基于ArcGIS平臺的水土流失地形因子的提取
——以撫順市為例

趙 普

(本溪市水資源(節(jié)水)管理辦公室,遼寧 本溪 117022)

絕大多數(shù)水土流失方程中均將區(qū)域水土流失量視作地形因子的函數(shù)，認(rèn)為地形是地表傾斜度、海拔、起伏度等特征的綜合反映，其呈現(xiàn)出地表可蝕性、侵蝕勢能、土地利用和人為活動強(qiáng)度的差異，進(jìn)而反映水土流失的空間變異性。然而，能夠體現(xiàn)地形特征的指標(biāo)較多，例如陳志強(qiáng)等[1]研究表明坡度與水土流失量呈正相關(guān)性，孫小濤在貴州雷山地區(qū)的探究顯示侵蝕模數(shù)的大小與坡向呈現(xiàn)一定相關(guān)關(guān)系[2]，陳文祥則統(tǒng)計(jì)了不同高程條件下水土流失量，發(fā)現(xiàn)中低海拔地區(qū)的流失強(qiáng)度高于高海拔地區(qū)[3]。這些研究揭示了不同地形因子對水土流失的影響機(jī)制。然而在宏觀計(jì)算區(qū)域水土流失的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校匦我蜃邮菂^(qū)域地形的綜合表征，這就要求對該因子的設(shè)定具有普適性，且最能體現(xiàn)水土流失的敏感性。當(dāng)前，以坡度坡長LS因子的應(yīng)用最為廣泛且效果良好，然而該因子提取過程繁雜、易于出錯(cuò)。為此本文旨在基于LS因子原理，給出直觀提取LS因子的一般操作方案，以期為區(qū)域水土保持定量評估與環(huán)境規(guī)劃提供技術(shù)參考。

1 平臺與方法

1.1 研究平臺

為了直觀表征地形因子空間差異性，通常采用空間可視化的方法描述地形因子，考慮到統(tǒng)計(jì)計(jì)算的便捷性，則以柵格數(shù)據(jù)(Grid data)格式為佳。當(dāng)前有大多數(shù)基礎(chǔ)型地理信息平臺均提供了直接或間接提取LS因子的功能，例如國外的Mapinfo、GeoMedia、Geoconcept，國內(nèi)的MapGIS、Geostar、SuperMap等，專業(yè)型的工具有中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所朱阿興教授領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的SimDTA等。但從平臺工具交互性、便易性、可獲得性來看，ArcGIS平臺應(yīng)用最為廣泛和普適，ArcGIS是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所開發(fā)的可伸縮的全面GIS平臺，針對LS因子其提供了從細(xì)粒度對象到粗粒度對象的操作工具條，采用模塊流程實(shí)現(xiàn)逐步提取。鑒于當(dāng)前國內(nèi)地理信息教科書和相關(guān)工具書中均以ArcGIS應(yīng)用為主流，本文以該平臺詳述LS因子提取流程。

1.2 LS因子原理

坡度因子S區(qū)別于傳統(tǒng)的地形坡度，S是指同一環(huán)境條件下，任意坡度內(nèi)的單位面積土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡度下單位面積土壤流失量之比，而后者表示任意高程與坡面的垂直高度h和水平方向的距離比。從過去的研究經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，通常采用McCool和劉寶元等對Wischmeier 和Smith的經(jīng)驗(yàn)公式改良算法，其公式如下[4]：

(1)

L=λ/22.13

(2)

m=n/(n+1)

(3)

n=(sinθ/0.0896)/[3.0×(sinθ)0.8+0.56]

(4)

LS=L×S

(5)

式中，L、S—坡長、坡度因子；λ—從DEM柵格中提取的坡長值；m、n—坡長因子指數(shù)、細(xì)溝侵蝕和面蝕的比值[5]。

2 LS地形因子提取過程

2.1 L因子提取過程

ArcGIS環(huán)境下，坡長因子的提取過程如下。

(1)利用ArcGIS中Spatial Analyst Tools中的水文模塊Hydrology工具，選擇fill功能將原數(shù)字高程模型DEM進(jìn)行填洼，得到DEMx。

(2)點(diǎn)擊Flow Direction功能，輸入DEMx柵格圖層，得到流向數(shù)據(jù)圖層Flow_Dire。

(3)點(diǎn)擊Flow Accumulation功能，輸入Flow_Dire柵格圖層，計(jì)算得到積累流量數(shù)據(jù)Flow_Accu數(shù)據(jù)。

(4)利用Spatial Analyst Tools—Surface—Slope功能，將無填洼的DEM柵格輸入，計(jì)算得到區(qū)域坡度圖層Slo。

(5)運(yùn)用Spatial Analyst Tools—Raster Calculator工具，通過公式(4)的柵格計(jì)算表達(dá)式“(sin((slo.tif)×3.1415926/180)/0.0896)/(3.0×power(sin((slo.tif)×3.1415926/180)，0.8)+0.56)”，獲知參數(shù)n的柵格圖層。

(6)通過Spatial Analyst—Raster Calculator操作，根據(jù)公式(3)在公式欄中輸入n/(n+1)，運(yùn)行后得到參數(shù)m的柵格圖層。

(7)基于公式(2)，在Spatial Analyst Tools—Raster Calculator系列操作中輸入表達(dá)式，power((Flow_Accu)×30/22.13，(m))，由此得到區(qū)域L因子圖，如圖1所示。

圖1 撫順市數(shù)值高程模型和L因子空間分布

圖2 撫順市坡度和S因子空間分布

2.2 S因子提取過程

(1)利用ArcGIS中Spatial Analyst Tools中的地形分析模塊Surface工具，點(diǎn)擊Slope功能鍵，輸入無填洼的DEM數(shù)據(jù)，計(jì)算得到區(qū)域坡度圖層Slo。

(2)參照坡度因子計(jì)算公式(1)，在Spatial Analyst Tools—Raster Calculator系列操作中輸入表達(dá)式，具體為“con("slope"<5，10.8×sin("slope"×3.1415926/180)+0.036，con("slope"<=10，21.9×sin("slope"×3.1415926/180)-0.96，16.8×sin("slope"×3.1415926/180)-0.5))’，由此得到區(qū)域坡度因子?xùn)鸥駡D層S，如圖2所示。

2.3 LS因子提取過程

LS因子為水土流失方程中綜合地形因子的無量綱表征，依據(jù)公式(5)，可采用柵格空間計(jì)算工具提取。具體操作為：Spatial Analyst Tools—Raster Calculator，輸入表達(dá)式‘L*S’，則得到LS數(shù)據(jù)圖層，如圖3所示。

3 撫順市地形因子統(tǒng)計(jì)特征分析

圖3 撫順市LS因子空間分布

經(jīng)前述過程得到撫順市LS地形因子(圖1—3)。在30m像元水平上，撫順市高程介于61～1219m之間，其平均值為405m，總體來看撫順地勢呈現(xiàn)東高西低的分布格局，東部為低山地區(qū)，西部為平原低地，中部為丘陵地帶，高程的變異系數(shù)(CV)為13.34%，屬于中等程度變異性(0.1

采用Person相關(guān)分析揭示不同地形因子之間的關(guān)系。可知，坡度S因子與坡長L因子之間的相關(guān)性系數(shù)為0.421，在0.05水平上呈顯著相關(guān)性，S與LS的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.536，主要由于坡度S因子不僅是坡長L因子的函數(shù)，而且S因子對LS因子求積計(jì)算也有影響。L與LS在0.05水平上呈正相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)最小，為0.386。具體見表1。

表1 撫順市不同地形因子之間的相關(guān)性

注：*表明在0.05水平上相關(guān)。

4 結(jié)論

坡度坡長LS因子是對地表形態(tài)特征的綜合表征因子，其空間變異性直接影響著水土侵蝕能力、侵蝕強(qiáng)度的分布差異。本文詳述了借助ArcGIS平臺提取LS因子的過程，并以撫順為案例探討了區(qū)域地形因子特征。提取過程顯示，該操作方案嚴(yán)格遵循LS因子的數(shù)學(xué)原理、步驟嚴(yán)謹(jǐn)有序，可為相關(guān)地形因子的空間表達(dá)提供可靠范式。在此基礎(chǔ)上，今后的主要工作是精確計(jì)算區(qū)域侵蝕模數(shù)與水土流失量，以實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)規(guī)劃與水土保持。