GIS和RS技術在新疆黑山礦區土壤侵蝕中的應用

周寧

【摘 要】論文探討了將地理信息系統技術（GIS）與遙感技術（RS）相結合，對新疆黑山礦區進行土壤侵蝕分析。介紹了DEM的獲取方法，及通過ArcGIS空間分析模塊分別計算得出地形坡度圖、坡向圖和曲率圖，并敘述了曲率圖在黑山礦區土壤侵蝕分析中的作用，為黑山礦區治理水土流失，進行生態建設提供依據。

【Abstract】This paper combined the geographic information system （GIS） technology with remote sensing （RS） to analyse the soil erosion in Xinjiang Heishan mining area. Paper also introduces the DEM acquisition method， and calculating the terrain slope map， exposure map and curvature map by ArcGIS spatial analysis module， describes the role of curvature diagram in the analysis of soil erosion in Heishan mining area， providing a reference for controlling water and soil loss and the ecological construction in Heishan mining area.

【關鍵詞】GIS；RS；生態建設；土壤侵蝕

【Keywords】GIS； RS； ecological construction； soil erosion

【中圖分類號】X53 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）03-0108-02

1 引言

數字高程模型（DEM）是地理信息系統技術（GIS）與遙感技術（RS）進行地形分析的基礎數據。到20世紀80年代后期，DEM數據才廣泛地應用于提取地形因子，如坡度、坡向、谷脊特征分析、高程變異、水系、河網密度等。隨著國家近年來對礦區生態建設的高度重視，GIS技術和RS技術被逐漸應用到礦區的生態建設中[1]。但是，目前對礦區生態建設的應用研究還比較少，論文正是基于此而進行研究和探討的。

論文在建立DEM的基礎上，采用GIS軟件進行研究區地形地貌的分析及其在土壤侵蝕分析中的應用。

2 研究工作的準備階段

研究準備階段主要包括兩個部分：基礎資料的獲取和DEM數據制作。

2.1 基礎資料的獲取

研究的基礎數據資料來源為1：50000（基本等高距為10m）國家基本地形圖，1980年西安坐標系，1985國家高程標準，高斯—克呂格投影。林區地理坐標范圍：東經：87°21′30″～87°38′30″，北緯：43°12′30″～43°16′00″。礦區面積15730.87hm2，最低海拔2365m，最高海拔3023m。研究區地處天山中段以北的山間谷地（俗稱通溝），北依約喀坑艾代山，南臨末日洛克山、黑山。東西較開闊，地勢北高南低，西高東低。屬于高山草原及半荒漠區[2]。

2.2 DEM數據制作

數字高程模型的表示和制作的方法種類較多，本研究采用的是地形圖數據源，由等高線構建TIN生成DEM的方法。這種方法的首要步驟是由等高線生成TIN。TIN是表面上的結點和邊形成的三角面說構成的網[3]。當生成TIN后，則可以使用插值工具將TIN數據進行內插計算生成網格DEM（轉換成30m分辨率的柵格數據）。

3 基于DEM的地形特征提取

美國ESRI公司開發的ArcGIS地理信息平臺是目前GIS行業中最具有代表性的產品，它具有完善的數據錄入和空間分析功能。論文主要利用其中的空間分析模塊，對研究區DEM的地形特征進行提取和分析。

3.1 坡度

坡度表示的是地表面在該點的傾斜程度，是指過該點的切平面與水平地面的夾角[4]。采用擬合曲線面法求解坡度是目前所采用的最佳方法，擬合曲線面法采用二次曲面。在ArcGIS的空間分析模塊中，提取坡度有兩種表示方法：①用“度”來表示，即水平面與地面夾角；②用“坡度百分比”來表示，即高程增量與水平增量之比的百分數。

3.2 坡向

坡向又稱坡面傾斜角，是指地表面上一點的切平面的法線矢量在水平面的投影與過該點的正北方向的夾角。坡向表征了地面一點高程值改變量的最大變化方向。在ArcGIS提取坡向，所得數據取值范圍為0°～360°，正北方向為0°，按順時針方向計算[5]。

3.3 曲率

ArcGIS的曲率工具用于計算坡度的坡度（表面的二階導數），即表面的指定部分是凸還是凹。表面的凸出部分（如山脊）通常不會被遮擋，這些部分的水流將流向其他區域。表面的凹入部分（如河道）通常會被遮擋，其他區域的水流將流向凹入部分。曲率工具有兩個可選變化形式：平面曲率和剖面曲率。這些工具主要用于反映地形對水流和侵蝕的影響。剖面曲率將影響水流的加速和減速，進而影響到侵蝕和沉積。平面曲率將影響水流的匯聚和分散[6，7]。

4 結果與分析

4.1 坡度分析

借助ArcGIS空間分析模塊，并借助其重分類工具，可以得到研究區坡度分級的面積統計表和坡度分布圖，研究區以緩坡平地為主，坡度由東到西逐漸增加，坡度<5°的區域主要分布在研究區的東部，坡度在15°以上的區域主要分布在研究區西北部，占研究區面積的12.79%[8]。

4.2 坡向分析

同樣，可以得到研究區的坡向分級面積統計表和坡向分布圖，從而可以得出，研究區的坡向以0～90°和90～180°的半陽坡和陽坡為主，占到了研究區面積的67.38%。270～360°的陰坡面積占到研究區面積的11.87%。

4.3 曲率分析

研究區的曲率分布圖見圖1。單純分析研究區的曲率是沒有實際意義的，曲率通常與植被蓋度數據結合，來分析研究區的土壤侵蝕現狀（分析方法另述）。研究區的土壤侵蝕現狀見圖2。

從圖1和圖2的對照分析中，可以看出地形曲率與土壤侵蝕強度的密切關系：向上凸起值和朝上凹入值高的區域，土壤侵蝕強度都在中度侵蝕以上，地形曲率的絕對值在3以上的區域，土壤侵蝕為強度侵蝕和極強度侵蝕。而地形曲率絕對值在0～1之間的區域，土壤侵蝕為微度侵蝕。

5 結語

論文探討了GIS及RS技術在新疆黑山礦區土壤侵蝕分析中的應用途徑及方法。隨著今后礦區的發展和相關部門對礦區生態建設重視度的不斷提高，RS及GIS等地理信息空間分析技術在礦區生態建設中會成為一種必要的評價途徑和方法。

【參考文獻】

【1】周啟鳴.數字地形分析[M].北京：科學出版社，2006.

【2】趙靜.ArcGISEngine在林種區劃專家支持系統中的應用[J].西北林學院學報，2013（03）：78-79.

【3】畢華興，譚秀英，李笑吟.基于DEM的數字地形分析[J].北京林業大學學報，2005，27（2）：49-53.

【4】原立峰，李發源，張海濤.基于柵格DEM的地形特征提取與分析[J].測繪科學，2008，33（6）：86-89.

【5】劉學軍，等.DEM結構特征對坡度坡向的影響分析[J].地理與地理信息科學，2004，20（6）：77-78.

【6】熊立華，郭生練.利用DEM提取地貌指數的方法評述[J].水科學進展，2002，13（6）：775-780.

【7】周云軒，王磊.基于DEM的GIS地形分析的實現方法研究[J].計算機應用研究，2002（12）：50-54.

【8】湯國安，趙牡丹，李天文，等.DEM提取黃土高原地面坡度的不確定性[J].地理學報，2003，58（6）：824-830.