基于GIS的冀北接坝山地地形特征数值研究

刘 玲，赵廷宁，郑文龙，杨宝臣，刘进来

(1.北京林业大学水土保持学院教育部水土保持与荒漠化防治重点实验室，北京 100083;2.丰宁满族自治县小坝子乡政府，河北 丰宁 068350;3.河北省千松坝林场，河北 丰宁 068350)

小坝子位于冀北接坝山地，处于内蒙古高原和燕山山地的连接地带，属于半干旱的农牧交错带，是典型的环境脆弱带。小坝子乡是距北京最近的沙源区之一，也是京津地区重要的生态屏障，具有极为重要的生态位势［1－2］。对小坝子乡的地形因素进行分析，可为今后治理土地荒漠化和沙化、恢复建设小坝子乡生态环境提供基础数据。

基于DEM的地形特征信息提取技术是应用GIS从DEM中自动提取地球表面形态特征信息的地学分析技术，广泛地应用于地质、地理、农业、林业、城市建设以及区域规划等众多领域，对于理解地球表面形状具有重要的意义［3］。近几年基于GIS的数字地形分析应用比较广泛，本研究以小坝子为例，选择能突出反映该地区地形特征的坡度、坡向、水文网等指标，应用GIS对冀北接坝山地做地形特征分析，并基于DEM数字地形分析自动提取河流网络，生成了该区水文网分布图。

1 研究区概况

小坝子乡地处丰宁满族自治县西北部，位于接坝地区，属坝缘山地，北连坝上高原，南接冀北山地丘陵区，是高原与山区的过渡地带。全乡土地总面积325.4km2，地理位置为北纬41°22'8″—41°34'6″、东经116°12'49″—116°29'30″，为典型的大陆性季风型半干旱气候，属接坝冷温气候类型区，年平均降水量409.3 mm，年平均气温为2.5～3.4℃，年4级以上风日数210d左右，8级以上大风日数最高可达65 d。研究区土壤以棕壤为主，褐土、潮土、黄土、沙黄土为辅，以北梁为中心到小坝子村以及河谷滩地分布有风沙土。研究区森林植被属中温带落叶阔叶林，主要林种有油松、白桦、山杨、山杏、栎类等，灌木以锦鸡儿、欧李、酸枣、荆条等为主，草本植物多蒿属、禾本科、地椒等。河谷盆地内多为人工栽培的杨、柳、榆、槐等。

2 研究方法

2.1 数据准备

本研究采用比例尺为1∶50000的丰宁小坝子地形图，经扫描矢量化后得到数字等高线图，等高距为10m，数据格式为shp;针对地形图数据进行原始数据查错和拓扑检查以确保数据的准确性，数字化处理并标注高程值，输出为shp格式，在Arc－GIS9.3中打开编辑。数字化的地形图需要在ArcGIS9.3中进行栅格配准和矢量配准，作为基础数据。

2.2 DEM的构建

格网DEM生成主要采用等高线构建TIN法，即在ArcGIS 9.3的工作平台下，利用地形分析功能，由等高线建构TIN，由TIN线性内插生成GRID。由于矢量等高线的范围比研究区范围要大，内插TIN生成的DEM范围要比行政区划界线的范围大，因此最后需要对生成的DEM进行裁剪来消除多余的边界，对格网DEM进行空间滤波获取DEM。

2.3 地形因子的提取与分析

2.3.1 坡度与坡向

地面坡度是反映地表斜面对水平面的倾斜程度的量值，对研究地貌过程和了解地貌发育有重要作用。坡度的大小制约着土壤侵蚀的强度，决定着水土保持措施的布设方式，关系着土地利用的方向及其规划。在GIS软件中，坡度是指GRID中像素高程值的变化率，计算结果以度、小数或百分数的形式存放在像素属性中;坡向是指GRID中每个像素面的朝向，范围为0～360b，其中0b代表北，90b代表东等。迄今为止，坡度和坡向的计算方法可归纳为5种:四块法、空间矢量分析法、拟合平面法、拟合曲面法、直接解法。经证明，拟合曲面法是求解坡度的最佳方法，拟合曲面法一般采用二次曲面。以格网DEM为基础，利用ArcGIS9.3的GRID模块的地形分析功能，派生坡度、坡向图，并对坡度进行分级，生成分级图。

2.3.2 地形起伏度

地形起伏度对地表植被覆盖度、土壤含水量分布等起基础控制作用，还影响地理系统中几乎一切能量交换过程与物质交换过程。在GIS空间分析中，地形起伏度是指在所指定的分析区域内所有栅格中最大高程与最小高程的差。地形起伏度的提取是在ARC/INFO的GRID模块支持下，采用空间分析中的表面分析工具完成的。

2.3.3 水文网

在ArcGIS的支持下，在DEM基础上通过水文分析工具对研究区的水文网进行提取，同时可以提取洼地区域。利用DEM生成的集水流域和水流网格，可以作为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。地表水文分析模型可用于研究与地表水流有关的各种自然现象和环境问题，例如洪水水位及泛滥情况，划定污染影响区，预测某一地区的地貌改变等。

3 结果与分析

3.1 DEM及海拔分析

根据小坝子等高线建构的DEM图(图1)，以格网DEM为基础，利用ArcGIS9.3的GRID模块的地形分析功能，派生坡度、坡向图，并对坡度进行分级，生成分级图。

图1 研究区DEM图

据格网DEM统计，研究区域面积为316.40km2，平均海拔1294.87 m，中位高程为1330m，最大高程2060m，46.7%的区域高程在1339 m以上，高程分级及其面积分布情况见表1。该区域平均海拔大于1000m，地势起伏较大，是向北部坝上高原过渡的接坝山地地区。

表1 研究区各级高程统计

3.2 坡度分析

不同的地貌类型，存在相应的地面坡度组合特征。坡度分级应该能有效地反映实际地面的坡度组合特点。合理的坡度分级，应有效地反映该地区的地形地貌规律，便于进行水土流失规律研究，便于进行水土保持措施及农、林、牧生产措施的布设。土壤侵蚀量的大小受地面坡度大小的制约，因为径流速度决定侵蚀量的大小，而径流速度又与坡度的平方根成正比，所以，土壤侵蚀量同地面的坡度值关系密切。

根据我国水力侵蚀强度分级指标［4］中面蚀分级标准，将坡度分为5 个等级:5°—8°、8°—15°、15°—25°、25°—35°、＞35°，而＜5°的区域为不易发生面蚀的平地或微坡地。通过对坡度分级统计(见表2)，小坝子陆域＜5°的平地和微坡面仅38.81km2，占研究区的12.27%，而＞15°的陡坡、峻坡和峭坡的面积达205.73km2，占65.02%，其中＞25°的面积为96.92km2。通过ArcGIS9.3空间分析工具进行坡度分析，生成面蚀分级标准下的坡度分级图(图2)。

表2 面蚀分级标准坡度分级统计

图2 研究区坡度分级

3.3 坡向分析

坡向图层通过ArcGIS中的Spatial Analyst工具中的DEM模型坡向提取操作(Aspect)实现，试验提取坡向分析图分为平坦、东、西、南、北、东北、东南、西南、西北，结果见图3。本研究根据地形等情况，以正北方向为0°将提取的坡向从0°到360°按顺时针方向分为阴坡、半阴坡、阳坡、半阳坡4个等级，同时－1代表地势平坦区域。坡向对于太阳辐射的研究具有指示意义，同时也对植被分布和植被建设有重要影响。

图3 研究区土地坡向分级

3.4 起伏度分析

地形起伏度是特定区域内最高点海拔与最低点海拔的差值，是反映地形起伏的宏观地形因子，现已成为划分地貌类型的一个重要指标。利用DEM数据提出地形起伏度能够直观地反映地形起伏特征。

地形起伏度的具体提取方法为:激活DEM数据，使用Spatial Analysis下的栅格邻域计算工具Neighborhood Statistics进行邻域的计算。设置Statistic type得到DEM的最大值和最小值层面;使用栅格计算器Calculator，将最大值和最小值相减，即可得到一个新层面，其每个栅格的值是以这个栅格为中心的确定邻域的地形起伏值。

从GRID模块提取的起伏度图可以看出，小坝子地形起伏与地势及坡度具有明显的相关性，同时与坡度的分布也有明显关系，整个研究区起伏度在0—265.5m之间，平均值为64.1m。研究区地形起伏度分级及相应面积比例见表3。

表3 研究区地形起伏度分级统计

起伏度的提取是通过对栅格DEM进行邻域分析，求得最大值与最小值的差值从而求得的，对分析得到的地形起伏度进行重新分类，得到地形起伏度专题图，如图4所示。

图4 研究区地形起伏度分级

3.5 水文网分析

根据研究区DEM图进行水文要素分析，生成水流方向分布图、洼地分布图、洼地深度图、填充洼地生成的无洼地DEM图、汇流累积量图。

根据水文分析工具可以得到基础的数据:研究区内水流方向图和无洼地的DEM。在此基础上得到汇流累积量图，根据汇流累积量分级，最终生成该区域的沟谷水文网分布图(见图5)，并且通过河网长度计算得到水文网密度是351m/km2。

图5 研究区水文网分布

通过研究区水文网分布图可以看到研究区自西北到东南地势低洼，汇流累积量增加，河网汇流逐渐集中。河网集中的地区其水力侵蚀强度大，并且水成沙的可能性增加，所以是该区加强水保措施以及防风固沙的重点位置。

小坝子乡境内发育潮河二级支流(小西河)，从海子沟开始，流向东南，经喇嘛山入潮河一级支流，再经四间房、土城入潮河主流，然后途经大阁、南关、长阁、黑山嘴、窄岭、天桥进入河北滦平，出河北省后注入密云水库。根据水文网分析，汇流累积形成的河网与小西河的分布情况基本一致。

4 结论

综上研究，小坝子地势西北部略高，西北到东南方向形成河网流向。受地质构造线控制和流水的侵蚀作用，在山脊之间和山区内形成了许多大小不一的串珠状河谷地形。复杂的地形对于研究区的沙漠化防治、植被、交通、经济等会产生深远的影响，地形分析意义重大。

本次研究基于ArcGIS9.3对研究区进行了地形分析，并通过DEM图进行了高程分析;在DEM基础上通过空间分析生成不同坡度分级图，统计了各坡度分布面积;生成坡向分级图，得到了地势起伏度分级图。进一步做出水文分析，最终生成河网分布图，并通过计算得到研究区水文网密度值。这些结果的获得可为流域规划方案的制定提供理论依据和技术指导，有助于区域水土保持部门因地制宜地制定出合理的水保措施。

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