基于DEM的井冈山市地形因子分析

徐珍, 蒋婷, 黎武, 吴强建中

(西华师范大学 国土资源学院,四川 南充 637000)



基于DEM的井冈山市地形因子分析

徐珍, 蒋婷, 黎武, 吴强建中

(西华师范大学 国土资源学院,四川 南充 637000)

地形作为影响土壤侵蚀的重要因素之一，对土壤侵蚀的方式及强度具有控制作用。通过对地形因子的计算和分析，为土壤侵蚀防治及治理提供一定的参考，同时为水土流失评价提供科学依据。基于DEM(数字高程模型)提取坡度、坡长、LS因子等地形指标且计算地形起伏度，分别探究不同分辨率、不同地形下地形因子的差异性。结果表明：(1)90 m、60 m、30 m不同分辨率下，坡度、坡长、LS因子均存在差异，随着分辨率不断升高，地形起伏度增大，地形趋于崎岖。(2)平原、丘陵、小起伏山地不同地形下，坡度最大值小起伏山地>丘陵>平原；坡长最大值平原>丘陵>小起伏山地；LS因子最大值丘陵>小起伏山地>平原，DEM分辨率以及地形起伏度对于地形因子均具有较为明显的影响。

DEM；地形因子；坡度；坡长；LS因子

地形因子是反映地形地貌对土壤侵蚀量影响的重要指标，因此各类土壤侵蚀评估模型将地形因子作为影响评估结果的重要因素之一[1]。坡度、坡长、LS因子作为地形因子中常用的指标要素，在地形因子分析中得到广泛应用[2- 3]。从坡度、坡长、LS因子的统计和空间分布特征的角度，基本可体现出该地区的塬面、塬坡、现代沟坡和川地等地貌特征。地形因子尽管可以分成坡度和坡长等，而在侵蚀预测应用中，坡度和坡长一般一起评价计算[4]。而LS 因子是USLE等模型中地形对土壤侵蚀影响的复合地形指标[5]。根据Moore(1986) 的研究，LS 因子代表地表径流的挟沙能力[6]。根据前期的理论研究和技术开发可提取LS因子，该因子具有一定科学性，可满足土壤侵蚀的宏观评价要求[7]。刘宝元根据中国实测数据将坡度和坡长因子算法进行了推广，并改进了LS因子算法，对于我国的地形因子以及土壤侵蚀模型的计算具有实际意义[4]。

基于土壤侵蚀模型的建立与广泛运用，国内对地形因子展开了大量的研究[8]。基于全国的地形因子提取与分析，黄土丘陵沟壑区坡长最短、坡度较大；东北丘陵区坡长较长、坡度小、LS 因子较小；而南方红壤丘陵区和西南紫色土丘陵区坡长较短、坡度较大[9]。区域尺度上的地形因子也较为广泛，芦山地震重灾区内地形因子是山地灾害危险性评价的重要因子，坡度大于25°的面积占区域总面积的73. 89%，起伏度大于500 m的占87. 41%[10]；以及以赣南地区为研究区分析该区域侵蚀地形因子对南方红壤区水土流失的影响，得出平原和典型丘陵区坡长较小，而在山地较大；平原的坡度和LS因子均最小，典型丘陵次之，山地最大[11-12]。国内大多学者研究了地形因子的分布与影响，认识到其对土壤侵蚀的重要性，但少见关于地形因子空间分布的研究。

在坡面尺度上，可通过实测的方法对坡度和坡长进行测量并计算出LS 因子[8, 13]。但是，在小流域和区域尺度上，通过对坡度和坡长的实地测量来进行评价较为不实际，因此目前LS 因子只能通过DEM进行提取[13]。本文的主要目标在于：(1)基于DEM，通过不同分辨率分析该区域地形因子的分布及区别；(2)基于DEM，根据不同地形分析该区域地形因子分布及区别。地形因子作为土壤侵蚀过程的重要因子，分析地形因子的分布及区别为该区域的土壤侵蚀的研究提供一定的参考依据。

1 研究区概况

井冈山市(26°13′04″ ～26°52′30″N，113°59′12″ ～114°18′28″E)地处欧亚大陆东南部，位于中国大陆第三级地形，处于中国扬子古板块与华夏古板块结合带的南东侧，也是长江以南和南岭以北的罗霄山脉南北向构造带的核心地段，北与绍兴-江山-萍乡断裂带和江南新元古代造山带相望，南与丽水-政和-大埔断裂带和东南沿海晚中生代花岗质火山-侵入杂岩带相接[14]。井冈山市属亚热带季风气候，年平均气温17.1 ℃，极端最低气温-8.9 ℃[15]。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本文以SREMDEM30m为基础数据，数据来源于地理空间数据云(http://www. gscloud.cn/)。矢量数据源于国家科技基础平台的地球系统科学数据共享平台提供的中国县级行政区图[16]。以ArcGIS10.2为技术支撑，运用掩膜提取工具对DEM数据进行裁剪，得出完整的井冈山市30m×30m分辨率DEM 栅格数据，进而运用数据管理工具→栅格处理→重采样工具获得60m×60m和90m×90m的栅格数据。

2.2 起伏度的计算

运用ArcGIS10.2中的邻域分析工具以及窗口分析法对DEM提取地形起伏度，起始窗口为3×3,5×5…65×65，移动步距为2，终止窗口为65，窗口类型为矩形。进而通过均值变点法对统计单元进行计算，目视解译得出最佳统计单元[16]。

2.3 地形因子的计算

通过ArcToolbox→3D Analyst工具→栅格表面→坡度提取该区域坡度，并采用最大坡降计算得出坡长。学者刘宝元根据国内的水土流失情况，对RULSE土壤侵蚀模型进行改进得出中国水土流失方程(CSLE)[17]：

其中：S为坡度因子；θ为坡度值；L为坡长因子；λ为坡长(m); 22.1为22.1标准小区坡长；m为坡长指数，根据坡度不同取值不同。

3 结果与分析

3.1 不同分辨率分析

3.1.1 坡度的分布

坡度作为影响地表径流量的大小和流速的直接因素，同时也影响着地表径流的冲刷能力，因此坡度因子是研究地貌与土壤侵蚀的重要因素之一[18]。根据SL190-2007《土壤侵蚀分类分级标准》中地面坡度分级标准，将坡度分为6 个等级(0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°)。不同分辨率的 DEM 包含的信息量不同，随着DEM分辨率的降低以及数据处理过程信息的丢失，其所包含的信息量会出现不同程度的损失，因此通过对比不同DEM分辨率所获得的信息，可以计算出DEM的损失量[19]。通过结果表1可以看出，不同分辨率下的坡度分布差异较大，该区域坡度主要分布在15°～25°之间，占总分布的1 / 3左右。当坡度≤25°时，随着DEM的降低，损失量为负数；而当坡度>25°时，损失量为正数。由此可知随着分辨率的降低，地形趋向平坦化，起伏逐渐减小。从表2可知，30m×30m作为DEM的基础分辨率，随着分辨率的降低，坡度最大值、平均值、标准值均逐渐减小。

表1 不同分辨率坡度分布结果

表2 不同分辨率坡度基本统计 (°)

3.1.2 坡长的分布

坡长是反映坡面发育的重要因子之一，从宏观角度上能够反映出地形坡面的基本特征；同时作为反映土壤侵蚀与地貌形态因子的重要指标之一，也是反映地表的破碎程度和侵蚀状况的因子之一[13]，因此被广泛应用。结合该区域的坡长分布特点，将该区域坡长分为<150 m、150～250 m、250～350 m、350～450 m、450～550 m、≥550 m六种类型。根据不同分辨率坡长分布结果反映，不同分辨率下坡长分布具有差异，该区域坡长主要分布在0～150 m之间，占总分布的50%以上，随着坡长值逐渐增大，而分布比例减小，到坡长≥550 m出现上升；当坡长<450 m时，损失量均大于0，而当坡长≥450 m时，坡长损失量小于0，并且随着分辨率的降低，损失量绝对值逐渐增大。根据表4得出的不同分辨率坡长基本统计表，随着分辨率的降低，坡长最大值逐渐减小，而平均值与标准差增大，并且增加十分明显。

表3 不同分辨率坡长分布结果

表4 不同分辨率坡长基本统计 m

3.1.3 LS因子的分布

LS因子，即坡度和坡长对土壤侵蚀的共同影响，被量化后作为LS 因子来计算，其中L为坡长因子，S为坡度因子[20]，通常被作为一个独立的地形因子，用以土壤侵蚀中的地形效应[2]。通过该区域LS因子的实际分布情况，将LS因子分为：<5；5～15；15～25；25～35；35～45；≥45六种类型，由表5可知，该区域LS因子分布随着LS因子值的增大而减少，主要集中在<5 和5～15之间，分别占总比例的31.54%和29.52%。并且随着分辨率的降低，<5范围内逐渐增大；5～15范围内逐渐减小；15～25范围内逐渐减小；25～35范围内逐渐减小，35～45范围内逐渐增大，但变化幅度均较小。由于随着分辨率的降低，坡度的减小趋势变缓，而坡长增大，可见LS 因子减小了坡长坡度中某一单一因素的影响。此外，随着分辨率降低，LS 因子的最大值与标准差增大，平均值变小(见表6)。

表5 不同分辨率LS因子分布结果

表6 不同分辨率LS因子基本统计

3.2 不同地形分析

根据数据结果得出该区域的最佳窗口统计面积为0.2025 km2，最佳统计单元为15*15。本文按照中国陆地1∶100万数字地貌制图规范中地形起伏度的划分标准，对该区域进行划分[21]。该区域平原、丘陵、小起伏山地的分布比例为8.59%、66.28%、25.14%。

如表7所示，该区域坡度值最大值丘陵>小起伏山地>平原，而平均值和标准差最大值出现在小起伏山地区域；坡长最大值平原>丘陵>小起伏山地；平均值和标准差最大值出现平原区域；LS因子最大值丘陵>小起伏山地>平原；平均值和标准差最大值出现在小起伏山地区域。LS因子由坡度与坡长值计算得出，根据数据结果显示，不同区域LS因子与坡长的结果相一致。

表7 不同地形下坡度、坡长、LS因子统计表

如图1显示，该区域平原、丘陵、小起伏山地坡度分布差距较大，平原区域坡度主要分布在0°～5°之间，占总比例的0.73，最大值≤25；丘陵区域坡度主要分布在0°～5°和8°～15°之间，分别占总比例的0.34和0.26；小起伏山地坡度主要分布在8°～25°之间，占总比例的0.58。平原区域起伏小，坡度值较小且差距较小；丘陵区域坡度之间差距较大于平原区域，而坡度小于小起伏山地区域；小起伏山地区域起伏较大，因此坡度较大且之间差距较大。

图1 坡度分布图

由图2可知，该区域平原、丘陵、小起伏山地的坡长分布趋势基本一直，分布最多的是0～150 m，分布最少的是450～550 m，该区域总体地势较为平缓，丘陵广布。平原区域0～150 m坡长值占总比例的0.68，而450～550 m坡长值占总比例的0.03；丘陵区域0～150 m坡长值占总比例的0.67，450～550 m坡长值占总比例的0.02；小起伏山地区域0～150 m坡长值占总比例的0.85，450～550 m坡长值占总比例的0.004。由此可知，小起伏山地区域的坡长较为集中，平原与丘陵区域次之。

图2 坡长分布图

图3表示，平原区域LS因子分布在0～15之间，主要集中在0～5，占总比例的0.99；丘陵区域LS因子分布在0～35之间，主要集中在0～5，占总比例的0.62；小起伏山地区域LS因子分布在0～45，主要集中在0～15，占比例的0.75。由此可知，该区域从整体上LS因子主要分布在0～15之间，平原区域与丘陵区域LS因子较为集中，而小起伏山地区域分布较广。

图3 LS因子分布图

4 结论与讨论

(1)通过30 m、60 m、90 m不同分辨率提取坡度、坡长、LS因子，比较分析得出井冈山市坡度主要分布在15°～25°之间，坡度的最大值随着分辨率逐渐减小。该区域坡长主要分布在0～150 m之间，随着分辨率的降低，坡长最大值逐渐减小，而平均值与标准差增大，并且增加趋势显著。而随着分辨率的降低，LS因子最大值逐渐减小，而平均值与标准差不断增大，但变化幅度较小，且分布差距较小。由于分辨率的降低，DEM的损失量逐渐增大，起伏度减小，地形趋于平坦化，因此坡度值与坡长值的最大值随着分辨率的降低而减小，且平均值与标准差增大。LS因子由坡度因子与坡长因子计算得来，在坡度与坡长的综合情况下使得最终计算结果中LS因子差距较小。

(2)经过地形起伏度的计算，得出井冈山市地形主要分为平原、丘陵、小起伏山地，以丘陵分布最广。根据结果得出，坡度最大值小起伏山地>丘陵>平原；坡长最大值平原>丘陵>小起伏山地；LS因子最大值丘陵>小起伏山地>平原；而平原区域坡度主要集中在0°～5°，坡长主要集中在0～150 m，LS因子主要集中在0～5；丘陵区域坡度主要集中在0°～5°和8°～15°，坡长主要集中在0～150 m，LS因子主要集中在0～5；小起伏山地坡度主要集中在8°～25°，坡长主要集中在0～150 m，LS因子主要集中在0～15。由此可知，坡度范围基本随着地形起伏度的增大而增大；坡长范围随着地形起伏度的增大而基本处于稳定状态；LS因子范围随着地形起伏度的增大先基本稳定后逐渐增大。地形起伏度的变化对于坡度、坡长、LS因子的影响较为明显，不同地形下的地形因子差距较大。

(3)井冈山市属南方红壤丘陵区，水土流失较为严重，与黄土丘陵沟壑区、东北漫岗丘陵区相比较，该区坡度大于东北漫岗丘陵区(0.8°)，小于黄土丘陵沟壑区(22.3°)；坡长大于黄土丘陵沟壑区(69 m)，小于东北漫岗丘陵区(479 m)；而LS因子大于东北漫岗丘陵区(0.5)。由于受到海拔的影响，该区域的坡度值与坡长值、LS因子值基本处于东北漫岗丘陵区、黄土丘陵沟壑区之间。

(4)地形因子对土壤侵蚀程度研究具有重要作用，本文运用DEM分析井冈山市地形因子，为该区域的土壤侵蚀提供一定的科学依据，但由于数据获取较难，因此今后旨在提高数据精度以及从较为微观的角度分析，为土壤侵蚀研究做出相关贡献。

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Analysis of Terrain Factors Based on DEM in Jinggangshan City

XU Zhen, JIANG Ting, LI Wu, WU Qiangjianzhong

(School of Land and Resources, China West Normal University, Nanchong Sichuan 637000, China)

As the important influencing factor of water and soil loss, terrain decides the soil erosion pattern and erosion intensity. Calculating and analyzing the terrain factors , which can provide a reference for soil erosion control and offer significant basis for water and soil loss. According to the terrain factors which is extracted and relief amplitude which is calculated by DEM, analyzing the difference of various resolutions and terrains. Results indicate that: (1) Under the 30m, 60m, 90m resolutions, the slope, slope length, LS exist differences. With the decrease of DEM resolution, terrain become flat and amplitude become small gradually. (2) Under the plains , the hills ,the small rolling mountain terrains, the maximum value of slope: the small rolling mountain terrains> the hills> the plains; the maximum value of slope length: the plains> the hills> the small rolling mountain terrains; the maximum value of LS: the hills> the plains> the small rolling mountain terrains, the terrain factors is influenced by resolution of DEM and relief amplitude.

DEM; terrain factors; slope; slope length; LS factor

2017-04-06

徐珍(1995-)，女，江西上饶人，硕士研究生，研究方向为水土保持与荒漠化防治。E-mail:707185450@qq.com

P931.1

A

1004-2237(2017)03-0103-07

10.3969/j.issn.1004-2237.2017.03.020