基于DEM的贛州市水土流失地形因子的提取與分析

徐珍+蔣婷+黎武+吳強(qiáng)建中

摘 要：該研究以SREMDEM30mDEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以ArcGIS10.2為軟件平臺(tái)，對(duì)坡度、坡長、地形粗糙度、地表切割深度、地形高程變異系數(shù)進(jìn)行了提取并分析。結(jié)果表明：贛州市坡度變幅為0°～70.7213°，坡長變幅為0～1187.34m，地形粗糙度集中在1～3.0234，地表切割深度集中在0～118.333，地形高程變異系數(shù)集中在0～1.1.8536。通過對(duì)水土流失地形因子的分析，為該區(qū)域水土流失防治提供一定的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水土流失；地形因子；DEM

中圖分類號(hào) S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）11-0104-04

Analysis and Selection of Topographical Indices Influencing Soil Loss in Ganzhou City

Xu Zhen et al.

（School of Land and Resources，China West Normal University，Nanchong 637000，China）

Abstract：Based on the DEM of ASTER GDEM with 30 meter resolution，and ArcGIS soft ware platform，topographic features，such as slope，slope length，surface roughness，surface incision and variance coefficient are extracted and analyzed. The result shows that the slope is the 0°～70.7213°；the slope length is the 0～1187.34m；the surface roughness is the1～3.0234；the surface incision is the 0～118.333；the variance coefficient is the 0～1.1.8536.Through the analysis of soil and water loss topographic factors，it provides some scientific basis for soil and water loss control in this area.

Key words：Soil loss；Topographical indices；DEM

地形要素是最基本的自然地理單元，地形的起伏與變化特征直接影響地表物質(zhì)遷移與能量轉(zhuǎn)換的方式、規(guī)模與速率，影響著水土流失的發(fā)生[1]。近年來，對(duì)于地形的分析主要基于地理信息技術(shù)對(duì)地形因子的提取，根據(jù)學(xué)者對(duì)地形因子的分類，主要分為微觀地形因子和宏觀地形因子兩類，其中微觀地形因子包括坡度、坡長、坡向、剖面曲率等；宏觀地形因子包括地形粗糙度、地形起伏度、高程變異系數(shù)、地表切割深度等[2]。

關(guān)于地形因子的研究主要源于美國的土壤侵蝕模型的建立，并且在微觀地形因子方面的研究較為廣泛[3]。在國內(nèi)的研究也在近年來逐漸廣泛，國外對(duì)于地形因子的研究均局限于坡面或溝道，學(xué)者根據(jù)地貌學(xué)意義與水土保持學(xué)意義的不同，從大尺度范圍進(jìn)行研究，主要選取了宏觀尺度上的地形指標(biāo)，對(duì)宏觀水土流失進(jìn)行評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)[4]。此外，提取技術(shù)上也不斷發(fā)展，通過DEM提取地形因子更為普遍，DEM能夠反映一定分辨率的局部地形特征，借助一定的算法，就能提取各種地形特征信息[5]。如對(duì)我國地貌基本特征的反映，DEM所提取的宏觀地形因子較為準(zhǔn)確，豐富了地貌實(shí)體形態(tài)的量化描述，為地貌形態(tài)分類提供了可靠依據(jù)[6]。為了研究區(qū)域地表破碎程度，地形因子的提取在不同地貌區(qū)域也得到了不同程度的運(yùn)用，喀斯特地貌區(qū)域[7]與黃土高原區(qū)域[8]得到了成功的驗(yàn)證，并且得出了區(qū)域的地貌分區(qū)圖，為地貌學(xué)研究提供了可靠的信息源。地形因子的提取漸趨成熟，在其實(shí)踐運(yùn)用上主要集中在梯田、居民點(diǎn)、耕地、公路等方面。綜上，地形因子的提取與分析對(duì)于地貌學(xué)研究具有不可忽視的作用。

雖然國內(nèi)外都利用DEM對(duì)不同地形因子的提取技術(shù)進(jìn)行了研究，但仍然集中在坡面地形參數(shù)的提取上，對(duì)于宏觀地形參數(shù)的提取則很少涉及。為此，本文基于DEM對(duì)影響水土流失的微觀地形因子與宏觀地形進(jìn)行提取且分析，從而對(duì)宏觀水土流失評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)工作起到推動(dòng)作用。

1 研究區(qū)概況

贛州市位于江西省南部、贛江上游，地理位置為北緯24°29′～27°09′，東經(jīng)113°54′～116°38′[9]。市境內(nèi)地帶性土壤為紅壤，地貌以丘陵和山地為主，兼有盆地，分別占全市土地總面積的61%、22%和17%[10]。地處中亞熱帶南緣，呈典型的亞熱帶丘陵山區(qū)濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫18.9℃，年均降水量1587mm[11]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源 本文以SREMDEM30m為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）。矢量數(shù)據(jù)源于國家科技基礎(chǔ)平臺(tái)的地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)提供的中國縣級(jí)行政區(qū)圖。以ArcGIS10.2為技術(shù)支撐，運(yùn)用掩膜提取工具對(duì)DEM進(jìn)行裁剪，得出完整的贛州市30m×30m分辨率DEM柵格數(shù)據(jù)[12]。

2.2 研究方法

2.2.1 坡度 坡度的提取通過ArcGIS10.2中3D分析工具→柵格表面→坡度工具得出。

2.2.2 坡長 坡長通過非累計(jì)匯流量的方法實(shí)現(xiàn)[13]，計(jì)算公式如下：

式中：L表示坡長（m），slope of DEM表示坡度，Lw表示流水長度。

2.2.3 地表粗糙度 地表粗糙度是指在一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)，地球表面積與其投影面積之比，它也是反映地表形態(tài)的一個(gè)宏觀指標(biāo)。在提取坡度的基礎(chǔ)上，在柵格計(jì)算器中根據(jù)公式計(jì)算地表粗糙度[14]：

式中：R表示地表粗糙度；[slope of DEM]表示坡度；π表示圓周率，取值3.14。

2.2.4 地表切割深度 地表切割深度是研究水土流失及地表侵蝕發(fā)育狀況的重要參數(shù)指標(biāo)，是指地面某點(diǎn)的領(lǐng)域范圍的平均高程與該領(lǐng)域內(nèi)最小高程的差值，其提取算法可參考地形起伏度的提取[15]，計(jì)算公式如下：

式中：Di表示地面每一點(diǎn)的地表切割深度，Hmean表示分析窗口的平均高程，Hmin值分析窗口中的最小高程值。

2.2.5 高程變異系數(shù) 高程變異系數(shù)是以格網(wǎng)單元頂點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差，與平均高程的比值來表示，反映了分析區(qū)域內(nèi)地表單元格網(wǎng)格頂點(diǎn)高程的變化情況[16]。計(jì)算公式如下：

式中：V為高程變異系數(shù)，S指統(tǒng)計(jì)區(qū)域的高程標(biāo)準(zhǔn)差，Z為統(tǒng)計(jì)區(qū)域高程的平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 微觀因子分析

3.1.1 坡度分析 坡度可反映宏觀區(qū)域內(nèi)地面的起伏程度，如圖1所示，贛州市坡度的變幅為0°～70.7213°，根據(jù)SL190-2007《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中地面坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將坡度分為6個(gè)等級(jí)（0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°）。其中0°～5°占總范圍的23.86%，5°～8°占15.58%，8°～15°占30.76%，15°～25°占23.42%，25°～35°占5.64%，>35°占0.75%。因此，該區(qū)域隨著坡度的不斷增大，所占范圍呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)，其中8°～15°的比重最大，>35°的比重最小。

3.1.2 坡長分析 坡長指坡面漫流的起點(diǎn)到坡度減小至有沉積發(fā)生位置的水平距離，或者到徑流匯聚的固定渠道的水平距離[17]，圖1中的坡長圖反映出贛州市坡長的變幅為0～1187.34m，通過自然間隔點(diǎn)分級(jí)法，得出贛州市的坡長分為5段，0m占總范圍的99.89%，0～56.221m占0.08%，56.221～127.279m占0.02%，127.279～381.838m占0.0061%，381.838～1187.34m占0.0008%。因此，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該區(qū)域坡長值較小，基本處于0～56.221m。

3.2 宏觀因子分析

3.2.1 地表粗糙度分析 地面粗糙度在一定程度上可以反映出地形地貌破碎化程度[8]，如圖2所示，我們可得知贛州市的地表粗糙度的變幅為1～3.0234，從整體上看地面粗糙度較大值主要分布在西、南邊，以及中間小范圍的區(qū)域。通過自然間隔點(diǎn)分級(jí)法，得出贛州市的地表粗糙度處于1～1.023之間占59.91%，1.023～1.07之間占27.47%，1.070～1.15之間占10.09%，1.150～1.300之間占2.27%，>1.30234占0.25%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，贛州市地表粗糙度隨著值的上升，所占范圍不斷減小，1～1.023之間的范圍最廣，占總范圍的1/2，>1.30234范圍最小。

3.2.2 地表切割深度分析 相對(duì)于地表起伏度，地表切割深度是針對(duì)于局部小范圍內(nèi)，地表垂直方向上割裂程度的示量[18]。根據(jù)圖2顯示，贛州市地表切割深度的變幅0～118.333，整體上看地表切割深度均較大，僅西北及西邊部分區(qū)域值較小，其他區(qū)域分布較為分散且范圍較小。通過自然間隔點(diǎn)分級(jí)法發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域地表切割深度可分為5級(jí)，0～4.780之間占總范圍的35.38%，4.780～9.250之間占29.76%，9.250～14.440之間占21.41%，14.44～21.90之間占10.77%，21.900～118.333之間占2.67%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，贛州市地隨著表切割深度的增大，范圍不斷減小，這與地表粗糙度結(jié)果較為相似，最大范圍為0～4.780，最小范圍為21.900～118.333。

3.2.3 地形高程變異系數(shù) 在DEM上的一定分析窗口內(nèi)，不同高程值的柵格點(diǎn)越多，地面高程變化和地面起伏頻率越大，越易發(fā)生土壤侵蝕。因此，也可用地形高程變異系數(shù)來表示地形變化的頻率大小，并將其作為宏觀尺度上的地形指標(biāo)之一[19]。根據(jù)圖2顯示，贛州市地形高程變異系數(shù)的變幅為0～1.1.8536，從整體出發(fā)，該區(qū)域的地形高程變異系數(shù)值基本較為均勻，僅在西邊小范圍值較大，其他區(qū)域僅有極小范圍出現(xiàn)較大值。通過自然間隔點(diǎn)分級(jí)法發(fā)現(xiàn)，將該區(qū)域地表切割深度分為5級(jí)，0～0.009之間占30.39%，0.009～0.018之間占40.94%，0.018～0.037之間占25.77%，0.037～0.098之間占2.87%，0.098～1.18536之間占0.03%，因此該區(qū)域隨著地形高程變異系數(shù)值的不斷增大，范圍呈先增大后減小趨勢(shì)，0.009～0.018之間范圍最廣，占該區(qū)域的3/5，而最小范圍出現(xiàn)在0.098～1.18536之間。

4 結(jié)論與討論

基于DEM進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，坡度、坡長作為微觀因子代表，地形粗糙度、地表切割深度、地形高程變異系數(shù)對(duì)于贛州市的地形反映較為準(zhǔn)確。各因子基本能反映地形信息，為贛州市資源環(huán)境研究提供了基礎(chǔ)的信息平臺(tái)，具有一定的指導(dǎo)意義。該區(qū)域?qū)儆诩t壤區(qū)域，水土流失較為嚴(yán)重，各個(gè)地形因子反映出贛州市地形較為破碎，坡度、地表切割深度、地形粗糙度值較大，土壤侵蝕較為嚴(yán)重，因而在水土保持方面應(yīng)加強(qiáng)重視。

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（責(zé)編：張宏民）