1975–2020 年黄土塬区关键带道路网络数据

杨思齐，金钊, 黄辉

1.中国科学院地球环境研究所, 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061

2.北京师范大学，地理科学学部，地球科学前沿交叉研究中心，北京 100875

3.长安大学，地质工程与测绘学院，西安 710054

4.陕西黄土高原地球关键带国家野外科学观测研究站，西安 710061

5.中国林业科学研究院林业研究所，国家林草局林木培育重点实验室，北京 100091

6.河南黄河小浪底关键带国家野外科学观测研究站，河南济源 454650

引 言

地球关键带指植被冠层顶部至地下水底部或者土壤-岩石交界面的区域，是大气圈、生物圈、土壤圈、水圈交汇的异质性地带，也是受气候变化和人类活动影响最显著的关键区域[1]。地球关键带作为表层地球系统科学一种新的研究范式，主要研究地球浅表层系统的结构、过程和服务功能，并将地球这一“皮肤”系统的多尺度过程进行耦合，进行综合性研究和整体性考虑[2]。经过近20 年的发展，地球关键带研究已成为21 世纪地球科学最前沿的研究领域，重点关注三大科学问题，包括：（1）什么控制着地球关键带的结构和过程？（2）地球关键带如何响应气候和土地利用变化？（3）如何利用地球关键带的综合知识来满足社会需求？[3]

交通道路作为一种重要的土地利用方式，是影响地球关键带过程的一个不可忽视的人类活动影响因素。众多研究表明，交通道路加剧了景观的破碎化，尤其是与降雨的叠加作用，加速了地球关键带系统水土流失和土地退化[4-6]。近40 年来，随着城市建设不断加速，道路网络也不断扩张，区域连通性的增强大大推进了我国经济的发展。道路建设与人类活动密切相关，交通路网在促进社会和经济发展的同时，也对地球关键带景观生态和水土流失产生了长远和复杂的影响[7-8]。道路网络的建设首先会改变土地利用/覆被变化，并伴随着路网的延长和扩张，人类活动的影响范围逐渐增大，对土地资源的利用度日益加深，对区域生态环境的扰动也逐步增强[9]。因此，道路网络数据的建立非常必要，但目前存在的OSM 路网数据冗余且缺少历史数据；此外，当前发布的一些道路数据多为城市道路或者单期数据[10-11]，关于黄土塬区的历史路网数据集相对较少，限制了对黄土塬区路网演化机制及环境效应的深入研究和认识。

董志塬是黄土高原面积最大、最连续的塬面，素有“天下黄土第一塬”之称。2000 年以来，随着我国西部大开发战略的启动，董志塬的城镇化和道路建设得到了蓬勃发展[12]。研究表明，公路和城镇的建设会显著增加地表径流，加剧黄土塬区关键带的土壤侵蚀和水土流失[13]。因此，研究交通路网对黄土塬区景观生态和地球关键带过程具有重要的意义，但目前并未有关于董志塬的路网数据。本研究根据多源数据进行统一化，建立了董志塬1975、2005 和2020 年路网矢量数据，具有较好的精度，可为探讨塬区路网发展对景观生态、水土保持和地球关键带研究提供基础数据，为董志塬固沟保塬工程和土地资源管理提供重要的数据支持。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据区域范围

董志塬位于黄土高原南部，地处甘肃省庆阳市（35°15'23"–36°04'20"N, 107°26'47"–107°57'51"E），塬区包括西峰区全部，庆城县、宁县、合水县三县的部分区域（图1）。平均海拔为1400 m，属于大陆季风性气候，雨水集中在6–9 月，多年平均降雨量为543 mm，平均气温为8.1 ℃，最高气温为35.1 ℃，最低气温为-22.4 ℃。塬面面积910 km2，南北总长110 km，是世界上黄土层最厚、保存最完整的黄土塬。但随着近代以来人类活动的不断加剧，塬面蚕食，沟道不断扩张，塬面日益缩小，其东西宽度已从唐代时的32 km 减少为现在的17.5 km，最窄处仅剩50 m。由于塬面缺乏一些水土流失防护措施，水流汇入沟道，加速沟道演化，塬面日益萎缩。

图1 研究区示意图Figure 1 Dongzhi Tableland on the Loess Plateau

1.2 交通路网数据源

董志源1975 年的路网数据根据甘肃省交通局编制的资料（图2）[14-16]；2005 年的道路网络数据是由庆阳市水土保持局提供；2020 年的道路网络数据基于OSM 数据，下载于91 卫星影像，并结合2020 年谷歌影像进行目视解译。

图2 1975 年董志塬路网数据源Figure 2 Sources of road network data on Dongzhi Tableland in 1975

1.3 数据处理

董志塬1975、2005 和2020 年路网数据的来源都不同，需要把所有数据进行统一处理、建立标准。数据处理均在ArcGIS 软件支持完成，具体方法如下：

（1）数据选择与预处理：扫描1975 年的历史资料，根据扫描文件的坐标信息（图2）在ArcGIS 进行地图校正与配准。以庆阳市水土保持局提供的2005 年的路网数据为基准，对1975年和 2020 年的路网数据进行投影转换， 所有矢量文件的投影为Beijing_1954_3_Degree_GK_Zone_36。

（2）数据解译：对1975 年进行配准的图片中的路网进行矢量化，并添加属性信息；根据下载的OSM 数据，以2020 年的卫星影像图作为工作底图，基于ArcGIS 软件的人机交互解译完成2020 年董志塬路网数据处理。

（3）道路等级划分：根据原数据和相关文献参考[17-18]，将塬区的路网分为：高速公路、国道、省道、城市道路和乡村道路5 类。

（4）矢量线数据复合：叠加谷歌影像，复核范围为塬区面积的20%，经复核，数据正确率达90%以上。

2 数据样本描述

董志塬1975、2005 和2020 年的路网数据是文件为.shp 的线状数据（图3）。表1 为路网数据属性表结构，表2 为1975、2005 和2020 年董志塬路网数据长度信息。由于1975 年的路网数据参考甘肃省交通局编制的资料，该资料未统计乡村道路，因此本数据集1975 年的乡村道路为空值。

表1 路网数据属性表结构Table 1 Structure of road network attribute table

表2 1975–2020 年董志塬路网情况Table 2 Road network information on Dongzhi Tableland from 1975 to 2020

图3 1975–2020 年董志塬路网数据Figure 3 Road network data on Dongzhi Tableland from 1975 to 2020

3 数据质量控制

本数据集2005 年的路网数据为庆阳市水土保持局进行现场验证的数据，数据质量可靠。因此本数据集的质量控制主要是对1975 和2020 年路网解译数据进行检查和修改。这两期数据从收集、处理分析到验证均质量控制严格。

（1） 数据解译

确定数据处理思路，优化解译技术方法，及时纠正问题，以4 个县为界，分幅进行解译，确定勾绘的矢量线与影像数据重合，同时添加属性数据。

（2） 结果检验与核对

在核对时，利用ArcGIS 中的fishnet 工具条，将塬区格网化，核对每个格网中的数据是否规范，同时对属性、拓扑关系进行检查。本数据集通过解译人员自查、课题组成员对成果进行复查，对照相应时期的谷歌影像反复对这3 期路网数据进行核查。

4 数据价值

本数据集阐明了董志塬1975、2005 和2020 年的路网数据情况及其变化，是目前时间序列最多的路网数据集。本数据的生产方式为遥感解译，同时借助高精度影像进行对比分析，保证数据精度。本数据集为塬区的道路网络相关研究提供可靠的基础数据，同时也为董志塬的固沟保塬工作提供了重要的科学数据支持。

数据作者分工职责

杨思齐（1994—），女，陕西省渭南市人，博士研究生，研究方向为地表过程监测。主要承担工作：数据资料收集整理、质量控制及数据论文撰写。

金钊（1979—），男，陕西省西安市人，博士，研究员，研究方向为黄土高原重大治理工程的环境效应与可持续性方面研究。主要承担工作：总体方案设计、数据复核及论文修改。

黄辉（1980—），女，中国林业科学研究院林业研究所，副研究员，主要从事森林碳氮水循环对全球变化的响应等方面的研究。主要承担工作：数据讨论和论文修改。