基于DEM的井岡山市地形因子分析

徐珍, 蔣婷, 黎武, 吳強建中

(西華師范大學 國土資源學院,四川 南充 637000)

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基于DEM的井岡山市地形因子分析

徐珍, 蔣婷, 黎武, 吳強建中

(西華師范大學 國土資源學院,四川 南充 637000)

地形作為影響土壤侵蝕的重要因素之一，對土壤侵蝕的方式及強度具有控制作用。通過對地形因子的計算和分析，為土壤侵蝕防治及治理提供一定的參考，同時為水土流失評價提供科學依據?；贒EM(數字高程模型)提取坡度、坡長、LS因子等地形指標且計算地形起伏度，分別探究不同分辨率、不同地形下地形因子的差異性。結果表明：(1)90 m、60 m、30 m不同分辨率下，坡度、坡長、LS因子均存在差異，隨著分辨率不斷升高，地形起伏度增大，地形趨于崎嶇。(2)平原、丘陵、小起伏山地不同地形下，坡度最大值小起伏山地>丘陵>平原；坡長最大值平原>丘陵>小起伏山地；LS因子最大值丘陵>小起伏山地>平原，DEM分辨率以及地形起伏度對于地形因子均具有較為明顯的影響。

DEM；地形因子；坡度；坡長；LS因子

地形因子是反映地形地貌對土壤侵蝕量影響的重要指標，因此各類土壤侵蝕評估模型將地形因子作為影響評估結果的重要因素之一[1]。坡度、坡長、LS因子作為地形因子中常用的指標要素，在地形因子分析中得到廣泛應用[2- 3]。從坡度、坡長、LS因子的統(tǒng)計和空間分布特征的角度，基本可體現出該地區(qū)的塬面、塬坡、現代溝坡和川地等地貌特征。地形因子盡管可以分成坡度和坡長等，而在侵蝕預測應用中，坡度和坡長一般一起評價計算[4]。而LS 因子是USLE等模型中地形對土壤侵蝕影響的復合地形指標[5]。根據Moore(1986) 的研究，LS 因子代表地表徑流的挾沙能力[6]。根據前期的理論研究和技術開發(fā)可提取LS因子，該因子具有一定科學性，可滿足土壤侵蝕的宏觀評價要求[7]。劉寶元根據中國實測數據將坡度和坡長因子算法進行了推廣，并改進了LS因子算法，對于我國的地形因子以及土壤侵蝕模型的計算具有實際意義[4]。

基于土壤侵蝕模型的建立與廣泛運用，國內對地形因子展開了大量的研究[8]?；谌珖牡匦我蜃犹崛∨c分析，黃土丘陵溝壑區(qū)坡長最短、坡度較大；東北丘陵區(qū)坡長較長、坡度小、LS 因子較?。欢戏郊t壤丘陵區(qū)和西南紫色土丘陵區(qū)坡長較短、坡度較大[9]。區(qū)域尺度上的地形因子也較為廣泛，蘆山地震重災區(qū)內地形因子是山地災害危險性評價的重要因子，坡度大于25°的面積占區(qū)域總面積的73. 89%，起伏度大于500 m的占87. 41%[10]；以及以贛南地區(qū)為研究區(qū)分析該區(qū)域侵蝕地形因子對南方紅壤區(qū)水土流失的影響，得出平原和典型丘陵區(qū)坡長較小，而在山地較大；平原的坡度和LS因子均最小，典型丘陵次之，山地最大[11-12]。國內大多學者研究了地形因子的分布與影響，認識到其對土壤侵蝕的重要性，但少見關于地形因子空間分布的研究。

在坡面尺度上，可通過實測的方法對坡度和坡長進行測量并計算出LS 因子[8, 13]。但是，在小流域和區(qū)域尺度上，通過對坡度和坡長的實地測量來進行評價較為不實際，因此目前LS 因子只能通過DEM進行提取[13]。本文的主要目標在于：(1)基于DEM，通過不同分辨率分析該區(qū)域地形因子的分布及區(qū)別；(2)基于DEM，根據不同地形分析該區(qū)域地形因子分布及區(qū)別。地形因子作為土壤侵蝕過程的重要因子，分析地形因子的分布及區(qū)別為該區(qū)域的土壤侵蝕的研究提供一定的參考依據。

1 研究區(qū)概況

井岡山市(26°13′04″ ～26°52′30″N，113°59′12″ ～114°18′28″E)地處歐亞大陸東南部，位于中國大陸第三級地形，處于中國揚子古板塊與華夏古板塊結合帶的南東側，也是長江以南和南嶺以北的羅霄山脈南北向構造帶的核心地段，北與紹興-江山-萍鄉(xiāng)斷裂帶和江南新元古代造山帶相望，南與麗水-政和-大埔斷裂帶和東南沿海晚中生代花崗質火山-侵入雜巖帶相接[14]。井岡山市屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫17.1 ℃，極端最低氣溫-8.9 ℃[15]。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本文以SREMDEM30m為基礎數據，數據來源于地理空間數據云(http://www. gscloud.cn/)。矢量數據源于國家科技基礎平臺的地球系統(tǒng)科學數據共享平臺提供的中國縣級行政區(qū)圖[16]。以ArcGIS10.2為技術支撐，運用掩膜提取工具對DEM數據進行裁剪，得出完整的井岡山市30m×30m分辨率DEM 柵格數據，進而運用數據管理工具→柵格處理→重采樣工具獲得60m×60m和90m×90m的柵格數據。

2.2 起伏度的計算

運用ArcGIS10.2中的鄰域分析工具以及窗口分析法對DEM提取地形起伏度，起始窗口為3×3,5×5…65×65，移動步距為2，終止窗口為65，窗口類型為矩形。進而通過均值變點法對統(tǒng)計單元進行計算，目視解譯得出最佳統(tǒng)計單元[16]。

2.3 地形因子的計算

通過ArcToolbox→3D Analyst工具→柵格表面→坡度提取該區(qū)域坡度，并采用最大坡降計算得出坡長。學者劉寶元根據國內的水土流失情況，對RULSE土壤侵蝕模型進行改進得出中國水土流失方程(CSLE)[17]：

其中：S為坡度因子；θ為坡度值；L為坡長因子；λ為坡長(m); 22.1為22.1標準小區(qū)坡長；m為坡長指數，根據坡度不同取值不同。

3 結果與分析

3.1 不同分辨率分析

3.1.1 坡度的分布

坡度作為影響地表徑流量的大小和流速的直接因素，同時也影響著地表徑流的沖刷能力，因此坡度因子是研究地貌與土壤侵蝕的重要因素之一[18]。根據SL190-2007《土壤侵蝕分類分級標準》中地面坡度分級標準，將坡度分為6 個等級(0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°)。不同分辨率的 DEM 包含的信息量不同，隨著DEM分辨率的降低以及數據處理過程信息的丟失，其所包含的信息量會出現不同程度的損失，因此通過對比不同DEM分辨率所獲得的信息，可以計算出DEM的損失量[19]。通過結果表1可以看出，不同分辨率下的坡度分布差異較大，該區(qū)域坡度主要分布在15°～25°之間，占總分布的1 / 3左右。當坡度≤25°時，隨著DEM的降低，損失量為負數；而當坡度>25°時，損失量為正數。由此可知隨著分辨率的降低，地形趨向平坦化，起伏逐漸減小。從表2可知，30m×30m作為DEM的基礎分辨率，隨著分辨率的降低，坡度最大值、平均值、標準值均逐漸減小。

表1 不同分辨率坡度分布結果

表2 不同分辨率坡度基本統(tǒng)計 (°)

3.1.2 坡長的分布

坡長是反映坡面發(fā)育的重要因子之一，從宏觀角度上能夠反映出地形坡面的基本特征；同時作為反映土壤侵蝕與地貌形態(tài)因子的重要指標之一，也是反映地表的破碎程度和侵蝕狀況的因子之一[13]，因此被廣泛應用。結合該區(qū)域的坡長分布特點，將該區(qū)域坡長分為<150 m、150～250 m、250～350 m、350～450 m、450～550 m、≥550 m六種類型。根據不同分辨率坡長分布結果反映，不同分辨率下坡長分布具有差異，該區(qū)域坡長主要分布在0～150 m之間，占總分布的50%以上，隨著坡長值逐漸增大，而分布比例減小，到坡長≥550 m出現上升；當坡長<450 m時，損失量均大于0，而當坡長≥450 m時，坡長損失量小于0，并且隨著分辨率的降低，損失量絕對值逐漸增大。根據表4得出的不同分辨率坡長基本統(tǒng)計表，隨著分辨率的降低，坡長最大值逐漸減小，而平均值與標準差增大，并且增加十分明顯。

表3 不同分辨率坡長分布結果

表4 不同分辨率坡長基本統(tǒng)計 m

3.1.3 LS因子的分布

LS因子，即坡度和坡長對土壤侵蝕的共同影響，被量化后作為LS 因子來計算，其中L為坡長因子，S為坡度因子[20]，通常被作為一個獨立的地形因子，用以土壤侵蝕中的地形效應[2]。通過該區(qū)域LS因子的實際分布情況，將LS因子分為：<5；5～15；15～25；25～35；35～45；≥45六種類型，由表5可知，該區(qū)域LS因子分布隨著LS因子值的增大而減少，主要集中在<5 和5～15之間，分別占總比例的31.54%和29.52%。并且隨著分辨率的降低，<5范圍內逐漸增大；5～15范圍內逐漸減?。?5～25范圍內逐漸減??；25～35范圍內逐漸減小，35～45范圍內逐漸增大，但變化幅度均較小。由于隨著分辨率的降低，坡度的減小趨勢變緩，而坡長增大，可見LS 因子減小了坡長坡度中某一單一因素的影響。此外，隨著分辨率降低，LS 因子的最大值與標準差增大，平均值變小(見表6)。

表5 不同分辨率LS因子分布結果

表6 不同分辨率LS因子基本統(tǒng)計

3.2 不同地形分析

根據數據結果得出該區(qū)域的最佳窗口統(tǒng)計面積為0.2025 km2，最佳統(tǒng)計單元為15*15。本文按照中國陸地1∶100萬數字地貌制圖規(guī)范中地形起伏度的劃分標準，對該區(qū)域進行劃分[21]。該區(qū)域平原、丘陵、小起伏山地的分布比例為8.59%、66.28%、25.14%。

如表7所示，該區(qū)域坡度值最大值丘陵>小起伏山地>平原，而平均值和標準差最大值出現在小起伏山地區(qū)域；坡長最大值平原>丘陵>小起伏山地；平均值和標準差最大值出現平原區(qū)域；LS因子最大值丘陵>小起伏山地>平原；平均值和標準差最大值出現在小起伏山地區(qū)域。LS因子由坡度與坡長值計算得出，根據數據結果顯示，不同區(qū)域LS因子與坡長的結果相一致。

表7 不同地形下坡度、坡長、LS因子統(tǒng)計表

如圖1顯示，該區(qū)域平原、丘陵、小起伏山地坡度分布差距較大，平原區(qū)域坡度主要分布在0°～5°之間，占總比例的0.73，最大值≤25；丘陵區(qū)域坡度主要分布在0°～5°和8°～15°之間，分別占總比例的0.34和0.26；小起伏山地坡度主要分布在8°～25°之間，占總比例的0.58。平原區(qū)域起伏小，坡度值較小且差距較小；丘陵區(qū)域坡度之間差距較大于平原區(qū)域，而坡度小于小起伏山地區(qū)域；小起伏山地區(qū)域起伏較大，因此坡度較大且之間差距較大。

圖1 坡度分布圖

由圖2可知，該區(qū)域平原、丘陵、小起伏山地的坡長分布趨勢基本一直，分布最多的是0～150 m，分布最少的是450～550 m，該區(qū)域總體地勢較為平緩，丘陵廣布。平原區(qū)域0～150 m坡長值占總比例的0.68，而450～550 m坡長值占總比例的0.03；丘陵區(qū)域0～150 m坡長值占總比例的0.67，450～550 m坡長值占總比例的0.02；小起伏山地區(qū)域0～150 m坡長值占總比例的0.85，450～550 m坡長值占總比例的0.004。由此可知，小起伏山地區(qū)域的坡長較為集中，平原與丘陵區(qū)域次之。

圖2 坡長分布圖

圖3表示，平原區(qū)域LS因子分布在0～15之間，主要集中在0～5，占總比例的0.99；丘陵區(qū)域LS因子分布在0～35之間，主要集中在0～5，占總比例的0.62；小起伏山地區(qū)域LS因子分布在0～45，主要集中在0～15，占比例的0.75。由此可知，該區(qū)域從整體上LS因子主要分布在0～15之間，平原區(qū)域與丘陵區(qū)域LS因子較為集中，而小起伏山地區(qū)域分布較廣。

圖3 LS因子分布圖

4 結論與討論

(1)通過30 m、60 m、90 m不同分辨率提取坡度、坡長、LS因子，比較分析得出井岡山市坡度主要分布在15°～25°之間，坡度的最大值隨著分辨率逐漸減小。該區(qū)域坡長主要分布在0～150 m之間，隨著分辨率的降低，坡長最大值逐漸減小，而平均值與標準差增大，并且增加趨勢顯著。而隨著分辨率的降低，LS因子最大值逐漸減小，而平均值與標準差不斷增大，但變化幅度較小，且分布差距較小。由于分辨率的降低，DEM的損失量逐漸增大，起伏度減小，地形趨于平坦化，因此坡度值與坡長值的最大值隨著分辨率的降低而減小，且平均值與標準差增大。LS因子由坡度因子與坡長因子計算得來，在坡度與坡長的綜合情況下使得最終計算結果中LS因子差距較小。

(2)經過地形起伏度的計算，得出井岡山市地形主要分為平原、丘陵、小起伏山地，以丘陵分布最廣。根據結果得出，坡度最大值小起伏山地>丘陵>平原；坡長最大值平原>丘陵>小起伏山地；LS因子最大值丘陵>小起伏山地>平原；而平原區(qū)域坡度主要集中在0°～5°，坡長主要集中在0～150 m，LS因子主要集中在0～5；丘陵區(qū)域坡度主要集中在0°～5°和8°～15°，坡長主要集中在0～150 m，LS因子主要集中在0～5；小起伏山地坡度主要集中在8°～25°，坡長主要集中在0～150 m，LS因子主要集中在0～15。由此可知，坡度范圍基本隨著地形起伏度的增大而增大；坡長范圍隨著地形起伏度的增大而基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；LS因子范圍隨著地形起伏度的增大先基本穩(wěn)定后逐漸增大。地形起伏度的變化對于坡度、坡長、LS因子的影響較為明顯，不同地形下的地形因子差距較大。

(3)井岡山市屬南方紅壤丘陵區(qū)，水土流失較為嚴重，與黃土丘陵溝壑區(qū)、東北漫崗丘陵區(qū)相比較，該區(qū)坡度大于東北漫崗丘陵區(qū)(0.8°)，小于黃土丘陵溝壑區(qū)(22.3°)；坡長大于黃土丘陵溝壑區(qū)(69 m)，小于東北漫崗丘陵區(qū)(479 m)；而LS因子大于東北漫崗丘陵區(qū)(0.5)。由于受到海拔的影響，該區(qū)域的坡度值與坡長值、LS因子值基本處于東北漫崗丘陵區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)之間。

(4)地形因子對土壤侵蝕程度研究具有重要作用，本文運用DEM分析井岡山市地形因子，為該區(qū)域的土壤侵蝕提供一定的科學依據，但由于數據獲取較難，因此今后旨在提高數據精度以及從較為微觀的角度分析，為土壤侵蝕研究做出相關貢獻。

[1] 李蒙蒙,趙媛媛,高廣磊,等.DEM分辨率對地形因子提取精度的影響[J].中國水土保持科學,2016,14(5):15-22.

[2] 郭春香,梁音,曹龍熹.基于四種分辨率DEM的侵蝕模型地形因子差異分析[J].土壤學報,2014(3):482-489.

[3] 胡剛,宋慧,石星軍,等.臥虎山水庫不同算法LS因子值適用性分析[J].地理科學,2015(11):1482-1488.

[4] RENARD K G,FOSTER G R,WEESIES G A,et al.Predicting soil erosion by water:a guide to conservation planning with the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE)[M].Wanshington D C:U S Govement Printing Office,1997:65-101.

[5] 朱顯謨.黃土高原水蝕的主要類型及其有關因素[J].水土保持通報,1981(4):40-44.

[6] MOORE I D,BURCH G J.Physical basis of the length-slope factor in the universal soil loss equation[J].Soil Science Society of America Journal,1986,50(5):1294-1298.

[7] 曹佳云,楊勤科,王程,等.縣域LS因子提取與分析——以陜西長武縣為例[J].水土保持研究,2012,19(2):7-10.

[8] 郭明航,楊勤科,王春梅.中國主要水蝕典型區(qū)侵蝕地形特征分析[J].農業(yè)工程學報,2013,29(13):81-89.

[9] 楊勤科,郭明航,李智廣,等.全國土壤侵蝕地形因子提取與初步分析[J].中國水土保持,2013(10):17-21.

[10] 張子瑜,范建容,張建強,等.蘆山地震重災區(qū)地形因子分析[J].山地學報,2013,31(5):624-631.

[11] 李新艷,楊勤科,王春梅.贛南地區(qū)侵蝕地形因子研究[J].西北農林科技大學學報自然科學版,2014,42(1):175-182.

[12] 郭偉玲.坡度和坡長尺度效應與尺度變換研究[D].北京：中國科學院大學,2012：27-30.

[13] 張宏鳴,楊勤科,劉晴蕊,等.基于GIS的區(qū)域坡度坡長因子提取算法[J].計算機工程,2010,36(9):246-248.

[14] 葉張煌,劉嘉麒,尹國勝,等.江西井岡山的地貌特征及其形成機制[J].山地學報,2013,31(2):250-256.

[15] 彭萍華,陳玉.井岡山市果樹生產現狀與對策[J].基層農技推廣,2016(1):65-66.

[16] 徐珍,趙煥,黎武.基于DEM的江西省弋陽縣地貌形態(tài)研究[J].四川林勘設計,2016(2):31-35.

[17] LIU B Y Z K L,XIE Y.An Empirical Soil Lossequation;Proceedings of the Proceedings of 12th ISCO Conference:Process of Soil Erosion and Its Environment Effect,F,2002[C].Beijing:Tsinghua Press，2002：35-37.

[18] 楊勤科,郭偉玲,張宏鳴,等.基于DE的流域坡度坡長因子計算方法研究初報[J].水土保持通報,2010,30(2):203-206.

[19] 郝振純,池宸星.空間分辨率與取樣方式對DEM流域特征提取的影響[J].冰川凍土,2004,26(5):610-616.

[20] 胡剛,宋慧,劉寶元,等.黑土區(qū)基準坡長和LS算法對地形因子的影響[J].農業(yè)工程學報,2015(3):166-173.

[21] 周成虎,程維明,錢金凱,等.中國陸地1:100萬數字地貌分類體系研究[J].地球信息科學學報,2009,11(6):707-724.

Analysis of Terrain Factors Based on DEM in Jinggangshan City

XU Zhen, JIANG Ting, LI Wu, WU Qiangjianzhong

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

As the important influencing factor of water and soil loss, terrain decides the soil erosion pattern and erosion intensity. Calculating and analyzing the terrain factors , which can provide a reference for soil erosion control and offer significant basis for water and soil loss. According to the terrain factors which is extracted and relief amplitude which is calculated by DEM, analyzing the difference of various resolutions and terrains. Results indicate that: (1) Under the 30m, 60m, 90m resolutions, the slope, slope length, LS exist differences. With the decrease of DEM resolution, terrain become flat and amplitude become small gradually. (2) Under the plains , the hills ,the small rolling mountain terrains, the maximum value of slope: the small rolling mountain terrains> the hills> the plains; the maximum value of slope length: the plains> the hills> the small rolling mountain terrains; the maximum value of LS: the hills> the plains> the small rolling mountain terrains, the terrain factors is influenced by resolution of DEM and relief amplitude.

DEM; terrain factors; slope; slope length; LS factor

2017-04-06

徐珍(1995-)，女，江西上饒人，碩士研究生，研究方向為水土保持與荒漠化防治。E-mail:707185450@qq.com

P931.1

A

1004-2237(2017)03-0103-07

10.3969/j.issn.1004-2237.2017.03.020