1. 引言
荒漠化是由于气候变化和包括人类活动在内的种种因素造成的干旱、半干旱及亚湿润干旱地区的土地退化 [1] 。荒漠化是全球广泛关注的重大环境问题之一,自1994年10月《联合防治荒漠化公约》签署以来,荒漠化问题为各国所关注。中国是世界上荒漠和荒漠化土地分布最多的国家之一,截至2014年,全国荒漠化土地面积超过261.16 × 104 km2,占国土总面积的27.2% [2] 。据统计,全国每年因荒漠化造成的直接经济损失达540亿元,相当于1996年西北5省区财政收入总和的3倍,平均每天损失近1.5亿元。虽然我国在荒漠化方面已开展了大量研究,获得了大量科研成果,但在荒漠化监测和评估系统方面还缺乏研究,尚不能满足我国荒漠化宏观管理方面的需要。
荒漠化监测与评估指标体系是荒漠化监测与评估系统研究的基础,一般可划分为3个阶段。1984年之前为定性指标阶段。以Berry [3] 、Reining [4] 和Dregne [5] 等提出的几种评估方法为代表。此阶段指标没有给出阈值,可操作性差。1984~2004年为定量指标阶段。以1984年FAO和UNEP [6] 发表的《荒漠化评估与制图方案》为标志,此阶段指标都进行了定量分级,奠定了荒漠化监测与评估的理论雏形 [7] 。2005年以后为逐渐成熟阶段。其中联合国可持续发展委员会 [8] 、欧盟DESERTLINKS项目开发的DIS4ME (Desertification Indicators System for Mediterranean Europe)系统最为典型,代表了国内外最高水平 [9] 。为此,针对国内荒漠化防治需求,根据国内外荒漠化监测和评估研究现状,构建适合中国的荒漠化监测与评估指标体系,借助Visual Studio平台开发荒漠化监测与评估系统对于实时掌握荒漠化的现状、程度及发生发展和动态演变规律,制定我国荒漠化宏观管理政策和措施等方面都具有重要意义。
2. 指标体系与评估方法
2.1. 指标体系
参考国外的评估指标体系和国家林业局调查规划设计院的“全国荒漠化和沙化监测技术规定” [10] 及征求专家意见基础上,结合我国荒漠化地区实际情况,将荒漠化监测与评估指标划分为植被信息,土壤信息,气候信息和社会经济水平四大类20个指标(见图1)。
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Figure 1. Monitoring and assessment indictor system of desertification in China
图1. 中国荒漠化监测与评估指标体系
2.2. 赋分标准
参照国外的评估指标赋分方法及征求专家意见基础上,结合我国荒漠化地区实际情况,对每个指标进行了赋分,赋分标准见表1。
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Table 1. Assignment criteria of monitoring and assessment indictor system of desertification in China
表1. 中国荒漠化监测与评估指标赋分标准
2.3. 评估公式
2.3.1. 评估类别危险等级、危险程度划分和评估得分
根据每个指标的赋分计算各类别的评估得分,计算公式如下:
(1)
其中Xp是各类别的评估得分,
;
是各指标评分,
,n是指标个数。
根据每个指标的赋分计算危险程度,危险程度是反映指标危险状况指标,百分比越大,反映该类别危险程度越高。计算公式如下:
(2)
其中Yi是各类别的危险程度,单位是%,
;
是指标评分,
,n是指标个数;
,
分别代表实际指标最大值和最小值,在本研究中最小值为1,最大值参考DIS4ME中各指标类别中的实际最大值,在植被指标中,
= 1.79580,在气候指标中,
= 2.51961,在土壤指标中,
= 2.24492,在社会经济水平中,
= 2.00000。在确定各类别评估等级标准基础上,根据危险程度和评估得分划分评估类别危险等级。
2.3.2. 评估区域荒漠化等级、荒漠化程度和荒漠化评估得分
荒漠化程度和荒漠化评估得分是反映评估区域的荒漠化水平指标,得分越大,反映该区域荒漠化水平越高。计算公式如下:
(3)
其中,Hp为荒漠化评估得分;Xp是各类别的评估得分。
(4)
其中,Hc为荒漠化程度,单位:%;Yq为各类别的危险程度,单位:%。
2.4. 评估类别危险等级和荒漠化评估等级标准
2.4.1. 评估类别危险等级
参照考国外的评估类别危险等级划分方法及征求专家意见基础上,结合我国荒漠化地区实际情况,制定4个评估类别的危险等级标准(见表2、表3、表4和表5)。
2.4.2. 荒漠化程度分级标准
参照国外的评估等级标准划分方法及征求专家意见基础上,结合我国荒漠化地区实际情况,制定荒漠化程度分级标准(见表6)。
3. 荒漠化监测与评估系统的开发
Microsoft Visual Studio (简称VS)是美国微软公司的可以面向对象的开发工具包系列产品,适用于无论是个人或者各种规模的软件开发。由于它操作简单,功能强大等特点,使得它成为目前最流行的Windows平台应用程序的集成开发环境。采用C#语言以Visual Studio为开发平台,运用各种控件开发了中国荒漠化监测与评估系统。
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Table 2. Hazard class standard of vegetation status
表2. 植被状况危险等级标准
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Table 3. Hazard class standard of climate status
表3. 气候状况危险等级标准
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Table 4. Hazard class standard of soil status
表4. 土壤状况危险等级标准
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Table 5. Hazard class standard of socio-economic level
表5. 社会经济水平状况危险等级标准
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Table 6. Severity level standards of desertification
表6. 荒漠化程度分级标准
3.1. 系统模块设计
所开发构建的系统分为五个功能模块:植被信息功能模块、土壤信息功能模块、气候信息功能模块、社会经济信息功能、数据汇总与分析功能模块,如图2所示。各功能模块分别对荒漠化监测的各模块信息进行输入及分析,最后数据汇总与分析功能模块进行汇总同时得出荒漠化程度评价。
3.2. 开发环境
本研究的荒漠化监测与评估系统采用Visual Studio 2012开发平台,混合了多种用不同语言编写的组件并使用了多种不同的部署结构,是构建荒漠化监测与评估系统的一个完善的开发环境。如图3所示为荒漠化监测与评估系统可视化开发界面,界面左边是工具箱栏,为系统构建提供多种控件和工具,中部为可视化的系统开发界面,右侧是解决方案资源管理器,主要用于管理系统构建解决方案的项目文件,包含建立系统的各窗体。
3.3. 操作窗口的设计
本系统将整个系统分为四个操作界面构建数据模型。每个界面主要由GroupBox和Label控件构建窗口框架,ComboBox控件构建指标下拉框选项,Button控件实现平价功能,最后通过改变Panel控件的背景颜色属性对荒漠化敏感度进行颜色分级。以下是各个信息模块的操作窗口,如图4至图7所示。
3.4. 操作按钮功能的实现
操作按钮的实现首先是通过if-then语句按照上述指标体系表格里的评分对各个指标进行赋值,然后
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Figure 2. Function module design of the monitoring and assessment system of desertification
图2. 荒漠化监测与评估系统功能模块设计
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Figure 3. Visual interface of the monitoring and assessment system of desertification
图3. 荒漠化监测与评估系统可视化开发界面
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Figure 4. Design of vegetation information form
图4. 植被信息窗口设计
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Figure 5. Design of climate information form
图5. 气候信息窗口设计
再根据上述公式中加以计算。为了更好更直观地显示各指标信息,在“评估”按钮中还加入了信息汇总功能。
Panel控件可以根据设计者设定的公式改变背景颜色属性,在设计中,将蓝绿黄红四种颜色分别表示非荒漠化、轻度、中度和重度四个等级,通过颜色的显示可以直观的感受到评估地区荒漠化程度,便于管理者更好的实现荒漠化管理,如表7所示。汇总窗口如图8所示。
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Figure 6. Design of soil information form
图6. 土壤信息窗口设计
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Figure 7. Design of socio-economic information form
图7. 社会经济水平信息窗口设计
4. 结论与讨论
本文在国内外研究基础上构建了一套适合中国的荒漠化监测与评估指标体系,参考国内外荒漠化监测与评估指标体系及征求专家意见基础上,并依托Microsoft Visual Studio的开发平台,运用C#编程语言编程,
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Table 7. Desertification level and representative color
表7. 荒漠化等级及代表颜色
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Figure 8. Summary window of desertification information
图8. 荒漠化信息汇总窗口
设计开发了荒漠化监测与评估系统。如将该系统与GIS等图形处理工具相结合,能够马上形成评估区域的荒漠化程度,可大大推动荒漠化防治工作的顺利开展。
与欧盟DESERTLINKS项目开发的DIS4ME系统 [9] 相比,本文构建的系统根据中国实践情况,把4大类别的气候、植被、土壤和管理水平修改为气候、植被、土壤和社会经济水平,评价指标从原来的12个指标修改为20个指标。针对人为因素是我国土地荒漠化主要原因的实际情况,把社会经济水平单列为一大类别,采用人口密度、人均收入、粮食单产(或载畜量)和能源利用方式4个指标反映社会经济水平在荒漠化发展中的作用;针对我国的荒漠化土地的风蚀、水蚀、盐渍化、冻融4大类型在土壤类别中增加了风蚀(积)面积比例、侵蚀沟面积比例、盐碱斑占地率、冻融侵蚀面积比例4个指标;考虑到管理水平中土地使用状况、政策执行度两个指标难以定量、操作性差等原因予以删除;气候类别删除了坡向指标,增加了年均气温变化率、风沙天数2个指标;植被类别增加了植被分布状况、生长状况两个指标等等,突出了植被分格局及生长情况在荒漠化土地中的作用,可以最大限度地满足我国荒漠化监测与评估工作需要。
2016年采用此系统对内蒙古自治区磴口县荒漠化状况开展了评估,获得了良好的评估效果。尽管如此,仍有许多问题待于进一步研究与完善,如在监测数据的存储方面有待完善,借助计算机和“3S”技术,系统在自动出图方面的功能仍值得探索等等。
基金项目
国家重点研发计划(2016YFC0501004)和国家自然科学基金项目(41371500)。