基于DEM的桐柏縣地形因素分析與評價

陳偉華+唐慶+王娜娜+羊秀娟

摘 要：淮河流域水土流失較為嚴重，而作為淮河源頭桐柏縣的水土流失量所占整個流域的比重較大。該文基于桐柏縣空間分辨率為30m的數字高程數據，運用Arcgis10.2軟件作為處理工具，提取該地區(qū)的地形因素（如坡度、坡向、粗糙度等）。研究該區(qū)域在同一分辨率下，淮河源頭的基本地形地貌特征。結果表明：桐柏縣域內地表的坡度和起伏度相對較大，坡向占區(qū)域的面積和地表的粗糙度較大，地形地貌破碎程度較高。這些地形特征的獲得為該地區(qū)的水土流失預防與治理提供依據，也為當地近年來的水土保持工作提供一定的參考。

關鍵詞：數字高程模型；坡度；坡向；粗糙度；桐柏縣

中圖分類號 S157.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）11-0112-03

數字高程模型作為研究空間變化的基礎數據，是地表形態(tài)的一種數字化表達，蘊含了豐富的地學應用分析所需要的基本地形地貌信息[1-2]。而地形因子是最基本的自然地理要素，能夠為研究與表達地貌形態(tài)特征提供一定的參數或指標[3]。地形因素的提取及分析與評價對于防治水土流失，土地利用規(guī)劃與管理[4]，農業(yè)結構的合理利用，水文地質災害的監(jiān)測控制及預防等都有其極其重要的作用。地形因素的提取方法大多基于數字高程模型（DEM），它能夠反映一定分辨率的局部地形特征[3，5-6]。通過從高分辨率的原始DEM數據中提取坡度、坡向、粗糙度等特征，能夠直觀地展示研究區(qū)域的基本地形地貌，為更好地分析區(qū)域水土流失的原因提供參考依據。

桐柏山區(qū)是淮河的源頭，同時也是淮河流域三大水土流失源地之一，但國內外對該區(qū)域的關注及研究內容較少。本文基于桐柏縣30m空間分辨率的數字高程數據，使用Arcgis10.2軟件提取相關因素對該區(qū)域的地形地貌進行分析與評價，從而揭示該區(qū)域產生水土流失的原因。

1 研究區(qū)概況

桐柏縣為淮河的發(fā)源地，地處河南省西南部，豫、鄂交界地帶，介于東經113°00′～113°49′，北緯32°17′～32°43′。境內海拔約80～1200m，桐柏山貫穿全境，地形以低山、丘陵為主。該區(qū)域屬北亞熱帶季風型大陸性溫濕氣候，干濕季分明，雨量豐沛，平均年降水量1168mm，年平均氣溫15℃，1月平均氣溫2°C，7月平均氣溫28℃，無霜期可達231d，年平均日照時數2027h。區(qū)內水系分屬淮河、長江兩大水系，以淮源鎮(zhèn)固廟村西嶺和大河鎮(zhèn)土門村的新坡嶺為分水嶺，東屬淮河流域，西屬長江流域。

2 數據與方法

2.1 數據來源 研究區(qū)采用空間分辨率為30m的數字高程數據，該數據來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/search）。同時使用Arcgis10.2軟件，對研究區(qū)數據進行鑲嵌拼接，從全國縣級行政區(qū)劃圖中提取桐柏縣的縣級區(qū)域，并通過掩膜提取的方式獲得桐柏縣的DEM數據（圖1）。

2.2 數據處理方法

2.2.1 建立高程值 由掩膜提取的方式獲得的DEM數據可知桐柏縣的高程值在80～1122m。東部、西部、東南部地勢較低，中部、東北和西南部地勢較高。西南部為構造剝蝕低山，北部多為剝蝕丘陵，東部有堆積剝蝕崗地，東南部和西北部多為河谷平原[7]（圖2）。

2.2.2 提取坡度并分類 坡度（slope）是地表單元陡緩的程度，通常是指坡面的垂直高度和水平面距離的比值。坡度作為地形因子最重要的指標，它的大小是導致水土流失最直接的因素[8]。利用ArcToolbox工具——3D Analyst工具——柵格表面——坡度功能來提取桐柏縣的坡度，并對得到的坡度圖層進行重分類（圖3、圖4）。

2.2.3 坡向提取 使用Arcgis10.2軟件中的表面分析工具來提取坡向，獲得相應的坡度圖層，所獲得的數據范圍在0～360°，正北方向為0。根據坡面投影方向的不同，將坡向分為平面、北、東北、東、東南、南、西南、西、西北9個方向。

2.2.4 地面粗糙度的提取 地面粗糙度是指在一個范圍內，地球表面積與其投影面積之間的比例，是衡量地表形態(tài)的一個宏觀指標[9]。在Arcgis10.2中，利用空間分析模塊下的表面分析工具提取坡度，得到桐柏縣的坡度數據圖層，同時使用空間分析中的柵格計算器，得到地面粗糙度數據圖層，計算公式采用1/Cos（slope*π/180），其中π取值為3.14。

3 結果與分析

3.1 高程 熱量和水分隨地面高程的變化會產生較大的差異，從而影響一定區(qū)域范圍內的土地利用方式。桐柏縣海拔在80～264m的區(qū)域基本上是以耕地和建設用地以及水域為主；而海拔在264m以上的區(qū)域，已不適合發(fā)展農業(yè)生產，土地利用方式以林地和草地為主；海拔在600m以上的區(qū)域，耕地面積極少，生態(tài)林居多。

3.2 坡度 在地形因素中，坡度是導致水土流失的重要因子，是決定地表徑流沖刷強度的基本因素[10]。相關研究表明，坡面的沖刷能力隨坡度的增大和徑流流速加快而增強，但增加到一定程度，坡面的受雨面積減少，坡面侵蝕反而減弱[11]。坡度可能導致重力侵蝕的發(fā)生，在一般情況下，坡度越大，坡面的穩(wěn)定性越差，發(fā)生重力侵蝕的可能性越大。本研究將坡度劃分為<5°、5～8°、8～15°、15～25°、25～35°、35～64.88° 6個級別，分別為微坡、較緩坡、緩坡、較陡坡、陡坡、急陡坡，計算6個坡度類別分別所占桐柏縣域的面積。由圖4可知，桐柏縣域內的坡度在5°以下的區(qū)域占桐柏縣域面積的1/2以上，地勢較為平坦，適合發(fā)展農業(yè)生產；坡度在5～25°的區(qū)域約占整個區(qū)域面積的1/3，農業(yè)發(fā)展受到一定的限制，較適宜發(fā)展林牧業(yè)，但容易產生強烈的侵蝕而增加發(fā)生水土流失的風險，需重點加以監(jiān)測；坡度在25°以上的區(qū)域占全區(qū)域的面積雖小，但地形起伏度較大，坡面容易失穩(wěn)而發(fā)生重力侵蝕，并不適于發(fā)展農林牧產業(yè)，同時還必須加以有效的關注，采取一定的措施來治理水土流失。

3.3 坡向 根據所得到的坡向圖層，分別計算各坡向等級所占桐柏縣整個坡向面積的比例如表1所示。由表1可知，陽坡占桐柏縣區(qū)域面積的40.15%，陰坡占33.31%。坡向與土壤水熱條件和植被生長狀況都有著密切的關系，也會對土壤侵蝕產生一定的影響。桐柏縣陽坡較陰坡接受到的太陽輻射較多，土壤中的空氣質量較為充足，但是陽坡的土壤水分和有機質含量的積累較差，土壤中的營養(yǎng)成分容易散失，導致陽坡的植物生長不良，植被覆蓋率降低。陰坡與陽坡環(huán)境條件相反，桐柏縣陰坡的濕度較低，植物生長所需的養(yǎng)分容易積累，不易散失，植被生長條件較好。

3.4 粗糙度分析 地面粗糙度可以在一定程度上反映地形地貌破碎化的程度[9]。由所得到的粗糙度圖層可知，桐柏縣域內的地表粗糙度介于1～2.353。按照自然斷點法可將粗糙度分為五級，其中一、二級粗糙度分別占總面積的79.11%、13.92%；三、四、五級粗糙度之和占總面積的比例較小，僅為6.98%。統計結果表明：一級粗糙度，即最低粗糙度所占面積最大，即表明桐柏縣大部分地區(qū)的地形地貌較為完整，破碎化程度較低；第三、四、五級粗糙度，即最高粗糙度所占面積較小，但由于桐柏縣域內因桐柏山區(qū)的存在，在一些地區(qū)地形地貌的破碎化程度較高（圖5）。

4 結論

本文通過提取桐柏縣的地形因素，研究了桐柏縣域內的地形地貌特征，對該區(qū)域發(fā)生水土流失的原因進行了分析。研究結果表明：桐柏縣域內地表的坡度和起伏度相對較大，為水土流失的發(fā)生提供了條件。同時，坡向占區(qū)域的面積較大，地區(qū)地表的粗糙度較大，地形地貌破碎程度較高，對該地區(qū)產生的水土流失具有一定程度的影響，為該地區(qū)的水土流失預防與治理提供一定的參考。另一方面，桐柏山區(qū)的生態(tài)環(huán)境較為脆弱，潛在的水土流失及危害程度較高，部分地區(qū)還存在著滑坡、山洪等方面的地質災害，應加強對這方面的監(jiān)測與預防。

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（責編：張宏民）