基于DEM的遼寧省興城市耕地地形條件評價

吳松澤, 閆卓冉, 馬 劍, 徐銘崇, 范語思, 王建國

(吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 吉林 長春 130000)

地形因子是對地形幾何特征的刻畫，不同的地形因子從不同角度反映了地表變化程度。數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)是地表形態(tài)的數(shù)字化表達[1]，蘊含了豐富的地學(xué)應(yīng)用分析所必需的地形地貌信息[1]。數(shù)字地形分析(digital terrain analysis，DTA)是在DEM上進行地形屬性計算與地形信息提取的數(shù)字信息處理技術(shù)[2-4]。利用GIS空間分析的手段可以提出DEM數(shù)據(jù)中隱含的地形因子特征屬性值。這一技術(shù)在土地利用、環(huán)境保護及其他相關(guān)地學(xué)研究等方面的應(yīng)用越來越廣泛。目前，基于DEM的各種地形因子分析算法已較為成熟[5-8]。除了坡度、坡向、平面曲率、地形起伏度等傳統(tǒng)的坡面地形因子外[9-11],中國學(xué)者根據(jù)不同地域特點及實際研究工作的需要，還提出了地形信息容量、地形復(fù)雜度指數(shù)[9,12]、流水侵蝕潛能因子[13-16]等新型地形因子。這些成果豐富了地形因子的內(nèi)涵。

本文以遼寧省興城市為研究區(qū)域，從DEM數(shù)據(jù)的可操作性、因子的獨立性等因素出發(fā)，最終選取了坡度、坡向、地表起伏度、平面曲率、地表粗糙度5個因子為評價因子，從而建立完整的多因子綜合加權(quán)評價體系。

研究中利用地理信息系統(tǒng)(geographic information system， GIS)的空間分析技術(shù)對各地形因子進行提取，并對其特征屬性值進行重分類定量化評價。然后對評價單元求取各地形因子的加權(quán)求和分值，即為地形條件總分。據(jù)總分將其地形得分劃分不同等級可直觀地評價耕地地形條件。

目前的地形條件評價方面的研究仍主要采用單一地形因子[15]。采用多因子評價模型對耕地地形進行綜合評價的研究并不十分豐富。因此，本文基于DEM，以興城市為例，采用了多因子綜合加權(quán)評價的方法對研究區(qū)耕地地形進行了定量化評價。其地形評價結(jié)果將有望為興城市土地整治[14]，水土流失[9]及泥石流災(zāi)害防治[17]，耕地生態(tài)環(huán)境保護等工作提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)資料準(zhǔn)備

1.1 興城市地形條件整體概況

興城市位于遼寧省西南部，居遼西走廊東段，地理坐標(biāo)為東經(jīng)120°06′—120°50′，北緯40°16′—40°50′，東南沿海為平原，中部多為丘陵，西北部為松嶺山脈低山丘陵區(qū)，整體地勢呈西北高、東南低，由西北向東南傾斜的特征。耕地多分布在興城東部。

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文的DEM數(shù)據(jù)下載于空間地理數(shù)據(jù)云網(wǎng)(geospatial data cloud)，該數(shù)據(jù)主要以高分辨率高程影像ASTER GDEM 2數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[17]，空間分辨率為30 m。ASTER GDEM 2較之前一版本數(shù)據(jù)采用了更為先進的算法，提高了局部地區(qū)數(shù)據(jù)的空間分辨率精度，能夠滿足本次項目的數(shù)據(jù)需求。此外，本項目依托于吉林大學(xué)土地資源管理興城教學(xué)實習(xí)，實習(xí)基地為本研究提供了矢量格式的興城耕地土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 多因子綜合加權(quán)評價模型的構(gòu)建

綜合考量興城市耕地地形情況以及因子的可操作性，最終選取坡度、坡向、地形起伏度、地表粗糙度、平面曲率5個因子作為評價因子。坡度作為基本的地形因子，直接影響水土流失程度，很大程度上決定著土地利用方式。在GIS中可對DEM采取平均坡度、最大值坡度、最小值坡度等方法計算地形坡度[3,18]。坡向從光照、熱量和水分等方面影響著耕地質(zhì)量，一定程度上決定了土地利用分布格局。坡向因子在實際生產(chǎn)中較多使用擬合曲面法對其進行特征值的提取。地形起伏度是地表起伏變化和地表切割程度的綜合表征，決定著農(nóng)地機械化規(guī)模經(jīng)營能否實現(xiàn)。局地高差法、局地標(biāo)準(zhǔn)差、表面積與投影面積比、RUGN法、矢量法、RDLS(地表起伏度)6種算法[9]是地形起伏度提取的常用方法。平面曲率反映了地形結(jié)構(gòu)與形態(tài),影響著土壤有機物含量的分布。在GIS空間分析軟件中主要通過提取DEM數(shù)據(jù)中的等高線并計算其彎曲程度來評價耕地質(zhì)量的水文及土壤因素[12]。地表粗糙度反映了地表的侵蝕程度，影響著風(fēng)化殼的發(fā)育和保存。粗糙度的提取研究大都是基于傳感器灰度圖像而進行的[13]。

本次采用了專家打分法來確定各地形因子的權(quán)重，共詢問了5位專家老師的意見，經(jīng)過兩輪打分及反饋最終確定各因子權(quán)重。即建立了完整的多因子加權(quán)評價指標(biāo)體系。各因子權(quán)重見表1。

表1 興城市各地形因子權(quán)重

2.2 建立地形因子模型

2.2.1 坡度 坡度是地表單元陡緩的程度，通常把坡面的垂直高度和水平距離的比值稱為坡度。坡度通過影響物質(zhì)與能量的分配決定著土地利用的方向和方式。在ArcMap軟件(ArcGIS 10.2 for Desktop, ESRI, USA)中,通過高程變化率來計算坡度，用Spatial Analysttools/Surface/Slope工具對研究區(qū)DEM文件進行坡度提取,輸出柵格大小與DEM相同，得到坡度文件。其公式為：

(1)

式中：S——坡度;f(x)——X方向上的高程變化率;f(y)——Y方向上的高程變化率。

2.2.2 坡向 坡向是坡面法線在水平面上的投影的方向。地形坡向?qū)庹?、熱量和水分有重要影響。如北半球南坡比北坡能接收更多的太陽輻射能因而南坡土壤水分迅速蒸發(fā)，小氣候較為溫?zé)岣稍?，地形坡向一定程度上影響土地利用分布格局。ArcGIS中的空間分析spatial analyst tools/surface/slope工具對研究區(qū)DEM文件進行坡度提取,輸出柵格大小與DEM相同，得到坡度文件。其計算公式為：

A=arctan(fx/fy)

(2)

式中：A——坡向;f(x)——X方向上的高程變化率;f(y)——Y方向上的高程變化率。

2.2.3 地形起伏度 地形起伏度是指某一確定面積內(nèi)最大高程點和最低高程點的的差值,反映了區(qū)域海拔高度的起伏特征。地形起伏度對農(nóng)業(yè)的規(guī)?；?jīng)營有著至關(guān)重要的影響。利用ArcGIS中的空間分析模塊中的焦點統(tǒng)計功能設(shè)置分析窗口后，分別設(shè)置統(tǒng)計類型為max和min，計算分析窗口的高程最大值和高程最小值，本次選擇9×9個柵格(270 m×270 m)為分析窗口，再使用柵格計算器相減即得到地形起伏度。其公式為：

UT=Hmax-Hmin

(3)

式中：UT——地形起伏度;Hmax——分析窗口內(nèi)的高程最大值;Hmin——分析窗口內(nèi)的高程最小值。

2.2.4 平面曲率 平面曲率描述的是地表曲面沿水平方向的彎曲、變化情況，也就是該點所在的地面等高線的彎曲程度。平面曲率對土壤有機物含量的分布、水文特征都有重要的應(yīng)用價值。因農(nóng)用地中“以水定地”，其對水的富集情況的影響，使平面曲率成為耕地地形條件評價中的重要因子。在ArcMap軟件中其計算公式為：

(4)

式中：SC——平面曲率;p——X方向上的高程變化率；q——Y方向上的高程變化率：r——對高程值在X方向上的變化率進行同方向求算變化率；s——對高程值在X方向上的變化率在Y方向上進行變化率求算。

2.2.5 地表粗糙度 地表粗糙度是一種地形學(xué)意義上的粗糙度，是反映地表侵蝕程度的指標(biāo)。一般定義為地表單元的曲面面積與其在水平面上的投影面積之比[17]在實際操作中地表粗糙度的提取基于坡向的輔助特征值，將得到的aspect文件帶入數(shù)學(xué)公式，在柵格計算器中計算，得到地表粗糙度數(shù)據(jù)。其公式為：

(5)

式中：TR——地表粗糙度; Slope——地形坡度(以弧度計算)。地表粗糙度的值>1。

2.3 明確各地形因子定量化評價依據(jù)

參考《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》[19]并對部分因子采取自然間斷法，將興城市各地形因子根據(jù)其特征屬性值進行等級劃分并規(guī)定相應(yīng)得分值(見表2)。

表2 興城市各地形因子等級劃分及其分值

2.4 各地形因子的提取及重分類

對DEM進行各地形因子的提取，生成了各地形因子的數(shù)字化分布圖層。將各地形因子的特征屬性值按得分標(biāo)準(zhǔn)做重分類處理，得到各地形因子的統(tǒng)計數(shù)據(jù)及其分級圖。

2.5 確定興城市耕地地形條件總分

2.5.1 確定評價單元 在確定興城耕地評價單元的過程中，首先對網(wǎng)格法和疊置法進行了單元劃分方法優(yōu)劣的評價。格網(wǎng)法較容易實現(xiàn)，但機械地將耕地劃分成大小相等的評價單元不具參考價值。采用疊置法在將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成矢量時產(chǎn)生很大誤差，同時將各個因子進行疊加時又會產(chǎn)生大量碎斑。最終采用以土地利用現(xiàn)狀圖斑為評價單元的方法，將每一塊耕地單元作為評價單元，本次研究區(qū)共有18 120個評價單元。

2.5.2 對評價單元進行綜合打分 據(jù)各地形因子的權(quán)重計算各像元的地形條件總分。公式為：

Q=∑Wi×Fi

(6)

式中：Q——該評價單元的地形條件總分；W——地形因子的權(quán)重；F——該地形因子的因子得分值。其具體操作為：利用ArcMap軟件中的“spatial analyst tools.tbx——地圖代數(shù)——柵格計算器”工具，對各地形因子進行加權(quán)求和，輸出新的柵格數(shù)據(jù)，其像元(30 m×30 m)值即為每一像元的地形條件總分。

根據(jù)確定好的評價單元對興城耕地地形按地塊進行打分。利用“spatial analyst工具——區(qū)域分析—以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計”工具，以耕地土地利用現(xiàn)狀圖斑為地塊邊界，統(tǒng)計其邊界內(nèi)像元得分均值作為各評價單元的地形條件得分。將得分表按字段連接至土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，即完成了評價單元的綜合打分。將通過計算得到的地形綜合得分值按等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(見表3)劃分等級。

表3 興城市耕地地形條件綜合得分等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 各地形因子分析

將各因子按其等級劃分標(biāo)準(zhǔn)對耕地進行面積的統(tǒng)計，其統(tǒng)計結(jié)果可從各個獨立因子的角度對地形進行分析。

3.1.1 坡度 將興城市耕地坡度分為6級，各坡度等級占比見表4。結(jié)合表4分析，興城耕地區(qū)的坡度范圍主要分布在從0°～8°。其中：2°～8°的面積最大，為341.03 km2，占比51.87%。從整體上看，興城市屬低山丘陵區(qū)。從坡度角度來講，興城市的耕地坡度條件良好，其耕地分布整體與坡度適宜性一致。

表4 興城市耕地各級坡度面積及比例

3.1.2 坡向 本次將研究區(qū)坡向分為10個方向，4個等級。各等級面積及比例見表5。由表5可知：興城耕地區(qū)各坡向耕地均有分布，其中2級坡向(東、西、西南坡)面積最大，占37.41%。但總體而言，耕地的各等級坡向面積相差并不懸殊，這表明在興城市，坡向因子不是影響耕地分布的最重要因子。

表5 興城市耕地各等級坡向面積及比例

3.1.3 地形起伏度 興城市耕地地形起伏度分為5級，各地形起伏度等級占比見表6。由表6可知：興城耕地區(qū)起伏度特征值大多分布在0～7，其面積比為85.14%，可見多數(shù)的耕地地形起伏度適宜性較好；起伏度特征值在52～120的耕地僅有0.03 km2，基本可以忽略不計。此外，仍有14.87%的耕地存在著不

同程度的地表起伏。部分耕地的起伏度特征值較大，這與外業(yè)調(diào)查中考察到的存在一些地區(qū)耕地呈“階梯狀”分布情況基本一致。地表起伏度地形特征對農(nóng)用地規(guī)模經(jīng)營具有指導(dǎo)性意見，其中興城耕地區(qū)大部分地形起伏度較小，容易實現(xiàn)農(nóng)用地機械經(jīng)營。

表6 興城市耕地各級地形起伏度面積及比例

3.1.4 平面曲率 興城市耕地平面曲率分為5級，各曲率等級占比見表7。由表7可知，興城耕地區(qū)平面曲率特征值大多分布在-0.44～0.44，其面積比例達93.91%，此范圍內(nèi)等高線彎曲程度較小，表示范圍內(nèi)耕地具有及較好的土壤、水文適宜性。從總體上看，興城市耕地大多分布在平面曲率條件適宜的范圍內(nèi)，這一結(jié)果大致與“以水定地”的規(guī)律相一致。

表7 興城市耕地各級平面曲率面積及比例

3.1.5 地表粗糙度 興城市地表粗糙度分為5級(見表8)。據(jù)表8可知，隨著地表粗糙度特征值增大，遼寧省興城市的耕地面積在逐級遞減。特征值在1～1.021 7的耕地面積占到了絕大多數(shù)(98.94%)，而特征值在1.021 7～2.021 2的耕地面積很小，基本可以忽略不計。從地表粗糙度因子角度來看，興城市的地表侵蝕程度較小，這些因素對土壤有機物富集有著積極的影響，良好的土壤有機物條件適宜于農(nóng)作物的耕種，興城市耕地的分布情況與地表粗糙度適宜性一致。

表8 興城市耕地各級地表粗糙度面積及比例

3.2 地形條件總體分析

各地形因子從水文、光照、土壤有機物富集等多角度對興城耕地地形做出了全方面的評價。而各地形因子加權(quán)求和得出地形條件總分能夠較為全面且合理地反映耕地的地形條件。將地形總分按其耕地面積統(tǒng)計，得出定量化評價結(jié)果(見表9)。由表9可見，興城市耕地地形條件分值分布為：地形條件較好(Ⅰ和Ⅱ級)的耕地占85.57%。只有0.26%的耕地從地形條件上來講不適宜(Ⅴ級)開發(fā)耕地。整體來看，興城市耕地地形條件較為良好，其較好的地形條件為耕地質(zhì)量提供了有效的保障。

表9 興城市耕地地形條件面積統(tǒng)計

4 結(jié)論與討論

本文以興城市為例，基于DEM對其耕地地形條件進行了逐個因子分析與綜合定量化評價。

(1) 各地形因子從不同角度描述了地表的變化特征。興城市的耕地分布與坡度、地形起伏度、平面曲率、地表粗糙度4個因子的適宜性呈較強的一致性。而耕地的分布與坡向因子適宜性的一致性稍差。各地形因子條件可為興城市農(nóng)用地經(jīng)營與管理提供參考，如地形起伏度適宜性好的耕地可推行農(nóng)用地機械化規(guī)模經(jīng)營，減少勞動投入；平面曲率適宜性較差的耕地可興建水利設(shè)施，以保證農(nóng)地灌溉。

(2) 由最終地形定量化綜合評價的結(jié)果顯示，興城市耕地地形條件整體較為良好，其較好的地形條件為耕地質(zhì)量提供了有效的保障。但興城市仍存在0.26%的耕地地形條件差，不適宜開墾耕地?？蓪⑦@部分耕地退耕還林，同時將地形條件良好的耕地中的零星用地加以整合、開墾。既可增加綠植覆蓋，從根本上改善水土流失，又保證了耕地面積退補平衡。

采用多因子綜合評價的方法更加全面科學(xué)地評價耕地地形條件，從而為耕地整治、水土流失及泥石流災(zāi)害防治、耕地生態(tài)環(huán)境保護等多方面提供參考依據(jù)。