徐珍, 蔣婷, 黎武, 吳強(qiáng)建中

(西華師范大學(xué) 國土資源學(xué)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(qiáng)建中

(西華師范大學(xué) 國土資源學(xué)院,四川 南充 637000)

地形作為影響土壤侵蝕的重要因素之一，對(duì)土壤侵蝕的方式及強(qiáng)度具有控制作用。通過對(duì)地形因子的計(jì)算和分析，為土壤侵蝕防治及治理提供一定的參考，同時(shí)為水土流失評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)?；贒EM(數(shù)字高程模型)提取坡度、坡長(zhǎng)、LS因子等地形指標(biāo)且計(jì)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(jié)果表明：(1)90 m、60 m、30 m不同分辨率下，坡度、坡長(zhǎng)、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(zhǎng)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(duì)于地形因子均具有較為明顯的影響。

DEM；地形因子；坡度；坡長(zhǎng)；LS因子

地形因子是反映地形地貌對(duì)土壤侵蝕量影響的重要指標(biāo)，因此各類土壤侵蝕評(píng)估模型將地形因子作為影響評(píng)估結(jié)果的重要因素之一[1]。坡度、坡長(zhǎng)、LS因子作為地形因子中常用的指標(biāo)要素，在地形因子分析中得到廣泛應(yīng)用[2- 3]。從坡度、坡長(zhǎng)、LS因子的統(tǒng)計(jì)和空間分布特征的角度，基本可體現(xiàn)出該地區(qū)的塬面、塬坡、現(xiàn)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(zhǎng)等，而在侵蝕預(yù)測(cè)應(yīng)用中，坡度和坡長(zhǎng)一般一起評(píng)價(jià)計(jì)算[4]。而LS 因子是USLE等模型中地形對(duì)土壤侵蝕影響的復(fù)合地形指標(biāo)[5]。根據(jù)Moore(1986) 的研究，LS 因子代表地表徑流的挾沙能力[6]。根據(jù)前期的理論研究和技術(shù)開發(fā)可提取LS因子，該因子具有一定科學(xué)性，可滿足土壤侵蝕的宏觀評(píng)價(jià)要求[7]。劉寶元根據(jù)中國實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)將坡度和坡長(zhǎng)因子算法進(jìn)行了推廣，并改進(jìn)了LS因子算法，對(duì)于我國的地形因子以及土壤侵蝕模型的計(jì)算具有實(shí)際意義[4]。

基于土壤侵蝕模型的建立與廣泛運(yùn)用，國內(nèi)對(duì)地形因子展開了大量的研究[8]。基于全國的地形因子提取與分析，黃土丘陵溝壑區(qū)坡長(zhǎng)最短、坡度較大；東北丘陵區(qū)坡長(zhǎng)較長(zhǎng)、坡度小、LS 因子較??；而南方紅壤丘陵區(qū)和西南紫色土丘陵區(qū)坡長(zhǎng)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(zāi)區(qū)內(nèi)地形因子是山地災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)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(duì)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(zhǎng)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(nèi)大多學(xué)者研究了地形因子的分布與影響，認(rèn)識(shí)到其對(duì)土壤侵蝕的重要性，但少見關(guān)于地形因子空間分布的研究。

在坡面尺度上，可通過實(shí)測(cè)的方法對(duì)坡度和坡長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算出LS 因子[8, 13]。但是，在小流域和區(qū)域尺度上，通過對(duì)坡度和坡長(zhǎng)的實(shí)地測(cè)量來進(jìn)行評(píng)價(jià)較為不實(shí)際，因此目前LS 因子只能通過DEM進(jìn)行提取[13]。本文的主要目標(biāo)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(jù)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(jù)。

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(jí)地形，處于中國揚(yáng)子古板塊與華夏古板塊結(jié)合帶的南東側(cè)，也是長(zhǎng)江以南和南嶺以北的羅霄山脈南北向構(gòu)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(zhì)火山-侵入雜巖帶相接[14]。井岡山市屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.1 ℃，極端最低氣溫-8.9 ℃[15]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文以SREMDEM30m為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www. gscloud.cn/)。矢量數(shù)據(jù)源于國家科技基礎(chǔ)平臺(tái)的地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)提供的中國縣級(jí)行政區(qū)圖[16]。以ArcGIS10.2為技術(shù)支撐，運(yùn)用掩膜提取工具對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，得出完整的井岡山市30m×30m分辨率DEM 柵格數(shù)據(jù)，進(jìn)而運(yùn)用數(shù)據(jù)管理工具→柵格處理→重采樣工具獲得60m×60m和90m×90m的柵格數(shù)據(jù)。

2.2 起伏度的計(jì)算

運(yùn)用ArcGIS10.2中的鄰域分析工具以及窗口分析法對(duì)DEM提取地形起伏度，起始窗口為3×3,5×5…65×65，移動(dòng)步距為2，終止窗口為65，窗口類型為矩形。進(jìn)而通過均值變點(diǎn)法對(duì)統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行計(jì)算，目視解譯得出最佳統(tǒng)計(jì)單元[16]。

2.3 地形因子的計(jì)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(jì)算得出坡長(zhǎng)。學(xué)者劉寶元根據(jù)國內(nèi)的水土流失情況，對(duì)RULSE土壤侵蝕模型進(jìn)行改進(jìn)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(zhǎng)因子；λ為坡長(zhǎng)(m); 22.1為22.1標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長(zhǎng)；m為坡長(zhǎng)指數(shù)，根據(jù)坡度不同取值不同。

3 結(jié)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(shí)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(jù)SL190-2007《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中地面坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將坡度分為6 個(gè)等級(jí)(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(shù)據(jù)處理過程信息的丟失，其所包含的信息量會(huì)出現(xiàn)不同程度的損失，因此通過對(duì)比不同DEM分辨率所獲得的信息，可以計(jì)算出DEM的損失量[19]。通過結(jié)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(dāng)坡度≤25°時(shí)，隨著DEM的降低，損失量為負(fù)數(shù)；而當(dāng)坡度>25°時(shí)，損失量為正數(shù)。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(chǔ)分辨率，隨著分辨率的降低，坡度最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)值均逐漸減小。

表1 不同分辨率坡度分布結(jié)果

表2 不同分辨率坡度基本統(tǒng)計(jì) (°)

3.1.2 坡長(zhǎng)的分布

坡長(zhǎng)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(shí)作為反映土壤侵蝕與地貌形態(tài)因子的重要指標(biāo)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(yīng)用。結(jié)合該區(qū)域的坡長(zhǎng)分布特點(diǎn)，將該區(qū)域坡長(zhǎng)分為<150 m、150～250 m、250～350 m、350～450 m、450～550 m、≥550 m六種類型。根據(jù)不同分辨率坡長(zhǎng)分布結(jié)果反映，不同分辨率下坡長(zhǎng)分布具有差異，該區(qū)域坡長(zhǎng)主要分布在0～150 m之間，占總分布的50%以上，隨著坡長(zhǎng)值逐漸增大，而分布比例減小，到坡長(zhǎng)≥550 m出現(xiàn)上升；當(dāng)坡長(zhǎng)<450 m時(shí)，損失量均大于0，而當(dāng)坡長(zhǎng)≥450 m時(shí)，坡長(zhǎng)損失量小于0，并且隨著分辨率的降低，損失量絕對(duì)值逐漸增大。根據(jù)表4得出的不同分辨率坡長(zhǎng)基本統(tǒng)計(jì)表，隨著分辨率的降低，坡長(zhǎng)最大值逐漸減小，而平均值與標(biāo)準(zhǔn)差增大，并且增加十分明顯。

表3 不同分辨率坡長(zhǎng)分布結(jié)果

表4 不同分辨率坡長(zhǎng)基本統(tǒng)計(jì) m

3.1.3 LS因子的分布

LS因子，即坡度和坡長(zhǎng)對(duì)土壤侵蝕的共同影響，被量化后作為L(zhǎng)S 因子來計(jì)算，其中L為坡長(zhǎng)因子，S為坡度因子[20]，通常被作為一個(gè)獨(dú)立的地形因子，用以土壤侵蝕中的地形效應(yīng)[2]。通過該區(qū)域LS因子的實(shí)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(nèi)逐漸增大；5～15范圍內(nèi)逐漸減??；15～25范圍內(nèi)逐漸減??；25～35范圍內(nèi)逐漸減小，35～45范圍內(nèi)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(shì)變緩，而坡長(zhǎng)增大，可見LS 因子減小了坡長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)差增大，平均值變小(見表6)。

表5 不同分辨率LS因子分布結(jié)果

表6 不同分辨率LS因子基本統(tǒng)計(jì)

3.2 不同地形分析

根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果得出該區(qū)域的最佳窗口統(tǒng)計(jì)面積為0.2025 km2，最佳統(tǒng)計(jì)單元為15*15。本文按照中國陸地1∶100萬數(shù)字地貌制圖規(guī)范中地形起伏度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該區(qū)域進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)差最大值出現(xiàn)在小起伏山地區(qū)域；坡長(zhǎng)最大值平原>丘陵>小起伏山地；平均值和標(biāo)準(zhǔn)差最大值出現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)差最大值出現(xiàn)在小起伏山地區(qū)域。LS因子由坡度與坡長(zhǎng)值計(jì)算得出，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，不同區(qū)域LS因子與坡長(zhǎng)的結(jié)果相一致。

表7 不同地形下坡度、坡長(zhǎng)、LS因子統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)分布趨勢(shì)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(shì)較為平緩，丘陵廣布。平原區(qū)域0～150 m坡長(zhǎng)值占總比例的0.68，而450～550 m坡長(zhǎng)值占總比例的0.03；丘陵區(qū)域0～150 m坡長(zhǎng)值占總比例的0.67，450～550 m坡長(zhǎng)值占總比例的0.02；小起伏山地區(qū)域0～150 m坡長(zhǎng)值占總比例的0.85，450～550 m坡長(zhǎng)值占總比例的0.004。由此可知，小起伏山地區(qū)域的坡長(zhǎng)較為集中，平原與丘陵區(qū)域次之。

圖2 坡長(zhǎng)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(jié)論與討論

(1)通過30 m、60 m、90 m不同分辨率提取坡度、坡長(zhǎng)、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(zhǎng)主要分布在0～150 m之間，隨著分辨率的降低，坡長(zhǎng)最大值逐漸減小，而平均值與標(biāo)準(zhǔn)差增大，并且增加趨勢(shì)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)值的最大值隨著分辨率的降低而減小，且平均值與標(biāo)準(zhǔn)差增大。LS因子由坡度因子與坡長(zhǎng)因子計(jì)算得來，在坡度與坡長(zhǎng)的綜合情況下使得最終計(jì)算結(jié)果中LS因子差距較小。

(2)經(jīng)過地形起伏度的計(jì)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(jù)結(jié)果得出，坡度最大值小起伏山地>丘陵>平原；坡長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)于坡度、坡長(zhǎng)、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(yán)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)土壤侵蝕程度研究具有重要作用，本文運(yùn)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(xué)依據(jù)，但由于數(shù)據(jù)獲取較難，因此今后旨在提高數(shù)據(jù)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(guān)貢獻(xiàn)。

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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?yàn)樗帘３峙c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