黃土丘陵溝壑區(qū)地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐旨捌涞匦翁卣魈崛?/h1>
2012-01-02 08:31:36秦偉朱清科左長(zhǎng)清趙磊磊鄺高明王昭艷張京鳳單志杰
中國(guó)水土保持科學(xué) 2012年1期
秦偉，朱清科，左長(zhǎng)清，趙磊磊，鄺高明，王昭艷，張京鳳，單志杰
(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院泥沙研究所，100048;2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083:北京)
地表過(guò)程(earth surface processes)，即地球表面大氣圈、生物圈與巖石圈之間因物質(zhì)與能量的交互作用而形成的一系列物理與化學(xué)過(guò)程，主要包括巖土物質(zhì)的侵蝕、搬運(yùn)和沉積，水熱養(yǎng)分的運(yùn)移、轉(zhuǎn)化和循環(huán)，以及土地利用演變及其環(huán)境效應(yīng)等。地表過(guò)程是地球表面固有的自然過(guò)程，由此引發(fā)地貌格局演變，水系發(fā)育變遷，并影響生態(tài)環(huán)境，同時(shí)，地表過(guò)程與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)、相互影響。在全球氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)加劇的背景下，地表過(guò)程將更加深刻地影響人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展。全面揭示地表過(guò)程規(guī)律，有效地向避害趨利的方向調(diào)控，以促進(jìn)人與自然和諧相處，已為世界普遍關(guān)注，諸如土壤侵蝕、山地災(zāi)害、生態(tài)水文等典型地表過(guò)程也因此長(zhǎng)期成為學(xué)界研究焦點(diǎn)。由于地表過(guò)程的復(fù)雜性，通常需確立一定標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此將研究范圍劃分為一系列基本單元，先就基本單位完成模擬或分析，再經(jīng)累加或串聯(lián)實(shí)現(xiàn)整個(gè)研究范圍的模擬以及相關(guān)特征的揭示。這種化繁為簡(jiǎn)、化整為零的思路是解決地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)等眾多學(xué)科復(fù)雜問(wèn)題的重要途徑。其中，所劃分的基本單元，即為本文的地表過(guò)程響應(yīng)單元。地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐质欠窈侠怼@取是否高效很大程度上決定地表過(guò)程研究結(jié)果是否可靠、過(guò)程是否順利?，F(xiàn)有的劃分主要包括規(guī)則單元和不規(guī)則單元2 類(lèi)。規(guī)則單元是將研究區(qū)域按一定分辨率劃分為均勻的方格單元，即柵格單元。這種方法簡(jiǎn)單、快速、易實(shí)現(xiàn)，且在地理信息系統(tǒng)技術(shù)廣泛應(yīng)用的背景下，能更好地與遙感影像等多源數(shù)據(jù)結(jié)合分析。目前采用最多，但其僅考慮了地形等環(huán)境因素影響地表過(guò)程的空間差異性，忽略了一定空間范圍內(nèi)下墊面影響地表過(guò)程的相似性。不規(guī)則單元是根據(jù)地形地貌特點(diǎn)、水文運(yùn)移路徑或土地利用類(lèi)型等確定特征邊界將研究區(qū)域劃分為不規(guī)則的面狀班塊。這種方法在特定角度更真實(shí)反映了研究對(duì)象的固有屬性，更利于后期分析研究，但相比規(guī)則單元?jiǎng)澐郑鋵?shí)現(xiàn)難度更大，尤其針對(duì)較大空間尺度時(shí)，往往難以快捷地獲取預(yù)期結(jié)果。比較有代表性的不規(guī)則相應(yīng)單元包括水文響應(yīng)單元(Hydrological Response Unit，HRU)［1］、水文相似單元(Hydrological Similar Unit，HSU)［2］和分組相應(yīng)單元(Grouped Response Unit，GRU)［3］等。
黃土丘陵溝壑區(qū)是世界上地形最破碎復(fù)雜的地區(qū)之一，加之干旱與暴雨交疊的氣候條件，造成該區(qū)土壤侵蝕、滑坡坍塌、生態(tài)水文等為代表的地表過(guò)程具有顯著的特殊性和復(fù)雜性。針對(duì)該區(qū)特點(diǎn)，建立一種合理、高效的地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐址椒▽?duì)推動(dòng)地表過(guò)程研究具有重要的基礎(chǔ)意義。筆者以黃丘陵溝壑區(qū)典型流域?yàn)槔?，擬提出針對(duì)土壤侵蝕為代表的地表過(guò)程模擬研究的響應(yīng)單元?jiǎng)澐址椒捌湓贕IS 平臺(tái)中的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，以期為促進(jìn)該區(qū)地表過(guò)程研究提供有益參考。
1 研究區(qū)概況
四面窯溝流域位于陜北吳起縣鐵邊城鎮(zhèn)、北洛河上游南岸，E 107°45'47″～107°49'24″，N 36°54'08″～36°59'58″，屬北洛河水系，面積32.68 km2。流域內(nèi)海拔1 369 ～1 730 m，溝壑縱橫，屬典型黃土高原丘陵溝壑地貌類(lèi)型(圖1)。土壤主要為地帶性黑壚土剝蝕后廣泛發(fā)育在黃土母質(zhì)上的黃綿土，質(zhì)地為輕壤。多年平均降雨量478.3 mm，降雨年際變化大，季節(jié)分配不均，7—9 月降雨量占年均降雨量的62.4%，且多為暴雨。受耕作等人類(lèi)活動(dòng)影響，流域內(nèi)天然植被退化嚴(yán)重，現(xiàn)存植被主要為人工次生植被，以沙棘(Hippophae rhamnoides)、檸條(Caragana mocrophylla)等灌木，河北楊(Populus hopeiensis)、小葉楊(Populus simonii)、山杏(Prunus sibirica)、杜梨(Pyrus betulaefolia)等闊葉喬木以及紫花苜蓿(Medicago sativa)等人工牧草為主，林草覆蓋率約80%。
2 流域地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐?/h2>
圖1 研究流域區(qū)位圖Fig.1 Location of the study watershed
除氣候條件外，地表過(guò)程主要受下墊面影響。劃分響應(yīng)單元的核心在于針對(duì)下墊面影響地表過(guò)程的空間異質(zhì)性，分類(lèi)、合并地表過(guò)程差異顯著的下墊面，形成內(nèi)部地表過(guò)程特征相同或相似的下墊面單元。土地利用與地形地貌是下墊面的主要內(nèi)容。其中，土地利用分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)和劃分邊界比較明確，即按不同土地利用類(lèi)型及其相連的界線(xiàn)進(jìn)行劃分。地形地貌所包含的具體內(nèi)容更為豐富，不同地形地貌指標(biāo)均能不同程度影響地表過(guò)程，且以不同地形地貌指標(biāo)為依據(jù)的劃分邊界也不盡清晰;因此，響應(yīng)單元?jiǎng)澐值碾y點(diǎn)主要在于地形地貌特征解析及其邊界提取。就黃土丘陵溝壑區(qū)的土壤侵蝕而言，坡度、坡向、坡位是影響土壤侵蝕的主要地形地貌特征。坡面作為組成該區(qū)地貌結(jié)構(gòu)的基本組份，其內(nèi)部的坡度和坡向雖存在空間分異，但并不顯著，獨(dú)立坡面在整體上具有基本一致的坡向和坡度。坡位對(duì)土壤侵蝕的影響集中表現(xiàn)在梁坡和溝坡間土壤侵蝕強(qiáng)度和機(jī)制的差異，即梁坡以薄層徑流的剝蝕為主，侵蝕強(qiáng)度較低;溝坡以含沙股流的沖蝕為主，侵蝕強(qiáng)度較高。因此，以小流域?yàn)閷?duì)象，參照水文研究中所提及的水文響應(yīng)單元［1］，將土壤侵蝕響應(yīng)單元定義為由流域溝谷線(xiàn)、山脊線(xiàn)、分水線(xiàn)及溝緣線(xiàn)交疊構(gòu)成的具有相對(duì)均一坡向、坡度與坡位的獨(dú)立坡面，并在Arc-GIS9.2 中，以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)單元?jiǎng)澐旨捌涞匦翁卣魈崛 ?/p>
2.1 流域Hc-DEM 的建立
數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)作為真實(shí)地貌的離散數(shù)字表達(dá)，是水文、土壤、地貌、生態(tài)等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分為規(guī)則格網(wǎng)(如grid、raster 等)和不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network，TIN)［4］。通常多基于數(shù)字化等高線(xiàn)生成不規(guī)則三角網(wǎng)模型，然后再轉(zhuǎn)化為規(guī)則格網(wǎng)模型;然而，因內(nèi)插計(jì)算誤差或少數(shù)真實(shí)地形影響，由此獲得的DEM 表面將存在局部凹陷洼地，阻斷匯水路徑從而影響后期的地表過(guò)程分析［5］。為此，采用陜西省1∶1萬(wàn)紙質(zhì)地形圖，掃描后在R2V 軟件中完成數(shù)字化，進(jìn)行平滑、賦值等編輯處理，形成矢量等高線(xiàn);然后在ArcGIS9.2 中，利用Spatial Analysis 模塊的Topo to Raster 工具，基于ANUDEM 算法生成水文關(guān)系正確的數(shù)字高程模型(Hydrologically Correct DEM，Hc-DEM)。Hc-DEM 消除了低洼等局部干擾地形，能形成通暢水文路徑，可為后期分析奠定基礎(chǔ)。
2.2 流域地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐?/h3>
2.2.1 溝谷線(xiàn)、山脊線(xiàn)及分水線(xiàn)提取 溝谷線(xiàn)、山脊線(xiàn)及分水線(xiàn)不僅是流域地形地貌的分界線(xiàn)，也是流域水文循環(huán)過(guò)程中的特征線(xiàn)。在ArcGIS9.2 中，提取溝谷線(xiàn)、山脊線(xiàn)及分水線(xiàn)均以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在Hydrology 模塊中完成。
1)溝谷線(xiàn)提取。利用Hydrology 模塊的Flow Direction 工具和Flow Accumulation 工具，以Hc-DEM 為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，先后獲得網(wǎng)格單元的匯流方向和累積匯流量;再利用Raster Calculator 工具，輸入不同累積匯流閾值選擇生成不同級(jí)別的溝谷線(xiàn)。輸入的累積匯流閾值越小，獲得的溝谷密度越大，長(zhǎng)度越長(zhǎng)。流域內(nèi)的溝谷系統(tǒng)是線(xiàn)狀水流作用形成的不同等級(jí)和規(guī)模的溝谷總稱(chēng)。根據(jù)其形狀、大小和發(fā)育階段等特征，通常分為細(xì)溝、淺溝、切溝、沖溝和坳溝等5 類(lèi)［6］，內(nèi)部相應(yīng)存在以細(xì)溝侵蝕、淺溝侵蝕、切溝侵蝕、沖溝侵蝕和河道侵蝕為主的侵蝕類(lèi)型。由于細(xì)溝、淺溝多存在于獨(dú)立坡面內(nèi)，且難由一般精度的數(shù)字高程模型中提取，切溝、沖溝多存在于溝緣線(xiàn)上下，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，不宜用于劃分響應(yīng)單元;因此，以溝道和河道為提取對(duì)象，通過(guò)將不同累積匯流閾值對(duì)應(yīng)的提取結(jié)果與高分辨率遙感影像(SPOT-5，2.5 m×2.5 m 分辨率，下同)進(jìn)行對(duì)比，最終將累積匯流閾值0.6 km2時(shí)提取的溝谷作為研究流域的輸沙主溝道和永久河道。
2)山脊線(xiàn)與分水線(xiàn)提取。山脊線(xiàn)與分水線(xiàn)的提取方法與溝谷線(xiàn)一致。由于是匯流起點(diǎn)，因此，累積匯流閾值為零的柵格所組成的線(xiàn)即山脊線(xiàn)與分水線(xiàn)。其中，分水線(xiàn)是流域最外圍的連續(xù)閉合山脊線(xiàn)。2.2.2 溝緣線(xiàn)提取 黃土丘陵溝壑區(qū)從分水線(xiàn)到溝底，地貌形態(tài)存在明顯地帶分異，依次包括梁峁頂部、梁峁坡、溝坡和溝底。其中，梁峁頂部和梁峁坡構(gòu)成溝間地(梁坡)，溝坡和溝底構(gòu)成溝谷地(溝坡)，溝間地與溝谷地之間以溝緣線(xiàn)為界(圖2)。溝緣線(xiàn)上下的土壤、地形和植被存在差異，并由此導(dǎo)致土壤侵蝕等地表過(guò)程具有不同的特點(diǎn)。作為正負(fù)2大地形分區(qū)的界線(xiàn)，溝緣線(xiàn)是黃土丘陵溝壑區(qū)地表過(guò)程研究中十分重要的地貌特征線(xiàn)。
圖2 黃土丘陵溝壑區(qū)典型坡面橫剖面示意圖Fig.2 Structure feature of typical slope profile in loess hilly and gully region
溝緣線(xiàn)提取包括利用等高線(xiàn)或高分辨率航片、衛(wèi)片手工勾繪和基于數(shù)字化高程模型或遙感影像的編程提取。手工勾繪精度較高，但主觀性大、效率低，難以滿(mǎn)足大、中空間范圍的研究需要;因此，基于特定數(shù)據(jù)源的編程自動(dòng)提取應(yīng)用越來(lái)越廣。以Hc-DEM 為數(shù)據(jù)源，在ArcGIS9.2 中將其轉(zhuǎn)為txt 文本格式作為編程計(jì)算對(duì)象。編程思路為:根據(jù)柵格單元間的匯水路徑，逐個(gè)計(jì)算從分水線(xiàn)出發(fā)到河道的每條匯水路徑上單元的坡度變化率，將坡度變化率最大的單元作為溝緣線(xiàn)組成點(diǎn);在此基礎(chǔ)上，排除局部破碎點(diǎn)和獨(dú)立點(diǎn)，形成一條聯(lián)通、完整的溝緣線(xiàn);將結(jié)果與高分辨率遙感影像進(jìn)行比對(duì)，確定提取結(jié)果精度。具體步驟如下。
1)溝緣線(xiàn)上下的地形差異主要表現(xiàn)為坡度陡變，溝緣線(xiàn)位置通常對(duì)應(yīng)坡面坡度變化率最大的部位，因此，首先以3×3 的窗口為范圍，采用三次加權(quán)差分法計(jì)算中心單元坡度，再以同樣方法獲得其與周?chē)? 個(gè)單元的坡度變化率(單元格間位置編號(hào)見(jiàn)圖3)，以作為溝緣線(xiàn)提取依據(jù):
式中:S 為單元格坡度，(°)，S128為周邊8 個(gè)單元中某單元的坡度，其他同;fx為x 方向高程變化率;fy為y 方向高程變化率;Z 為高程，m，Z128為周邊8 個(gè)單元中某單元的高程，其他同;Sr0為單元格坡度變化率;g 為單元格大小，即柵格分辨率，m。
2)采用ArcGIS9.2 中Hydrology 模塊的Flow Direction 工具，輸入Hc-DEM，獲得各單元匯流方向;然后由分水線(xiàn)出發(fā)，按流向至河道結(jié)束的每條匯流路徑上選取坡度變化率最大的柵格，作為該路徑(坡面縱斷面)上的溝緣線(xiàn)位置點(diǎn);將該點(diǎn)上、下的單元格分別標(biāo)記為溝間地單元和溝谷地單元，并相應(yīng)賦值(1、2)。
圖3 DEM 3×3 局部移動(dòng)窗口Fig.3 3×3 moving part window of DEM
3)坡度變化率篩選和單元類(lèi)型標(biāo)記后可初步形成溝緣線(xiàn)，但因局部高地的存在，使個(gè)別位置存在單個(gè)或幾個(gè)孤立單元格構(gòu)成的孤島，影響流域溝緣線(xiàn)的聯(lián)通性。為此，對(duì)上述孤立點(diǎn)進(jìn)行排除處理，獲得完整、聯(lián)通的溝緣線(xiàn)以及由其劃分的流域溝間地和溝谷地分區(qū)。采用ArcGIS9.2 中Conversion 模塊的From Raster 工具，將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量線(xiàn)、面數(shù)據(jù)，并與高分辨率遙感影像比對(duì)，判斷提取結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，以上算法提取的溝緣線(xiàn)與實(shí)際地貌吻合較好，與遙感影像上清楚可辨的溝緣線(xiàn)相比，誤差不超過(guò)±10 m，即提取誤差在1 個(gè)單元格內(nèi)，誤差較小，結(jié)果可靠(見(jiàn)圖4)。
圖4 流域溝緣線(xiàn)提取結(jié)果Fig.4 Extraction of shoulder line of gully
2.2.3 地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐?在ArcGIS9.2 中，利用Hydrology 模塊，將基于Hc-DEM 提取的流域山脊線(xiàn)和溝谷線(xiàn)按水流方向反向延長(zhǎng)與分水線(xiàn)相交;疊加編程提取的溝緣線(xiàn)，并將各地貌特征線(xiàn)進(jìn)行合并，形成地表過(guò)程響應(yīng)單元［7］(圖5)。
圖5 流域地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果Fig.5 Division of response units to earth surface processes
3 流域地表過(guò)程響應(yīng)單元地形特征提取
完成地表相應(yīng)單元?jiǎng)澐趾?，可按以下方法提取其地形特征?/p>
1)響應(yīng)單元平均坡度提取。在ArcGIS9.2 中，直接提取的坡度是單元格與周?chē)鷨卧耖g的最大坡降，屬局部坡度，不能作為響應(yīng)單元平均坡度。因此，采用3D Analysis Tool 的剖面線(xiàn)Interpolate Line功能，以Hc-DEM 為數(shù)據(jù)源，在響應(yīng)單元內(nèi)以分水線(xiàn)/山脊線(xiàn)為起點(diǎn)，溝緣線(xiàn)/溝谷線(xiàn)為終點(diǎn)，沿順坡方向創(chuàng)建帶有高程信息的直線(xiàn)，并利用Create Profile Graph 功能生成直線(xiàn)對(duì)應(yīng)的剖面圖;根據(jù)剖面圖中所包含的直線(xiàn)長(zhǎng)度和直線(xiàn)兩端的高程差計(jì)算坡面坡度［8］。根據(jù)規(guī)格，每個(gè)響應(yīng)單元?jiǎng)?chuàng)建5 至10 條直線(xiàn)，將平均值作為對(duì)應(yīng)響應(yīng)單元的平均坡度。
2)響應(yīng)單元整體坡向提取。采用3D Analysis Tool 的Suface Analysis 功能，提取坡向，并劃分為陰坡(337.5°～360°和0°～67.5°)、半陰坡(67.5°～112.5°和292.5°～337.5°)、陽(yáng)坡(157.5°～247.5°)和半陽(yáng)坡(112.5°～157.5°和247.5°～292.5°)4 個(gè)坡向類(lèi)別，分別記為1、2、3、4。將響應(yīng)單元內(nèi)多數(shù)柵格單元的坡向類(lèi)別作為其整體坡向，以消除局部地形影響。
3)響應(yīng)單元順坡長(zhǎng)度提取。在響應(yīng)單元內(nèi)，采用Measure 功能量算分水線(xiàn)/山脊線(xiàn)與溝緣線(xiàn)/溝谷線(xiàn)間沿垂直等高線(xiàn)方向的距離，除以所在響應(yīng)單元平均坡度的余弦，獲得順坡實(shí)際長(zhǎng)度。根據(jù)規(guī)格，每個(gè)響應(yīng)單元?jiǎng)?chuàng)建5 至10 條直線(xiàn)，將平均值作為對(duì)應(yīng)響應(yīng)單元的順坡長(zhǎng)度。
4)響應(yīng)單元面積與周長(zhǎng)提取。采用Conversion Tool 的To Coverage 功能將獲得的響應(yīng)單元圖層轉(zhuǎn)化為Coverage 格式，則可在屬性表中自動(dòng)增加各單元的周長(zhǎng)與面積。
4 結(jié)論與討論
與傳統(tǒng)規(guī)則單元?jiǎng)澐址ㄏ啾龋槍?duì)黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕的地形地貌分異特點(diǎn)，提出的在流域內(nèi)以溝谷線(xiàn)、山脊線(xiàn)、分水線(xiàn)和溝緣線(xiàn)相互交疊構(gòu)成的，具有相對(duì)均一坡向、坡度與坡位的地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐址椒?，在反映黃土丘陵溝壑區(qū)不同地形地貌分區(qū)侵蝕空間異質(zhì)性的基礎(chǔ)上，保留了相對(duì)完整的地形地貌斑塊，能更好地與針對(duì)坡面的原位試驗(yàn)觀測(cè)、基于地塊的水土保持措施配置相結(jié)合，在水土保持工程、林業(yè)生態(tài)工程和山地災(zāi)害防治等領(lǐng)域具有較廣闊的應(yīng)用前景。
針對(duì)所提出的響應(yīng)單元，在ArcGIS9.2 中，以Hc-DEM 為基礎(chǔ)，分別確定的溝谷線(xiàn)、山脊線(xiàn)、分水線(xiàn)和溝緣線(xiàn)的提取方法，以及平均坡度、整體坡向、面積與周長(zhǎng)等地形特征的測(cè)算技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)地表過(guò)程響應(yīng)單元的快速劃分及其地形特征高效提取，從而可克服不規(guī)則單元?jiǎng)澐滞ǔ２灰讓?shí)現(xiàn)的問(wèn)題。
土壤侵蝕是黃土丘陵溝壑區(qū)的典型地表過(guò)程，土壤侵蝕模擬與預(yù)報(bào)是該學(xué)科的主要技術(shù)難點(diǎn)和熱點(diǎn)?；诓灰?guī)則單元的模型構(gòu)建和模擬分析，能拓展土壤侵蝕預(yù)報(bào)、模擬的研究思路，有助于推動(dòng)該學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。
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秦偉，朱清科，左長(zhǎng)清，趙磊磊，鄺高明，王昭艷，張京鳳，單志杰
(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院泥沙研究所，100048;2.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083:北京)
地表過(guò)程(earth surface processes)，即地球表面大氣圈、生物圈與巖石圈之間因物質(zhì)與能量的交互作用而形成的一系列物理與化學(xué)過(guò)程，主要包括巖土物質(zhì)的侵蝕、搬運(yùn)和沉積，水熱養(yǎng)分的運(yùn)移、轉(zhuǎn)化和循環(huán)，以及土地利用演變及其環(huán)境效應(yīng)等。地表過(guò)程是地球表面固有的自然過(guò)程，由此引發(fā)地貌格局演變，水系發(fā)育變遷，并影響生態(tài)環(huán)境，同時(shí)，地表過(guò)程與人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)、相互影響。在全球氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)加劇的背景下，地表過(guò)程將更加深刻地影響人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展。全面揭示地表過(guò)程規(guī)律，有效地向避害趨利的方向調(diào)控，以促進(jìn)人與自然和諧相處，已為世界普遍關(guān)注，諸如土壤侵蝕、山地災(zāi)害、生態(tài)水文等典型地表過(guò)程也因此長(zhǎng)期成為學(xué)界研究焦點(diǎn)。由于地表過(guò)程的復(fù)雜性，通常需確立一定標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此將研究范圍劃分為一系列基本單元，先就基本單位完成模擬或分析，再經(jīng)累加或串聯(lián)實(shí)現(xiàn)整個(gè)研究范圍的模擬以及相關(guān)特征的揭示。這種化繁為簡(jiǎn)、化整為零的思路是解決地理學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)等眾多學(xué)科復(fù)雜問(wèn)題的重要途徑。其中，所劃分的基本單元，即為本文的地表過(guò)程響應(yīng)單元。地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐质欠窈侠怼@取是否高效很大程度上決定地表過(guò)程研究結(jié)果是否可靠、過(guò)程是否順利?，F(xiàn)有的劃分主要包括規(guī)則單元和不規(guī)則單元2 類(lèi)。規(guī)則單元是將研究區(qū)域按一定分辨率劃分為均勻的方格單元，即柵格單元。這種方法簡(jiǎn)單、快速、易實(shí)現(xiàn)，且在地理信息系統(tǒng)技術(shù)廣泛應(yīng)用的背景下，能更好地與遙感影像等多源數(shù)據(jù)結(jié)合分析。目前采用最多，但其僅考慮了地形等環(huán)境因素影響地表過(guò)程的空間差異性，忽略了一定空間范圍內(nèi)下墊面影響地表過(guò)程的相似性。不規(guī)則單元是根據(jù)地形地貌特點(diǎn)、水文運(yùn)移路徑或土地利用類(lèi)型等確定特征邊界將研究區(qū)域劃分為不規(guī)則的面狀班塊。這種方法在特定角度更真實(shí)反映了研究對(duì)象的固有屬性，更利于后期分析研究，但相比規(guī)則單元?jiǎng)澐郑鋵?shí)現(xiàn)難度更大，尤其針對(duì)較大空間尺度時(shí)，往往難以快捷地獲取預(yù)期結(jié)果。比較有代表性的不規(guī)則相應(yīng)單元包括水文響應(yīng)單元(Hydrological Response Unit，HRU)［1］、水文相似單元(Hydrological Similar Unit，HSU)［2］和分組相應(yīng)單元(Grouped Response Unit，GRU)［3］等。
黃土丘陵溝壑區(qū)是世界上地形最破碎復(fù)雜的地區(qū)之一，加之干旱與暴雨交疊的氣候條件，造成該區(qū)土壤侵蝕、滑坡坍塌、生態(tài)水文等為代表的地表過(guò)程具有顯著的特殊性和復(fù)雜性。針對(duì)該區(qū)特點(diǎn)，建立一種合理、高效的地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐址椒▽?duì)推動(dòng)地表過(guò)程研究具有重要的基礎(chǔ)意義。筆者以黃丘陵溝壑區(qū)典型流域?yàn)槔?，擬提出針對(duì)土壤侵蝕為代表的地表過(guò)程模擬研究的響應(yīng)單元?jiǎng)澐址椒捌湓贕IS 平臺(tái)中的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，以期為促進(jìn)該區(qū)地表過(guò)程研究提供有益參考。
1 研究區(qū)概況
四面窯溝流域位于陜北吳起縣鐵邊城鎮(zhèn)、北洛河上游南岸，E 107°45'47″～107°49'24″，N 36°54'08″～36°59'58″，屬北洛河水系，面積32.68 km2。流域內(nèi)海拔1 369 ～1 730 m，溝壑縱橫，屬典型黃土高原丘陵溝壑地貌類(lèi)型(圖1)。土壤主要為地帶性黑壚土剝蝕后廣泛發(fā)育在黃土母質(zhì)上的黃綿土，質(zhì)地為輕壤。多年平均降雨量478.3 mm，降雨年際變化大，季節(jié)分配不均，7—9 月降雨量占年均降雨量的62.4%，且多為暴雨。受耕作等人類(lèi)活動(dòng)影響，流域內(nèi)天然植被退化嚴(yán)重，現(xiàn)存植被主要為人工次生植被，以沙棘(Hippophae rhamnoides)、檸條(Caragana mocrophylla)等灌木，河北楊(Populus hopeiensis)、小葉楊(Populus simonii)、山杏(Prunus sibirica)、杜梨(Pyrus betulaefolia)等闊葉喬木以及紫花苜蓿(Medicago sativa)等人工牧草為主，林草覆蓋率約80%。
2 流域地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐?/h2>
圖1 研究流域區(qū)位圖Fig.1 Location of the study watershed
除氣候條件外，地表過(guò)程主要受下墊面影響。劃分響應(yīng)單元的核心在于針對(duì)下墊面影響地表過(guò)程的空間異質(zhì)性，分類(lèi)、合并地表過(guò)程差異顯著的下墊面，形成內(nèi)部地表過(guò)程特征相同或相似的下墊面單元。土地利用與地形地貌是下墊面的主要內(nèi)容。其中，土地利用分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)和劃分邊界比較明確，即按不同土地利用類(lèi)型及其相連的界線(xiàn)進(jìn)行劃分。地形地貌所包含的具體內(nèi)容更為豐富，不同地形地貌指標(biāo)均能不同程度影響地表過(guò)程，且以不同地形地貌指標(biāo)為依據(jù)的劃分邊界也不盡清晰;因此，響應(yīng)單元?jiǎng)澐值碾y點(diǎn)主要在于地形地貌特征解析及其邊界提取。就黃土丘陵溝壑區(qū)的土壤侵蝕而言，坡度、坡向、坡位是影響土壤侵蝕的主要地形地貌特征。坡面作為組成該區(qū)地貌結(jié)構(gòu)的基本組份，其內(nèi)部的坡度和坡向雖存在空間分異，但并不顯著，獨(dú)立坡面在整體上具有基本一致的坡向和坡度。坡位對(duì)土壤侵蝕的影響集中表現(xiàn)在梁坡和溝坡間土壤侵蝕強(qiáng)度和機(jī)制的差異，即梁坡以薄層徑流的剝蝕為主，侵蝕強(qiáng)度較低;溝坡以含沙股流的沖蝕為主，侵蝕強(qiáng)度較高。因此，以小流域?yàn)閷?duì)象，參照水文研究中所提及的水文響應(yīng)單元［1］，將土壤侵蝕響應(yīng)單元定義為由流域溝谷線(xiàn)、山脊線(xiàn)、分水線(xiàn)及溝緣線(xiàn)交疊構(gòu)成的具有相對(duì)均一坡向、坡度與坡位的獨(dú)立坡面，并在Arc-GIS9.2 中，以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)響應(yīng)單元?jiǎng)澐旨捌涞匦翁卣魈崛 ?/p>
2.1 流域Hc-DEM 的建立
數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)作為真實(shí)地貌的離散數(shù)字表達(dá)，是水文、土壤、地貌、生態(tài)等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分為規(guī)則格網(wǎng)(如grid、raster 等)和不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network，TIN)［4］。通常多基于數(shù)字化等高線(xiàn)生成不規(guī)則三角網(wǎng)模型，然后再轉(zhuǎn)化為規(guī)則格網(wǎng)模型;然而，因內(nèi)插計(jì)算誤差或少數(shù)真實(shí)地形影響，由此獲得的DEM 表面將存在局部凹陷洼地，阻斷匯水路徑從而影響后期的地表過(guò)程分析［5］。為此，采用陜西省1∶1萬(wàn)紙質(zhì)地形圖，掃描后在R2V 軟件中完成數(shù)字化，進(jìn)行平滑、賦值等編輯處理，形成矢量等高線(xiàn);然后在ArcGIS9.2 中，利用Spatial Analysis 模塊的Topo to Raster 工具，基于ANUDEM 算法生成水文關(guān)系正確的數(shù)字高程模型(Hydrologically Correct DEM，Hc-DEM)。Hc-DEM 消除了低洼等局部干擾地形，能形成通暢水文路徑，可為后期分析奠定基礎(chǔ)。
2.2 流域地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐?/h3>
2.2.1 溝谷線(xiàn)、山脊線(xiàn)及分水線(xiàn)提取 溝谷線(xiàn)、山脊線(xiàn)及分水線(xiàn)不僅是流域地形地貌的分界線(xiàn)，也是流域水文循環(huán)過(guò)程中的特征線(xiàn)。在ArcGIS9.2 中，提取溝谷線(xiàn)、山脊線(xiàn)及分水線(xiàn)均以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在Hydrology 模塊中完成。
1)溝谷線(xiàn)提取。利用Hydrology 模塊的Flow Direction 工具和Flow Accumulation 工具，以Hc-DEM 為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，先后獲得網(wǎng)格單元的匯流方向和累積匯流量;再利用Raster Calculator 工具，輸入不同累積匯流閾值選擇生成不同級(jí)別的溝谷線(xiàn)。輸入的累積匯流閾值越小，獲得的溝谷密度越大，長(zhǎng)度越長(zhǎng)。流域內(nèi)的溝谷系統(tǒng)是線(xiàn)狀水流作用形成的不同等級(jí)和規(guī)模的溝谷總稱(chēng)。根據(jù)其形狀、大小和發(fā)育階段等特征，通常分為細(xì)溝、淺溝、切溝、沖溝和坳溝等5 類(lèi)［6］，內(nèi)部相應(yīng)存在以細(xì)溝侵蝕、淺溝侵蝕、切溝侵蝕、沖溝侵蝕和河道侵蝕為主的侵蝕類(lèi)型。由于細(xì)溝、淺溝多存在于獨(dú)立坡面內(nèi)，且難由一般精度的數(shù)字高程模型中提取，切溝、沖溝多存在于溝緣線(xiàn)上下，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，不宜用于劃分響應(yīng)單元;因此，以溝道和河道為提取對(duì)象，通過(guò)將不同累積匯流閾值對(duì)應(yīng)的提取結(jié)果與高分辨率遙感影像(SPOT-5，2.5 m×2.5 m 分辨率，下同)進(jìn)行對(duì)比，最終將累積匯流閾值0.6 km2時(shí)提取的溝谷作為研究流域的輸沙主溝道和永久河道。
2)山脊線(xiàn)與分水線(xiàn)提取。山脊線(xiàn)與分水線(xiàn)的提取方法與溝谷線(xiàn)一致。由于是匯流起點(diǎn)，因此，累積匯流閾值為零的柵格所組成的線(xiàn)即山脊線(xiàn)與分水線(xiàn)。其中，分水線(xiàn)是流域最外圍的連續(xù)閉合山脊線(xiàn)。2.2.2 溝緣線(xiàn)提取 黃土丘陵溝壑區(qū)從分水線(xiàn)到溝底，地貌形態(tài)存在明顯地帶分異，依次包括梁峁頂部、梁峁坡、溝坡和溝底。其中，梁峁頂部和梁峁坡構(gòu)成溝間地(梁坡)，溝坡和溝底構(gòu)成溝谷地(溝坡)，溝間地與溝谷地之間以溝緣線(xiàn)為界(圖2)。溝緣線(xiàn)上下的土壤、地形和植被存在差異，并由此導(dǎo)致土壤侵蝕等地表過(guò)程具有不同的特點(diǎn)。作為正負(fù)2大地形分區(qū)的界線(xiàn)，溝緣線(xiàn)是黃土丘陵溝壑區(qū)地表過(guò)程研究中十分重要的地貌特征線(xiàn)。
圖2 黃土丘陵溝壑區(qū)典型坡面橫剖面示意圖Fig.2 Structure feature of typical slope profile in loess hilly and gully region
溝緣線(xiàn)提取包括利用等高線(xiàn)或高分辨率航片、衛(wèi)片手工勾繪和基于數(shù)字化高程模型或遙感影像的編程提取。手工勾繪精度較高，但主觀性大、效率低，難以滿(mǎn)足大、中空間范圍的研究需要;因此，基于特定數(shù)據(jù)源的編程自動(dòng)提取應(yīng)用越來(lái)越廣。以Hc-DEM 為數(shù)據(jù)源，在ArcGIS9.2 中將其轉(zhuǎn)為txt 文本格式作為編程計(jì)算對(duì)象。編程思路為:根據(jù)柵格單元間的匯水路徑，逐個(gè)計(jì)算從分水線(xiàn)出發(fā)到河道的每條匯水路徑上單元的坡度變化率，將坡度變化率最大的單元作為溝緣線(xiàn)組成點(diǎn);在此基礎(chǔ)上，排除局部破碎點(diǎn)和獨(dú)立點(diǎn)，形成一條聯(lián)通、完整的溝緣線(xiàn);將結(jié)果與高分辨率遙感影像進(jìn)行比對(duì)，確定提取結(jié)果精度。具體步驟如下。
1)溝緣線(xiàn)上下的地形差異主要表現(xiàn)為坡度陡變，溝緣線(xiàn)位置通常對(duì)應(yīng)坡面坡度變化率最大的部位，因此，首先以3×3 的窗口為范圍，采用三次加權(quán)差分法計(jì)算中心單元坡度，再以同樣方法獲得其與周?chē)? 個(gè)單元的坡度變化率(單元格間位置編號(hào)見(jiàn)圖3)，以作為溝緣線(xiàn)提取依據(jù):
式中:S 為單元格坡度，(°)，S128為周邊8 個(gè)單元中某單元的坡度，其他同;fx為x 方向高程變化率;fy為y 方向高程變化率;Z 為高程，m，Z128為周邊8 個(gè)單元中某單元的高程，其他同;Sr0為單元格坡度變化率;g 為單元格大小，即柵格分辨率，m。
2)采用ArcGIS9.2 中Hydrology 模塊的Flow Direction 工具，輸入Hc-DEM，獲得各單元匯流方向;然后由分水線(xiàn)出發(fā)，按流向至河道結(jié)束的每條匯流路徑上選取坡度變化率最大的柵格，作為該路徑(坡面縱斷面)上的溝緣線(xiàn)位置點(diǎn);將該點(diǎn)上、下的單元格分別標(biāo)記為溝間地單元和溝谷地單元，并相應(yīng)賦值(1、2)。
圖3 DEM 3×3 局部移動(dòng)窗口Fig.3 3×3 moving part window of DEM
3)坡度變化率篩選和單元類(lèi)型標(biāo)記后可初步形成溝緣線(xiàn)，但因局部高地的存在，使個(gè)別位置存在單個(gè)或幾個(gè)孤立單元格構(gòu)成的孤島，影響流域溝緣線(xiàn)的聯(lián)通性。為此，對(duì)上述孤立點(diǎn)進(jìn)行排除處理，獲得完整、聯(lián)通的溝緣線(xiàn)以及由其劃分的流域溝間地和溝谷地分區(qū)。采用ArcGIS9.2 中Conversion 模塊的From Raster 工具，將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量線(xiàn)、面數(shù)據(jù)，并與高分辨率遙感影像比對(duì)，判斷提取結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，以上算法提取的溝緣線(xiàn)與實(shí)際地貌吻合較好，與遙感影像上清楚可辨的溝緣線(xiàn)相比，誤差不超過(guò)±10 m，即提取誤差在1 個(gè)單元格內(nèi)，誤差較小，結(jié)果可靠(見(jiàn)圖4)。
圖4 流域溝緣線(xiàn)提取結(jié)果Fig.4 Extraction of shoulder line of gully
2.2.3 地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐?在ArcGIS9.2 中，利用Hydrology 模塊，將基于Hc-DEM 提取的流域山脊線(xiàn)和溝谷線(xiàn)按水流方向反向延長(zhǎng)與分水線(xiàn)相交;疊加編程提取的溝緣線(xiàn)，并將各地貌特征線(xiàn)進(jìn)行合并，形成地表過(guò)程響應(yīng)單元［7］(圖5)。
圖5 流域地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果Fig.5 Division of response units to earth surface processes
3 流域地表過(guò)程響應(yīng)單元地形特征提取
完成地表相應(yīng)單元?jiǎng)澐趾?，可按以下方法提取其地形特征?/p>
1)響應(yīng)單元平均坡度提取。在ArcGIS9.2 中，直接提取的坡度是單元格與周?chē)鷨卧耖g的最大坡降，屬局部坡度，不能作為響應(yīng)單元平均坡度。因此，采用3D Analysis Tool 的剖面線(xiàn)Interpolate Line功能，以Hc-DEM 為數(shù)據(jù)源，在響應(yīng)單元內(nèi)以分水線(xiàn)/山脊線(xiàn)為起點(diǎn)，溝緣線(xiàn)/溝谷線(xiàn)為終點(diǎn)，沿順坡方向創(chuàng)建帶有高程信息的直線(xiàn)，并利用Create Profile Graph 功能生成直線(xiàn)對(duì)應(yīng)的剖面圖;根據(jù)剖面圖中所包含的直線(xiàn)長(zhǎng)度和直線(xiàn)兩端的高程差計(jì)算坡面坡度［8］。根據(jù)規(guī)格，每個(gè)響應(yīng)單元?jiǎng)?chuàng)建5 至10 條直線(xiàn)，將平均值作為對(duì)應(yīng)響應(yīng)單元的平均坡度。
2)響應(yīng)單元整體坡向提取。采用3D Analysis Tool 的Suface Analysis 功能，提取坡向，并劃分為陰坡(337.5°～360°和0°～67.5°)、半陰坡(67.5°～112.5°和292.5°～337.5°)、陽(yáng)坡(157.5°～247.5°)和半陽(yáng)坡(112.5°～157.5°和247.5°～292.5°)4 個(gè)坡向類(lèi)別，分別記為1、2、3、4。將響應(yīng)單元內(nèi)多數(shù)柵格單元的坡向類(lèi)別作為其整體坡向，以消除局部地形影響。
3)響應(yīng)單元順坡長(zhǎng)度提取。在響應(yīng)單元內(nèi)，采用Measure 功能量算分水線(xiàn)/山脊線(xiàn)與溝緣線(xiàn)/溝谷線(xiàn)間沿垂直等高線(xiàn)方向的距離，除以所在響應(yīng)單元平均坡度的余弦，獲得順坡實(shí)際長(zhǎng)度。根據(jù)規(guī)格，每個(gè)響應(yīng)單元?jiǎng)?chuàng)建5 至10 條直線(xiàn)，將平均值作為對(duì)應(yīng)響應(yīng)單元的順坡長(zhǎng)度。
4)響應(yīng)單元面積與周長(zhǎng)提取。采用Conversion Tool 的To Coverage 功能將獲得的響應(yīng)單元圖層轉(zhuǎn)化為Coverage 格式，則可在屬性表中自動(dòng)增加各單元的周長(zhǎng)與面積。
4 結(jié)論與討論
與傳統(tǒng)規(guī)則單元?jiǎng)澐址ㄏ啾龋槍?duì)黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕的地形地貌分異特點(diǎn)，提出的在流域內(nèi)以溝谷線(xiàn)、山脊線(xiàn)、分水線(xiàn)和溝緣線(xiàn)相互交疊構(gòu)成的，具有相對(duì)均一坡向、坡度與坡位的地表過(guò)程響應(yīng)單元?jiǎng)澐址椒?，在反映黃土丘陵溝壑區(qū)不同地形地貌分區(qū)侵蝕空間異質(zhì)性的基礎(chǔ)上，保留了相對(duì)完整的地形地貌斑塊，能更好地與針對(duì)坡面的原位試驗(yàn)觀測(cè)、基于地塊的水土保持措施配置相結(jié)合，在水土保持工程、林業(yè)生態(tài)工程和山地災(zāi)害防治等領(lǐng)域具有較廣闊的應(yīng)用前景。
針對(duì)所提出的響應(yīng)單元，在ArcGIS9.2 中，以Hc-DEM 為基礎(chǔ)，分別確定的溝谷線(xiàn)、山脊線(xiàn)、分水線(xiàn)和溝緣線(xiàn)的提取方法，以及平均坡度、整體坡向、面積與周長(zhǎng)等地形特征的測(cè)算技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)地表過(guò)程響應(yīng)單元的快速劃分及其地形特征高效提取，從而可克服不規(guī)則單元?jiǎng)澐滞ǔ２灰讓?shí)現(xiàn)的問(wèn)題。
土壤侵蝕是黃土丘陵溝壑區(qū)的典型地表過(guò)程，土壤侵蝕模擬與預(yù)報(bào)是該學(xué)科的主要技術(shù)難點(diǎn)和熱點(diǎn)?；诓灰?guī)則單元的模型構(gòu)建和模擬分析，能拓展土壤侵蝕預(yù)報(bào)、模擬的研究思路，有助于推動(dòng)該學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。
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