基于DEM的贛州市水土流失地形因子的提取與分析

徐珍+蔣婷+黎武+吳強建中

摘 要：該研究以SREMDEM30mDEM為基礎數據，以ArcGIS10.2為軟件平臺，對坡度、坡長、地形粗糙度、地表切割深度、地形高程變異系數進行了提取并分析。結果表明：贛州市坡度變幅為0°～70.7213°，坡長變幅為0～1187.34m，地形粗糙度集中在1～3.0234，地表切割深度集中在0～118.333，地形高程變異系數集中在0～1.1.8536。通過對水土流失地形因子的分析，為該區域水土流失防治提供一定的科學依據。

關鍵詞：水土流失；地形因子；DEM

中圖分類號 S157 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）11-0104-04

Analysis and Selection of Topographical Indices Influencing Soil Loss in Ganzhou City

Xu Zhen et al.

（School of Land and Resources，China West Normal University，Nanchong 637000，China）

Abstract：Based on the DEM of ASTER GDEM with 30 meter resolution，and ArcGIS soft ware platform，topographic features，such as slope，slope length，surface roughness，surface incision and variance coefficient are extracted and analyzed. The result shows that the slope is the 0°～70.7213°；the slope length is the 0～1187.34m；the surface roughness is the1～3.0234；the surface incision is the 0～118.333；the variance coefficient is the 0～1.1.8536.Through the analysis of soil and water loss topographic factors，it provides some scientific basis for soil and water loss control in this area.

Key words：Soil loss；Topographical indices；DEM

地形要素是最基本的自然地理單元，地形的起伏與變化特征直接影響地表物質遷移與能量轉換的方式、規模與速率，影響著水土流失的發生[1]。近年來，對于地形的分析主要基于地理信息技術對地形因子的提取，根據學者對地形因子的分類，主要分為微觀地形因子和宏觀地形因子兩類，其中微觀地形因子包括坡度、坡長、坡向、剖面曲率等；宏觀地形因子包括地形粗糙度、地形起伏度、高程變異系數、地表切割深度等[2]。

關于地形因子的研究主要源于美國的土壤侵蝕模型的建立，并且在微觀地形因子方面的研究較為廣泛[3]。在國內的研究也在近年來逐漸廣泛，國外對于地形因子的研究均局限于坡面或溝道，學者根據地貌學意義與水土保持學意義的不同，從大尺度范圍進行研究，主要選取了宏觀尺度上的地形指標，對宏觀水土流失進行評價與預測[4]。此外，提取技術上也不斷發展，通過DEM提取地形因子更為普遍，DEM能夠反映一定分辨率的局部地形特征，借助一定的算法，就能提取各種地形特征信息[5]。如對我國地貌基本特征的反映，DEM所提取的宏觀地形因子較為準確，豐富了地貌實體形態的量化描述，為地貌形態分類提供了可靠依據[6]。為了研究區域地表破碎程度，地形因子的提取在不同地貌區域也得到了不同程度的運用，喀斯特地貌區域[7]與黃土高原區域[8]得到了成功的驗證，并且得出了區域的地貌分區圖，為地貌學研究提供了可靠的信息源。地形因子的提取漸趨成熟，在其實踐運用上主要集中在梯田、居民點、耕地、公路等方面。綜上，地形因子的提取與分析對于地貌學研究具有不可忽視的作用。

雖然國內外都利用DEM對不同地形因子的提取技術進行了研究，但仍然集中在坡面地形參數的提取上，對于宏觀地形參數的提取則很少涉及。為此，本文基于DEM對影響水土流失的微觀地形因子與宏觀地形進行提取且分析，從而對宏觀水土流失評價和預測工作起到推動作用。

1 研究區概況

贛州市位于江西省南部、贛江上游，地理位置為北緯24°29′～27°09′，東經113°54′～116°38′[9]。市境內地帶性土壤為紅壤，地貌以丘陵和山地為主，兼有盆地，分別占全市土地總面積的61%、22%和17%[10]。地處中亞熱帶南緣，呈典型的亞熱帶丘陵山區濕潤季風氣候，年平均氣溫18.9℃，年均降水量1587mm[11]。

2 數據與方法

2.1 數據來源 本文以SREMDEM30m為基礎數據，數據源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/）。矢量數據源于國家科技基礎平臺的地球系統科學數據共享平臺提供的中國縣級行政區圖。以ArcGIS10.2為技術支撐，運用掩膜提取工具對DEM進行裁剪，得出完整的贛州市30m×30m分辨率DEM柵格數據[12]。

2.2 研究方法

2.2.1 坡度 坡度的提取通過ArcGIS10.2中3D分析工具→柵格表面→坡度工具得出。

2.2.2 坡長 坡長通過非累計匯流量的方法實現[13]，計算公式如下：

式中：L表示坡長（m），slope of DEM表示坡度，Lw表示流水長度。

2.2.3 地表粗糙度 地表粗糙度是指在一個特定區域內，地球表面積與其投影面積之比，它也是反映地表形態的一個宏觀指標。在提取坡度的基礎上，在柵格計算器中根據公式計算地表粗糙度[14]：

式中：R表示地表粗糙度；[slope of DEM]表示坡度；π表示圓周率，取值3.14。

2.2.4 地表切割深度 地表切割深度是研究水土流失及地表侵蝕發育狀況的重要參數指標，是指地面某點的領域范圍的平均高程與該領域內最小高程的差值，其提取算法可參考地形起伏度的提取[15]，計算公式如下：

式中：Di表示地面每一點的地表切割深度，Hmean表示分析窗口的平均高程，Hmin值分析窗口中的最小高程值。

2.2.5 高程變異系數 高程變異系數是以格網單元頂點的標準差，與平均高程的比值來表示，反映了分析區域內地表單元格網格頂點高程的變化情況[16]。計算公式如下：

式中：V為高程變異系數，S指統計區域的高程標準差，Z為統計區域高程的平均值。

3 結果與分析

3.1 微觀因子分析

3.1.1 坡度分析 坡度可反映宏觀區域內地面的起伏程度，如圖1所示，贛州市坡度的變幅為0°～70.7213°，根據SL190-2007《土壤侵蝕分類分級標準》中地面坡度分級標準，將坡度分為6個等級（0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°）。其中0°～5°占總范圍的23.86%，5°～8°占15.58%，8°～15°占30.76%，15°～25°占23.42%，25°～35°占5.64%，>35°占0.75%。因此，該區域隨著坡度的不斷增大，所占范圍呈先減小后增大再減小的趨勢，其中8°～15°的比重最大，>35°的比重最小。

3.1.2 坡長分析 坡長指坡面漫流的起點到坡度減小至有沉積發生位置的水平距離，或者到徑流匯聚的固定渠道的水平距離[17]，圖1中的坡長圖反映出贛州市坡長的變幅為0～1187.34m，通過自然間隔點分級法，得出贛州市的坡長分為5段，0m占總范圍的99.89%，0～56.221m占0.08%，56.221～127.279m占0.02%，127.279～381.838m占0.0061%，381.838～1187.34m占0.0008%。因此，根據統計結果，該區域坡長值較小，基本處于0～56.221m。

3.2 宏觀因子分析

3.2.1 地表粗糙度分析 地面粗糙度在一定程度上可以反映出地形地貌破碎化程度[8]，如圖2所示，我們可得知贛州市的地表粗糙度的變幅為1～3.0234，從整體上看地面粗糙度較大值主要分布在西、南邊，以及中間小范圍的區域。通過自然間隔點分級法，得出贛州市的地表粗糙度處于1～1.023之間占59.91%，1.023～1.07之間占27.47%，1.070～1.15之間占10.09%，1.150～1.300之間占2.27%，>1.30234占0.25%。根據統計結果，贛州市地表粗糙度隨著值的上升，所占范圍不斷減小，1～1.023之間的范圍最廣，占總范圍的1/2，>1.30234范圍最小。

3.2.2 地表切割深度分析 相對于地表起伏度，地表切割深度是針對于局部小范圍內，地表垂直方向上割裂程度的示量[18]。根據圖2顯示，贛州市地表切割深度的變幅0～118.333，整體上看地表切割深度均較大，僅西北及西邊部分區域值較小，其他區域分布較為分散且范圍較小。通過自然間隔點分級法發現，該區域地表切割深度可分為5級，0～4.780之間占總范圍的35.38%，4.780～9.250之間占29.76%，9.250～14.440之間占21.41%，14.44～21.90之間占10.77%，21.900～118.333之間占2.67%。根據統計結果，贛州市地隨著表切割深度的增大，范圍不斷減小，這與地表粗糙度結果較為相似，最大范圍為0～4.780，最小范圍為21.900～118.333。

3.2.3 地形高程變異系數 在DEM上的一定分析窗口內，不同高程值的柵格點越多，地面高程變化和地面起伏頻率越大，越易發生土壤侵蝕。因此，也可用地形高程變異系數來表示地形變化的頻率大小，并將其作為宏觀尺度上的地形指標之一[19]。根據圖2顯示，贛州市地形高程變異系數的變幅為0～1.1.8536，從整體出發，該區域的地形高程變異系數值基本較為均勻，僅在西邊小范圍值較大，其他區域僅有極小范圍出現較大值。通過自然間隔點分級法發現，將該區域地表切割深度分為5級，0～0.009之間占30.39%，0.009～0.018之間占40.94%，0.018～0.037之間占25.77%，0.037～0.098之間占2.87%，0.098～1.18536之間占0.03%，因此該區域隨著地形高程變異系數值的不斷增大，范圍呈先增大后減小趨勢，0.009～0.018之間范圍最廣，占該區域的3/5，而最小范圍出現在0.098～1.18536之間。

4 結論與討論

基于DEM進行數據提取，坡度、坡長作為微觀因子代表，地形粗糙度、地表切割深度、地形高程變異系數對于贛州市的地形反映較為準確。各因子基本能反映地形信息，為贛州市資源環境研究提供了基礎的信息平臺，具有一定的指導意義。該區域屬于紅壤區域，水土流失較為嚴重，各個地形因子反映出贛州市地形較為破碎，坡度、地表切割深度、地形粗糙度值較大，土壤侵蝕較為嚴重，因而在水土保持方面應加強重視。

參考文獻

[1]王博.基于Aster G-Dem的海南島地形地貌信息提取與土地利用景觀格局分析[D].海口：海南大學，2010.

[2]湯國安.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程[M].北京：科學出版社，2012.

[3]楊勤科，李銳，李智廣，等.區域水土流失快速調查研究初報[J].水土保持通報，1999，19（3）：36-39.

[4]劉新華，張曉萍，楊勤科，等.不同尺度下影響水土流失地形因子指標的分析與選取[J].西北農林科技大學學報自然科學版，2004，32（6）：107-111.

[5]張迅，呂華權.基于DEM的寧明縣地形因子分析[J].測繪與空間地理信息，2014，12：157-158.

[6]劉愛利，湯國安.中國地貌基本形態DEM的自動劃分研究[J].地球信息科學學報，2006，8（4）：8-14.

[7]薛顯武，陳喜，張志才，等.基于地形因子特征值的喀斯特流域地貌類型判別[J].中國巖溶，2009，28（2）：175-180.

[8]張暉，王曉峰，余正軍.基于ArcGIS的坡面復雜度因子提取與分析——以黃土高原為例[J].華中師范大學學報（自科版），2009，43（2）：323-326.

[9]王雪軍，付曉，孫玉軍，等.基于GIS贛州市資源環境承載力評價[J].江西農業大學學報，2013，6：1325-1332.

[10]彭珂，彭紅霞，梁峰，等.贛州市地質災害分布特征及孕災環境分析[J].安全與環境工程，2017，24（1）：33-39.

[11]王雪軍，張煜星，黃國勝，等.贛州市林地質量評價及生產潛力研究[J].江西農業大學學報，2014，5：1159-1166.

[12]徐珍，趙煥，黎武.基于DEM的江西省弋陽縣地貌形態研究[J].四川林勘設計，2016，2：31-35.

[13]李新艷，楊勤科，王春梅.贛南地區侵蝕地形因子研究[J].西北農林科技大學學報自然科學版，2014，42（1）：175-182.

[14]李貝，楊揚，于莉，等.基于地形因子的縣域耕地土壤侵蝕的空間自相關[J].土壤通報，2016，47（3）：551-557.

[15]蔣國富.基于SRTM DEM與ArcGIS的南陽市地貌形態類型的自動劃分[J].南陽師范學院學報，2015，12：43-46.

[16]高云飛，李智廣，楊勝天，等.黃河粗泥沙集中來源區區域地形因子比較研究[J].水土保持通報，2012，32（1）：111-114.

[17]WISCHMEIER W H，SMITH D D.Predicting rainfall erosion losses - a guide to conservation planning[J].United Statesdeptof Agricultureagriculture Handbook，1978，537.

[18]JAKIMAVI IUS M，MA ERINSKIENE A.A GIS based modelling of vehicles rational routes[J].Journal of Civil Engineering & Management，2006，12（4）：303-309.

[19]賈騰斌，吳發啟，趙龍山，等.坡耕地上耕作形成的微地形復雜度特征與分析[J].水土保持學報，2013，27（4）：152-156.

（責編：張宏民）