1975–2020 年黃土塬區(qū)關鍵帶道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)

楊思齊，金釗, 黃輝

1.中國科學院地球環(huán)境研究所, 黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061

2.北京師范大學，地理科學學部，地球科學前沿交叉研究中心，北京 100875

3.長安大學，地質(zhì)工程與測繪學院，西安 710054

4.陜西黃土高原地球關鍵帶國家野外科學觀測研究站，西安 710061

5.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所，國家林草局林木培育重點實驗室，北京 100091

6.河南黃河小浪底關鍵帶國家野外科學觀測研究站，河南濟源 454650

引 言

地球關鍵帶指植被冠層頂部至地下水底部或者土壤-巖石交界面的區(qū)域，是大氣圈、生物圈、土壤圈、水圈交匯的異質(zhì)性地帶，也是受氣候變化和人類活動影響最顯著的關鍵區(qū)域[1]。地球關鍵帶作為表層地球系統(tǒng)科學一種新的研究范式，主要研究地球淺表層系統(tǒng)的結構、過程和服務功能，并將地球這一“皮膚”系統(tǒng)的多尺度過程進行耦合，進行綜合性研究和整體性考慮[2]。經(jīng)過近20 年的發(fā)展，地球關鍵帶研究已成為21 世紀地球科學最前沿的研究領域，重點關注三大科學問題，包括：（1）什么控制著地球關鍵帶的結構和過程？（2）地球關鍵帶如何響應氣候和土地利用變化？（3）如何利用地球關鍵帶的綜合知識來滿足社會需求？[3]

交通道路作為一種重要的土地利用方式，是影響地球關鍵帶過程的一個不可忽視的人類活動影響因素。眾多研究表明，交通道路加劇了景觀的破碎化，尤其是與降雨的疊加作用，加速了地球關鍵帶系統(tǒng)水土流失和土地退化[4-6]。近40 年來，隨著城市建設不斷加速，道路網(wǎng)絡也不斷擴張，區(qū)域連通性的增強大大推進了我國經(jīng)濟的發(fā)展。道路建設與人類活動密切相關，交通路網(wǎng)在促進社會和經(jīng)濟發(fā)展的同時，也對地球關鍵帶景觀生態(tài)和水土流失產(chǎn)生了長遠和復雜的影響[7-8]。道路網(wǎng)絡的建設首先會改變土地利用/覆被變化，并伴隨著路網(wǎng)的延長和擴張，人類活動的影響范圍逐漸增大，對土地資源的利用度日益加深，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的擾動也逐步增強[9]。因此，道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的建立非常必要，但目前存在的OSM 路網(wǎng)數(shù)據(jù)冗余且缺少歷史數(shù)據(jù)；此外，當前發(fā)布的一些道路數(shù)據(jù)多為城市道路或者單期數(shù)據(jù)[10-11]，關于黃土塬區(qū)的歷史路網(wǎng)數(shù)據(jù)集相對較少，限制了對黃土塬區(qū)路網(wǎng)演化機制及環(huán)境效應的深入研究和認識。

董志塬是黃土高原面積最大、最連續(xù)的塬面，素有“天下黃土第一塬”之稱。2000 年以來，隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的啟動，董志塬的城鎮(zhèn)化和道路建設得到了蓬勃發(fā)展[12]。研究表明，公路和城鎮(zhèn)的建設會顯著增加地表徑流，加劇黃土塬區(qū)關鍵帶的土壤侵蝕和水土流失[13]。因此，研究交通路網(wǎng)對黃土塬區(qū)景觀生態(tài)和地球關鍵帶過程具有重要的意義，但目前并未有關于董志塬的路網(wǎng)數(shù)據(jù)。本研究根據(jù)多源數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一化，建立了董志塬1975、2005 和2020 年路網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)，具有較好的精度，可為探討塬區(qū)路網(wǎng)發(fā)展對景觀生態(tài)、水土保持和地球關鍵帶研究提供基礎數(shù)據(jù)，為董志塬固溝保塬工程和土地資源管理提供重要的數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)區(qū)域范圍

董志塬位于黃土高原南部，地處甘肅省慶陽市（35°15'23"–36°04'20"N, 107°26'47"–107°57'51"E），塬區(qū)包括西峰區(qū)全部，慶城縣、寧縣、合水縣三縣的部分區(qū)域（圖1）。平均海拔為1400 m，屬于大陸季風性氣候，雨水集中在6–9 月，多年平均降雨量為543 mm，平均氣溫為8.1 ℃，最高氣溫為35.1 ℃，最低氣溫為-22.4 ℃。塬面面積910 km2，南北總長110 km，是世界上黃土層最厚、保存最完整的黃土塬。但隨著近代以來人類活動的不斷加劇，塬面蠶食，溝道不斷擴張，塬面日益縮小，其東西寬度已從唐代時的32 km 減少為現(xiàn)在的17.5 km，最窄處僅剩50 m。由于塬面缺乏一些水土流失防護措施，水流匯入溝道，加速溝道演化，塬面日益萎縮。

圖1 研究區(qū)示意圖Figure 1 Dongzhi Tableland on the Loess Plateau

1.2 交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)源

董志源1975 年的路網(wǎng)數(shù)據(jù)根據(jù)甘肅省交通局編制的資料（圖2）[14-16]；2005 年的道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)是由慶陽市水土保持局提供；2020 年的道路網(wǎng)絡數(shù)據(jù)基于OSM 數(shù)據(jù)，下載于91 衛(wèi)星影像，并結合2020 年谷歌影像進行目視解譯。

圖2 1975 年董志塬路網(wǎng)數(shù)據(jù)源Figure 2 Sources of road network data on Dongzhi Tableland in 1975

1.3 數(shù)據(jù)處理

董志塬1975、2005 和2020 年路網(wǎng)數(shù)據(jù)的來源都不同，需要把所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理、建立標準。數(shù)據(jù)處理均在ArcGIS 軟件支持完成，具體方法如下：

（1）數(shù)據(jù)選擇與預處理：掃描1975 年的歷史資料，根據(jù)掃描文件的坐標信息（圖2）在ArcGIS 進行地圖校正與配準。以慶陽市水土保持局提供的2005 年的路網(wǎng)數(shù)據(jù)為基準，對1975年和 2020 年的路網(wǎng)數(shù)據(jù)進行投影轉換， 所有矢量文件的投影為Beijing_1954_3_Degree_GK_Zone_36。

（2）數(shù)據(jù)解譯：對1975 年進行配準的圖片中的路網(wǎng)進行矢量化，并添加屬性信息；根據(jù)下載的OSM 數(shù)據(jù)，以2020 年的衛(wèi)星影像圖作為工作底圖，基于ArcGIS 軟件的人機交互解譯完成2020 年董志塬路網(wǎng)數(shù)據(jù)處理。

（3）道路等級劃分：根據(jù)原數(shù)據(jù)和相關文獻參考[17-18]，將塬區(qū)的路網(wǎng)分為：高速公路、國道、省道、城市道路和鄉(xiāng)村道路5 類。

（4）矢量線數(shù)據(jù)復合：疊加谷歌影像，復核范圍為塬區(qū)面積的20%，經(jīng)復核，數(shù)據(jù)正確率達90%以上。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

董志塬1975、2005 和2020 年的路網(wǎng)數(shù)據(jù)是文件為.shp 的線狀數(shù)據(jù)（圖3）。表1 為路網(wǎng)數(shù)據(jù)屬性表結構，表2 為1975、2005 和2020 年董志塬路網(wǎng)數(shù)據(jù)長度信息。由于1975 年的路網(wǎng)數(shù)據(jù)參考甘肅省交通局編制的資料，該資料未統(tǒng)計鄉(xiāng)村道路，因此本數(shù)據(jù)集1975 年的鄉(xiāng)村道路為空值。

表1 路網(wǎng)數(shù)據(jù)屬性表結構Table 1 Structure of road network attribute table

表2 1975–2020 年董志塬路網(wǎng)情況Table 2 Road network information on Dongzhi Tableland from 1975 to 2020

圖3 1975–2020 年董志塬路網(wǎng)數(shù)據(jù)Figure 3 Road network data on Dongzhi Tableland from 1975 to 2020

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

本數(shù)據(jù)集2005 年的路網(wǎng)數(shù)據(jù)為慶陽市水土保持局進行現(xiàn)場驗證的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。因此本數(shù)據(jù)集的質(zhì)量控制主要是對1975 和2020 年路網(wǎng)解譯數(shù)據(jù)進行檢查和修改。這兩期數(shù)據(jù)從收集、處理分析到驗證均質(zhì)量控制嚴格。

（1） 數(shù)據(jù)解譯

確定數(shù)據(jù)處理思路，優(yōu)化解譯技術方法，及時糾正問題，以4 個縣為界，分幅進行解譯，確定勾繪的矢量線與影像數(shù)據(jù)重合，同時添加屬性數(shù)據(jù)。

（2） 結果檢驗與核對

在核對時，利用ArcGIS 中的fishnet 工具條，將塬區(qū)格網(wǎng)化，核對每個格網(wǎng)中的數(shù)據(jù)是否規(guī)范，同時對屬性、拓撲關系進行檢查。本數(shù)據(jù)集通過解譯人員自查、課題組成員對成果進行復查，對照相應時期的谷歌影像反復對這3 期路網(wǎng)數(shù)據(jù)進行核查。

4 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)集闡明了董志塬1975、2005 和2020 年的路網(wǎng)數(shù)據(jù)情況及其變化，是目前時間序列最多的路網(wǎng)數(shù)據(jù)集。本數(shù)據(jù)的生產(chǎn)方式為遙感解譯，同時借助高精度影像進行對比分析，保證數(shù)據(jù)精度。本數(shù)據(jù)集為塬區(qū)的道路網(wǎng)絡相關研究提供可靠的基礎數(shù)據(jù)，同時也為董志塬的固溝保塬工作提供了重要的科學數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)作者分工職責

楊思齊（1994—），女，陜西省渭南市人，博士研究生，研究方向為地表過程監(jiān)測。主要承擔工作：數(shù)據(jù)資料收集整理、質(zhì)量控制及數(shù)據(jù)論文撰寫。

金釗（1979—），男，陜西省西安市人，博士，研究員，研究方向為黃土高原重大治理工程的環(huán)境效應與可持續(xù)性方面研究。主要承擔工作：總體方案設計、數(shù)據(jù)復核及論文修改。

黃輝（1980—），女，中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所，副研究員，主要從事森林碳氮水循環(huán)對全球變化的響應等方面的研究。主要承擔工作：數(shù)據(jù)討論和論文修改。