基于DEM的辽宁省兴城市耕地地形条件评价

吴松泽, 闫卓冉, 马 剑, 徐铭崇, 范语思, 王建国

(吉林大学 地球科学学院, 吉林 长春 130000)

地形因子是对地形几何特征的刻画，不同的地形因子从不同角度反映了地表变化程度。数字高程模型(digital elevation model, DEM)是地表形态的数字化表达[1]，蕴含了丰富的地学应用分析所必需的地形地貌信息[1]。数字地形分析(digital terrain analysis，DTA)是在DEM上进行地形属性计算与地形信息提取的数字信息处理技术[2-4]。利用GIS空间分析的手段可以提出DEM数据中隐含的地形因子特征属性值。这一技术在土地利用、环境保护及其他相关地学研究等方面的应用越来越广泛。目前，基于DEM的各种地形因子分析算法已较为成熟[5-8]。除了坡度、坡向、平面曲率、地形起伏度等传统的坡面地形因子外[9-11],中国学者根据不同地域特点及实际研究工作的需要，还提出了地形信息容量、地形复杂度指数[9,12]、流水侵蚀潜能因子[13-16]等新型地形因子。这些成果丰富了地形因子的内涵。

本文以辽宁省兴城市为研究区域，从DEM数据的可操作性、因子的独立性等因素出发，最终选取了坡度、坡向、地表起伏度、平面曲率、地表粗糙度5个因子为评价因子，从而建立完整的多因子综合加权评价体系。

研究中利用地理信息系统(geographic information system， GIS)的空间分析技术对各地形因子进行提取，并对其特征属性值进行重分类定量化评价。然后对评价单元求取各地形因子的加权求和分值，即为地形条件总分。据总分将其地形得分划分不同等级可直观地评价耕地地形条件。

目前的地形条件评价方面的研究仍主要采用单一地形因子[15]。采用多因子评价模型对耕地地形进行综合评价的研究并不十分丰富。因此，本文基于DEM，以兴城市为例，采用了多因子综合加权评价的方法对研究区耕地地形进行了定量化评价。其地形评价结果将有望为兴城市土地整治[14]，水土流失[9]及泥石流灾害防治[17]，耕地生态环境保护等工作提供技术依据。

1 研究区资料准备

1.1 兴城市地形条件整体概况

兴城市位于辽宁省西南部，居辽西走廊东段，地理坐标为东经120°06′—120°50′，北纬40°16′—40°50′，东南沿海为平原，中部多为丘陵，西北部为松岭山脉低山丘陵区，整体地势呈西北高、东南低，由西北向东南倾斜的特征。耕地多分布在兴城东部。

1.2 数据准备

本文的DEM数据下载于空间地理数据云网(geospatial data cloud)，该数据主要以高分辨率高程影像ASTER GDEM 2数据为基础[17]，空间分辨率为30 m。ASTER GDEM 2较之前一版本数据采用了更为先进的算法，提高了局部地区数据的空间分辨率精度，能够满足本次项目的数据需求。此外，本项目依托于吉林大学土地资源管理兴城教学实习，实习基地为本研究提供了矢量格式的兴城耕地土地利用现状数据。

2 研究方法

2.1 多因子综合加权评价模型的构建

综合考量兴城市耕地地形情况以及因子的可操作性，最终选取坡度、坡向、地形起伏度、地表粗糙度、平面曲率5个因子作为评价因子。坡度作为基本的地形因子，直接影响水土流失程度，很大程度上决定着土地利用方式。在GIS中可对DEM采取平均坡度、最大值坡度、最小值坡度等方法计算地形坡度[3,18]。坡向从光照、热量和水分等方面影响着耕地质量，一定程度上决定了土地利用分布格局。坡向因子在实际生产中较多使用拟合曲面法对其进行特征值的提取。地形起伏度是地表起伏变化和地表切割程度的综合表征，决定着农地机械化规模经营能否实现。局地高差法、局地标准差、表面积与投影面积比、RUGN法、矢量法、RDLS(地表起伏度)6种算法[9]是地形起伏度提取的常用方法。平面曲率反映了地形结构与形态,影响着土壤有机物含量的分布。在GIS空间分析软件中主要通过提取DEM数据中的等高线并计算其弯曲程度来评价耕地质量的水文及土壤因素[12]。地表粗糙度反映了地表的侵蚀程度，影响着风化壳的发育和保存。粗糙度的提取研究大都是基于传感器灰度图像而进行的[13]。

本次采用了专家打分法来确定各地形因子的权重，共询问了5位专家老师的意见，经过两轮打分及反馈最终确定各因子权重。即建立了完整的多因子加权评价指标体系。各因子权重见表1。

表1 兴城市各地形因子权重

2.2 建立地形因子模型

2.2.1 坡度 坡度是地表单元陡缓的程度，通常把坡面的垂直高度和水平距离的比值称为坡度。坡度通过影响物质与能量的分配决定着土地利用的方向和方式。在ArcMap软件(ArcGIS 10.2 for Desktop, ESRI, USA)中,通过高程变化率来计算坡度，用Spatial Analysttools/Surface/Slope工具对研究区DEM文件进行坡度提取,输出栅格大小与DEM相同，得到坡度文件。其公式为：

(1)

式中：S——坡度;f(x)——X方向上的高程变化率;f(y)——Y方向上的高程变化率。

2.2.2 坡向 坡向是坡面法线在水平面上的投影的方向。地形坡向对光照、热量和水分有重要影响。如北半球南坡比北坡能接收更多的太阳辐射能因而南坡土壤水分迅速蒸发，小气候较为温热干燥，地形坡向一定程度上影响土地利用分布格局。ArcGIS中的空间分析spatial analyst tools/surface/slope工具对研究区DEM文件进行坡度提取,输出栅格大小与DEM相同，得到坡度文件。其计算公式为：

A=arctan(fx/fy)

(2)

式中：A——坡向;f(x)——X方向上的高程变化率;f(y)——Y方向上的高程变化率。

2.2.3 地形起伏度 地形起伏度是指某一确定面积内最大高程点和最低高程点的的差值,反映了区域海拔高度的起伏特征。地形起伏度对农业的规模化经营有着至关重要的影响。利用ArcGIS中的空间分析模块中的焦点统计功能设置分析窗口后，分别设置统计类型为max和min，计算分析窗口的高程最大值和高程最小值，本次选择9×9个栅格(270 m×270 m)为分析窗口，再使用栅格计算器相减即得到地形起伏度。其公式为：

UT=Hmax-Hmin

(3)

式中：UT——地形起伏度;Hmax——分析窗口内的高程最大值;Hmin——分析窗口内的高程最小值。

2.2.4 平面曲率 平面曲率描述的是地表曲面沿水平方向的弯曲、变化情况，也就是该点所在的地面等高线的弯曲程度。平面曲率对土壤有机物含量的分布、水文特征都有重要的应用价值。因农用地中“以水定地”，其对水的富集情况的影响，使平面曲率成为耕地地形条件评价中的重要因子。在ArcMap软件中其计算公式为：

(4)

式中：SC——平面曲率;p——X方向上的高程变化率；q——Y方向上的高程变化率：r——对高程值在X方向上的变化率进行同方向求算变化率；s——对高程值在X方向上的变化率在Y方向上进行变化率求算。

2.2.5 地表粗糙度 地表粗糙度是一种地形学意义上的粗糙度，是反映地表侵蚀程度的指标。一般定义为地表单元的曲面面积与其在水平面上的投影面积之比[17]在实际操作中地表粗糙度的提取基于坡向的辅助特征值，将得到的aspect文件带入数学公式，在栅格计算器中计算，得到地表粗糙度数据。其公式为：

(5)

式中：TR——地表粗糙度; Slope——地形坡度(以弧度计算)。地表粗糙度的值>1。

2.3 明确各地形因子定量化评价依据

参考《农用地质量分等规程》[19]并对部分因子采取自然间断法，将兴城市各地形因子根据其特征属性值进行等级划分并规定相应得分值(见表2)。

表2 兴城市各地形因子等级划分及其分值

2.4 各地形因子的提取及重分类

对DEM进行各地形因子的提取，生成了各地形因子的数字化分布图层。将各地形因子的特征属性值按得分标准做重分类处理，得到各地形因子的统计数据及其分级图。

2.5 确定兴城市耕地地形条件总分

2.5.1 确定评价单元 在确定兴城耕地评价单元的过程中，首先对网格法和叠置法进行了单元划分方法优劣的评价。格网法较容易实现，但机械地将耕地划分成大小相等的评价单元不具参考价值。采用叠置法在将栅格数据转成矢量时产生很大误差，同时将各个因子进行叠加时又会产生大量碎斑。最终采用以土地利用现状图斑为评价单元的方法，将每一块耕地单元作为评价单元，本次研究区共有18 120个评价单元。

2.5.2 对评价单元进行综合打分 据各地形因子的权重计算各像元的地形条件总分。公式为：

Q=∑Wi×Fi

(6)

式中：Q——该评价单元的地形条件总分；W——地形因子的权重；F——该地形因子的因子得分值。其具体操作为：利用ArcMap软件中的“spatial analyst tools.tbx——地图代数——栅格计算器”工具，对各地形因子进行加权求和，输出新的栅格数据，其像元(30 m×30 m)值即为每一像元的地形条件总分。

根据确定好的评价单元对兴城耕地地形按地块进行打分。利用“spatial analyst工具——区域分析—以表格显示分区统计”工具，以耕地土地利用现状图斑为地块边界，统计其边界内像元得分均值作为各评价单元的地形条件得分。将得分表按字段连接至土地利用现状数据，即完成了评价单元的综合打分。将通过计算得到的地形综合得分值按等级划分标准(见表3)划分等级。

表3 兴城市耕地地形条件综合得分等级划分标准

3 结果与分析

3.1 各地形因子分析

将各因子按其等级划分标准对耕地进行面积的统计，其统计结果可从各个独立因子的角度对地形进行分析。

3.1.1 坡度 将兴城市耕地坡度分为6级，各坡度等级占比见表4。结合表4分析，兴城耕地区的坡度范围主要分布在从0°～8°。其中：2°～8°的面积最大，为341.03 km2，占比51.87%。从整体上看，兴城市属低山丘陵区。从坡度角度来讲，兴城市的耕地坡度条件良好，其耕地分布整体与坡度适宜性一致。

表4 兴城市耕地各级坡度面积及比例

3.1.2 坡向 本次将研究区坡向分为10个方向，4个等级。各等级面积及比例见表5。由表5可知：兴城耕地区各坡向耕地均有分布，其中2级坡向(东、西、西南坡)面积最大，占37.41%。但总体而言，耕地的各等级坡向面积相差并不悬殊，这表明在兴城市，坡向因子不是影响耕地分布的最重要因子。

表5 兴城市耕地各等级坡向面积及比例

3.1.3 地形起伏度 兴城市耕地地形起伏度分为5级，各地形起伏度等级占比见表6。由表6可知：兴城耕地区起伏度特征值大多分布在0～7，其面积比为85.14%，可见多数的耕地地形起伏度适宜性较好；起伏度特征值在52～120的耕地仅有0.03 km2，基本可以忽略不计。此外，仍有14.87%的耕地存在着不

同程度的地表起伏。部分耕地的起伏度特征值较大，这与外业调查中考察到的存在一些地区耕地呈“阶梯状”分布情况基本一致。地表起伏度地形特征对农用地规模经营具有指导性意见，其中兴城耕地区大部分地形起伏度较小，容易实现农用地机械经营。

表6 兴城市耕地各级地形起伏度面积及比例

3.1.4 平面曲率 兴城市耕地平面曲率分为5级，各曲率等级占比见表7。由表7可知，兴城耕地区平面曲率特征值大多分布在-0.44～0.44，其面积比例达93.91%，此范围内等高线弯曲程度较小，表示范围内耕地具有及较好的土壤、水文适宜性。从总体上看，兴城市耕地大多分布在平面曲率条件适宜的范围内，这一结果大致与“以水定地”的规律相一致。

表7 兴城市耕地各级平面曲率面积及比例

3.1.5 地表粗糙度 兴城市地表粗糙度分为5级(见表8)。据表8可知，随着地表粗糙度特征值增大，辽宁省兴城市的耕地面积在逐级递减。特征值在1～1.021 7的耕地面积占到了绝大多数(98.94%)，而特征值在1.021 7～2.021 2的耕地面积很小，基本可以忽略不计。从地表粗糙度因子角度来看，兴城市的地表侵蚀程度较小，这些因素对土壤有机物富集有着积极的影响，良好的土壤有机物条件适宜于农作物的耕种，兴城市耕地的分布情况与地表粗糙度适宜性一致。

表8 兴城市耕地各级地表粗糙度面积及比例

3.2 地形条件总体分析

各地形因子从水文、光照、土壤有机物富集等多角度对兴城耕地地形做出了全方面的评价。而各地形因子加权求和得出地形条件总分能够较为全面且合理地反映耕地的地形条件。将地形总分按其耕地面积统计，得出定量化评价结果(见表9)。由表9可见，兴城市耕地地形条件分值分布为：地形条件较好(Ⅰ和Ⅱ级)的耕地占85.57%。只有0.26%的耕地从地形条件上来讲不适宜(Ⅴ级)开发耕地。整体来看，兴城市耕地地形条件较为良好，其较好的地形条件为耕地质量提供了有效的保障。

表9 兴城市耕地地形条件面积统计

4 结论与讨论

本文以兴城市为例，基于DEM对其耕地地形条件进行了逐个因子分析与综合定量化评价。

(1) 各地形因子从不同角度描述了地表的变化特征。兴城市的耕地分布与坡度、地形起伏度、平面曲率、地表粗糙度4个因子的适宜性呈较强的一致性。而耕地的分布与坡向因子适宜性的一致性稍差。各地形因子条件可为兴城市农用地经营与管理提供参考，如地形起伏度适宜性好的耕地可推行农用地机械化规模经营，减少劳动投入；平面曲率适宜性较差的耕地可兴建水利设施，以保证农地灌溉。

(2) 由最终地形定量化综合评价的结果显示，兴城市耕地地形条件整体较为良好，其较好的地形条件为耕地质量提供了有效的保障。但兴城市仍存在0.26%的耕地地形条件差，不适宜开垦耕地。可将这部分耕地退耕还林，同时将地形条件良好的耕地中的零星用地加以整合、开垦。既可增加绿植覆盖，从根本上改善水土流失，又保证了耕地面积退补平衡。

采用多因子综合评价的方法更加全面科学地评价耕地地形条件，从而为耕地整治、水土流失及泥石流灾害防治、耕地生态环境保护等多方面提供参考依据。