基于GIS的小流域坡長(zhǎng)坡度因子提取研究

黎雅楠 張盼盼

摘要：指出了坡長(zhǎng)坡度因子是影響土壤侵蝕的主要地形因子。通用土壤流失方程和修正的通用土壤流失方程已被廣泛應(yīng)用于流域尺度的土壤侵蝕評(píng)估中，地形對(duì)土壤侵蝕的影響用坡長(zhǎng)坡度因子來(lái)表征，因此坡長(zhǎng)坡度因子（LS）計(jì)算是區(qū)域土壤侵蝕評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。以典型黃土丘陵溝壑區(qū)九龍泉溝小流域?yàn)槔贕IS平臺(tái)利用DEM數(shù)據(jù)時(shí)研究區(qū)LS因子進(jìn)行了提取。并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)今后土壤侵蝕評(píng)估中提高坡長(zhǎng)坡度因子LS精確度研究進(jìn)行了討論與展望。

關(guān)鍵詞：DEM數(shù)據(jù);坡長(zhǎng)坡度因子;小流域

中圖分類號(hào)：S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）14-0027-03

1引言

土壤侵蝕是一種土地退化過(guò)程，對(duì)全球土壤資源和生態(tài)環(huán)境是一種嚴(yán)重的威脅。土壤侵蝕不僅導(dǎo)致土壤水分和養(yǎng)分流失，還造成沉積物沉積、洪澇干旱災(zāi)害以及水資源污染，降低土壤質(zhì)量。同時(shí)土壤侵蝕影響生物多樣性、碳儲(chǔ)量、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等，成為危及人類生存和限制人類發(fā)展的至關(guān)重要的環(huán)境問(wèn)題。因此需要實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)對(duì)土壤侵蝕做出準(zhǔn)確合理的預(yù)報(bào)，并進(jìn)行有效的防治與保護(hù)，定量評(píng)估區(qū)域土壤侵蝕是土壤資源保護(hù)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的關(guān)鍵。

地形因子是影響土壤侵蝕和水土保持的主要地形參數(shù)，坡長(zhǎng)坡度因子是影響土壤侵蝕的主要地形因子。通用土壤流失方程（USLE）和修正的通用土壤流失方程（RUSLE）是目前土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估最常用的方法，已廣泛應(yīng)用于流域尺度土壤侵蝕評(píng)估研究。模型的主要輸入層是降雨侵蝕力（R因子），土壤可蝕性（K因子），坡長(zhǎng)坡度（LS因子），植被覆蓋（C因子）以及水土保持措施（P因子），其中坡度坡長(zhǎng)LS因子和植被覆蓋C因子對(duì)造成土壤流失的影響最大[2]，因此繼續(xù)提高坡度坡長(zhǎng)因子LS的準(zhǔn)確性尤為重要。S因子測(cè)量斜率陡度的影響，而L因子定義斜率的影響坡長(zhǎng)，通過(guò)結(jié)合LS因子來(lái)描述地形對(duì)土壤侵蝕的影響。本研究通過(guò)梳理坡長(zhǎng)坡度LS因子計(jì)算原理和方法，結(jié)合實(shí)例對(duì)陜西省延安市寶塔區(qū)九龍泉溝小流域坡長(zhǎng)坡度LS因子進(jìn)行提取，并對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行分析討論。

2LS計(jì)算原理與方法

2.1LS計(jì)算原理

坡長(zhǎng)坡度因子LS是坡長(zhǎng)因子與坡度因子的乘積，由于坡度S因子計(jì)算方法比較成熟，因此坡長(zhǎng)L因子的提取是坡度坡長(zhǎng)因子提取的關(guān)鍵。流域地貌學(xué)中認(rèn)為坡長(zhǎng)是指斜坡在一定角度上最短的長(zhǎng)度，同時(shí)也可以叫作地表線徑流的長(zhǎng)度。流域土壤侵蝕評(píng)價(jià)中所使用坡長(zhǎng)是指地表某點(diǎn)上方徑流匯集的長(zhǎng)度，具體計(jì)算公式為（1）式。國(guó)內(nèi)外利用DEM數(shù)據(jù)對(duì)小流域坡長(zhǎng)計(jì)算研究頗多，Desmet等利用累計(jì)流量坡長(zhǎng)計(jì)算法對(duì)坡長(zhǎng)因子進(jìn)行修正，通過(guò)坡長(zhǎng)因子計(jì)算坡長(zhǎng);Hickey等認(rèn)為坡長(zhǎng)是指水流源點(diǎn)到水流尾部之間的水平距離，提出坡長(zhǎng)直接計(jì)算法。湯國(guó)安利用山頂距離算法近似的計(jì)算坡長(zhǎng)。目前學(xué)者們提取坡長(zhǎng)使用最多的是Hickey的基于柵格DEM數(shù)據(jù)直接計(jì)算坡長(zhǎng)的方法，該方法簡(jiǎn)便易行而且精度較高。

3.1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

九龍泉溝小流域位于陜西省延安市寶塔區(qū)，寶塔區(qū)位于陜北南部，地處黃土高原溝壑區(qū)的延河中游，北依子長(zhǎng)，南接甘泉、富縣、宜川，東臨延川、延長(zhǎng)，西與安塞縣相鄰，地理坐標(biāo)介于北緯36°1036"～37°0205"，東經(jīng)109°1410"～110°0543"之間。

在流域和區(qū)域尺度上，坡長(zhǎng)通常都是基于DEM（數(shù)字高程模型）來(lái)計(jì)算，Wu等研究得出30m DEM分辨率足以進(jìn)行土壤侵蝕評(píng)估。本研究所使用的DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)，ASTER GDEM數(shù)據(jù)是NASA根據(jù)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星Ter-ra所獲取的地球表面觀測(cè)數(shù)據(jù)制作完成的，數(shù)據(jù)覆蓋全球99%的范圍，采用UTM/WGS 84投影，空間分辨率為30m（圖1）。

3.2LS因子提取過(guò)程

土壤侵蝕研究中要求DEM表面的水流只有一個(gè)匯聚點(diǎn)，通過(guò)模擬地表的水流路徑來(lái)計(jì)算坡長(zhǎng)。實(shí)際情況下對(duì)于剛獲取的DEM數(shù)據(jù)都會(huì)有洼地存在，洼地是指某個(gè)柵格單元的高程低于相鄰8個(gè)柵格單元的高程的情況，往往由于精度以及數(shù)據(jù)異常會(huì)產(chǎn)生假洼地，這種情況會(huì)降低河網(wǎng)生成的準(zhǔn)確性，從而影響水的流動(dòng)路徑，使水流路徑無(wú)法匯聚到一個(gè)出口。因此，進(jìn)行坡度坡長(zhǎng)因子提取之前首先要對(duì)研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，在ArcGISl0.5中選取Hydrology模塊中的Fill工具計(jì)算得到研究區(qū)無(wú)洼地的DEM數(shù)據(jù);緊接著利用Flow Direction工具計(jì)算得到研究區(qū)流向數(shù)據(jù)圖層Flow_Dire;最后利用Flow Accumulation工具通過(guò)流向數(shù)據(jù)計(jì)算得到研究區(qū)匯流累計(jì)圖層，以便進(jìn)行后續(xù)坡長(zhǎng)坡度因子的計(jì)算。

4LS計(jì)算結(jié)果分析

研究區(qū)海拔高度在1086～1475m之間，平均海拔為1290m，平均坡度為18°。計(jì)算的坡度、坡長(zhǎng)以及坡度坡長(zhǎng)因子統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表1所示。

坡度是最重要的地形因子之一，地表上某點(diǎn)的坡度是地形曲面函數(shù)在東西、南北方向上偏導(dǎo)數(shù)函數(shù)?；贕IS平臺(tái)在利用DEM數(shù)據(jù)提取坡度的算法已經(jīng)成熟，本研究利用D8算法提取坡度。如圖2所示，研究區(qū)坡度按照水土保持的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分成7類，分別為O～3°、3～8°、8～15°、15～25°、25～35°、35～45°、大于45°，研究區(qū)坡度最大值為59.24，最小值為0，平均值為18.00。

本文基于DEM數(shù)據(jù)，利用LS因子計(jì)算公式，提取出九龍泉溝小流域LS因子。從圖3可以看出，研究區(qū)LS因子最大值38548.23，平均值為81.24。LS計(jì)算是利用USLE、RUSLE等坡面模型進(jìn)行流域與區(qū)域土壤侵蝕評(píng)價(jià)與制圖的基礎(chǔ)，基于較高分辨率DEM，可以提取流域和區(qū)域尺度的LS專題層，從而為區(qū)域土壤侵蝕評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。

5結(jié)論與討論

坡度坡長(zhǎng)因子LS是地形對(duì)土壤侵蝕影響最重要的影響因子，本文基于GIS平臺(tái)，利用30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)對(duì)延安市寶塔區(qū)九龍泉溝小流域坡度坡長(zhǎng)因子LS進(jìn)行提取，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

雖然本文所介紹LS算法在實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用，但考慮到土壤侵蝕評(píng)估中地形因子研究是一個(gè)基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題，而且坡度坡長(zhǎng)因子Ls中的坡長(zhǎng)因子目前計(jì)算方法雖多，但沒(méi)有成熟的計(jì)算方法，在今后研究中需要進(jìn)一步精確坡長(zhǎng)因子L的計(jì)算，以期為區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)精確計(jì)算提供理論基礎(chǔ)。