縣域LS因子提取與分析——以陜西長武縣為例

曹佳云，楊勤科，2，王 程，丑述仁

（1.西北大學 城市與環境學院，西安710127；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

全國第四次土壤侵蝕調查已經在全國范圍內展開，區域土壤侵蝕因子是主要的調查內容。由于實用型區域土壤侵蝕模型尚在開發中，USLE和RUSLE被廣泛應用于土壤侵蝕調查制圖［1］。USLE和RUSLE中地形對土壤流失的影響用坡度坡長因子（LS）表示［2－3］。LS計算是利用USLE等坡面模型進行流域與區域土壤侵蝕評價與制圖的基礎［4］。國內外研究者針對流域和區域土壤侵蝕調查制圖中的LS計算進行了一系列探索。但是在這些研究中，多集中在一般方法的討論，且多以流域為單元，如吳東亮、張照錄、汪邦穩等人的研究［5－7］。國外 Moore，Wilson，Williams和Desmet等專門討論了流域LS計算方法［8－12］。Hickey 和 Van Remortel等 研 究 了 基 于DEM 提取區域LS的方法［13－16］；在此基礎上，張宏鳴等設計開發了區域尺度LS因子計算工具［17］。已有研究中多以流域為單元，以某行政區為單元提取LS因子的方法較少涉及；較多關注了丘陵區，對于高塬溝壑區注意不夠。本研究以黃土高原溝壑區為典型研究區，探討縣域地形因子提取和分析方法，為第四次全國土壤侵蝕普查及其后續工作提供技術支撐。

1 研究區概況與數據基礎

1.1 研究區概況

本次研究的區域選在長武縣，東西跨越107°38′49″—107°58′02″E，長度約為27.23km，南北跨越34°59′09″—35°18′37″N，長度約為30.06km，面積567.1 km2，黃土塬、梁峁丘陵等各種地貌發育比較齊全。

1.2 數據基礎

本次研究的基礎數據來源為國家基礎比例尺1∶5萬地形圖，所需圖幅為長武縣界緩沖2km后所包含的圖幅。地形圖等高距為10m，高斯克呂格6°投影。從測繪局購買并自行按照國家技術規程數字化，并手工勾繪地形特征線。

2 LS因子提取流程

以長武縣國家基礎比例尺1∶5萬地形圖為基礎數據，首先通過ANUDEM［18］軟件建立水文地貌關系正確的 DEM（Hydrology Correct DEM，簡稱Hc—DEM），在此基礎上通過自行開發的LS工具［17］從DEM中提取LS因子，操作流程見圖1。

圖1 LS提取流程圖

2.1 Hc－DEM建立

通過地形圖建立DEM，首先要對地形數據進行編輯處理，消除其中存在的錯誤，并手工勾繪地形特征線；然后將等高線、高程點、河流、湖泊、流域邊界以及地形特征線輸入ANUDEM軟件，建立Hc—DEM。

2.1.1 地形數據編輯 采用ANUDEM軟件建立DEM，需要輸入的基礎地形數據包括：等高線、高程點、河流和湖泊。這些地形數據可以在1∶5萬地形圖中獲取。

要獲取全縣范圍的等高線、高程點、河流和湖泊數據，首先需要進行標準分幅地形圖的拼接和投影變換。將數據拼接成一個圖幅后，需要對地形數據進行檢查和錯誤編輯，主要包括：檢查等高線和高程點錯誤，保證高程有序變化；檢查和編輯河流流向，確保河流由高往低處流；湖泊位置檢查，使其位于低洼部位；格式轉換：對于編輯好的數據，用ungenerate命令生成AUNDEM可以識別的文本文件。

2.1.2 地形特征線提取 在等高線基礎上，手工勾繪主要的地形特征線，主要包括：塬邊線、溝沿線以及坡腳線。轉換生成地形特征線的gen文件。關于特征線提取，詳見文獻［19］。

2.1.3 DEM建立 利用編輯好的地形數據，運行ANUDEM生成縣域DEM。輸入文件為等高線、高程點、河流、湖泊、緩沖的縣域邊界以及地形特征線。主要參數設置為，迭代次數20，第二粗糙度0.5。輸出文件為2進制或文本格式，可在ArcGIS中轉化為grid格式。由于數據量比較大，如果運行中斷，可分塊逐個運行生成DEM，然后再用Mosaic功能合并得到縣域DEM。

2.1.4 流域劃分 流域劃分通過AML編程方式自動實現，然后對流域邊界進行編輯和輸出。根據本研究需要，本著各流域單元面積適中、形狀盡量接近圓形的原則，將長武縣劃分為4個流域單元。將各流域邊界單獨存為一個文件。對各流域邊界建立1km的緩沖區，得到緩沖的流域邊界，并將緩沖邊界文件轉換生成gen文件。

2.2 LS因子提取

在生成的Hc－DEM的基礎上，利用自行開發的LS因子提取工具［17］，提取坡度、坡長，根據第四次土壤侵蝕普查技術規程中的規定，計算LS因子。

2.2.1 坡度、坡長和LS因子算法 自行開發的LS計算工具［17］，坡度提取采用D8算法，坡長采用單流向下的徑流累計算法。其中坡長的提取須以流域為單元。

2.2.2 LS因子計算的實現 在ArcGIS環境下將grid格式DEM轉換為文本文件，然后輸入LSTools中，每個流域將輸出5個文本文件，分別是坡度、坡長、坡度因子、坡長因子和坡度坡長因子。這些文本文件可在ArcGIS環境下轉化為grid，并將各個流域的5個因子圖進行拼接，生成縣域完整的LS因子系列圖，包括坡度、坡向、坡度因子、坡長因子、坡度坡長因子。

3 結果與分析

3.1 DEM與地形宏觀結構特征

利用地形圖上的地形信息和地形特征線生成的DEM，從宏觀上表達該地區塬、塬坡、現代溝坡、川地等各種地貌結構，較之常規方法建立的DEM，對侵蝕地形的表達能力有所改善［19］（圖2）。

圖2 長武縣典型樣區Hc－DEM

3.2 坡度、坡長和LS值的空間分布

從生成的坡度、坡長、LS因子的分布圖（圖3）可以看出，在溝道、河灘、塬的頂部，坡度較小、坡長較長，LS值較小；在溝道兩邊的坡上，坡度較大、坡長較小，LS值較大。LS值的分布與坡度的分布最相似，而與坡長的分布差別較大。這是因為在黃土高原丘陵區，坡度對侵蝕的影響大于坡長［20］。

圖3 坡度、坡長、LS因子圖

3.3 坡度、坡長和LS值的頻率分布

3.3.1 整個區域坡度、坡長和LS值的頻率分布

將整個縣的坡度、坡長和LS因子的特征值進行統計，將坡度、坡長和LS因子的屬性表導出，在Excel中制作各因子的頻率與累積頻率分布曲線，如圖4所示。從頻率分布曲線中可以看出，0～25°的坡度占總坡度的80%左右，其中坡度值為0～5°的坡度占了50%。坡度曲線在0.5°附近最高，先驟降，隨后在20°～25°出現小的峰值，最后開始下降，到60°附近基本持平，60°～80°的坡度只占總坡度的0.05%左右。這是因為該區域存在比較多的塬、河灘等平坦地貌，有坡度較陡的區域存在是因為DEM構建時添加了地形特征線。坡長的分布中，小于500m的坡長占了95%，說明黃土高原丘陵區一方面地形比較破碎復雜，相對起伏度較大，另一方面說明該區域也包含較多的平坦地貌。LS的頻率曲線從值為1的最高值開始驟降，到值為5左右逐漸下降。它是坡度與坡長共同影響的結果，與坡度頻率分布更加相近，這也驗證了在黃土高原丘陵區，坡度對侵蝕的影響大于坡長的影響。從坡度、坡長和LS因子的特征值與頻率曲線可以得出，提取出的因子可以符合該地區的實際地形狀況。

圖4 坡度、坡長與LS因子頻率分布曲線

圖5 各類地形的坡度分布

圖6 各類地形的坡長分布

3.3.2 各地形類型區坡度、坡長和LS值的頻率分布 在整個縣選擇4個典型樣區（塬面、塬坡、現代溝坡和川地），在提取的坡度、坡長和LS圖基礎上裁剪出4個典型區，統計其地形特征值的平均值，結果表明，各個地形類型中，現代溝坡坡度最陡，頻率曲線偏向右（高值區）；塬面最緩，平均不到1°，頻率曲線偏向左（低值區）；塬坡和川地介于中間（圖5）。各類地形坡長分布可分為3組（圖6），塬面和塬坡最長（大于全區坡長），現代溝坡最短（小于全區坡長），而川地介于其間（大于全區坡長）。

4 結論

（1）縣域行政單元LS因子提取的主要技術環節為基礎數據編輯、流域劃分、地形特征線提取、用ANUDEM軟件生成Hc—DEM以及用LS＿Tools提取LS因子。

（2）對于一個行政單元或流域而言，良好的基礎數據、先進的DEM插值方法、科學合理的LS因子提取技術，是LS因子提取的基本要求，保證這幾個方面是LS因子提取的關鍵技術環節。

（3）以流域為單元的LS因子提取，是針對LS因子提取的科學原理而言的；以縣域為單元的LS因子提取，是針對LS因子提取的實用而言的；縣域LS因子的提取，也必須遵循LS因子提取的科學原理，注意避免因為DEM可辨識的最小流域不完整而帶來的邊際效應。

（4）利用我們的前期理論研究和開發的LS因子提取工具，可提取縣級行政單元的LS因子專題層和相關單項要素，如坡度、坡長、流域邊界等。從提取結果的統計和空間分布特征看，基本可反映該地區的地貌特征。

（5）長武塬區各不同地貌單元的坡度、坡長特征有明顯不同，坡度表現為塬面坡度比較平緩，塬坡和川地介于中間，現代溝坡的坡度最陡；坡長表現為塬面和塬坡最長，川地其次，現代溝坡坡長最短。

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