基于GIS的冀北接壩山地地形特征數(shù)值研究

劉 玲，趙廷寧，鄭文龍，楊寶臣，劉進(jìn)來

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院教育部水土保持與荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;2.豐寧滿族自治縣小壩子鄉(xiāng)政府，河北 豐寧 068350;3.河北省千松壩林場，河北 豐寧 068350)

小壩子位于冀北接壩山地，處于內(nèi)蒙古高原和燕山山地的連接地帶，屬于半干旱的農(nóng)牧交錯(cuò)帶，是典型的環(huán)境脆弱帶。小壩子鄉(xiāng)是距北京最近的沙源區(qū)之一，也是京津地區(qū)重要的生態(tài)屏障，具有極為重要的生態(tài)位勢［1－2］。對小壩子鄉(xiāng)的地形因素進(jìn)行分析，可為今后治理土地荒漠化和沙化、恢復(fù)建設(shè)小壩子鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

基于DEM的地形特征信息提取技術(shù)是應(yīng)用GIS從DEM中自動(dòng)提取地球表面形態(tài)特征信息的地學(xué)分析技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)、地理、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、城市建設(shè)以及區(qū)域規(guī)劃等眾多領(lǐng)域，對于理解地球表面形狀具有重要的意義［3］。近幾年基于GIS的數(shù)字地形分析應(yīng)用比較廣泛，本研究以小壩子為例，選擇能突出反映該地區(qū)地形特征的坡度、坡向、水文網(wǎng)等指標(biāo)，應(yīng)用GIS對冀北接壩山地做地形特征分析，并基于DEM數(shù)字地形分析自動(dòng)提取河流網(wǎng)絡(luò)，生成了該區(qū)水文網(wǎng)分布圖。

1 研究區(qū)概況

小壩子鄉(xiāng)地處豐寧滿族自治縣西北部，位于接壩地區(qū)，屬壩緣山地，北連壩上高原，南接冀北山地丘陵區(qū)，是高原與山區(qū)的過渡地帶。全鄉(xiāng)土地總面積325.4km2，地理位置為北緯41°22'8″—41°34'6″、東經(jīng)116°12'49″—116°29'30″，為典型的大陸性季風(fēng)型半干旱氣候，屬接壩冷溫氣候類型區(qū)，年平均降水量409.3 mm，年平均氣溫為2.5～3.4℃，年4級以上風(fēng)日數(shù)210d左右，8級以上大風(fēng)日數(shù)最高可達(dá)65 d。研究區(qū)土壤以棕壤為主，褐土、潮土、黃土、沙黃土為輔，以北梁為中心到小壩子村以及河谷灘地分布有風(fēng)沙土。研究區(qū)森林植被屬中溫帶落葉闊葉林，主要林種有油松、白樺、山楊、山杏、櫟類等，灌木以錦雞兒、歐李、酸棗、荊條等為主，草本植物多蒿屬、禾本科、地椒等。河谷盆地內(nèi)多為人工栽培的楊、柳、榆、槐等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本研究采用比例尺為1∶50000的豐寧小壩子地形圖，經(jīng)掃描矢量化后得到數(shù)字等高線圖，等高距為10m，數(shù)據(jù)格式為shp;針對地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)查錯(cuò)和拓?fù)錂z查以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，數(shù)字化處理并標(biāo)注高程值，輸出為shp格式，在Arc－GIS9.3中打開編輯。數(shù)字化的地形圖需要在ArcGIS9.3中進(jìn)行柵格配準(zhǔn)和矢量配準(zhǔn)，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 DEM的構(gòu)建

格網(wǎng)DEM生成主要采用等高線構(gòu)建TIN法，即在ArcGIS 9.3的工作平臺(tái)下，利用地形分析功能，由等高線建構(gòu)TIN，由TIN線性內(nèi)插生成GRID。由于矢量等高線的范圍比研究區(qū)范圍要大，內(nèi)插TIN生成的DEM范圍要比行政區(qū)劃界線的范圍大，因此最后需要對生成的DEM進(jìn)行裁剪來消除多余的邊界，對格網(wǎng)DEM進(jìn)行空間濾波獲取DEM。

2.3 地形因子的提取與分析

2.3.1 坡度與坡向

地面坡度是反映地表斜面對水平面的傾斜程度的量值，對研究地貌過程和了解地貌發(fā)育有重要作用。坡度的大小制約著土壤侵蝕的強(qiáng)度，決定著水土保持措施的布設(shè)方式，關(guān)系著土地利用的方向及其規(guī)劃。在GIS軟件中，坡度是指GRID中像素高程值的變化率，計(jì)算結(jié)果以度、小數(shù)或百分?jǐn)?shù)的形式存放在像素屬性中;坡向是指GRID中每個(gè)像素面的朝向，范圍為0～360b，其中0b代表北，90b代表東等。迄今為止，坡度和坡向的計(jì)算方法可歸納為5種:四塊法、空間矢量分析法、擬合平面法、擬合曲面法、直接解法。經(jīng)證明，擬合曲面法是求解坡度的最佳方法，擬合曲面法一般采用二次曲面。以格網(wǎng)DEM為基礎(chǔ)，利用ArcGIS9.3的GRID模塊的地形分析功能，派生坡度、坡向圖，并對坡度進(jìn)行分級，生成分級圖。

2.3.2 地形起伏度

地形起伏度對地表植被覆蓋度、土壤含水量分布等起基礎(chǔ)控制作用，還影響地理系統(tǒng)中幾乎一切能量交換過程與物質(zhì)交換過程。在GIS空間分析中，地形起伏度是指在所指定的分析區(qū)域內(nèi)所有柵格中最大高程與最小高程的差。地形起伏度的提取是在ARC/INFO的GRID模塊支持下，采用空間分析中的表面分析工具完成的。

2.3.3 水文網(wǎng)

在ArcGIS的支持下，在DEM基礎(chǔ)上通過水文分析工具對研究區(qū)的水文網(wǎng)進(jìn)行提取，同時(shí)可以提取洼地區(qū)域。利用DEM生成的集水流域和水流網(wǎng)格，可以作為大多數(shù)地表水文分析模型的主要輸入數(shù)據(jù)。地表水文分析模型可用于研究與地表水流有關(guān)的各種自然現(xiàn)象和環(huán)境問題，例如洪水水位及泛濫情況，劃定污染影響區(qū)，預(yù)測某一地區(qū)的地貌改變等。

3 結(jié)果與分析

3.1 DEM及海拔分析

根據(jù)小壩子等高線建構(gòu)的DEM圖(圖1)，以格網(wǎng)DEM為基礎(chǔ)，利用ArcGIS9.3的GRID模塊的地形分析功能，派生坡度、坡向圖，并對坡度進(jìn)行分級，生成分級圖。

圖1 研究區(qū)DEM圖

據(jù)格網(wǎng)DEM統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)域面積為316.40km2，平均海拔1294.87 m，中位高程為1330m，最大高程2060m，46.7%的區(qū)域高程在1339 m以上，高程分級及其面積分布情況見表1。該區(qū)域平均海拔大于1000m，地勢起伏較大，是向北部壩上高原過渡的接壩山地地區(qū)。

表1 研究區(qū)各級高程統(tǒng)計(jì)

3.2 坡度分析

不同的地貌類型，存在相應(yīng)的地面坡度組合特征。坡度分級應(yīng)該能有效地反映實(shí)際地面的坡度組合特點(diǎn)。合理的坡度分級，應(yīng)有效地反映該地區(qū)的地形地貌規(guī)律，便于進(jìn)行水土流失規(guī)律研究，便于進(jìn)行水土保持措施及農(nóng)、林、牧生產(chǎn)措施的布設(shè)。土壤侵蝕量的大小受地面坡度大小的制約，因?yàn)閺搅魉俣葲Q定侵蝕量的大小，而徑流速度又與坡度的平方根成正比，所以，土壤侵蝕量同地面的坡度值關(guān)系密切。

根據(jù)我國水力侵蝕強(qiáng)度分級指標(biāo)［4］中面蝕分級標(biāo)準(zhǔn)，將坡度分為5 個(gè)等級:5°—8°、8°—15°、15°—25°、25°—35°、＞35°，而＜5°的區(qū)域?yàn)椴灰装l(fā)生面蝕的平地或微坡地。通過對坡度分級統(tǒng)計(jì)(見表2)，小壩子陸域＜5°的平地和微坡面僅38.81km2，占研究區(qū)的12.27%，而＞15°的陡坡、峻坡和峭坡的面積達(dá)205.73km2，占65.02%，其中＞25°的面積為96.92km2。通過ArcGIS9.3空間分析工具進(jìn)行坡度分析，生成面蝕分級標(biāo)準(zhǔn)下的坡度分級圖(圖2)。

表2 面蝕分級標(biāo)準(zhǔn)坡度分級統(tǒng)計(jì)

圖2 研究區(qū)坡度分級

3.3 坡向分析

坡向圖層通過ArcGIS中的Spatial Analyst工具中的DEM模型坡向提取操作(Aspect)實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)提取坡向分析圖分為平坦、東、西、南、北、東北、東南、西南、西北，結(jié)果見圖3。本研究根據(jù)地形等情況，以正北方向?yàn)?°將提取的坡向從0°到360°按順時(shí)針方向分為陰坡、半陰坡、陽坡、半陽坡4個(gè)等級，同時(shí)－1代表地勢平坦區(qū)域。坡向?qū)τ谔栞椛涞难芯烤哂兄甘疽饬x，同時(shí)也對植被分布和植被建設(shè)有重要影響。

圖3 研究區(qū)土地坡向分級

3.4 起伏度分析

地形起伏度是特定區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)海拔與最低點(diǎn)海拔的差值，是反映地形起伏的宏觀地形因子，現(xiàn)已成為劃分地貌類型的一個(gè)重要指標(biāo)。利用DEM數(shù)據(jù)提出地形起伏度能夠直觀地反映地形起伏特征。

地形起伏度的具體提取方法為:激活DEM數(shù)據(jù)，使用Spatial Analysis下的柵格鄰域計(jì)算工具Neighborhood Statistics進(jìn)行鄰域的計(jì)算。設(shè)置Statistic type得到DEM的最大值和最小值層面;使用柵格計(jì)算器Calculator，將最大值和最小值相減，即可得到一個(gè)新層面，其每個(gè)柵格的值是以這個(gè)柵格為中心的確定鄰域的地形起伏值。

從GRID模塊提取的起伏度圖可以看出，小壩子地形起伏與地勢及坡度具有明顯的相關(guān)性，同時(shí)與坡度的分布也有明顯關(guān)系，整個(gè)研究區(qū)起伏度在0—265.5m之間，平均值為64.1m。研究區(qū)地形起伏度分級及相應(yīng)面積比例見表3。

表3 研究區(qū)地形起伏度分級統(tǒng)計(jì)

起伏度的提取是通過對柵格DEM進(jìn)行鄰域分析，求得最大值與最小值的差值從而求得的，對分析得到的地形起伏度進(jìn)行重新分類，得到地形起伏度專題圖，如圖4所示。

圖4 研究區(qū)地形起伏度分級

3.5 水文網(wǎng)分析

根據(jù)研究區(qū)DEM圖進(jìn)行水文要素分析，生成水流方向分布圖、洼地分布圖、洼地深度圖、填充洼地生成的無洼地DEM圖、匯流累積量圖。

根據(jù)水文分析工具可以得到基礎(chǔ)的數(shù)據(jù):研究區(qū)內(nèi)水流方向圖和無洼地的DEM。在此基礎(chǔ)上得到匯流累積量圖，根據(jù)匯流累積量分級，最終生成該區(qū)域的溝谷水文網(wǎng)分布圖(見圖5)，并且通過河網(wǎng)長度計(jì)算得到水文網(wǎng)密度是351m/km2。

圖5 研究區(qū)水文網(wǎng)分布

通過研究區(qū)水文網(wǎng)分布圖可以看到研究區(qū)自西北到東南地勢低洼，匯流累積量增加，河網(wǎng)匯流逐漸集中。河網(wǎng)集中的地區(qū)其水力侵蝕強(qiáng)度大，并且水成沙的可能性增加，所以是該區(qū)加強(qiáng)水保措施以及防風(fēng)固沙的重點(diǎn)位置。

小壩子鄉(xiāng)境內(nèi)發(fā)育潮河二級支流(小西河)，從海子溝開始，流向東南，經(jīng)喇嘛山入潮河一級支流，再經(jīng)四間房、土城入潮河主流，然后途經(jīng)大閣、南關(guān)、長閣、黑山嘴、窄嶺、天橋進(jìn)入河北灤平，出河北省后注入密云水庫。根據(jù)水文網(wǎng)分析，匯流累積形成的河網(wǎng)與小西河的分布情況基本一致。

4 結(jié)論

綜上研究，小壩子地勢西北部略高，西北到東南方向形成河網(wǎng)流向。受地質(zhì)構(gòu)造線控制和流水的侵蝕作用，在山脊之間和山區(qū)內(nèi)形成了許多大小不一的串珠狀河谷地形。復(fù)雜的地形對于研究區(qū)的沙漠化防治、植被、交通、經(jīng)濟(jì)等會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，地形分析意義重大。

本次研究基于ArcGIS9.3對研究區(qū)進(jìn)行了地形分析，并通過DEM圖進(jìn)行了高程分析;在DEM基礎(chǔ)上通過空間分析生成不同坡度分級圖，統(tǒng)計(jì)了各坡度分布面積;生成坡向分級圖，得到了地勢起伏度分級圖。進(jìn)一步做出水文分析，最終生成河網(wǎng)分布圖，并通過計(jì)算得到研究區(qū)水文網(wǎng)密度值。這些結(jié)果的獲得可為流域規(guī)劃方案的制定提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，有助于區(qū)域水土保持部門因地制宜地制定出合理的水保措施。

［1］孫少游，王賢會(huì)，王秀茹.豐寧滿族自治縣小壩子鄉(xiāng)接壩山地沙地起源及成因研究［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009，13(2):292－295.

［2］郭雨華，趙廷寧，孫保平.河北豐寧小壩子鄉(xiāng)土地沙化成因分析及對策研究［J］.水土保持應(yīng)用技術(shù)，2006，4(10):18－21.

［3］方磊，劉文兆，李懷有.基于GIS的黃土高原溝壑區(qū)硯瓦川流域地形特征提取與分析［J］.水土保持研究，2010，17(3):7－11.

［4］SL190—2007，土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］石嵐，徐麗娜，關(guān)作正.利用地統(tǒng)計(jì)分析及GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)流域面雨量預(yù)報(bào)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，29(12):115－117.

［6］趙牡丹，湯國安，陳正江，等.黃土丘陵溝壑區(qū)不同坡度分級系統(tǒng)及地面坡譜對比［J］.水土保持通報(bào)，2002，22(4):33－36.

［7］張秀英，馮學(xué)智.基于數(shù)字地形模型的山區(qū)太陽輻射的時(shí)空分布模擬［J］.高原氣象，2006，25(1):123 －127.

［8］謝陽生，唐小明，黃水生.基于GIS太陽直接輻射模型的研究［J］.林業(yè)科學(xué)研究，2003，16(1):8－12.

［9］陳芬，陳文惠.基于GIS的福建省地形分析［J］.華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32(2):185 －188.