基于ArcGIS平臺的水土流失地形因子的提取
——以撫順市為例

趙 普

(本溪市水資源(節水)管理辦公室,遼寧 本溪 117022)

絕大多數水土流失方程中均將區域水土流失量視作地形因子的函數，認為地形是地表傾斜度、海拔、起伏度等特征的綜合反映，其呈現出地表可蝕性、侵蝕勢能、土地利用和人為活動強度的差異，進而反映水土流失的空間變異性。然而，能夠體現地形特征的指標較多，例如陳志強等[1]研究表明坡度與水土流失量呈正相關性，孫小濤在貴州雷山地區的探究顯示侵蝕模數的大小與坡向呈現一定相關關系[2]，陳文祥則統計了不同高程條件下水土流失量，發現中低海拔地區的流失強度高于高海拔地區[3]。這些研究揭示了不同地形因子對水土流失的影響機制。然而在宏觀計算區域水土流失的經驗模型中，地形因子是區域地形的綜合表征，這就要求對該因子的設定具有普適性，且最能體現水土流失的敏感性。當前，以坡度坡長LS因子的應用最為廣泛且效果良好，然而該因子提取過程繁雜、易于出錯。為此本文旨在基于LS因子原理，給出直觀提取LS因子的一般操作方案，以期為區域水土保持定量評估與環境規劃提供技術參考。

1 平臺與方法

1.1 研究平臺

為了直觀表征地形因子空間差異性，通常采用空間可視化的方法描述地形因子，考慮到統計計算的便捷性，則以柵格數據(Grid data)格式為佳。當前有大多數基礎型地理信息平臺均提供了直接或間接提取LS因子的功能，例如國外的Mapinfo、GeoMedia、Geoconcept，國內的MapGIS、Geostar、SuperMap等，專業型的工具有中國科學院地理科學與資源研究所朱阿興教授領導開發的SimDTA等。但從平臺工具交互性、便易性、可獲得性來看，ArcGIS平臺應用最為廣泛和普適，ArcGIS是美國環境系統研究所開發的可伸縮的全面GIS平臺，針對LS因子其提供了從細粒度對象到粗粒度對象的操作工具條，采用模塊流程實現逐步提取。鑒于當前國內地理信息教科書和相關工具書中均以ArcGIS應用為主流，本文以該平臺詳述LS因子提取流程。

1.2 LS因子原理

坡度因子S區別于傳統的地形坡度，S是指同一環境條件下，任意坡度內的單位面積土壤流失量與標準小區坡度下單位面積土壤流失量之比，而后者表示任意高程與坡面的垂直高度h和水平方向的距離比。從過去的研究經驗出發，通常采用McCool和劉寶元等對Wischmeier 和Smith的經驗公式改良算法，其公式如下[4]：

(1)

L=λ/22.13

(2)

m=n/(n+1)

(3)

n=(sinθ/0.0896)/[3.0×(sinθ)0.8+0.56]

(4)

LS=L×S

(5)

式中，L、S—坡長、坡度因子；λ—從DEM柵格中提取的坡長值；m、n—坡長因子指數、細溝侵蝕和面蝕的比值[5]。

2 LS地形因子提取過程

2.1 L因子提取過程

ArcGIS環境下，坡長因子的提取過程如下。

(1)利用ArcGIS中Spatial Analyst Tools中的水文模塊Hydrology工具，選擇fill功能將原數字高程模型DEM進行填洼，得到DEMx。

(2)點擊Flow Direction功能，輸入DEMx柵格圖層，得到流向數據圖層Flow_Dire。

(3)點擊Flow Accumulation功能，輸入Flow_Dire柵格圖層，計算得到積累流量數據Flow_Accu數據。

(4)利用Spatial Analyst Tools—Surface—Slope功能，將無填洼的DEM柵格輸入，計算得到區域坡度圖層Slo。

(5)運用Spatial Analyst Tools—Raster Calculator工具，通過公式(4)的柵格計算表達式“(sin((slo.tif)×3.1415926/180)/0.0896)/(3.0×power(sin((slo.tif)×3.1415926/180)，0.8)+0.56)”，獲知參數n的柵格圖層。

(6)通過Spatial Analyst—Raster Calculator操作，根據公式(3)在公式欄中輸入n/(n+1)，運行后得到參數m的柵格圖層。

(7)基于公式(2)，在Spatial Analyst Tools—Raster Calculator系列操作中輸入表達式，power((Flow_Accu)×30/22.13，(m))，由此得到區域L因子圖，如圖1所示。

圖1 撫順市數值高程模型和L因子空間分布

圖2 撫順市坡度和S因子空間分布

2.2 S因子提取過程

(1)利用ArcGIS中Spatial Analyst Tools中的地形分析模塊Surface工具，點擊Slope功能鍵，輸入無填洼的DEM數據，計算得到區域坡度圖層Slo。

(2)參照坡度因子計算公式(1)，在Spatial Analyst Tools—Raster Calculator系列操作中輸入表達式，具體為“con("slope"<5，10.8×sin("slope"×3.1415926/180)+0.036，con("slope"<=10，21.9×sin("slope"×3.1415926/180)-0.96，16.8×sin("slope"×3.1415926/180)-0.5))’，由此得到區域坡度因子柵格圖層S，如圖2所示。

2.3 LS因子提取過程

LS因子為水土流失方程中綜合地形因子的無量綱表征，依據公式(5)，可采用柵格空間計算工具提取。具體操作為：Spatial Analyst Tools—Raster Calculator，輸入表達式‘L*S’，則得到LS數據圖層，如圖3所示。

3 撫順市地形因子統計特征分析

圖3 撫順市LS因子空間分布

經前述過程得到撫順市LS地形因子(圖1—3)。在30m像元水平上，撫順市高程介于61～1219m之間，其平均值為405m，總體來看撫順地勢呈現東高西低的分布格局，東部為低山地區，西部為平原低地，中部為丘陵地帶，高程的變異系數(CV)為13.34%，屬于中等程度變異性(0.1

采用Person相關分析揭示不同地形因子之間的關系?？芍?，坡度S因子與坡長L因子之間的相關性系數為0.421，在0.05水平上呈顯著相關性，S與LS的相關性最強，相關系數達0.536，主要由于坡度S因子不僅是坡長L因子的函數，而且S因子對LS因子求積計算也有影響。L與LS在0.05水平上呈正相關關系，其相關系數最小，為0.386。具體見表1。

表1 撫順市不同地形因子之間的相關性

注：*表明在0.05水平上相關。

4 結論

坡度坡長LS因子是對地表形態特征的綜合表征因子，其空間變異性直接影響著水土侵蝕能力、侵蝕強度的分布差異。本文詳述了借助ArcGIS平臺提取LS因子的過程，并以撫順為案例探討了區域地形因子特征。提取過程顯示，該操作方案嚴格遵循LS因子的數學原理、步驟嚴謹有序，可為相關地形因子的空間表達提供可靠范式。在此基礎上，今后的主要工作是精確計算區域侵蝕模數與水土流失量，以實現流域生態規劃與水土保持。