基于DEM的热作区土地利用现状分析

章明 李玉华 曹蕾 钟菲

摘 要 在GIS空间分析功能的支持下，利用数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）提取阳江农场高程、坡度和坡向数据，计算橡胶林、农用地及未利用地等3种土地利用类型的分级分布指数，准确描述农场主要用地类型的空间分布频率，总结分布趋势，为进一步制定热作区农场发展规划提供参考。

关键词 DEM ；热作区 ；土地利用现状

分类号 F301.2

土地利用类型的空间分布格局主要受到地形条件的制约[1]，地形条件又直接或间接的作用于光、热、水、土等自然因素的再分配[2-3]，且呈现出一定的规律性。有学者以DEM为基础探讨了地形因子与土地利用的关系[4]，利用DEM揭示土地利用类型在高程、坡度和坡向上的分布[5-6]。利用指数模型分析区域地形条件对土地利用分布的影响和评价的研究方式也受到越来越广泛的关注[7-9]。本文使用的高分辨率DEM（5 m），通过运用地理信息空间分析方法得出阳江农场土地利用类型在高程、坡度以及坡向的分级分布指数，准确描述了阳江农场胶园空间分布的变化特征，从而为热带作物地区土地资源利用优化布置和热作经济的可持续发展战略设计提供重要的依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

海南省国营阳江农场位于中国唯一具有热带海洋气候的岛屿——海南岛，东经109°44′01″～109°55′20″，北纬19°17′02″～19°26′24″，年平均气温在25℃左右，该农场是海南农垦橡胶产胶大场之一，土地面积1.19万hm2，0.513万hm2橡胶园，年产干胶5 000 t。区域内地形起伏不大，最高海拔465 m，最低海拔85 m，相对高差345 m，为浅丘陵地带，植被覆盖达到85%以上。

1.2 研究方法

1.2.1 数据源与数据处理

本研究采用海南省独立坐标系1∶1万数字地形图，阳江农场1∶1万土地利用现状图，并通过设置海南省独立坐标系转换参数，将以上数据从独立坐标系坐标转换到北京1954坐标系和1985高程系，以实现空间数据的叠加分析[10-11]。

（1）数字高程模型：将阳江农场矢量等高线和离散高程点生成不规则三角网（Triangulated Irregular Network，TIN），后经TIN栅格化获得5m分辨率DEM[12]，由所得DEM提取高程、坡度与坡向等作为实验数据。

（2）土地利用现状数据：将阳江农场土地利用现状数据栅格化，分辨率设定为与DEM相同的5m。由于阳江农场主要以橡胶种植生产为主，其它如旱地、水田、菜地及其他热作园所占面积较少，故将其归并到为一种土地利用类型类——农用地，将橡胶园和面积较大的未利用地作为独立地类。

1.2.2 基于DEM的地形因子分级

高程分级：阳江农场的海拔高程值处于85～465 m，地形起伏较为均匀，因此参考等间距分级法将阳江农场DEM重分类为8个高程级，85～100 m为第1高程级，400～465 m为第8高程级，100～300 m按50 m等间隔分类为2至7高程级。

坡度分级：按照水土保持通用分级标准进行分级，共分13级，依次为0°～3°，3°～5°，5°～10°，10°～15°，15°～20°，20°～25°，25°～30°，30°～35°，35°～40°，40°～45°，45°～50°，50°～55°，>55°。

坡向：该定义为坡面法线水平面投影与正北方向的夹角，通常将正北方向定为0°，按顺时针方向旋转来划分坡向，0°为平坡，0°～50°和320°～360°为阴坡，230°～320°为半阴坡，140°～230°为阳坡，50°～140°为半阳坡。

1.2.3 分级分布指数

本文采用分级分布指数[13]来描述不同土地利用类型在高程、坡度、坡向上的分布特征。分级分布指数是一个标准化、无量纲指数，该指数的引入将消除面积差异带来的量纲影响[14]，计算公式如下。

P=（）·（）

P代表分布指数，e代表地形因子， 代表e地形因子特定等级下的i地类的面积，Si是i地类的面积，Se是整个区域地形因子特定等级下的总面积，S是整个区域面积。P值越大，说明某土地利用类型出现频率越高。

1.2.4 研究流程图

利用DEM可以自动提取地形因子，并与土地利用数据进行空间分析，具有快速、科学、客观等特点，大大方便了对土地利用的地形格局特征进行的研究[15]。本研究基本流程见图1。

2 结果与分析

2.1 分级分布指数处理结果

利用地理信息技术空间分析（Spatial Analyst）方法，将橡胶园、农用地和未利用地栅格数据与所提取的地形因子进行叠加分析[16]。

2.2 高程分布指数

从图2中可以看出，胶园、农用地、未利用地在不同高程级别中的分布趋势。在第1高程等级（<100 m）上的分布指数均小于1。在第2、3级（100～200 m）上胶园和农用地分布最多，即在这两个高程级上，农用地和胶园的出现频率是最大的，但随着高程的增加，分布逐渐下降。由于作为农场主产业的橡胶和农用产品主要分布在海拔低的地区，故绝大多数土地都得到了很好的开发和利用。因此，在这两个区域未利用地的分布就很小，而多数也是属于那种利用投入过大，且不利于耕作的地块。在第4级高程区，胶园和农用地的分布已经降到了0.5的水平，而未利用地开始占据主导地位，胶园和农用地的分布降到了最低点，且在6、7、8三个等级中，没有胶园的分布，农用地利用也从第7等级开始，没有分布。

2.3 胶园分布随坡度的变化

从图3可以看出，胶园主要分布于1～4坡度级，农用地主要分布在1～3级，坡度分布指数均接近和超过1。随着坡度的增加，胶园分布逐渐增加，农用地分布逐渐减小，未利用地呈现出明显增多的趋势。由于不同坡度坡面，物质交流与能量转换的方式与效率有着明显的差异，并且直接影响到土壤的母质组成、土层厚度、土壤水分、无机盐淋失和土壤酸碱度等土壤的基本属性，坡度不同，也产生了坡面接受太阳辐射量的差异，这些都将进一步影响到该坡面的植被类型与分布频度。

2.4 胶园分布随坡向的变化

坡面的朝向，决定了该坡面接受太阳辐射以及地面水分的量值与变化程度，因而在很大程度上影响植被的类型与分布，在阴阳坡之间出现明显的差异。但是由于阳江农场地处热带，主要以低丘为主，而日照和降雨充足，这点从图4也反映出来。坡向对胶园及农用地分布影响不大，即使在阴坡中分布指数达到1，且在半阳坡出现频度更大。说明橡胶树这种高度在20～40 m的高大的乔木树种，对坡向的因子并不敏感，可以利用这一特点，排除该因子在新建橡胶园规划中的权重。

3 结论与讨论

（1）本文以DEM和土地利用数据为主要信息源，在地理信息空间分析技术的支持下，较准确的评价了热作区农场空间格局。热作区有效土地利用类型分布主要受高程和坡度的影响，基本可不考虑坡向影响；阳江农场胶园和农用地主要集中于300 m高程以下，坡度小于25°，分布较为均匀，且利用程度较好；随着高程的增加和坡度的提高，未利用地分布频度逐渐增加。

（2）结合对阳江农场的实际调查表明，阳江农场土地利用类型空间分布特征结果的可靠性和准确性较高，验证了橡胶树这种高度在20～40 m的高大的乔木树种对坡向的因子影响并不敏感，可以利用这一特点，排除该因子在新建橡胶园规划中的布局权重。

（3）通过对阳江农场土地利用空间分布特征研究，可以看出，人工开垦农场受地形因子中高程和坡度的限制较为明显，应在现有土地利用空间格局的基础上，进一步优化土地利用结构，实现橡胶种植区的合理布局，提高植胶面积，实现热作区农场的可持续发展。

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