基于DEM的土地利用分布與地形因子關系研究

羅丹 王濤 張庭瑜

摘要 以山西省垣曲縣為研究區(qū)，基于研究區(qū)土地利用現狀和DEM數據，利用ArcGIS 10.3對研究區(qū)高程、坡度、坡向等地形因子進行提取，將地形特征與土地利用現狀疊置分析，得到該地區(qū)不同高程、坡度、坡向上的土地類型分布情況。結果表明，土地利用的空間分布與地形因子具有顯著相關性。在低海拔、小坡度的無坡向和陽坡地區(qū)，土地利用類型多受到人類活動的影響，耕地、園地、居民點及工礦用地多分布于這一地區(qū);高海拔、大坡度的地形對林地、草地的變化影響較大;水域多分布于低海拔、地勢平緩地區(qū)，受坡向影響不大。

關鍵詞 土地利用分布;地形因子;ArcGIS;DEM分布指數;垣曲縣

中圖分類號 F 301.2? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）20-0076-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.021

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research on the Relationship between Land Use Distribution and Terrain Factors Based on DEM—A Case Study of Yuanqu County，Shanxi Province

LUO Dan WANG Tao ZHANG Ting-yu 3，4，5 （1.Land Surveying，Planning and Design Institute of Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.，Ltd.，Xian，Shaanxi 710075;2.Institute of Land Engineering and Technology，Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.，Ltd.，Xian，Shaanxi 710075;3.Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.，Ltd.，Xian，Shaanxi 710075;4.Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering，Ministry of Natural Resources，Xian，Shaanxi 710075;5.Shaanxi Provincial Land Consolidation Engineering Technology Research Center，Xian，Shaanxi 710075）

Abstract Taking Yuanqu County of Shanxi Province as the research area，based on the current land use status and DEM data of the research area，ArcGIS 10.3 is used to extract terrain factors such as elevation，slope，and aspect of the research area，and the topographic features and current land use status are superimposed and analyzed to obtain different elevations，slopes，and slope upwards in the area.The results showed that the spatial distribution of land use had a significant correlation with topographic factors.In low-altitude，low-slope，non-slope and sunny slope areas，land use types were mostly affected by human activities.Cultivated land，garden plots，residential areas，and industrial and mining land were mostly distributed in this area.High-altitude，large-slope terrain had a greater impact on the changes of woodland and grassland;waters were mostly distributed in low-altitude，gentle terrain，and were not affected by the slope aspect.

Key words Land use distribution;Topographic factors;ArcGIS;DEM distribution index;Yuanqu County

基金項目 長安大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（300102351502）;陜西省土地工程建設集團有限責任公司科研項目（DJNY2021-10）。

作者簡介 羅丹（1991—），女，山西運城人，工程師，碩士，從事遙感與GIS應用研究。*通信作者，高級工程師，從事土地測繪應用研究。

收稿日期 2021-05-21;修回日期 2021-06-27

土地是人類賴以生存和發(fā)展的最基本的自然資源[1-2]。土地利用是自然環(huán)境和人類活動相互作用的一個綜合復雜體[3-4]，是人類主要生產活動方式的反映。地形因子作為自然環(huán)境中的重要因素，是土地利用格局空間分布的重要影響因子，深刻影響著人類利用土地的方式和程序。通過對土地利用類型與地形因子關系的研究，能夠更加清楚地了解地形因子對土地利用類型分布的影響規(guī)律[5]，從而更好地掌握土地利用的現狀和未來趨勢[6]。

黃土高原地形復雜多樣，地形因子與土地利用空間分布有著密切的關系。筆者以山西省垣曲縣土地利用數據為基礎數據，應用DEM和ArcGIS軟件，通過空間疊置分析，準確且快速得到土地利用空間格局與地形因子的關系[7];探討土地利用空間格局的分布特征，研究土地利用的空間分布規(guī)律及其與地形因子之間的相互關系，優(yōu)化不同地形上土地利用類型的合理布局，以期為區(qū)域土地可持續(xù)利用、土地管理決策以及生態(tài)環(huán)境建設提供理論支持[8-9]。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

垣曲縣位于山西省運城市東端，地處111°31′～112°10′E、35°00′～35°39′N。東北與陽城、沁水兩縣毗連，北與翼城、絳縣接壤，西與聞喜交界，西南連接夏縣，東鄰河南省的濟源市，南與河南省三門峽市的澠池縣、洛陽市的新安縣隔河相望。背靠中條山，西倚中條支脈，東鄰太行山、王屋山，南臨黃河，呈現為三面環(huán)山、一面臨水的丘嶺小盆地特有的多樣化小氣候，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，年均氣溫13.5 ℃，年均降水量631 mm，無霜期230 d。垣曲縣地勢西北高、東南低，中部為垣曲山間盆地，呈北寬南窄的葫蘆形展布。境內較大河流有毫清河、允西河、板澗河、西陽河、五福澗河等，均由北而南注入黃河。河流兩岸多為狹窄的河谷平原，灌溉方便，人煙稠密，為主要農作區(qū)。

1.2 數據來源及處理 利用ArcGIS 10.3對垣曲縣2018年1∶5萬土地利用現狀圖進行數字化，以《全國土地分類》為標準[10]，結合實際情況及研究需要，將土地利用現狀分為7類：耕地、園地、林地、草地、居民點及工礦用地、水域、其他用地。DEM數據來源于地理空間數據云，對數據進行拼接裁剪，用Spatial Analyst模塊的Slope、Aspect，生成坡度、坡向圖;Reclassify工具對高程、坡度、坡向進行重分類;將地類圖層與地形因子分級成果進行疊置分析，得到地形因子與土地利用的分布情況（圖1）。

1.3 地形分布指數

為了消除面積差異量綱的影響[11]，引入地形分布指數來描述地類在該地形因子級別上是否呈優(yōu)勢分布。計算公式如下：

P=（Sie/Si）×（S/Se）

式中，P為分布指數;Sie為在e地形因子該等級下的i地類面積;Si為i地類的面積;Se為整個區(qū)域e地形因子該等級下的總面積，S為整個區(qū)域的面積。土地利用類型的地形分布指數對于其在地形上的空間分布具有指示意義[12]：P> 表示該地類在該級地形上的分布高于其他地類在該區(qū)域的平均分布水平，屬于優(yōu)勢分布，且P值越大，該地類在該地形等級上優(yōu)勢度越高;P< 則該地類在該地形因子級別上的分布屬劣勢分布，說明該地類不適宜分布在該地形上[13]。

2 結果與分析

2.1 土地利用現狀分析 由于垣曲縣地處山地，土地利用現狀結構中林地所占面積最大，占整個垣曲縣土地總面積的57.66%。耕地在土地利用現狀結構中僅次于林地，占總面積的19.15%，其中旱地面積占耕地面積的90%以上。草地面積次于耕地，其中99%以上為其他草地，人工牧草地所占比例較小。園地所占面積較小，僅占土地總面積的0.45%。剩下的依次為居民點及工礦用地、水域、其他用地（表1）。

2.2 高程、坡向和坡度分級

將研究區(qū)地形因子進行分級，結果見圖2。垣曲縣海拔最高點為2 306 m，最低點為194 m，平均海拔為1 250.5 m。將研究區(qū)分為7個高程帶：400 m以下為第1高程帶，400～600 m為第2高程帶，>600～800 m為第3高程帶，>800～1 000 m為第4高程帶，>1 000～1 300 m為第5高程帶，>1 300～1 700 m為第6高程帶，1 700 m以上為第7高程帶。第2高程帶土地面積最大，占總面積的27.27%，第3高程帶次之，占總面積的21.06%，第1高程帶占總面積的15.41%，第3高程帶之后土地面積依次遞減，第7高程帶所占比例最小。可見研究區(qū)地形起伏較大，在各高程帶均有土地分布。

垣曲縣坡度為0～63.33°，將坡度劃分為6級：0～2°為平地，>2°～6°為緩平地，>6°～15°為緩地，>15°～25°為斜坡，>25°～35°為緩陡坡，>35°為陡坡[14]。緩地所占面積最大，占總面積的36.57%，斜坡次之，占總面積的27.06%，平地和陡坡所占比例相當，均為4%左右。研究區(qū)地形較為復雜，以丘陵地帶為主，坡度主要集中在6°～25°。為了便于計算，將坡向合并為5個：平地即坡向界線為- 為無坡向;南、西南為陽坡;北、東北為陰坡;西、東南為半陽坡;西北、東為半陰坡[15]。研究區(qū)無坡向較少，僅占總面積的2.59%，陰坡、半陰坡、半陽坡、陽坡依次遞增，所占比例分別為19.76%、23.02%、26.77%、27.86%。

2.3 地形因子影響下的土地利用空間分布特征

從圖3和表2可以明顯看出，第6、第7高程帶主要分布在研究區(qū)西北部，而第1、第2高程帶主要分布在東南部，表明研究區(qū)地勢西北高、東南低。各種土地類型隨著海拔的變化，具有非常明顯的分布層次。耕地在第1、第2高程帶所占比例占整個耕地面積的81.05%，在海拔超過600 m的地區(qū)分布指數均小于 且呈依次遞減趨勢，不適宜耕種。水域在第1高程帶上分布指數為2.70，優(yōu)勢性顯著。居民點及工礦用地在海拔200～800 m的分布指數大于 在海拔高于800 m地區(qū)，分布指數隨海拔的升高而降低;海拔較低的地區(qū)具有更有利于人類生活以及從事生產活動的地理條件和水土資源條件，熱量和水分等對于作物的生長十分有利，適宜耕種;而隨著海拔的升高，氣候條件、地形地貌不利于人類生活和從事生產活動。園地主要分布在第1、第2高程帶，占園地總面積的86.17%，海拔高于1 300 m的地區(qū)分布指數為0，高海拔不利于果樹生長發(fā)育。林地的面積分布呈現峰值現象，在第4高程帶面積最大，在海拔高于800 m的地區(qū)地形分布指數大于 在第7高程帶除林地和其他用地外，其他地類分布指數均小于 且分布指數高達5.28，可見林地在第7高程帶上具有較大優(yōu)勢。其他用地在第7高程帶分布指數高達20.2 具有絕對優(yōu)勢。這是由于景區(qū)大部分位于高山上，歷山國家級森林公園就坐落于垣曲縣西北部，整個景區(qū)受人類經濟活動干擾較少，自然生態(tài)環(huán)境保持相對完好。草地在第2高程帶分布最多，在第4、第5高程帶上分布指數大于 呈優(yōu)勢分布，在第4高程帶以上地區(qū)面積比例逐漸下降。

平地、緩平地主要集中在研究區(qū)中部和南部，緩陡坡、陡坡主要分布在研究區(qū)東北部和西南部。平地占總面積比例最小，但在這一地區(qū)耕地所占面積最大，園地分布指數最高。耕地和園地集中分布在平地、緩平地、緩地上，分別達到總面積的81.2%和90.51%，分布指數隨坡度的上升而下降，主要原因是坡度影響土壤肥力，且坡度越高，投入耕種成本越高，加大了人類從事農業(yè)生產活動的難度。水域在平地分布指數為4.25，優(yōu)勢性顯著，隨著坡度升高分布指數逐漸降低，由于受到水體自身特征的影響，水域多分布在平地上。居民點及工礦用地分布指數在平地對比其他地區(qū)達到最高，分布面積隨坡度上升而減少，因為人類從事生活和生產活動多集中在地勢平坦的地區(qū)。林地和草地集中分布于坡度大于15°的地區(qū)，達到總面積的90%以上，分布指數呈峰值現象，在斜坡地區(qū)達到峰值，在緩陡坡地區(qū)分布指數大于 屬于優(yōu)勢分布。林地和草地在坡度高的地區(qū)優(yōu)勢性明顯，對高坡度的環(huán)境具有較強的適應性。在陡坡地區(qū)，只有其他用地分布指數大于 說明在這一坡度界限內具有絕對優(yōu)勢。

坡向對于山地生態(tài)有著較大的作用，山地的方位對日照時數和太陽輻射強度有影響，對耕地和園地的分布有很大影響。無坡向地區(qū)土地面積最小，占總面積的2.59%，但在這一地區(qū)耕地、園地分布指數相比其他坡向為最大值，且除此外只有在半陽坡和陽坡分布指數大于 說明耕地、園地在無坡向地區(qū)和陽坡地區(qū)優(yōu)勢性顯著，這是因為這些地區(qū)可為作物生長提供足夠的光照，適宜耕種。林地、草地分布受坡向影響不明顯，除在無坡向地區(qū)分布較少外，在其他各坡向分布較為均勻，在半陰坡和陰坡分布指數大于 說明在這些地區(qū)屬優(yōu)勢分布。居民點及工礦用地在無坡向和陽坡地區(qū)分布指數大于 有75%以上分布在這些地區(qū)，這是由于人類從事生產和生活活動多集中在平地，且有一定的采光要求，所以這些地區(qū)相對其他區(qū)域具有優(yōu)勢性。坡向對水域分布無明顯影響。

3 結論

由研究區(qū)土地利用現狀數據可知，該地區(qū)土地利用類型主要為林地、耕地、草地，分別達到總面積的57.66%、19.15%、14.33%，占整個地區(qū)土地面積的90%以上，其他土地利用類型所占比例較小。土地利用類型的空間分布明顯受到地形因素的影響和制約，土地利用和地形因子具有顯著的相關性。耕地和園地主要分布在高程小于1 100 m且坡度小于15°的平地、緩平地和緩地上，在無坡向和陽坡地區(qū)分布較多;林地主要分布在海拔500 m以上且坡度大于15°的斜坡和陡坡上，受坡向影響不大;草地主要分布在海拔800 m以下且坡度大于15°的斜坡和陡坡上，陽坡上分布大于陰坡;居民點及工礦用地多分布于海拔低于800 m且坡度小于15°的平地和緩地上，在無坡向和陽坡上分布較多;水域主要分布在海拔低于500 m且坡度小于6°的緩地和緩平地上，受坡向影響不大。綜上所述，在低海拔、地勢平緩、陽光充足且水源豐富的地區(qū);適宜人類進行各種生產和生活活動，耕地和園地多分布于這一類地區(qū);而在高海拔、地勢陡峭的陰面地區(qū)，惡劣的外部環(huán)境限制人類活動，故林地和草地多分布于這些地區(qū)。

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