GIS和RS技術(shù)在新疆黑山礦區(qū)土壤侵蝕中的應(yīng)用

周寧

【摘 要】論文探討了將地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）與遙感技術(shù)（RS）相結(jié)合，對(duì)新疆黑山礦區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕分析。介紹了DEM的獲取方法，及通過(guò)ArcGIS空間分析模塊分別計(jì)算得出地形坡度圖、坡向圖和曲率圖，并敘述了曲率圖在黑山礦區(qū)土壤侵蝕分析中的作用，為黑山礦區(qū)治理水土流失，進(jìn)行生態(tài)建設(shè)提供依據(jù)。

【Abstract】This paper combined the geographic information system （GIS） technology with remote sensing （RS） to analyse the soil erosion in Xinjiang Heishan mining area. Paper also introduces the DEM acquisition method， and calculating the terrain slope map， exposure map and curvature map by ArcGIS spatial analysis module， describes the role of curvature diagram in the analysis of soil erosion in Heishan mining area， providing a reference for controlling water and soil loss and the ecological construction in Heishan mining area.

【關(guān)鍵詞】GIS；RS；生態(tài)建設(shè)；土壤侵蝕

【Keywords】GIS； RS； ecological construction； soil erosion

【中圖分類號(hào)】X53 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）03-0108-02

1 引言

數(shù)字高程模型（DEM）是地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）與遙感技術(shù)（RS）進(jìn)行地形分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。到20世紀(jì)80年代后期，DEM數(shù)據(jù)才廣泛地應(yīng)用于提取地形因子，如坡度、坡向、谷脊特征分析、高程變異、水系、河網(wǎng)密度等。隨著國(guó)家近年來(lái)對(duì)礦區(qū)生態(tài)建設(shè)的高度重視，GIS技術(shù)和RS技術(shù)被逐漸應(yīng)用到礦區(qū)的生態(tài)建設(shè)中[1]。但是，目前對(duì)礦區(qū)生態(tài)建設(shè)的應(yīng)用研究還比較少，論文正是基于此而進(jìn)行研究和探討的。

論文在建立DEM的基礎(chǔ)上，采用GIS軟件進(jìn)行研究區(qū)地形地貌的分析及其在土壤侵蝕分析中的應(yīng)用。

2 研究工作的準(zhǔn)備階段

研究準(zhǔn)備階段主要包括兩個(gè)部分：基礎(chǔ)資料的獲取和DEM數(shù)據(jù)制作。

2.1 基礎(chǔ)資料的獲取

研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料來(lái)源為1：50000（基本等高距為10m）國(guó)家基本地形圖，1980年西安坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程標(biāo)準(zhǔn)，高斯—克呂格投影。林區(qū)地理坐標(biāo)范圍：東經(jīng)：87°21′30″～87°38′30″，北緯：43°12′30″～43°16′00″。礦區(qū)面積15730.87hm2，最低海拔2365m，最高海拔3023m。研究區(qū)地處天山中段以北的山間谷地（俗稱通溝），北依約喀坑艾代山，南臨末日洛克山、黑山。東西較開(kāi)闊，地勢(shì)北高南低，西高東低。屬于高山草原及半荒漠區(qū)[2]。

2.2 DEM數(shù)據(jù)制作

數(shù)字高程模型的表示和制作的方法種類較多，本研究采用的是地形圖數(shù)據(jù)源，由等高線構(gòu)建TIN生成DEM的方法。這種方法的首要步驟是由等高線生成TIN。TIN是表面上的結(jié)點(diǎn)和邊形成的三角面說(shuō)構(gòu)成的網(wǎng)[3]。當(dāng)生成TIN后，則可以使用插值工具將TIN數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插計(jì)算生成網(wǎng)格DEM（轉(zhuǎn)換成30m分辨率的柵格數(shù)據(jù)）。

3 基于DEM的地形特征提取

美國(guó)ESRI公司開(kāi)發(fā)的ArcGIS地理信息平臺(tái)是目前GIS行業(yè)中最具有代表性的產(chǎn)品，它具有完善的數(shù)據(jù)錄入和空間分析功能。論文主要利用其中的空間分析模塊，對(duì)研究區(qū)DEM的地形特征進(jìn)行提取和分析。

3.1 坡度

坡度表示的是地表面在該點(diǎn)的傾斜程度，是指過(guò)該點(diǎn)的切平面與水平地面的夾角[4]。采用擬合曲線面法求解坡度是目前所采用的最佳方法，擬合曲線面法采用二次曲面。在ArcGIS的空間分析模塊中，提取坡度有兩種表示方法：①用“度”來(lái)表示，即水平面與地面夾角；②用“坡度百分比”來(lái)表示，即高程增量與水平增量之比的百分?jǐn)?shù)。

3.2 坡向

坡向又稱坡面傾斜角，是指地表面上一點(diǎn)的切平面的法線矢量在水平面的投影與過(guò)該點(diǎn)的正北方向的夾角。坡向表征了地面一點(diǎn)高程值改變量的最大變化方向。在ArcGIS提取坡向，所得數(shù)據(jù)取值范圍為0°～360°，正北方向?yàn)?°，按順時(shí)針?lè)较蛴?jì)算[5]。

3.3 曲率

ArcGIS的曲率工具用于計(jì)算坡度的坡度（表面的二階導(dǎo)數(shù)），即表面的指定部分是凸還是凹。表面的凸出部分（如山脊）通常不會(huì)被遮擋，這些部分的水流將流向其他區(qū)域。表面的凹入部分（如河道）通常會(huì)被遮擋，其他區(qū)域的水流將流向凹入部分。曲率工具有兩個(gè)可選變化形式：平面曲率和剖面曲率。這些工具主要用于反映地形對(duì)水流和侵蝕的影響。剖面曲率將影響水流的加速和減速，進(jìn)而影響到侵蝕和沉積。平面曲率將影響水流的匯聚和分散[6，7]。

4 結(jié)果與分析

4.1 坡度分析

借助ArcGIS空間分析模塊，并借助其重分類工具，可以得到研究區(qū)坡度分級(jí)的面積統(tǒng)計(jì)表和坡度分布圖，研究區(qū)以緩坡平地為主，坡度由東到西逐漸增加，坡度<5°的區(qū)域主要分布在研究區(qū)的東部，坡度在15°以上的區(qū)域主要分布在研究區(qū)西北部，占研究區(qū)面積的12.79%[8]。

4.2 坡向分析

同樣，可以得到研究區(qū)的坡向分級(jí)面積統(tǒng)計(jì)表和坡向分布圖，從而可以得出，研究區(qū)的坡向以0～90°和90～180°的半陽(yáng)坡和陽(yáng)坡為主，占到了研究區(qū)面積的67.38%。270～360°的陰坡面積占到研究區(qū)面積的11.87%。

4.3 曲率分析

研究區(qū)的曲率分布圖見(jiàn)圖1。單純分析研究區(qū)的曲率是沒(méi)有實(shí)際意義的，曲率通常與植被蓋度數(shù)據(jù)結(jié)合，來(lái)分析研究區(qū)的土壤侵蝕現(xiàn)狀（分析方法另述）。研究區(qū)的土壤侵蝕現(xiàn)狀見(jiàn)圖2。

從圖1和圖2的對(duì)照分析中，可以看出地形曲率與土壤侵蝕強(qiáng)度的密切關(guān)系：向上凸起值和朝上凹入值高的區(qū)域，土壤侵蝕強(qiáng)度都在中度侵蝕以上，地形曲率的絕對(duì)值在3以上的區(qū)域，土壤侵蝕為強(qiáng)度侵蝕和極強(qiáng)度侵蝕。而地形曲率絕對(duì)值在0～1之間的區(qū)域，土壤侵蝕為微度侵蝕。

5 結(jié)語(yǔ)

論文探討了GIS及RS技術(shù)在新疆黑山礦區(qū)土壤侵蝕分析中的應(yīng)用途徑及方法。隨著今后礦區(qū)的發(fā)展和相關(guān)部門對(duì)礦區(qū)生態(tài)建設(shè)重視度的不斷提高，RS及GIS等地理信息空間分析技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)建設(shè)中會(huì)成為一種必要的評(píng)價(jià)途徑和方法。

【參考文獻(xiàn)】

【1】周啟鳴.數(shù)字地形分析[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

【2】趙靜.ArcGISEngine在林種區(qū)劃專家支持系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（03）：78-79.

【3】畢華興，譚秀英，李笑吟.基于DEM的數(shù)字地形分析[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（2）：49-53.

【4】原立峰，李發(fā)源，張海濤.基于柵格DEM的地形特征提取與分析[J].測(cè)繪科學(xué)，2008，33（6）：86-89.

【5】劉學(xué)軍，等.DEM結(jié)構(gòu)特征對(duì)坡度坡向的影響分析[J].地理與地理信息科學(xué)，2004，20（6）：77-78.

【6】熊立華，郭生練.利用DEM提取地貌指數(shù)的方法評(píng)述[J].水科學(xué)進(jìn)展，2002，13（6）：775-780.

【7】周云軒，王磊.基于DEM的GIS地形分析的實(shí)現(xiàn)方法研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2002（12）：50-54.

【8】湯國(guó)安，趙牡丹，李天文，等.DEM提取黃土高原地面坡度的不確定性[J].地理學(xué)報(bào)，2003，58（6）：824-830.