲率查閱表格選擇分組即可。
根據(jù)Z,土壤中含沙量(%)分別計算土壤各層的平均顆粒粒徑Y(jié),然后計算下滲率X,取其中最小的X作為最小下滲率,考慮兩個公式:
Y=Z/100.03+0.02
X=(20Y)^1.8
當沙粒含量為0時,Y取0.01mm,當沙粒含量為100%時,Y取0.3mm,粘土含量為100%時,Y取0。002mm。
計算完成如下圖所示。
計算USLE_K1可蝕性因子
土壤可蝕性因子計算按照下面幾個公式即可。
計算方式如下。
最后分組完成之后將數(shù)據(jù)加入到SWAT2012中的usersoil中即可。
土壤類型索引表的建立
與土地利用索引表的建立類似,新建一個txt文件。
氣象數(shù)據(jù)的處理
這一塊我的理解也不是很透徹,因此大家僅借鑒
在swat中氣象數(shù)據(jù)的準備包含:天氣發(fā)生器、降水數(shù)據(jù)、氣溫數(shù)據(jù)、相對濕度、
風速和日照,其中前三者是必須的,而天氣發(fā)生器需要自行準備,后面的數(shù)據(jù)可以直接從站點獲取。
數(shù)據(jù)下載
進入下載網(wǎng)站:www.cmads.org.com ,下滑至最后面,可以看見數(shù)據(jù)集和下載鏈接,根據(jù)需要下載相應(yīng)的鏈接。
這里我選擇的是的CMADSV1.0(Chinese),如圖所示。
進入下載網(wǎng)頁之后,點擊申請下載,需要注冊和登陸,填寫相關(guān)信息,申請成功后可以在個人中心的數(shù)據(jù)訂單的數(shù)據(jù)下載中看見。
根據(jù)指示下載軟件,在軟件最上方輸入相應(yīng)的IP地址,用戶名和用戶密碼,點擊連接之后,一段時間連接成功,在下方的框內(nèi)可以看見數(shù)據(jù)集,右鍵點擊下載即可。
數(shù)據(jù)量比較大,可能需要下載一段時間,此處就不截圖了。
我將文件夾和壓縮包都下載下來了,以備不時之需,下載地址只有一個星期的有效期。
數(shù)據(jù)處理
將壓縮包一一解壓后,找到以下目錄中的地圖,用GIS打開,同時導(dǎo)入自己要用的區(qū)域的圖層。
為了更加清楚看見所需地區(qū)的站點編號,將北京圖層放大,數(shù)據(jù)量大,可能會卡住,圈出北京的所有站點,并記錄下來。
北京:119-167119-173、119-167125-167、125-167125-174、119-174125-174
圈出來的方框共有56個站,可以刪掉距離較遠且沒有代表性的站,我去掉了圖中20個站,因此最終36個站。
根據(jù)圖中標注的文件夾,找到數(shù)據(jù)集中給定的索引文檔,并新建一個自己的索引表,依次根據(jù)前面的編號找到索引表中的數(shù)據(jù),復(fù)制到自己的文檔中。
所有的索引表都需要進行這一步操作。
一些文檔的解釋:
Relative-Humidity-104000-txt\日平均相對濕度(fraction) (txt)
Precipitation-104000-txt \日24h累計降水量(mm) (txt)
Solar radiation-104000-txt \日平均太陽輻射(MJ/m2) (txt)
Temperature-104000-txt \日最高最低氣溫(℃) (txt)
Wind-104000-txt \日平均風速(m/s) (txt)
PCPFORK.txt 降水索引表
RHFORK.txt 相對濕度索引表
SORFORK.txt 太陽輻射索引表
TMPFORK.txt 溫度索引表
WINDFORK.txt 風速索引表
至此,除了天氣發(fā)生器之外的各項數(shù)據(jù)已經(jīng)基本準備完畢。
天氣發(fā)生器
此處有教程是用的SWATWEATHER進行計算,但我自己研究的時候看到了這個版本,目前還不知道是否可行,能夠計算,但是計算結(jié)果還在驗證中。
新建一個txt文件,根據(jù)前面的站點信息來填寫,如圖所示,根據(jù)前面的索引表來得到txt的內(nèi)容。
導(dǎo)出SWAT2012中WGEN_user這張表,將txt文檔中四列數(shù)據(jù)導(dǎo)入到excel中,后面的數(shù)字可以自己寫。
最后將這個excel導(dǎo)入到SWAT2012中WGEN_user表即可。
打開天氣數(shù)據(jù)定義的對話框,如圖所示。
根據(jù)每一個對話框要求的數(shù)據(jù),一一導(dǎo)入索引表,天氣發(fā)生器選擇用戶,即選擇了數(shù)據(jù)庫中剛剛自己導(dǎo)入的表,最后點ok,完成導(dǎo)入。
接下來選擇Write SWAT Database Table,點擊全選,然后計算。
這里我是計算完成后的界面,顯示已完成。
最后還有一個更新數(shù)據(jù)庫的選項,如果哪一個表發(fā)生了變化,可以選擇更新。
以上主要介紹了三大比較復(fù)雜的部分的數(shù)據(jù)處理以及軟件操作的相關(guān)部分,自學總結(jié)的經(jīng)驗,如有錯誤,敬請批評指正,謝謝大家~~~
有興趣的可以加入QQ群,一起交流學習278075707
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的SWAT模型教程---土地利用、土壤数据、气象数据的处理的全部內(nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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