基于DEM的桐柏县地形因素分析与评价

陈伟华+唐庆+王娜娜+羊秀娟

摘 要：淮河流域水土流失较为严重，而作为淮河源头桐柏县的水土流失量所占整个流域的比重较大。该文基于桐柏县空间分辨率为30m的数字高程数据，运用Arcgis10.2软件作为处理工具，提取该地区的地形因素（如坡度、坡向、粗糙度等）。研究该区域在同一分辨率下，淮河源头的基本地形地貌特征。结果表明：桐柏县域内地表的坡度和起伏度相对较大，坡向占区域的面积和地表的粗糙度较大，地形地貌破碎程度较高。这些地形特征的获得为该地区的水土流失预防与治理提供依据，也为当地近年来的水土保持工作提供一定的参考。

关键词：数字高程模型；坡度；坡向；粗糙度；桐柏县

中图分类号 S157.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）11-0112-03

数字高程模型作为研究空间变化的基础数据，是地表形态的一种数字化表达，蕴含了丰富的地学应用分析所需要的基本地形地貌信息[1-2]。而地形因子是最基本的自然地理要素，能够为研究与表达地貌形態特征提供一定的参数或指标[3]。地形因素的提取及分析与评价对于防治水土流失，土地利用规划与管理[4]，农业结构的合理利用，水文地质灾害的监测控制及预防等都有其极其重要的作用。地形因素的提取方法大多基于数字高程模型（DEM），它能够反映一定分辨率的局部地形特征[3，5-6]。通过从高分辨率的原始DEM数据中提取坡度、坡向、粗糙度等特征，能够直观地展示研究区域的基本地形地貌，为更好地分析区域水土流失的原因提供参考依据。

桐柏山区是淮河的源头，同时也是淮河流域三大水土流失源地之一，但国内外对该区域的关注及研究内容较少。本文基于桐柏县30m空间分辨率的数字高程数据，使用Arcgis10.2软件提取相关因素对该区域的地形地貌进行分析与评价，从而揭示该区域产生水土流失的原因。

1 研究区概况

桐柏县为淮河的发源地，地处河南省西南部，豫、鄂交界地带，介于东经113°00′～113°49′，北纬32°17′～32°43′。境内海拔约80～1200m，桐柏山贯穿全境，地形以低山、丘陵为主。该区域属北亚热带季风型大陆性温湿气候，干湿季分明，雨量丰沛，平均年降水量1168mm，年平均气温15℃，1月平均气温2°C，7月平均气温28℃，无霜期可达231d，年平均日照时数2027h。区内水系分属淮河、长江两大水系，以淮源镇固庙村西岭和大河镇土门村的新坡岭为分水岭，东属淮河流域，西属长江流域。

2 数据与方法

2.1 数据来源 研究区采用空间分辨率为30m的数字高程数据，该数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/search）。同时使用Arcgis10.2软件，对研究区数据进行镶嵌拼接，从全国县级行政区划图中提取桐柏县的县级区域，并通过掩膜提取的方式获得桐柏县的DEM数据（图1）。

2.2 数据处理方法

2.2.1 建立高程值 由掩膜提取的方式获得的DEM数据可知桐柏县的高程值在80～1122m。东部、西部、东南部地势较低，中部、东北和西南部地势较高。西南部为构造剥蚀低山，北部多为剥蚀丘陵，东部有堆积剥蚀岗地，东南部和西北部多为河谷平原[7]（图2）。

2.2.2 提取坡度并分类 坡度（slope）是地表单元陡缓的程度，通常是指坡面的垂直高度和水平面距离的比值。坡度作为地形因子最重要的指标，它的大小是导致水土流失最直接的因素[8]。利用ArcToolbox工具——3D Analyst工具——栅格表面——坡度功能来提取桐柏县的坡度，并对得到的坡度图层进行重分类（图3、图4）。

2.2.3 坡向提取 使用Arcgis10.2软件中的表面分析工具来提取坡向，获得相应的坡度图层，所获得的数据范围在0～360°，正北方向为0。根据坡面投影方向的不同，将坡向分为平面、北、东北、东、东南、南、西南、西、西北9个方向。

2.2.4 地面粗糙度的提取 地面粗糙度是指在一个范围内，地球表面积与其投影面积之间的比例，是衡量地表形态的一个宏观指标[9]。在Arcgis10.2中，利用空间分析模块下的表面分析工具提取坡度，得到桐柏县的坡度数据图层，同时使用空间分析中的栅格计算器，得到地面粗糙度数据图层，计算公式采用1/Cos（slope*π/180），其中π取值为3.14。

3 结果与分析

3.1 高程 热量和水分随地面高程的变化会产生较大的差异，从而影响一定区域范围内的土地利用方式。桐柏县海拔在80～264m的区域基本上是以耕地和建设用地以及水域为主；而海拔在264m以上的区域，已不适合发展农业生产，土地利用方式以林地和草地为主；海拔在600m以上的区域，耕地面积极少，生态林居多。

3.2 坡度 在地形因素中，坡度是导致水土流失的重要因子，是决定地表径流冲刷强度的基本因素[10]。相关研究表明，坡面的冲刷能力随坡度的增大和径流流速加快而增强，但增加到一定程度，坡面的受雨面积减少，坡面侵蚀反而减弱[11]。坡度可能导致重力侵蚀的发生，在一般情况下，坡度越大，坡面的稳定性越差，发生重力侵蚀的可能性越大。本研究将坡度划分为<5°、5～8°、8～15°、15～25°、25～35°、35～64.88° 6个级别，分别为微坡、较缓坡、缓坡、较陡坡、陡坡、急陡坡，计算6个坡度类别分别所占桐柏县域的面积。由图4可知，桐柏县域内的坡度在5°以下的区域占桐柏县域面积的1/2以上，地势较为平坦，适合发展农业生产；坡度在5～25°的区域约占整个区域面积的1/3，农业发展受到一定的限制，较适宜发展林牧业，但容易产生强烈的侵蚀而增加发生水土流失的风险，需重点加以监测；坡度在25°以上的区域占全区域的面积虽小，但地形起伏度较大，坡面容易失稳而发生重力侵蚀，并不适于发展农林牧产业，同时还必须加以有效的关注，采取一定的措施来治理水土流失。

3.3 坡向 根据所得到的坡向图层，分别计算各坡向等级所占桐柏县整个坡向面积的比例如表1所示。由表1可知，阳坡占桐柏县区域面积的40.15%，阴坡占33.31%。坡向与土壤水热条件和植被生长状况都有着密切的关系，也会对土壤侵蚀产生一定的影响。桐柏县阳坡较阴坡接受到的太阳辐射较多，土壤中的空气质量较为充足，但是阳坡的土壤水分和有机质含量的积累较差，土壤中的营养成分容易散失，导致阳坡的植物生长不良，植被覆盖率降低。阴坡与阳坡环境条件相反，桐柏县阴坡的湿度较低，植物生长所需的养分容易积累，不易散失，植被生长条件较好。

3.4 粗糙度分析 地面粗糙度可以在一定程度上反映地形地貌破碎化的程度[9]。由所得到的粗糙度图层可知，桐柏县域内的地表粗糙度介于1～2.353。按照自然断点法可将粗糙度分为五级，其中一、二级粗糙度分别占总面积的79.11%、13.92%；三、四、五级粗糙度之和占总面积的比例较小，仅为6.98%。统计结果表明：一级粗糙度，即最低粗糙度所占面积最大，即表明桐柏县大部分地区的地形地貌较为完整，破碎化程度较低；第三、四、五级粗糙度，即最高粗糙度所占面积较小，但由于桐柏县域内因桐柏山区的存在，在一些地区地形地貌的破碎化程度较高（图5）。

4 结论

本文通过提取桐柏县的地形因素，研究了桐柏县域内的地形地貌特征，对该区域发生水土流失的原因进行了分析。研究结果表明：桐柏县域内地表的坡度和起伏度相对较大，为水土流失的发生提供了条件。同时，坡向占区域的面积较大，地区地表的粗糙度较大，地形地貌破碎程度较高，对该地区产生的水土流失具有一定程度的影响，为该地区的水土流失预防与治理提供一定的参考。另一方面，桐柏山区的生态环境较为脆弱，潜在的水土流失及危害程度较高，部分地区还存在着滑坡、山洪等方面的地质灾害，应加强对这方面的监测与预防。

参考文献

[1]赵玲，吴良林，莫建飞.基于DEM的桂西北土地利用與地形关系特征分析[J].地理空间信息，2011，9（1）：103-105.

[2]汤国安，李发源，刘学军.数字高程模型教程[M].北京：科学出版社，2010.

[3]汤国安.我国数字高程模型与数字地形分析研究进展[J].地理学报，2014，69（09）：1305-1325.

[4]杨子生，刘彦随，卢艳霞.山区水土流失防治与土地资源持续利用关系探讨[J].资源科学，2003，27（6）：146-150.

[5]宋晓猛，张建云，占车生，等.基于DEM的数字流域特征提取研究进展[J].地理科学进展，2013（01）：31-40.

[6]郑子彦，张万昌，邰庆国.基于DEM与数字化河道提取流域河网的不同方案比较研究[J].资源科学，2009，31（10）：1730-1739.

[7]张青锁，田东升.河南省桐柏县地质灾害现状及防治对策研究[J].中国地质灾害与防治学报，2005，4（16）：142-144.

[8]刘新华，杨勤科，汤国安.中国地形起伏度的提取及在水土流失定量评价中的应用[J].水土保持通报，2001，21（1）：57-59，62.

[9] 张迅，吕华权. 基于DEM的宁明县地形因子分析[J].测绘与空间地理信息，2014，37（12）：157-162.

[10]杨勤科，贾大韦，李锐，等.基于DEM的坡度研究——现状与展望[J].水土保持通报，2007，27（l）：146-150.

[11]王建.现代自然地理学[M].北京：高等教育出版社，2010.

（责编：张宏民）