基于DEM的遼寧省興城市耕地地形條件評價

吳松澤, 閆卓冉, 馬 劍, 徐銘崇, 范語思, 王建國

(吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 吉林 長春 130000)

地形因子是對地形幾何特征的刻畫，不同的地形因子從不同角度反映了地表變化程度。數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)是地表形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)[1]，蘊含了豐富的地學(xué)應(yīng)用分析所必需的地形地貌信息[1]。數(shù)字地形分析(digital terrain analysis，DTA)是在DEM上進(jìn)行地形屬性計算與地形信息提取的數(shù)字信息處理技術(shù)[2-4]。利用GIS空間分析的手段可以提出DEM數(shù)據(jù)中隱含的地形因子特征屬性值。這一技術(shù)在土地利用、環(huán)境保護(hù)及其他相關(guān)地學(xué)研究等方面的應(yīng)用越來越廣泛。目前，基于DEM的各種地形因子分析算法已較為成熟[5-8]。除了坡度、坡向、平面曲率、地形起伏度等傳統(tǒng)的坡面地形因子外[9-11],中國學(xué)者根據(jù)不同地域特點及實際研究工作的需要，還提出了地形信息容量、地形復(fù)雜度指數(shù)[9,12]、流水侵蝕潛能因子[13-16]等新型地形因子。這些成果豐富了地形因子的內(nèi)涵。

本文以遼寧省興城市為研究區(qū)域，從DEM數(shù)據(jù)的可操作性、因子的獨立性等因素出發(fā)，最終選取了坡度、坡向、地表起伏度、平面曲率、地表粗糙度5個因子為評價因子，從而建立完整的多因子綜合加權(quán)評價體系。

研究中利用地理信息系統(tǒng)(geographic information system， GIS)的空間分析技術(shù)對各地形因子進(jìn)行提取，并對其特征屬性值進(jìn)行重分類定量化評價。然后對評價單元求取各地形因子的加權(quán)求和分值，即為地形條件總分。據(jù)總分將其地形得分劃分不同等級可直觀地評價耕地地形條件。

目前的地形條件評價方面的研究仍主要采用單一地形因子[15]。采用多因子評價模型對耕地地形進(jìn)行綜合評價的研究并不十分豐富。因此，本文基于DEM，以興城市為例，采用了多因子綜合加權(quán)評價的方法對研究區(qū)耕地地形進(jìn)行了定量化評價。其地形評價結(jié)果將有望為興城市土地整治[14]，水土流失[9]及泥石流災(zāi)害防治[17]，耕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)等工作提供技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)資料準(zhǔn)備

1.1 興城市地形條件整體概況

興城市位于遼寧省西南部，居遼西走廊東段，地理坐標(biāo)為東經(jīng)120°06′—120°50′，北緯40°16′—40°50′，東南沿海為平原，中部多為丘陵，西北部為松嶺山脈低山丘陵區(qū)，整體地勢呈西北高、東南低，由西北向東南傾斜的特征。耕地多分布在興城東部。

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文的DEM數(shù)據(jù)下載于空間地理數(shù)據(jù)云網(wǎng)(geospatial data cloud)，該數(shù)據(jù)主要以高分辨率高程影像ASTER GDEM 2數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[17]，空間分辨率為30 m。ASTER GDEM 2較之前一版本數(shù)據(jù)采用了更為先進(jìn)的算法，提高了局部地區(qū)數(shù)據(jù)的空間分辨率精度，能夠滿足本次項目的數(shù)據(jù)需求。此外，本項目依托于吉林大學(xué)土地資源管理興城教學(xué)實習(xí)，實習(xí)基地為本研究提供了矢量格式的興城耕地土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 多因子綜合加權(quán)評價模型的構(gòu)建

綜合考量興城市耕地地形情況以及因子的可操作性，最終選取坡度、坡向、地形起伏度、地表粗糙度、平面曲率5個因子作為評價因子。坡度作為基本的地形因子，直接影響水土流失程度，很大程度上決定著土地利用方式。在GIS中可對DEM采取平均坡度、最大值坡度、最小值坡度等方法計算地形坡度[3,18]。坡向從光照、熱量和水分等方面影響著耕地質(zhì)量，一定程度上決定了土地利用分布格局。坡向因子在實際生產(chǎn)中較多使用擬合曲面法對其進(jìn)行特征值的提取。地形起伏度是地表起伏變化和地表切割程度的綜合表征，決定著農(nóng)地機械化規(guī)模經(jīng)營能否實現(xiàn)。局地高差法、局地標(biāo)準(zhǔn)差、表面積與投影面積比、RUGN法、矢量法、RDLS(地表起伏度)6種算法[9]是地形起伏度提取的常用方法。平面曲率反映了地形結(jié)構(gòu)與形態(tài),影響著土壤有機物含量的分布。在GIS空間分析軟件中主要通過提取DEM數(shù)據(jù)中的等高線并計算其彎曲程度來評價耕地質(zhì)量的水文及土壤因素[12]。地表粗糙度反映了地表的侵蝕程度，影響著風(fēng)化殼的發(fā)育和保存。粗糙度的提取研究大都是基于傳感器灰度圖像而進(jìn)行的[13]。

本次采用了專家打分法來確定各地形因子的權(quán)重，共詢問了5位專家老師的意見，經(jīng)過兩輪打分及反饋最終確定各因子權(quán)重。即建立了完整的多因子加權(quán)評價指標(biāo)體系。各因子權(quán)重見表1。

表1 興城市各地形因子權(quán)重

2.2 建立地形因子模型

2.2.1 坡度 坡度是地表單元陡緩的程度，通常把坡面的垂直高度和水平距離的比值稱為坡度。坡度通過影響物質(zhì)與能量的分配決定著土地利用的方向和方式。在ArcMap軟件(ArcGIS 10.2 for Desktop, ESRI, USA)中,通過高程變化率來計算坡度，用Spatial Analysttools/Surface/Slope工具對研究區(qū)DEM文件進(jìn)行坡度提取,輸出柵格大小與DEM相同，得到坡度文件。其公式為：

(1)

式中：S——坡度;f(x)——X方向上的高程變化率;f(y)——Y方向上的高程變化率。

2.2.2 坡向 坡向是坡面法線在水平面上的投影的方向。地形坡向?qū)庹铡崃亢退钟兄匾绊憽Ｈ绫卑肭蚰掀卤缺逼履芙邮崭嗟奶栞椛淠芤蚨掀峦寥浪盅杆僬舭l(fā)，小氣候較為溫?zé)岣稍铮匦纹孪蛞欢ǔ潭壬嫌绊懲恋乩梅植几窬帧rcGIS中的空間分析spatial analyst tools/surface/slope工具對研究區(qū)DEM文件進(jìn)行坡度提取,輸出柵格大小與DEM相同，得到坡度文件。其計算公式為：

A=arctan(fx/fy)

(2)

式中：A——坡向;f(x)——X方向上的高程變化率;f(y)——Y方向上的高程變化率。

2.2.3 地形起伏度 地形起伏度是指某一確定面積內(nèi)最大高程點和最低高程點的的差值,反映了區(qū)域海拔高度的起伏特征。地形起伏度對農(nóng)業(yè)的規(guī)模化經(jīng)營有著至關(guān)重要的影響。利用ArcGIS中的空間分析模塊中的焦點統(tǒng)計功能設(shè)置分析窗口后，分別設(shè)置統(tǒng)計類型為max和min，計算分析窗口的高程最大值和高程最小值，本次選擇9×9個柵格(270 m×270 m)為分析窗口，再使用柵格計算器相減即得到地形起伏度。其公式為：

UT=Hmax-Hmin

(3)

式中：UT——地形起伏度;Hmax——分析窗口內(nèi)的高程最大值;Hmin——分析窗口內(nèi)的高程最小值。

2.2.4 平面曲率 平面曲率描述的是地表曲面沿水平方向的彎曲、變化情況，也就是該點所在的地面等高線的彎曲程度。平面曲率對土壤有機物含量的分布、水文特征都有重要的應(yīng)用價值。因農(nóng)用地中“以水定地”，其對水的富集情況的影響，使平面曲率成為耕地地形條件評價中的重要因子。在ArcMap軟件中其計算公式為：

(4)

式中：SC——平面曲率;p——X方向上的高程變化率；q——Y方向上的高程變化率：r——對高程值在X方向上的變化率進(jìn)行同方向求算變化率；s——對高程值在X方向上的變化率在Y方向上進(jìn)行變化率求算。

2.2.5 地表粗糙度 地表粗糙度是一種地形學(xué)意義上的粗糙度，是反映地表侵蝕程度的指標(biāo)。一般定義為地表單元的曲面面積與其在水平面上的投影面積之比[17]在實際操作中地表粗糙度的提取基于坡向的輔助特征值，將得到的aspect文件帶入數(shù)學(xué)公式，在柵格計算器中計算，得到地表粗糙度數(shù)據(jù)。其公式為：

(5)

式中：TR——地表粗糙度; Slope——地形坡度(以弧度計算)。地表粗糙度的值>1。

2.3 明確各地形因子定量化評價依據(jù)

參考《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》[19]并對部分因子采取自然間斷法，將興城市各地形因子根據(jù)其特征屬性值進(jìn)行等級劃分并規(guī)定相應(yīng)得分值(見表2)。

表2 興城市各地形因子等級劃分及其分值

2.4 各地形因子的提取及重分類

對DEM進(jìn)行各地形因子的提取，生成了各地形因子的數(shù)字化分布圖層。將各地形因子的特征屬性值按得分標(biāo)準(zhǔn)做重分類處理，得到各地形因子的統(tǒng)計數(shù)據(jù)及其分級圖。

2.5 確定興城市耕地地形條件總分

2.5.1 確定評價單元 在確定興城耕地評價單元的過程中，首先對網(wǎng)格法和疊置法進(jìn)行了單元劃分方法優(yōu)劣的評價。格網(wǎng)法較容易實現(xiàn)，但機械地將耕地劃分成大小相等的評價單元不具參考價值。采用疊置法在將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成矢量時產(chǎn)生很大誤差，同時將各個因子進(jìn)行疊加時又會產(chǎn)生大量碎斑。最終采用以土地利用現(xiàn)狀圖斑為評價單元的方法，將每一塊耕地單元作為評價單元，本次研究區(qū)共有18 120個評價單元。

2.5.2 對評價單元進(jìn)行綜合打分 據(jù)各地形因子的權(quán)重計算各像元的地形條件總分。公式為：

Q=∑Wi×Fi

(6)

式中：Q——該評價單元的地形條件總分；W——地形因子的權(quán)重；F——該地形因子的因子得分值。其具體操作為：利用ArcMap軟件中的“spatial analyst tools.tbx——地圖代數(shù)——柵格計算器”工具，對各地形因子進(jìn)行加權(quán)求和，輸出新的柵格數(shù)據(jù)，其像元(30 m×30 m)值即為每一像元的地形條件總分。

根據(jù)確定好的評價單元對興城耕地地形按地塊進(jìn)行打分。利用“spatial analyst工具——區(qū)域分析—以表格顯示分區(qū)統(tǒng)計”工具，以耕地土地利用現(xiàn)狀圖斑為地塊邊界，統(tǒng)計其邊界內(nèi)像元得分均值作為各評價單元的地形條件得分。將得分表按字段連接至土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，即完成了評價單元的綜合打分。將通過計算得到的地形綜合得分值按等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(見表3)劃分等級。

表3 興城市耕地地形條件綜合得分等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 各地形因子分析

將各因子按其等級劃分標(biāo)準(zhǔn)對耕地進(jìn)行面積的統(tǒng)計，其統(tǒng)計結(jié)果可從各個獨立因子的角度對地形進(jìn)行分析。

3.1.1 坡度 將興城市耕地坡度分為6級，各坡度等級占比見表4。結(jié)合表4分析，興城耕地區(qū)的坡度范圍主要分布在從0°～8°。其中：2°～8°的面積最大，為341.03 km2，占比51.87%。從整體上看，興城市屬低山丘陵區(qū)。從坡度角度來講，興城市的耕地坡度條件良好，其耕地分布整體與坡度適宜性一致。

表4 興城市耕地各級坡度面積及比例

3.1.2 坡向 本次將研究區(qū)坡向分為10個方向，4個等級。各等級面積及比例見表5。由表5可知：興城耕地區(qū)各坡向耕地均有分布，其中2級坡向(東、西、西南坡)面積最大，占37.41%。但總體而言，耕地的各等級坡向面積相差并不懸殊，這表明在興城市，坡向因子不是影響耕地分布的最重要因子。

表5 興城市耕地各等級坡向面積及比例

3.1.3 地形起伏度 興城市耕地地形起伏度分為5級，各地形起伏度等級占比見表6。由表6可知：興城耕地區(qū)起伏度特征值大多分布在0～7，其面積比為85.14%，可見多數(shù)的耕地地形起伏度適宜性較好；起伏度特征值在52～120的耕地僅有0.03 km2，基本可以忽略不計。此外，仍有14.87%的耕地存在著不

同程度的地表起伏。部分耕地的起伏度特征值較大，這與外業(yè)調(diào)查中考察到的存在一些地區(qū)耕地呈“階梯狀”分布情況基本一致。地表起伏度地形特征對農(nóng)用地規(guī)模經(jīng)營具有指導(dǎo)性意見，其中興城耕地區(qū)大部分地形起伏度較小，容易實現(xiàn)農(nóng)用地機械經(jīng)營。

表6 興城市耕地各級地形起伏度面積及比例

3.1.4 平面曲率 興城市耕地平面曲率分為5級，各曲率等級占比見表7。由表7可知，興城耕地區(qū)平面曲率特征值大多分布在-0.44～0.44，其面積比例達(dá)93.91%，此范圍內(nèi)等高線彎曲程度較小，表示范圍內(nèi)耕地具有及較好的土壤、水文適宜性。從總體上看，興城市耕地大多分布在平面曲率條件適宜的范圍內(nèi)，這一結(jié)果大致與“以水定地”的規(guī)律相一致。

表7 興城市耕地各級平面曲率面積及比例

3.1.5 地表粗糙度 興城市地表粗糙度分為5級(見表8)。據(jù)表8可知，隨著地表粗糙度特征值增大，遼寧省興城市的耕地面積在逐級遞減。特征值在1～1.021 7的耕地面積占到了絕大多數(shù)(98.94%)，而特征值在1.021 7～2.021 2的耕地面積很小，基本可以忽略不計。從地表粗糙度因子角度來看，興城市的地表侵蝕程度較小，這些因素對土壤有機物富集有著積極的影響，良好的土壤有機物條件適宜于農(nóng)作物的耕種，興城市耕地的分布情況與地表粗糙度適宜性一致。

表8 興城市耕地各級地表粗糙度面積及比例

3.2 地形條件總體分析

各地形因子從水文、光照、土壤有機物富集等多角度對興城耕地地形做出了全方面的評價。而各地形因子加權(quán)求和得出地形條件總分能夠較為全面且合理地反映耕地的地形條件。將地形總分按其耕地面積統(tǒng)計，得出定量化評價結(jié)果(見表9)。由表9可見，興城市耕地地形條件分值分布為：地形條件較好(Ⅰ和Ⅱ級)的耕地占85.57%。只有0.26%的耕地從地形條件上來講不適宜(Ⅴ級)開發(fā)耕地。整體來看，興城市耕地地形條件較為良好，其較好的地形條件為耕地質(zhì)量提供了有效的保障。

表9 興城市耕地地形條件面積統(tǒng)計

4 結(jié)論與討論

本文以興城市為例，基于DEM對其耕地地形條件進(jìn)行了逐個因子分析與綜合定量化評價。

(1) 各地形因子從不同角度描述了地表的變化特征。興城市的耕地分布與坡度、地形起伏度、平面曲率、地表粗糙度4個因子的適宜性呈較強的一致性。而耕地的分布與坡向因子適宜性的一致性稍差。各地形因子條件可為興城市農(nóng)用地經(jīng)營與管理提供參考，如地形起伏度適宜性好的耕地可推行農(nóng)用地機械化規(guī)模經(jīng)營，減少勞動投入；平面曲率適宜性較差的耕地可興建水利設(shè)施，以保證農(nóng)地灌溉。

(2) 由最終地形定量化綜合評價的結(jié)果顯示，興城市耕地地形條件整體較為良好，其較好的地形條件為耕地質(zhì)量提供了有效的保障。但興城市仍存在0.26%的耕地地形條件差，不適宜開墾耕地。可將這部分耕地退耕還林，同時將地形條件良好的耕地中的零星用地加以整合、開墾。既可增加綠植覆蓋，從根本上改善水土流失，又保證了耕地面積退補平衡。

采用多因子綜合評價的方法更加全面科學(xué)地評價耕地地形條件，從而為耕地整治、水土流失及泥石流災(zāi)害防治、耕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多方面提供參考依據(jù)。