摘要：以黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)的彭陽(yáng)縣為研究區(qū)，以1∶50 000比例尺的數(shù)字高程模型（DEM）、2014年資源三號(hào)高清遙感影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用GIS空間分析方法提取正負(fù)地形、剖面曲率、坡度和地勢(shì)起伏度、地貌類(lèi)型，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況自動(dòng)提取劃分梁峁頂、梁峁坡、溝坡、溝底和溝谷塬區(qū)5類(lèi)地貌部位。結(jié)合資源三號(hào)高分影像等數(shù)據(jù)對(duì)自動(dòng)提取的地貌類(lèi)型進(jìn)行修正，將自動(dòng)提取的地貌部位進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證，分析研究區(qū)地貌部位及景觀格局與生態(tài)恢復(fù)措施之間的關(guān)系。結(jié)果表明，運(yùn)用DEM地形分析方法可以自動(dòng)提取彭陽(yáng)縣的梁峁頂、梁峁坡、溝坡、溝底、溝谷塬區(qū)等地貌部位；彭陽(yáng)縣5類(lèi)地貌部位的面積大小為梁峁頂>梁峁坡>溝坡>溝底>溝谷塬區(qū)，地貌類(lèi)型面積以梁峁頂和梁峁坡為主；不同地貌部位生態(tài)恢復(fù)措施景觀配置不同，依據(jù)自動(dòng)提取的研究區(qū)地貌數(shù)據(jù)，繼續(xù)遵循因地制宜、因害設(shè)防的原則，合理布設(shè)生態(tài)恢復(fù)措施。

關(guān)鍵詞：DEM；數(shù)字地形分析；黃土丘陵溝壑區(qū)；彭陽(yáng)縣；地貌部位

中圖分類(lèi)號(hào)：TP75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）17-4427-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.018

Abstract： Taking the second deputy of hilly-gully region landscape in Pengyang county as the study area，taking the 1∶50 000 scale digital elevation model（DEM） data， the remote sensing image data of resources satellite three in 2014 as a data source，the topography positions unit as Liang Maoding， Liang Maopo，gully，ditch sole and valley plateau area were extracted using the GIS spatial analysis methods containing clustering，polymerization，information combination and DEM data mining methods. The relationship between the sampling point topography positions and the topography positions were analysed automatically combineding the different landform parts with the actual ecological restoration measures. The results showed that Liang Maoding，Liang Mao，Gully，Ditch sole and Valley plateau were automatically extracted by DEM terrain analysis method.The size of five kinds topography positions were Liang Maoding>Liang Maopo>Gully>Ditch sole>Valley plateau area. The topography positions showed that Liang Maoding and Liang Maopo are the main in Pengyang county. Different landforms landscape configuration needs different ecological restoration measures. Sequentially following the principles of suiting measures to local conditions and setting up defences due to hazard，on the basis of automatic extraction of terrain data in the study area，design ecological restoration measures rationally.

Key words： DEM； digital terrain analysis； Loess Hilly-gully Region Landscape； Pengyang county； topography positions.

地貌是地域分異的主要指標(biāo)和主導(dǎo)因子，在很大程度上控制著其他生態(tài)、環(huán)境因子的分布與變化[1]，且地貌的形態(tài)特征、海拔、坡度、坡向等影響著土地利用方式、結(jié)構(gòu)、布局和改造措施，在不同地貌部位中實(shí)施不同的生態(tài)恢復(fù)措施不僅改善了土壤的物理特性，而且改善了區(qū)域生態(tài)景觀空間分布格局[2]。準(zhǔn)確高效地劃分地貌部位是生態(tài)恢復(fù)措施合理配置的關(guān)鍵，運(yùn)用規(guī)則格網(wǎng)數(shù)字高程模型（DEM）自動(dòng)提取地貌類(lèi)型具有客觀性和科學(xué)性[3]。隨著GIS的發(fā)展，DEM被廣泛地應(yīng)用到地形特征提取、水文分析等眾多數(shù)字地形分析領(lǐng)域[4]，如劉愛(ài)利等[5]運(yùn)用1∶1 000 000的數(shù)字高程模型，通過(guò)主成分分析，非監(jiān)督分類(lèi)法與最大似然監(jiān)督分類(lèi)法相結(jié)合對(duì)中國(guó)地貌的基本形態(tài)進(jìn)行自動(dòng)提??；熊禮陽(yáng)等[6]以地質(zhì)圖、DEM、遙感影像及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，運(yùn)用GIS空間分析方法，分析現(xiàn)今地形與古地形的空間關(guān)系表明，兩種地形的高程、比降、凸凹度呈現(xiàn)明顯的線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系；李新艷等[7]基于Hc-DEM提取地形因子，研究南方紅壤區(qū)水土流失表明，南方紅壤區(qū)水土流失非常嚴(yán)重，地形屬性和坡度坡長(zhǎng)因子對(duì)土壤侵蝕影響明顯；李炳元等[8]通過(guò)對(duì)已有的基本地貌分類(lèi)及其劃分指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)分析和評(píng)估，提出了地貌海拔高度分級(jí)指標(biāo)；程維明等[9]基于形態(tài)、成因、物質(zhì)和年齡等地貌要素，構(gòu)建了中國(guó)多個(gè)國(guó)家基本比例尺數(shù)字地貌等級(jí)分類(lèi)方法。以上的研究顯示，基于DEM的地形因子提取是數(shù)字地形分析的核心內(nèi)容與研究熱點(diǎn)，已成為傳統(tǒng)地理學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)相結(jié)合的新的增長(zhǎng)點(diǎn)[10]，結(jié)合計(jì)算機(jī)基于規(guī)則統(tǒng)計(jì)單元的方法自動(dòng)提取地貌類(lèi)型的結(jié)果與區(qū)域生態(tài)恢復(fù)措施分析，可以為流域治理、水保措施合理布設(shè)等提供依據(jù)。

彭陽(yáng)縣位于黃土丘陵溝壑區(qū)第二副區(qū)，建縣之初，全縣92%的土地水土流失，土地資源嚴(yán)重退化，隨著水土保持立縣方針的制定，全縣進(jìn)行水土流失綜合治理規(guī)劃，隨著坡改梯、退耕還林還草和水資源開(kāi)發(fā)補(bǔ)給三大工程建設(shè)的進(jìn)展，縣域生態(tài)環(huán)境逐漸好轉(zhuǎn)。1999年彭陽(yáng)縣被評(píng)為“全國(guó)水土保持生態(tài)建設(shè)示范縣”，2000年被評(píng)為全國(guó)退耕還林還草示范縣，是黃土丘陵溝壑區(qū)生態(tài)恢復(fù)的典型縣。本研究以彭陽(yáng)縣為研究區(qū)，運(yùn)用DEM地形分析方法自動(dòng)提取地貌部位，并結(jié)合資源三號(hào)高分影像等數(shù)據(jù)對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行修正、實(shí)地驗(yàn)證，分析實(shí)地調(diào)研的生態(tài)恢復(fù)措施與地貌部位的關(guān)系，為生態(tài)恢復(fù)措施合理布設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

彭陽(yáng)縣位于寧夏回族自治區(qū)東南部邊緣，六盤(pán)山東麓，介于東經(jīng)106°32′～106°58′，北緯35°41′～36°17′之間，土地總面積2 533.49 km2。彭陽(yáng)縣地處黃土高原中部丘陵溝壑區(qū)，黃土堆積厚度大，土質(zhì)梳松，剝蝕嚴(yán)重，年均土壤侵蝕模數(shù)6 010 t/km2，年流失土壤總量約1 300萬(wàn)t，境內(nèi)山多川少，溝壑縱橫，土地貧瘠，植被稀疏，屬于全國(guó)重點(diǎn)水土流失區(qū)[11]。黃土丘陵是本縣的主要地貌類(lèi)型，海拔在1 248～2 418 m，地質(zhì)環(huán)境條件脆弱，滑坡與峁塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，區(qū)內(nèi)主要有長(zhǎng)城塬、劉塬、孟塬、何塬、夏塬等。研究區(qū)位置如圖1所示[12]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

以彭陽(yáng)縣25 m×25 m分辨率DEM和2014年資源三號(hào)高分遙感影像為主要數(shù)據(jù)源。DEM數(shù)據(jù)是按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程而生成的1∶50 000 （25 m×25 m分辨率）DEM數(shù)據(jù)[13]，資源三號(hào)高清遙感影像經(jīng)過(guò)幾何校正和輻射校正，3.2 m分辨率，墨卡托投影坐標(biāo)系，1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系，1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)。

其他數(shù)據(jù)包括2014年遙感影像判讀的土地利用數(shù)據(jù)、水土保持項(xiàng)目區(qū)資料等。

2.2 研究方法

基于地理相關(guān)分析法、野外調(diào)查法以及GIS軟件的空間分析[14]，運(yùn)用1∶50 000地形圖矢量化等高線(xiàn)生成DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS10.0環(huán)境下應(yīng)用空間分析、地形分析、疊加分析和統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)空間濾波的原理提取正負(fù)地形、剖面曲率、坡度和地勢(shì)起伏度等部分地形因子，運(yùn)用聚類(lèi)、聚合、信息復(fù)合及窗口分析等[15]DEM數(shù)據(jù)挖掘和GIS空間分析方法提取地貌部位單元，最后運(yùn)用遙感圖像解譯方法對(duì)提取的地貌部位邊界進(jìn)行修正，將地貌部位劃分為梁峁頂、梁峁坡、溝坡、溝底和溝谷塬區(qū)5類(lèi)，將所得結(jié)果實(shí)地驗(yàn)證并與生態(tài)恢復(fù)措施進(jìn)行分析，驗(yàn)證彭陽(yáng)縣基于1∶50 000 DEM自動(dòng)提取地貌類(lèi)型的準(zhǔn)確性，并分析研究區(qū)景觀格局與生態(tài)恢復(fù)措施及地貌部位間的關(guān)系。

2.3 技術(shù)流程

技術(shù)流程如圖2所示。

3 地貌部位提取分析

3.1 提取正負(fù)地形

正地形指高程相對(duì)凸起的區(qū)域，在黃土坡面溝沿線(xiàn)以上，主要包含塬面、梁頂、峁頂、梁峁坡面為主的溝間地區(qū)域，在丘陵溝壑地區(qū)坡度約在25 °以下；負(fù)地形指高程相對(duì)凹陷的區(qū)域，在黃土坡面溝沿線(xiàn)以下，主要以溝坡、溝底為主的侵蝕溝谷區(qū)域，在丘陵溝壑地區(qū)坡度約在25 °以上[16]。正、負(fù)地形的提取實(shí)質(zhì)上是溝間地與溝谷地的提取過(guò)程，在ArcMap中，首先對(duì)DEM數(shù)據(jù)應(yīng)用3×3的矩形窗口做窗口分析，通過(guò)柵格計(jì)算DEM值與DEM平均值的差值，把差值大于零的值記為正地形，差值小于零的值記為負(fù)地形，即得到正負(fù)地形圖層，提取結(jié)果如圖3所示。

3.2 剖面曲率提取分析

剖面曲率是度量地面坡度在最大坡降方向地面高程變化率情況的微觀地形因子，可以反映地表曲面在垂直方向的彎曲、變化程度[17]。在ArcMap中以坡度為數(shù)據(jù)源，通過(guò)柵格分析的表面分析求取坡度的二階導(dǎo)數(shù)，即得到剖面曲率圖層，提取結(jié)果如圖4所示。

3.3 坡度提取分析

根據(jù)研究區(qū)地貌形態(tài)分類(lèi)系統(tǒng)[18]，坡度是提取地貌基本形態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，參照黃土高原耕地土壤侵蝕規(guī)律，將流域坡度分為5級(jí)，即得到坡度分級(jí)圖層，提取結(jié)果如圖5所示。

3.4 地勢(shì)起伏度的提取分析

地勢(shì)起伏度是指特定區(qū)域內(nèi)，最高點(diǎn)海拔高度與最低點(diǎn)海拔高度的差值[19]，也是提取地貌類(lèi)型的重要指標(biāo)，在宏觀區(qū)域內(nèi)反映地面的起伏特征。而地勢(shì)起伏度的提取關(guān)鍵在于最佳窗口的選擇，在何文秀等[12]報(bào)道中已經(jīng)得出彭陽(yáng)縣1∶50 000 DEM在地勢(shì)起伏度的提取中最佳窗口為12×12，應(yīng)用12×12的矩形窗口做窗口分析，通過(guò)柵格計(jì)算最大高程值與最小高程值的差值，即為地勢(shì)起伏度圖層，提取結(jié)果如圖6所示。

3.5 地貌部位的提取

運(yùn)用聚類(lèi)、聚合、信息復(fù)合及窗口分析等DEM數(shù)據(jù)挖掘和GIS空間分析方法來(lái)提取地貌部位單元[14]。①將柵格計(jì)算得出的正負(fù)地形圖層與剖面曲率圖層疊加，正地形且剖面曲率大于等于零的為溝間地，其他的則為溝谷地；②對(duì)坡度數(shù)據(jù)以5 °為公差進(jìn)行等差分級(jí)，然后與①中所得數(shù)據(jù)疊加，坡度小于5 °的溝間地為梁峁頂，坡度5 °～15 °的為梁峁坡，坡度大于等于25 °的溝間地和溝底地為溝坡地，其他的則為溝底地；③對(duì)提取的地勢(shì)起伏度數(shù)據(jù)層進(jìn)行分級(jí)調(diào)整，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況分為平地（小于30 m）、臺(tái)地（30～70 m）、丘陵（70～90 m）、小起伏山地（90～120 m）、中起伏山地（大于120 m）5類(lèi)，將起伏度數(shù)據(jù)圖層與②中所得的數(shù)據(jù)疊加，起伏度小于30 m的為溝底和溝谷塬區(qū)，起伏度大于120 m的為梁峁頂；④結(jié)合海拔和2014年土地利用現(xiàn)狀圖，將海拔低于1 520 m的區(qū)域劃分為溝底，按照土地利用現(xiàn)狀提取溝底和溝谷塬區(qū)，最終提取出研究區(qū)5種地貌類(lèi)型，即梁峁頂、梁峁坡、溝坡、溝底和溝谷塬區(qū)，如圖7所示。

3.6 地貌自動(dòng)提取的實(shí)地驗(yàn)證

2014年7月在研究區(qū)彭陽(yáng)縣進(jìn)行地貌自動(dòng)提取的實(shí)地驗(yàn)證，按不同流域不同海拔梯度GPS定位，獲取地貌類(lèi)型、經(jīng)緯度值和生態(tài)恢復(fù)措施信息，如表1所示。將樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行地理處理、投影變換等操作，得到采樣點(diǎn)的空間分布，如圖8所示。圖上的1、2、3、4分別代表實(shí)際采樣點(diǎn)所在的地貌部位，即梁峁頂、梁峁坡、溝坡和溝底，不同顏色代表由DEM自動(dòng)提取的地貌部位，顏色按淺灰、灰色、深灰和黑色分別代表梁峁頂、梁峁坡、溝底和溝坡。

表1數(shù)據(jù)顯示，梁峁頂?shù)纳鷳B(tài)恢復(fù)措施主要有退耕還林（草）、魚(yú)鱗坑、“88542”；梁峁坡的生態(tài)恢復(fù)措施主要有荒山自然封育、經(jīng)果林、魚(yú)鱗坑；溝坡的生態(tài)恢復(fù)措施主要有退耕還林（草）、自然封育、魚(yú)鱗坑、“88542”；溝底的生態(tài)恢復(fù)措施主要有溝底防沖林、水平梯田、淤地壩，生態(tài)恢復(fù)措施的規(guī)劃實(shí)施受地貌類(lèi)型影響。圖8所示，90%的實(shí)際采樣點(diǎn)位于自動(dòng)提取的地貌部位，實(shí)際采樣點(diǎn)的地貌類(lèi)型與DEM自動(dòng)提取的地貌部位基本一致，提取的結(jié)果可以推廣運(yùn)用到流域治理、水土保持措施規(guī)劃中。

4 結(jié)果與分析

4.1 地貌部位面積比例

自動(dòng)提取所得地貌部位梁峁頂、梁峁坡、溝坡、溝底和溝谷塬區(qū)的面積，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。表2數(shù)據(jù)顯示，提取的梁峁頂面積為69 495.51 hm2，占研究區(qū)總面積的27.43%；梁峁坡面積為69 111.99 hm2，占研究區(qū)總面積的27.28%；溝坡面積為51 464.62 hm2，占研究區(qū)總面積的20.31%；溝底面積為40 152.05 hm2，占研究區(qū)總面積的15.85%；溝谷塬區(qū)面積為23 124.83 hm2，面積比例為9.13%。從面積比來(lái)看，受海拔、坡度的影響，彭陽(yáng)縣地貌部位以梁峁頂和梁峁坡為主，且梁峁頂和梁峁坡的面積達(dá)到一半以上，地勢(shì)陡峭。海拔低，地勢(shì)較平坦的溝底和溝谷塬區(qū)面積較小。

4.2 不同地貌部位的分析

4.2.1 梁峁頂 梁峁頂?shù)貐^(qū)水蝕輕微，風(fēng)力強(qiáng)盛，年均風(fēng)蝕深2.16 cm，相當(dāng)于年風(fēng)蝕量35萬(wàn)t/km2[20]，再加上海拔高，土壤的重力侵蝕強(qiáng)，坡度小于3 °的區(qū)域地勢(shì)平坦，基本無(wú)水土流失，可以作為農(nóng)用旱地或牧草地，坡度大于3 °的區(qū)域有輕微的土壤侵蝕應(yīng)該以退耕還林（草）和封山育林等生態(tài)恢復(fù)措施為主，種植牧草以及檸條、山桃等灌木。

4.2.2 梁峁坡 梁峁坡地介于梁峁頂面和溝坡之間，土壤侵蝕強(qiáng)烈，其坡度范圍一般介于15 °～35 °之間，15 °～25 °強(qiáng)烈的線(xiàn)狀侵蝕導(dǎo)致基石外露，該區(qū)域適合發(fā)展梯田旱地或果園，也可發(fā)展水保林和長(zhǎng)期牧草地，坡度大于25 °的區(qū)域水土流失嚴(yán)重，需退耕，嚴(yán)禁開(kāi)墾。

4.2.3 溝坡地 溝坡地地面坡度一般大于35 °，坡度在35 °以上的區(qū)域容易發(fā)生滑坡、泥石流等，重力侵蝕極為嚴(yán)重，地面植被覆蓋低，應(yīng)該在較陡的坡地上修筑水平溝、魚(yú)鱗坑，發(fā)展以灌木為主的坡灌草植被，以退耕為主，采取封育造林等措施發(fā)展水保林。

4.2.4 溝底地 溝底地地面坡度一般小于6 °，坡度小于2 °的區(qū)域由于地面平坦無(wú)土壤侵蝕便于灌溉，坡度在2 °～6 °的區(qū)域，有輕微的土壤侵蝕，由于肥沃的土壤條件，較適宜種植蔬菜、發(fā)展灌溉水田等，也可發(fā)展農(nóng)田保護(hù)林。

4.2.5 溝谷塬區(qū) 溝谷塬區(qū)面積為23 124.83 hm2，占總面積的9.13%。溝谷塬區(qū)包括寬谷和塬區(qū)，坡度與地勢(shì)起伏度較小，較適宜農(nóng)業(yè)耕作。研究區(qū)的寬谷海拔低，地勢(shì)平坦、水分條件好，可以發(fā)展水田、蔬果地等；塬區(qū)的地勢(shì)平坦、海拔較高，適宜機(jī)耕，可發(fā)展旱田。

5 結(jié)論

5.1 地形因子直接影響地貌部位的提取

正負(fù)地形、剖面曲率、坡度，地勢(shì)起伏度直接作用于地貌類(lèi)型，這些地形因子提取的等級(jí)與最佳分析尺度的選取都將影響地貌類(lèi)型自動(dòng)提取的結(jié)果。

5.2 應(yīng)用地形分析可以快速提取地貌部位

運(yùn)用正負(fù)地形與剖面曲率能夠?qū)⒘横沟嘏c溝谷地提取出來(lái)，但進(jìn)一步細(xì)化地貌類(lèi)型，還需結(jié)合坡度、地勢(shì)起伏度等地形因子，基于數(shù)字地形自動(dòng)提取地貌類(lèi)型的方法能夠快速有效的獲取研究區(qū)地貌信息。自動(dòng)提取的地貌類(lèi)型結(jié)果與實(shí)際采樣點(diǎn)對(duì)比結(jié)果顯示；基于數(shù)字地形模型自動(dòng)提取的地貌部位與實(shí)際采樣點(diǎn)的地貌類(lèi)型基本一致，能夠反映研究區(qū)地貌類(lèi)型的特征，其結(jié)果為生態(tài)恢復(fù)、水土保持等提供數(shù)據(jù)支持。

5.3 彭陽(yáng)縣生態(tài)恢復(fù)措施配置受地貌部位影響

彭陽(yáng)縣自動(dòng)化分的5類(lèi)地貌部位面積大小依次為梁峁頂>梁峁坡>溝坡>溝底>溝谷塬區(qū)，地貌類(lèi)型面積以梁峁頂和梁峁坡為主，土壤侵蝕嚴(yán)重，地形破碎化程度較高。經(jīng)過(guò)多年的治理，彭陽(yáng)縣不同地貌部位呈現(xiàn)出規(guī)律的生態(tài)恢復(fù)景觀：平坡種植溝底防沖林、經(jīng)濟(jì)林、修建淤地壩等；在緩坡的居民地附近種植經(jīng)果林、蔬菜等，以及修建梯田和防護(hù)草帶；陡坡水土流失嚴(yán)重、植被裸露，可種植果樹(shù)及牧草；“封造結(jié)合、針闊混交”指急陡坡荒山造林和封山育林相結(jié)合增加林草的覆蓋，降低水土流失速度；陡峭坡水土流失劇烈必須封山育林。將來(lái)在生態(tài)恢復(fù)措施配置上可以依據(jù)自動(dòng)提取的研究區(qū)地貌數(shù)據(jù)，繼續(xù)遵循因地制宜、因害設(shè)防的原則，合理布設(shè)生態(tài)恢復(fù)措施，以期獲得更好的生態(tài)恢復(fù)效益。

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