基于GIS的坡面地形因子提取与分析

王娜娜　徐珍　陈伟华

摘 要：该文基于GIS软件和DEM数据，提取并分析一阶、二阶及复合坡面地形因子中的坡度、坡向、剖面曲率、地表粗糙度、高程变异系数5种地形因子。结果表明：榆中县坡度变幅为0°～70.7213°；坡向分析中阳坡占总面积的45.04%，阴坡占53.87%；剖面曲率在0～4.90379范围内变化；地表粗糙度的变幅为1～4.39377；地形高程变异系数在0～0.0912272范围内变化。通过对该区域坡面地形因子的提取，分析在这些地形因子的作用下该区域水土流失与土壤侵蚀的趋势，为榆中县进行水土保持定量研究提供科学依据。

关键词：地形因子；GIS；坡面；DEM

中图分类号 S157 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）12-0165-03

Absrtact：Based on the GIS and DEM data，five terrain factors，including slope，the slope direction，section curvature，surface roughness and coefficient of variation，are extracted and analyzed for the first order，two order and composite slope terrain factors. The results showed that the gradient of Yuzhong County was 0°～70.7213°，the sunny slope was 45.04% of the total area，the shade slope was 53.87%，the section curvature changed in 0～4.90379，the variation of surface roughness was 1～4.39377，the coefficient of variation varied within 0～0.0912272. Through the extraction of topographic factors in the area，the trend of water loss and soil erosion under the action of these terrain factors is analyzed，which provided scientific basis for the quantitative study of Yuzhong County soil and water conservation.

Key words：Terrain factors；GIS；Slope；DEM

地形分析是認知地形环境的重要方式，地形因子的提取对水土流失、土地利用及生态评价研究具有重要作用，不同研究尺度下研究的地形因子不一。坡面地形因子是从定量角度出发来表征地貌形态特征的指标，近几年的研究表明，基于GIS软件自动从数字高程模型中提取区域地形因子等参数信息准确简便[1]，因此区域地形地貌均可通过GIS软件提取地形因子，以分析与表征区域内地形地貌特征。

坡度与坡向是2个最为常用和重要的地形因子[2]。坡度影响土壤侵蚀与水土流失，坡度越大，水分的流失越多，土壤受侵蚀的可能性也越大，坡度较大区域土壤变得浅薄而贫瘠。坡向是决定地表接收阳光和重新分配太阳辐射量的重要地形因子之一，造成局部区域气候特征的差异[3]；剖面曲率对区域土壤的净侵蚀量或净累积量造成直接影响；地形起伏度、地表粗糙度等因子反映地表复杂变化程度。地形因子能表示地形表面的基本特征，但往往很难用一种地形因子来准确具体地表达地形特征[4]。为此，可将所有地形因子视为一个整体加以综合分析来反映地表的起伏变化。地形因子也可制约生态因子的空间分布从而影响区域内的生态环境。因此研究其在一定范围内的分布特征与分布规律等对区域内灾害防治与水土保持工作具有重要意义及应用价值。本文的研究目标在于揭示不同坡面地形因子作用下该区域地形的变化，分析该区域在基本地形因子影响下水土流失与土壤侵蚀趋势，为榆中县水土保持与生态环境保护工作提供科学指导。

1 研究区概况

选取地处东经103°49′15″～104°34′40″，北纬35°34′20″

～36°26′30″的榆中县作为研究区。该区位于黄土高原西部，隶属甘肃省兰州市，海拔1480～3670m，地质构造上属于祁吕贺兰山字型构造的西侧，地势南高北低，中部较凹，呈典型马鞍状。榆中县面积3301.64km2。其中，黄河流经兰州盆地后入榆中县境东流。年均气温6.7℃，降水量少，区域内差异大，主要在300～600mm，属于温带半干旱气候。该区域自然灾害频繁，水土流失现象较严重。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源与预处理 本文采用空间分辨率30m×30m的DEM为基础数据，于地理空间数据云网站获取。将得到的DEM数据在ArcGIS10.2中进行拼接，用1∶400万榆中县矢量边界去裁剪拼接后的DEM数据，获得榆中县的DEM数据。

2.2 研究方法

2.2.1 坡度 坡度是指坡面的倾斜与陡峭程度。利用榆中县DEM数据，在Arcgis10.2中打开Arc Toolbox，运用3D Analyst工具模块下的栅格表面中的坡度工具实现对该区域坡度这一参数的提取。

2.2.2 坡向 坡向是指斜坡的朝向，是另一个重要的地形因素[5]。分别是以北为0°，顺时针递增，东为90°，南为180°，西是270°的定量描述，以北、东北、东、东南、南、西南、西、西北和阴坡、阳坡的定性方法对其描述。坡向的提取同样是通过ArcGIS10.2中3DAnalyst工具下栅格表面中的坡向工具得出，输入的数据为坡度DEM数据。对求取的坡向进行分类并算出各个坡向占榆中县总面积的比例。

2.2.3 剖面曲率 剖面曲率是影响垂直方向坡形变化的主要因子，它对区域土壤的净侵蚀量或净累积量产生直接影响[6]。对剖面曲率的提取实际上是对DEM进行坡度的二次求取，即对坡度层再求坡度。在Arcgis中激活坡度数据，在ArcToolbox中利用[Derive Slope]命令工具生成剖面曲率。

2.2.4 地表粗糙度 地表粗糙度是指在一个特定的区域内，地表单元的曲面面積与水平面上的投影面积之比[7]。它反映了地表形态的起伏变化和侵蚀程度。在Arc Toolbox下选择空间分析工具，然后选择地图代数中的栅格计算器工具。在栅格地图计数器中输入公式R=1/Cos（[Slope of DEM]*π/180），选择输出位置，单击确定按钮，即可得到地表粗糙度的层面。

2.2.5 高程变异系数 高程变异系数是反映地表一定距离范围内，高程相对变化的指标[8]，是高程标准差与平均值比值的结果。计算公式为cv=s/`x（其中，cv：高程变异系数，s：高程标准差，`x：平均值）。

3 结果与分析

3.1 一阶坡面因子分析

3.1.1 坡度 坡度可反映区域地面的起伏程度，榆中县坡度变幅为0°～70.7213°，依据《土壤侵蚀分类分级标准》中对地面坡度分级标准，将坡度分为6个等级（0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°）[9]。对榆中县每个级别的坡度进行统计，求每个级别的坡度占总范围百分比，可得8°～15°占比最大，>35°占比最小。表明该区域内随着坡度的不断增大，所占范围呈先减小后增大再减小的态势，平坡、缓坡、斜坡、陡坡均有分布，以缓坡为主（图1）。

3.1.2 坡向 坡向反映斜坡所面对的方向，即坡面的朝向，根据坡面法线在水平面上投影的方向的不同，将坡向分为平地、北、东北、东、东南、南、西南、西、西北9个方向[10]。统计出每个级别的坡向面积所占榆中县总面积的比例。其中阳坡占总面积的45.04%，阴坡占榆中县总面积的53.87%。阳坡接受太阳辐射能多，温度条件较好，但水分状况比阴坡差，因此植被覆盖度低于阴坡。阴坡土壤水分蒸发较慢，水土保持功能较好，易形成森林，如研究区内兴隆山阴坡、半阴坡生长着茂密的山地暗针叶林。

3.2 二阶坡面因子分析 剖面曲率能较为准确刻画局部地形曲面特征，在坡度坡向因子作用下，剖面曲率将影响区域水流速度，进而将影响到土壤侵蚀和沉积。剖面曲率越大，地形起伏程度越大，地形变化越大，水土流失越容易发生。在剖面曲率输出中，该区域无值为负，所求得该像元的表面开口朝上凹入。41.25%的区域在曲率值在0～0.46，地形起伏变化较小，水土流失较轻；11.99%的区域介于1.50～4.90，表明该片区域地形起伏变化较复杂（表1）。

3.3 复合坡面因子分析

3.3.1 地表粗糙度 地表粗糙度可反映出地表的起伏变化和侵蚀程度，榆中县地表粗糙度的变幅为1～4.39377。县域北、东边以及西南部分区域，地表粗糙度值较大。在GIS中通过自然间隔点分级法，得出榆中县地表粗糙度处于1～1.023之间占49.10%，1.023～1.079之间占33.14%，1.079～1.146之间占11.95%，1.146～1.32之间占5.49%，>1.32占0.33%。统计结果表明，榆中县地表粗糙度随着值的上升，所占范围不断减小（图2）。

3.3.2 高程变异系数 地形高程变异系数可表示地面高程变化和地面起伏频率的大小，是宏观尺度上的地形指标之一[11]。榆中县地形高程变异系数的变幅为0～0.0912272，整体而言，该区域地形高程变异系数值分布较为均匀。在ArcGIS中通过自然间断点分级法将该区高程变异系数分为6级，0～0.0096之间占11.62%，0.0096～0.0175之间占33.42%，0.0175～0.025之间占30.13%，0.025～0.034之间占16.53%，0.034～0.048之间占6.69%，0.048～0.0912272之间占1.62%。因此该区域随着地形高程变异系数值的不断增大，范围呈先增大后减小趋势，在0.0096～0.0175之间所占比例最大，而最小范围出现最后一级即介于0.048～0.0912272（图2）。

4 结论与讨论

4.1 结论 本文基于GIS软件与DEM数据对研究区坡面地形因子进行提取与分析，通过对其提取方法与过程及反映的区域特征进行分析与阐述，得出以下几点结论：（1）通过分析坡度、坡向、剖面曲率、地表粗糙度、高程变异系数的地形因子，直观凸显了榆中县各坡面地形因子的分布情况；从坡向的变化可以看出本研究区的植被具有明显的过渡性特征；地形变化的复杂程度随着地表粗糙度及高程变异系数的不同而表现出不同的变化趋势。（2）对坡面地形因子按比例分析来定量化描述本区域可能因坡面地形因子导致侵蚀问题的严重性，加之该区涵盖黄土高原石质山地、丘陵沟壑及川原河谷盆地多种地貌形态，总结得出本研究区生态环境脆弱，水土流失现象严重。（3）依据差分计算阶数分类体系进行基本地形因子分析，结构较为清晰，为开展多地形因子间量化关系的进一步研究提供了思路。

4.2 讨论 地形特征的形成是长期地貌作用的结果[12]，本文仅选取5个特征因子进行研究，具有一定片面性，如能更多地结合其他地形因子，将能更进一步反映研究区地形信息。另一方面，对于地形因子的提取与算法的差异会导致不同的结果，今后应集中对多软件的综合提取对比分析进行深入研究。

参考文献

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（责编：张宏民）