基于DEM的熱作區土地利用現狀分析

章明 李玉華 曹蕾 鐘菲

摘 要 在GIS空間分析功能的支持下，利用數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）提取陽江農場高程、坡度和坡向數據，計算橡膠林、農用地及未利用地等3種土地利用類型的分級分布指數，準確描述農場主要用地類型的空間分布頻率，總結分布趨勢，為進一步制定熱作區農場發展規劃提供參考。

關鍵詞 DEM ；熱作區 ；土地利用現狀

分類號 F301.2

土地利用類型的空間分布格局主要受到地形條件的制約[1]，地形條件又直接或間接的作用于光、熱、水、土等自然因素的再分配[2-3]，且呈現出一定的規律性。有學者以DEM為基礎探討了地形因子與土地利用的關系[4]，利用DEM揭示土地利用類型在高程、坡度和坡向上的分布[5-6]。利用指數模型分析區域地形條件對土地利用分布的影響和評價的研究方式也受到越來越廣泛的關注[7-9]。本文使用的高分辨率DEM（5 m），通過運用地理信息空間分析方法得出陽江農場土地利用類型在高程、坡度以及坡向的分級分布指數，準確描述了陽江農場膠園空間分布的變化特征，從而為熱帶作物地區土地資源利用優化布置和熱作經濟的可持續發展戰略設計提供重要的依據。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

海南省國營陽江農場位于中國唯一具有熱帶海洋氣候的島嶼——海南島，東經109°44′01″～109°55′20″，北緯19°17′02″～19°26′24″，年平均氣溫在25℃左右，該農場是海南農墾橡膠產膠大場之一，土地面積1.19萬hm2，0.513萬hm2橡膠園，年產干膠5 000 t。區域內地形起伏不大，最高海拔465 m，最低海拔85 m，相對高差345 m，為淺丘陵地帶，植被覆蓋達到85%以上。

1.2 研究方法

1.2.1 數據源與數據處理

本研究采用海南省獨立坐標系1∶1萬數字地形圖，陽江農場1∶1萬土地利用現狀圖，并通過設置海南省獨立坐標系轉換參數，將以上數據從獨立坐標系坐標轉換到北京1954坐標系和1985高程系，以實現空間數據的疊加分析[10-11]。

（1）數字高程模型：將陽江農場矢量等高線和離散高程點生成不規則三角網（Triangulated Irregular Network，TIN），后經TIN柵格化獲得5m分辨率DEM[12]，由所得DEM提取高程、坡度與坡向等作為實驗數據。

（2）土地利用現狀數據：將陽江農場土地利用現狀數據柵格化，分辨率設定為與DEM相同的5m。由于陽江農場主要以橡膠種植生產為主，其它如旱地、水田、菜地及其他熱作園所占面積較少，故將其歸并到為一種土地利用類型類——農用地，將橡膠園和面積較大的未利用地作為獨立地類。

1.2.2 基于DEM的地形因子分級

高程分級：陽江農場的海拔高程值處于85～465 m，地形起伏較為均勻，因此參考等間距分級法將陽江農場DEM重分類為8個高程級，85～100 m為第1高程級，400～465 m為第8高程級，100～300 m按50 m等間隔分類為2至7高程級。

坡度分級：按照水土保持通用分級標準進行分級，共分13級，依次為0°～3°，3°～5°，5°～10°，10°～15°，15°～20°，20°～25°，25°～30°，30°～35°，35°～40°，40°～45°，45°～50°，50°～55°，>55°。

坡向：該定義為坡面法線水平面投影與正北方向的夾角，通常將正北方向定為0°，按順時針方向旋轉來劃分坡向，0°為平坡，0°～50°和320°～360°為陰坡，230°～320°為半陰坡，140°～230°為陽坡，50°～140°為半陽坡。

1.2.3 分級分布指數

本文采用分級分布指數[13]來描述不同土地利用類型在高程、坡度、坡向上的分布特征。分級分布指數是一個標準化、無量綱指數，該指數的引入將消除面積差異帶來的量綱影響[14]，計算公式如下。

P=（）·（）

P代表分布指數，e代表地形因子， 代表e地形因子特定等級下的i地類的面積，Si是i地類的面積，Se是整個區域地形因子特定等級下的總面積，S是整個區域面積。P值越大，說明某土地利用類型出現頻率越高。

1.2.4 研究流程圖

利用DEM可以自動提取地形因子，并與土地利用數據進行空間分析，具有快速、科學、客觀等特點，大大方便了對土地利用的地形格局特征進行的研究[15]。本研究基本流程見圖1。

2 結果與分析

2.1 分級分布指數處理結果

利用地理信息技術空間分析（Spatial Analyst）方法，將橡膠園、農用地和未利用地柵格數據與所提取的地形因子進行疊加分析[16]。

2.2 高程分布指數

從圖2中可以看出，膠園、農用地、未利用地在不同高程級別中的分布趨勢。在第1高程等級（<100 m）上的分布指數均小于1。在第2、3級（100～200 m）上膠園和農用地分布最多，即在這兩個高程級上，農用地和膠園的出現頻率是最大的，但隨著高程的增加，分布逐漸下降。由于作為農場主產業的橡膠和農用產品主要分布在海拔低的地區，故絕大多數土地都得到了很好的開發和利用。因此，在這兩個區域未利用地的分布就很小，而多數也是屬于那種利用投入過大，且不利于耕作的地塊。在第4級高程區，膠園和農用地的分布已經降到了0.5的水平，而未利用地開始占據主導地位，膠園和農用地的分布降到了最低點，且在6、7、8三個等級中，沒有膠園的分布，農用地利用也從第7等級開始，沒有分布。

2.3 膠園分布隨坡度的變化

從圖3可以看出，膠園主要分布于1～4坡度級，農用地主要分布在1～3級，坡度分布指數均接近和超過1。隨著坡度的增加，膠園分布逐漸增加，農用地分布逐漸減小，未利用地呈現出明顯增多的趨勢。由于不同坡度坡面，物質交流與能量轉換的方式與效率有著明顯的差異，并且直接影響到土壤的母質組成、土層厚度、土壤水分、無機鹽淋失和土壤酸堿度等土壤的基本屬性，坡度不同，也產生了坡面接受太陽輻射量的差異，這些都將進一步影響到該坡面的植被類型與分布頻度。

2.4 膠園分布隨坡向的變化

坡面的朝向，決定了該坡面接受太陽輻射以及地面水分的量值與變化程度，因而在很大程度上影響植被的類型與分布，在陰陽坡之間出現明顯的差異。但是由于陽江農場地處熱帶，主要以低丘為主，而日照和降雨充足，這點從圖4也反映出來。坡向對膠園及農用地分布影響不大，即使在陰坡中分布指數達到1，且在半陽坡出現頻度更大。說明橡膠樹這種高度在20～40 m的高大的喬木樹種，對坡向的因子并不敏感，可以利用這一特點，排除該因子在新建橡膠園規劃中的權重。

3 結論與討論

（1）本文以DEM和土地利用數據為主要信息源，在地理信息空間分析技術的支持下，較準確的評價了熱作區農場空間格局。熱作區有效土地利用類型分布主要受高程和坡度的影響，基本可不考慮坡向影響；陽江農場膠園和農用地主要集中于300 m高程以下，坡度小于25°，分布較為均勻，且利用程度較好；隨著高程的增加和坡度的提高，未利用地分布頻度逐漸增加。

（2）結合對陽江農場的實際調查表明，陽江農場土地利用類型空間分布特征結果的可靠性和準確性較高，驗證了橡膠樹這種高度在20～40 m的高大的喬木樹種對坡向的因子影響并不敏感，可以利用這一特點，排除該因子在新建橡膠園規劃中的布局權重。

（3）通過對陽江農場土地利用空間分布特征研究，可以看出，人工開墾農場受地形因子中高程和坡度的限制較為明顯，應在現有土地利用空間格局的基礎上，進一步優化土地利用結構，實現橡膠種植區的合理布局，提高植膠面積，實現熱作區農場的可持續發展。

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