基于GIS的坡面地形因子提取與分析

王娜娜　徐珍　陳偉華

摘 要：該文基于GIS軟件和DEM數據，提取并分析一階、二階及復合坡面地形因子中的坡度、坡向、剖面曲率、地表粗糙度、高程變異系數5種地形因子。結果表明：榆中縣坡度變幅為0°～70.7213°；坡向分析中陽坡占總面積的45.04%，陰坡占53.87%；剖面曲率在0～4.90379范圍內變化；地表粗糙度的變幅為1～4.39377；地形高程變異系數在0～0.0912272范圍內變化。通過對該區域坡面地形因子的提取，分析在這些地形因子的作用下該區域水土流失與土壤侵蝕的趨勢，為榆中縣進行水土保持定量研究提供科學依據。

關鍵詞：地形因子；GIS；坡面；DEM

中圖分類號 S157 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）12-0165-03

Absrtact：Based on the GIS and DEM data，five terrain factors，including slope，the slope direction，section curvature，surface roughness and coefficient of variation，are extracted and analyzed for the first order，two order and composite slope terrain factors. The results showed that the gradient of Yuzhong County was 0°～70.7213°，the sunny slope was 45.04% of the total area，the shade slope was 53.87%，the section curvature changed in 0～4.90379，the variation of surface roughness was 1～4.39377，the coefficient of variation varied within 0～0.0912272. Through the extraction of topographic factors in the area，the trend of water loss and soil erosion under the action of these terrain factors is analyzed，which provided scientific basis for the quantitative study of Yuzhong County soil and water conservation.

Key words：Terrain factors；GIS；Slope；DEM

地形分析是認知地形環境的重要方式，地形因子的提取對水土流失、土地利用及生態評價研究具有重要作用，不同研究尺度下研究的地形因子不一。坡面地形因子是從定量角度出發來表征地貌形態特征的指標，近幾年的研究表明，基于GIS軟件自動從數字高程模型中提取區域地形因子等參數信息準確簡便[1]，因此區域地形地貌均可通過GIS軟件提取地形因子，以分析與表征區域內地形地貌特征。

坡度與坡向是2個最為常用和重要的地形因子[2]。坡度影響土壤侵蝕與水土流失，坡度越大，水分的流失越多，土壤受侵蝕的可能性也越大，坡度較大區域土壤變得淺薄而貧瘠。坡向是決定地表接收陽光和重新分配太陽輻射量的重要地形因子之一，造成局部區域氣候特征的差異[3]；剖面曲率對區域土壤的凈侵蝕量或凈累積量造成直接影響；地形起伏度、地表粗糙度等因子反映地表復雜變化程度。地形因子能表示地形表面的基本特征，但往往很難用一種地形因子來準確具體地表達地形特征[4]。為此，可將所有地形因子視為一個整體加以綜合分析來反映地表的起伏變化。地形因子也可制約生態因子的空間分布從而影響區域內的生態環境。因此研究其在一定范圍內的分布特征與分布規律等對區域內災害防治與水土保持工作具有重要意義及應用價值。本文的研究目標在于揭示不同坡面地形因子作用下該區域地形的變化，分析該區域在基本地形因子影響下水土流失與土壤侵蝕趨勢，為榆中縣水土保持與生態環境保護工作提供科學指導。

1 研究區概況

選取地處東經103°49′15″～104°34′40″，北緯35°34′20″

～36°26′30″的榆中縣作為研究區。該區位于黃土高原西部，隸屬甘肅省蘭州市，海拔1480～3670m，地質構造上屬于祁呂賀蘭山字型構造的西側，地勢南高北低，中部較凹，呈典型馬鞍狀。榆中縣面積3301.64km2。其中，黃河流經蘭州盆地后入榆中縣境東流。年均氣溫6.7℃，降水量少，區域內差異大，主要在300～600mm，屬于溫帶半干旱氣候。該區域自然災害頻繁，水土流失現象較嚴重。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源與預處理 本文采用空間分辨率30m×30m的DEM為基礎數據，于地理空間數據云網站獲取。將得到的DEM數據在ArcGIS10.2中進行拼接，用1∶400萬榆中縣矢量邊界去裁剪拼接后的DEM數據，獲得榆中縣的DEM數據。

2.2 研究方法

2.2.1 坡度 坡度是指坡面的傾斜與陡峭程度。利用榆中縣DEM數據，在Arcgis10.2中打開Arc Toolbox，運用3D Analyst工具模塊下的柵格表面中的坡度工具實現對該區域坡度這一參數的提取。

2.2.2 坡向 坡向是指斜坡的朝向，是另一個重要的地形因素[5]。分別是以北為0°，順時針遞增，東為90°，南為180°，西是270°的定量描述，以北、東北、東、東南、南、西南、西、西北和陰坡、陽坡的定性方法對其描述。坡向的提取同樣是通過ArcGIS10.2中3DAnalyst工具下柵格表面中的坡向工具得出，輸入的數據為坡度DEM數據。對求取的坡向進行分類并算出各個坡向占榆中縣總面積的比例。

2.2.3 剖面曲率 剖面曲率是影響垂直方向坡形變化的主要因子，它對區域土壤的凈侵蝕量或凈累積量產生直接影響[6]。對剖面曲率的提取實際上是對DEM進行坡度的二次求取，即對坡度層再求坡度。在Arcgis中激活坡度數據，在ArcToolbox中利用[Derive Slope]命令工具生成剖面曲率。

2.2.4 地表粗糙度 地表粗糙度是指在一個特定的區域內，地表單元的曲面面積與水平面上的投影面積之比[7]。它反映了地表形態的起伏變化和侵蝕程度。在Arc Toolbox下選擇空間分析工具，然后選擇地圖代數中的柵格計算器工具。在柵格地圖計數器中輸入公式R=1/Cos（[Slope of DEM]*π/180），選擇輸出位置，單擊確定按鈕，即可得到地表粗糙度的層面。

2.2.5 高程變異系數 高程變異系數是反映地表一定距離范圍內，高程相對變化的指標[8]，是高程標準差與平均值比值的結果。計算公式為cv=s/`x（其中，cv：高程變異系數，s：高程標準差，`x：平均值）。

3 結果與分析

3.1 一階坡面因子分析

3.1.1 坡度 坡度可反映區域地面的起伏程度，榆中縣坡度變幅為0°～70.7213°，依據《土壤侵蝕分類分級標準》中對地面坡度分級標準，將坡度分為6個等級（0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°）[9]。對榆中縣每個級別的坡度進行統計，求每個級別的坡度占總范圍百分比，可得8°～15°占比最大，>35°占比最小。表明該區域內隨著坡度的不斷增大，所占范圍呈先減小后增大再減小的態勢，平坡、緩坡、斜坡、陡坡均有分布，以緩坡為主（圖1）。

3.1.2 坡向 坡向反映斜坡所面對的方向，即坡面的朝向，根據坡面法線在水平面上投影的方向的不同，將坡向分為平地、北、東北、東、東南、南、西南、西、西北9個方向[10]。統計出每個級別的坡向面積所占榆中縣總面積的比例。其中陽坡占總面積的45.04%，陰坡占榆中縣總面積的53.87%。陽坡接受太陽輻射能多，溫度條件較好，但水分狀況比陰坡差，因此植被覆蓋度低于陰坡。陰坡土壤水分蒸發較慢，水土保持功能較好，易形成森林，如研究區內興隆山陰坡、半陰坡生長著茂密的山地暗針葉林。

3.2 二階坡面因子分析 剖面曲率能較為準確刻畫局部地形曲面特征，在坡度坡向因子作用下，剖面曲率將影響區域水流速度，進而將影響到土壤侵蝕和沉積。剖面曲率越大，地形起伏程度越大，地形變化越大，水土流失越容易發生。在剖面曲率輸出中，該區域無值為負，所求得該像元的表面開口朝上凹入。41.25%的區域在曲率值在0～0.46，地形起伏變化較小，水土流失較輕；11.99%的區域介于1.50～4.90，表明該片區域地形起伏變化較復雜（表1）。

3.3 復合坡面因子分析

3.3.1 地表粗糙度 地表粗糙度可反映出地表的起伏變化和侵蝕程度，榆中縣地表粗糙度的變幅為1～4.39377。縣域北、東邊以及西南部分區域，地表粗糙度值較大。在GIS中通過自然間隔點分級法，得出榆中縣地表粗糙度處于1～1.023之間占49.10%，1.023～1.079之間占33.14%，1.079～1.146之間占11.95%，1.146～1.32之間占5.49%，>1.32占0.33%。統計結果表明，榆中縣地表粗糙度隨著值的上升，所占范圍不斷減小（圖2）。

3.3.2 高程變異系數 地形高程變異系數可表示地面高程變化和地面起伏頻率的大小，是宏觀尺度上的地形指標之一[11]。榆中縣地形高程變異系數的變幅為0～0.0912272，整體而言，該區域地形高程變異系數值分布較為均勻。在ArcGIS中通過自然間斷點分級法將該區高程變異系數分為6級，0～0.0096之間占11.62%，0.0096～0.0175之間占33.42%，0.0175～0.025之間占30.13%，0.025～0.034之間占16.53%，0.034～0.048之間占6.69%，0.048～0.0912272之間占1.62%。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，在0.0096～0.0175之間所占比例最大，而最小范圍出現最后一級即介于0.048～0.0912272（圖2）。

4 結論與討論

4.1 結論 本文基于GIS軟件與DEM數據對研究區坡面地形因子進行提取與分析，通過對其提取方法與過程及反映的區域特征進行分析與闡述，得出以下幾點結論：（1）通過分析坡度、坡向、剖面曲率、地表粗糙度、高程變異系數的地形因子，直觀凸顯了榆中縣各坡面地形因子的分布情況；從坡向的變化可以看出本研究區的植被具有明顯的過渡性特征；地形變化的復雜程度隨著地表粗糙度及高程變異系數的不同而表現出不同的變化趨勢。（2）對坡面地形因子按比例分析來定量化描述本區域可能因坡面地形因子導致侵蝕問題的嚴重性，加之該區涵蓋黃土高原石質山地、丘陵溝壑及川原河谷盆地多種地貌形態，總結得出本研究區生態環境脆弱，水土流失現象嚴重。（3）依據差分計算階數分類體系進行基本地形因子分析，結構較為清晰，為開展多地形因子間量化關系的進一步研究提供了思路。

4.2 討論 地形特征的形成是長期地貌作用的結果[12]，本文僅選取5個特征因子進行研究，具有一定片面性，如能更多地結合其他地形因子，將能更進一步反映研究區地形信息。另一方面，對于地形因子的提取與算法的差異會導致不同的結果，今后應集中對多軟件的綜合提取對比分析進行深入研究。

參考文獻

[1]陳楠，王欽敏，湯國安.黃土高原坡向信息量變化與DEM分辨率的關系[J].高技術通訊，2008（05）：525-530.

[2]劉學軍.地形復雜度對坡度坡向的影響分析[A]//中國地理學會2003年學術年會[C].2003.

[3]畢曉玲，李小娟，胡卓瑋，等.DEM網格尺寸對地形因子精度的影響分析[J].測繪科學，2012（6）：150-152.

[4]王春，王靖，劉民士，等.DEM地形表達的尺度效應及其主控因子研究[J].滁州學院學報，2013（02）：36-39.

[5]沈晶玉，史明昌.DEM網格尺寸對地形因子影響研究——以北京市延慶縣八達嶺小流域為例[J].水土保持研究，2006（05）：66-69.

[6]劉新華.區域水土流失地形因子分析與提取研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2001.

[7]宋效東，劉學軍，湯國安，等.DEM與地形分析的并行計算[J].地理與地理信息科學，2012（04）：1-7.

[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]張宗偉，張冉.基于DEM的水土流失分析[J].測繪與空間地理信息，2012（08）：175-177，180.

[10]賀春明，黎武，徐珍.基于DEM的勉縣水土流失分析[J].四川林勘設計，2016（02）：21-25.

[11]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.

[12]湯國安，楊瑋瑩，楊昕，等.對DEM地形定量因子挖掘中若干問題的探討[J].測繪科學，2003（01）：28-32.

（責編：張宏民）