黃土丘陵溝壑區地貌與生態恢復措施關系的研究

摘要：以黃土丘陵溝壑區第二副區的彭陽縣為研究區，以1∶50 000比例尺的數字高程模型（DEM）、2014年資源三號高清遙感影像數據為數據源，采用GIS空間分析方法提取正負地形、剖面曲率、坡度和地勢起伏度、地貌類型，結合研究區的實際情況自動提取劃分梁峁頂、梁峁坡、溝坡、溝底和溝谷塬區5類地貌部位。結合資源三號高分影像等數據對自動提取的地貌類型進行修正，將自動提取的地貌部位進行實地驗證，分析研究區地貌部位及景觀格局與生態恢復措施之間的關系。結果表明，運用DEM地形分析方法可以自動提取彭陽縣的梁峁頂、梁峁坡、溝坡、溝底、溝谷塬區等地貌部位；彭陽縣5類地貌部位的面積大小為梁峁頂>梁峁坡>溝坡>溝底>溝谷塬區，地貌類型面積以梁峁頂和梁峁坡為主；不同地貌部位生態恢復措施景觀配置不同，依據自動提取的研究區地貌數據，繼續遵循因地制宜、因害設防的原則，合理布設生態恢復措施。

關鍵詞：DEM；數字地形分析；黃土丘陵溝壑區；彭陽縣；地貌部位

中圖分類號：TP75 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4427-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.018

Abstract： Taking the second deputy of hilly-gully region landscape in Pengyang county as the study area，taking the 1∶50 000 scale digital elevation model（DEM） data， the remote sensing image data of resources satellite three in 2014 as a data source，the topography positions unit as Liang Maoding， Liang Maopo，gully，ditch sole and valley plateau area were extracted using the GIS spatial analysis methods containing clustering，polymerization，information combination and DEM data mining methods. The relationship between the sampling point topography positions and the topography positions were analysed automatically combineding the different landform parts with the actual ecological restoration measures. The results showed that Liang Maoding，Liang Mao，Gully，Ditch sole and Valley plateau were automatically extracted by DEM terrain analysis method.The size of five kinds topography positions were Liang Maoding>Liang Maopo>Gully>Ditch sole>Valley plateau area. The topography positions showed that Liang Maoding and Liang Maopo are the main in Pengyang county. Different landforms landscape configuration needs different ecological restoration measures. Sequentially following the principles of suiting measures to local conditions and setting up defences due to hazard，on the basis of automatic extraction of terrain data in the study area，design ecological restoration measures rationally.

Key words： DEM； digital terrain analysis； Loess Hilly-gully Region Landscape； Pengyang county； topography positions.

地貌是地域分異的主要指標和主導因子，在很大程度上控制著其他生態、環境因子的分布與變化[1]，且地貌的形態特征、海拔、坡度、坡向等影響著土地利用方式、結構、布局和改造措施，在不同地貌部位中實施不同的生態恢復措施不僅改善了土壤的物理特性，而且改善了區域生態景觀空間分布格局[2]。準確高效地劃分地貌部位是生態恢復措施合理配置的關鍵，運用規則格網數字高程模型（DEM）自動提取地貌類型具有客觀性和科學性[3]。隨著GIS的發展，DEM被廣泛地應用到地形特征提取、水文分析等眾多數字地形分析領域[4]，如劉愛利等[5]運用1∶1 000 000的數字高程模型，通過主成分分析，非監督分類法與最大似然監督分類法相結合對中國地貌的基本形態進行自動提取；熊禮陽等[6]以地質圖、DEM、遙感影像及實測數據為依據，運用GIS空間分析方法，分析現今地形與古地形的空間關系表明，兩種地形的高程、比降、凸凹度呈現明顯的線性正相關關系；李新艷等[7]基于Hc-DEM提取地形因子，研究南方紅壤區水土流失表明，南方紅壤區水土流失非常嚴重，地形屬性和坡度坡長因子對土壤侵蝕影響明顯；李炳元等[8]通過對已有的基本地貌分類及其劃分指標進行系統分析和評估，提出了地貌海拔高度分級指標；程維明等[9]基于形態、成因、物質和年齡等地貌要素，構建了中國多個國家基本比例尺數字地貌等級分類方法。以上的研究顯示，基于DEM的地形因子提取是數字地形分析的核心內容與研究熱點，已成為傳統地理學與計算機技術、人工智能技術相結合的新的增長點[10]，結合計算機基于規則統計單元的方法自動提取地貌類型的結果與區域生態恢復措施分析，可以為流域治理、水保措施合理布設等提供依據。

彭陽縣位于黃土丘陵溝壑區第二副區，建縣之初，全縣92%的土地水土流失，土地資源嚴重退化，隨著水土保持立縣方針的制定，全縣進行水土流失綜合治理規劃，隨著坡改梯、退耕還林還草和水資源開發補給三大工程建設的進展，縣域生態環境逐漸好轉。1999年彭陽縣被評為“全國水土保持生態建設示范縣”，2000年被評為全國退耕還林還草示范縣，是黃土丘陵溝壑區生態恢復的典型縣。本研究以彭陽縣為研究區，運用DEM地形分析方法自動提取地貌部位，并結合資源三號高分影像等數據對提取結果進行修正、實地驗證，分析實地調研的生態恢復措施與地貌部位的關系，為生態恢復措施合理布設提供依據。

1 研究區概況

彭陽縣位于寧夏回族自治區東南部邊緣，六盤山東麓，介于東經106°32′～106°58′，北緯35°41′～36°17′之間，土地總面積2 533.49 km2。彭陽縣地處黃土高原中部丘陵溝壑區，黃土堆積厚度大，土質梳松，剝蝕嚴重，年均土壤侵蝕模數6 010 t/km2，年流失土壤總量約1 300萬t，境內山多川少，溝壑縱橫，土地貧瘠，植被稀疏，屬于全國重點水土流失區[11]。黃土丘陵是本縣的主要地貌類型，海拔在1 248～2 418 m，地質環境條件脆弱，滑坡與峁塌等地質災害頻發，區內主要有長城塬、劉塬、孟塬、何塬、夏塬等。研究區位置如圖1所示[12]。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

以彭陽縣25 m×25 m分辨率DEM和2014年資源三號高分遙感影像為主要數據源。DEM數據是按照中國標準數據生產流程而生成的1∶50 000 （25 m×25 m分辨率）DEM數據[13]，資源三號高清遙感影像經過幾何校正和輻射校正，3.2 m分辨率，墨卡托投影坐標系，1980年國家大地坐標系，1985年國家高程基準。

其他數據包括2014年遙感影像判讀的土地利用數據、水土保持項目區資料等。

2.2 研究方法

基于地理相關分析法、野外調查法以及GIS軟件的空間分析[14]，運用1∶50 000地形圖矢量化等高線生成DEM數據，在ArcGIS10.0環境下應用空間分析、地形分析、疊加分析和統計分析，根據空間濾波的原理提取正負地形、剖面曲率、坡度和地勢起伏度等部分地形因子，運用聚類、聚合、信息復合及窗口分析等[15]DEM數據挖掘和GIS空間分析方法提取地貌部位單元，最后運用遙感圖像解譯方法對提取的地貌部位邊界進行修正，將地貌部位劃分為梁峁頂、梁峁坡、溝坡、溝底和溝谷塬區5類，將所得結果實地驗證并與生態恢復措施進行分析，驗證彭陽縣基于1∶50 000 DEM自動提取地貌類型的準確性，并分析研究區景觀格局與生態恢復措施及地貌部位間的關系。

2.3 技術流程

技術流程如圖2所示。

3 地貌部位提取分析

3.1 提取正負地形

正地形指高程相對凸起的區域，在黃土坡面溝沿線以上，主要包含塬面、梁頂、峁頂、梁峁坡面為主的溝間地區域，在丘陵溝壑地區坡度約在25 °以下；負地形指高程相對凹陷的區域，在黃土坡面溝沿線以下，主要以溝坡、溝底為主的侵蝕溝谷區域，在丘陵溝壑地區坡度約在25 °以上[16]。正、負地形的提取實質上是溝間地與溝谷地的提取過程，在ArcMap中，首先對DEM數據應用3×3的矩形窗口做窗口分析，通過柵格計算DEM值與DEM平均值的差值，把差值大于零的值記為正地形，差值小于零的值記為負地形，即得到正負地形圖層，提取結果如圖3所示。

3.2 剖面曲率提取分析

剖面曲率是度量地面坡度在最大坡降方向地面高程變化率情況的微觀地形因子，可以反映地表曲面在垂直方向的彎曲、變化程度[17]。在ArcMap中以坡度為數據源，通過柵格分析的表面分析求取坡度的二階導數，即得到剖面曲率圖層，提取結果如圖4所示。

3.3 坡度提取分析

根據研究區地貌形態分類系統[18]，坡度是提取地貌基本形態的一個重要指標，參照黃土高原耕地土壤侵蝕規律，將流域坡度分為5級，即得到坡度分級圖層，提取結果如圖5所示。

3.4 地勢起伏度的提取分析

地勢起伏度是指特定區域內，最高點海拔高度與最低點海拔高度的差值[19]，也是提取地貌類型的重要指標，在宏觀區域內反映地面的起伏特征。而地勢起伏度的提取關鍵在于最佳窗口的選擇，在何文秀等[12]報道中已經得出彭陽縣1∶50 000 DEM在地勢起伏度的提取中最佳窗口為12×12，應用12×12的矩形窗口做窗口分析，通過柵格計算最大高程值與最小高程值的差值，即為地勢起伏度圖層，提取結果如圖6所示。

3.5 地貌部位的提取

運用聚類、聚合、信息復合及窗口分析等DEM數據挖掘和GIS空間分析方法來提取地貌部位單元[14]。①將柵格計算得出的正負地形圖層與剖面曲率圖層疊加，正地形且剖面曲率大于等于零的為溝間地，其他的則為溝谷地；②對坡度數據以5 °為公差進行等差分級，然后與①中所得數據疊加，坡度小于5 °的溝間地為梁峁頂，坡度5 °～15 °的為梁峁坡，坡度大于等于25 °的溝間地和溝底地為溝坡地，其他的則為溝底地；③對提取的地勢起伏度數據層進行分級調整，根據研究區實際情況分為平地（小于30 m）、臺地（30～70 m）、丘陵（70～90 m）、小起伏山地（90～120 m）、中起伏山地（大于120 m）5類，將起伏度數據圖層與②中所得的數據疊加，起伏度小于30 m的為溝底和溝谷塬區，起伏度大于120 m的為梁峁頂；④結合海拔和2014年土地利用現狀圖，將海拔低于1 520 m的區域劃分為溝底，按照土地利用現狀提取溝底和溝谷塬區，最終提取出研究區5種地貌類型，即梁峁頂、梁峁坡、溝坡、溝底和溝谷塬區，如圖7所示。

3.6 地貌自動提取的實地驗證

2014年7月在研究區彭陽縣進行地貌自動提取的實地驗證，按不同流域不同海拔梯度GPS定位，獲取地貌類型、經緯度值和生態恢復措施信息，如表1所示。將樣點數據進行地理處理、投影變換等操作，得到采樣點的空間分布，如圖8所示。圖上的1、2、3、4分別代表實際采樣點所在的地貌部位，即梁峁頂、梁峁坡、溝坡和溝底，不同顏色代表由DEM自動提取的地貌部位，顏色按淺灰、灰色、深灰和黑色分別代表梁峁頂、梁峁坡、溝底和溝坡。

表1數據顯示，梁峁頂的生態恢復措施主要有退耕還林（草）、魚鱗坑、“88542”；梁峁坡的生態恢復措施主要有荒山自然封育、經果林、魚鱗坑；溝坡的生態恢復措施主要有退耕還林（草）、自然封育、魚鱗坑、“88542”；溝底的生態恢復措施主要有溝底防沖林、水平梯田、淤地壩，生態恢復措施的規劃實施受地貌類型影響。圖8所示，90%的實際采樣點位于自動提取的地貌部位，實際采樣點的地貌類型與DEM自動提取的地貌部位基本一致，提取的結果可以推廣運用到流域治理、水土保持措施規劃中。

4 結果與分析

4.1 地貌部位面積比例

自動提取所得地貌部位梁峁頂、梁峁坡、溝坡、溝底和溝谷塬區的面積，統計結果如表2所示。表2數據顯示，提取的梁峁頂面積為69 495.51 hm2，占研究區總面積的27.43%；梁峁坡面積為69 111.99 hm2，占研究區總面積的27.28%；溝坡面積為51 464.62 hm2，占研究區總面積的20.31%；溝底面積為40 152.05 hm2，占研究區總面積的15.85%；溝谷塬區面積為23 124.83 hm2，面積比例為9.13%。從面積比來看，受海拔、坡度的影響，彭陽縣地貌部位以梁峁頂和梁峁坡為主，且梁峁頂和梁峁坡的面積達到一半以上，地勢陡峭。海拔低，地勢較平坦的溝底和溝谷塬區面積較小。

4.2 不同地貌部位的分析

4.2.1 梁峁頂 梁峁頂地區水蝕輕微，風力強盛，年均風蝕深2.16 cm，相當于年風蝕量35萬t/km2[20]，再加上海拔高，土壤的重力侵蝕強，坡度小于3 °的區域地勢平坦，基本無水土流失，可以作為農用旱地或牧草地，坡度大于3 °的區域有輕微的土壤侵蝕應該以退耕還林（草）和封山育林等生態恢復措施為主，種植牧草以及檸條、山桃等灌木。

4.2.2 梁峁坡 梁峁坡地介于梁峁頂面和溝坡之間，土壤侵蝕強烈，其坡度范圍一般介于15 °～35 °之間，15 °～25 °強烈的線狀侵蝕導致基石外露，該區域適合發展梯田旱地或果園，也可發展水保林和長期牧草地，坡度大于25 °的區域水土流失嚴重，需退耕，嚴禁開墾。

4.2.3 溝坡地 溝坡地地面坡度一般大于35 °，坡度在35 °以上的區域容易發生滑坡、泥石流等，重力侵蝕極為嚴重，地面植被覆蓋低，應該在較陡的坡地上修筑水平溝、魚鱗坑，發展以灌木為主的坡灌草植被，以退耕為主，采取封育造林等措施發展水保林。

4.2.4 溝底地 溝底地地面坡度一般小于6 °，坡度小于2 °的區域由于地面平坦無土壤侵蝕便于灌溉，坡度在2 °～6 °的區域，有輕微的土壤侵蝕，由于肥沃的土壤條件，較適宜種植蔬菜、發展灌溉水田等，也可發展農田保護林。

4.2.5 溝谷塬區 溝谷塬區面積為23 124.83 hm2，占總面積的9.13%。溝谷塬區包括寬谷和塬區，坡度與地勢起伏度較小，較適宜農業耕作。研究區的寬谷海拔低，地勢平坦、水分條件好，可以發展水田、蔬果地等；塬區的地勢平坦、海拔較高，適宜機耕，可發展旱田。

5 結論

5.1 地形因子直接影響地貌部位的提取

正負地形、剖面曲率、坡度，地勢起伏度直接作用于地貌類型，這些地形因子提取的等級與最佳分析尺度的選取都將影響地貌類型自動提取的結果。

5.2 應用地形分析可以快速提取地貌部位

運用正負地形與剖面曲率能夠將梁峁地與溝谷地提取出來，但進一步細化地貌類型，還需結合坡度、地勢起伏度等地形因子，基于數字地形自動提取地貌類型的方法能夠快速有效的獲取研究區地貌信息。自動提取的地貌類型結果與實際采樣點對比結果顯示；基于數字地形模型自動提取的地貌部位與實際采樣點的地貌類型基本一致，能夠反映研究區地貌類型的特征，其結果為生態恢復、水土保持等提供數據支持。

5.3 彭陽縣生態恢復措施配置受地貌部位影響

彭陽縣自動化分的5類地貌部位面積大小依次為梁峁頂>梁峁坡>溝坡>溝底>溝谷塬區，地貌類型面積以梁峁頂和梁峁坡為主，土壤侵蝕嚴重，地形破碎化程度較高。經過多年的治理，彭陽縣不同地貌部位呈現出規律的生態恢復景觀：平坡種植溝底防沖林、經濟林、修建淤地壩等；在緩坡的居民地附近種植經果林、蔬菜等，以及修建梯田和防護草帶；陡坡水土流失嚴重、植被裸露，可種植果樹及牧草；“封造結合、針闊混交”指急陡坡荒山造林和封山育林相結合增加林草的覆蓋，降低水土流失速度；陡峭坡水土流失劇烈必須封山育林。將來在生態恢復措施配置上可以依據自動提取的研究區地貌數據，繼續遵循因地制宜、因害設防的原則，合理布設生態恢復措施，以期獲得更好的生態恢復效益。

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