前 言

DEM是遙感與地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中最為重要的空間信息資料和賴以進(jìn)行三維空間處理和地形分析的核心數(shù)據(jù)系統(tǒng)。當(dāng)前，在西部大開發(fā)中諸多黃土高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程項(xiàng)目。特別是水土流失監(jiān)測與水土保持規(guī)劃工作都急需高精度地形數(shù)據(jù)。DEM作為數(shù)字化的地形圖，蘊(yùn)含著大量的、各種各樣的地形結(jié)構(gòu)和特征信息，是定量描述地貌結(jié)構(gòu)、水文過程、生物分布等空間變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

坡長(slopelength)是水土保持、土壤侵蝕等研究中的重要因子之一，當(dāng)其它外在條件相同時，物質(zhì)沉積量、水力侵蝕和沖刷的強(qiáng)度依據(jù)坡面的長度來決定，坡面越長，匯聚的流量越大，侵蝕力和沖刷力就越強(qiáng)。同時坡長也直接影響地表徑流的速度，進(jìn)而影響對地面土壤的侵蝕力。目前很多土壤侵蝕模型等都將坡長作為其中的一個因子。

01

實(shí)驗(yàn)樣區(qū)的概況和數(shù)據(jù)源

1.陜北樣區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

實(shí)驗(yàn)樣區(qū)選用的是陜北地區(qū)和東北地區(qū)．基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選用的是陜北和東北地區(qū)各一幅 1：1萬的DEM。陜北的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是 DEM．它由 1：1萬比例尺地形圖等高線數(shù)字化，再經(jīng)高程內(nèi)插獲得。

陜北樣區(qū)選的是榆林地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)的一幅 1：1萬的編號為 i49e011009地形圖。本區(qū)域溝壑縱橫、地貌破碎，是典型的梁峁?fàn)铧S土丘陵溝壑區(qū)，屬于侵蝕強(qiáng)烈的地區(qū)。陜北黃土高原海拔 8001300m，位于 “北山 ”以北．是我國黃土高原的中心部分。地勢西北高，東南低?；镜孛差愋褪屈S土塬、粱、峁、溝．是黃土高原經(jīng)過現(xiàn)代溝壑分割后留存下來的高原面。梁、峁，是黃土塬經(jīng)溝壑分割破碎而形成的黃土丘陵，或是與黃土期前的古丘陵地形有繼承關(guān)系。溝大都是流水集中進(jìn)行線狀侵蝕并伴以滑塌、瀉溜的結(jié)果。

該圖幅位于陜西省榆林市榆陽區(qū)正東，屬于典型的黃土峁?fàn)钋鹆隃羡謪^(qū)。雖峁梁兼有，但以峁為主，峁小梁窄，上峁下梁，峁梁起伏。峁呈饅頭狀，峁坡多為凸形坡，坡度在 15～25。之間。溝壑發(fā)育，地面破碎，坡面及溝谷流水侵蝕和重力侵蝕均較劇烈，水土流失嚴(yán)重。

2.東北樣區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

選用的東北地區(qū)的 DEM 是黑龍江省黑河市嫩江縣的一幅。編號為152go09002。黑龍江省位于中國的東北部，是中國位置最北、緯度最高的省份。介于東經(jīng) 121。11一135。05 ．北緯 43。26一53。 33 之間。黑龍江省的地勢大致是西北部、北部和東南部高，東北部、西南部低；主要由山地、臺地、平原和水面構(gòu)成。西北部為東北一西南走向的大興安嶺山地．北部為西北一東南走向的小興安嶺山地，東南部為東北一西南走向的張廣才嶺、老爺嶺、完達(dá)山脈，土地約占全省總面積的 24．7％；海拔高度在 300In以上的丘陵地帶約占全省的 35．8％；東北部的三江平原、西部的松嫩平原，是中國最大的東北平原的一部分．平原 占全省總面積的 37．0％．海拔高度為 50～200nl。黑龍江屬中溫帶到寒溫帶的大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫在 4℃一5℃。

02

坡長提取方法的改進(jìn)

1.方法介紹

目前常用的坡長提取方法都是確定水流方向數(shù)據(jù)，從而計算坡長。

下圖即是其計算流程。

2.提取過程(包括參數(shù)的設(shè)置 )

在 AreGIS中提取坡長時．首先需要一張質(zhì)量較好的 DEM，以此作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

下面即為提取坡長信息的具體操作過程 (共六步 )，使用陜北地區(qū) 1：1萬數(shù)據(jù) (圖層名稱結(jié)尾為 shan的指的是陜北地區(qū)，如果為 dong即是東北地區(qū)。)。

(1)計算格網(wǎng)單元的水流方向：水流方向(FloW Direction)是指水流離開每一個柵格單元時的指向。計算水流方向的算法采用最大坡降算法，即流水方向只可能存在于 3x3局部窗口中八個可能的方向之中，從而形成水流方向矩陣。在ArcGIS中格網(wǎng)單元水流流向的表面數(shù)據(jù)應(yīng)該采用 DEM 數(shù)據(jù) (demshan)。

(2)計算格網(wǎng)單元的累積坡長：按照格網(wǎng)單元的流向。將流入當(dāng)前格網(wǎng)單元的上游格網(wǎng)單元的水流量累積起來，從而得到累積坡長。水流長度計算了在流域內(nèi)沿河道的每一點(diǎn)距其上游和下游的河道長度。Flow Length常用來提取流域內(nèi)最長的河流長度。從而計算河流流經(jīng)流域所需的時問。

(3)計算格網(wǎng)單元內(nèi)的水流累積量：區(qū)域水流累積量矩陣表示區(qū)域地形每點(diǎn)的水流累積量，它可以用區(qū)域地形曲面的流水模擬方法獲得。流水模擬可以利用區(qū)域的數(shù)字地面高程模型的水流方向數(shù)字矩陣來進(jìn)行。其基本思想是，以規(guī)則格網(wǎng)表示的數(shù)字高程模型每點(diǎn)處有一個單位的水量，按照自然水流從高處流往低處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域地形的水流方向數(shù)字矩陣計算每點(diǎn)處所流過的水量數(shù)值，便可得到該區(qū)域水流累積數(shù)字矩陣。所以．在 此步驟中，是由水流方向數(shù)字矩陣產(chǎn)生了水流累積量矩陣。

(4)水流累積量大于一定水量的柵格單元的提?。禾崛≈幸玫?ArcGIS中的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能(RasterCalculator)。數(shù)學(xué)運(yùn)算功能主要運(yùn)用數(shù)學(xué)運(yùn)算符或數(shù)學(xué)函數(shù)。數(shù)學(xué)運(yùn)算符對兩個或多個柵格主題的值進(jìn)行運(yùn)算，數(shù)學(xué)函數(shù)對輸入的一個柵格主題的值運(yùn)用一個數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。需要在空問分析(spatialanalyst)模塊中使用RasterCalculator功能，依據(jù)樣區(qū)光照模擬圖與水流累積量圖層的疊加顯示，選擇吻合較好的水量值。在陜北樣區(qū)的 1：1萬 圖上經(jīng)過比較選擇 500 單位的水量。

(5)轉(zhuǎn)變山谷山脊線柵格的屬性值：這一步主要是使用重分類 (Reclassify)的方式。重分類將柵格主題的每個柵格的值改變?yōu)榱硗獾闹?，Reclas．sify是按照一對一的方式將柵格值從一個變?yōu)榱硪?個。在這里我們需要將 ace500shan圖層中原來值為0的柵格改為1，1的柵格改為0。

(6)將之前的累積坡長圖層與山谷山脊線提取圖層相乘，得到最終結(jié)果。原來山谷山脊線的圖層（reclashan）中為0的柵格與累積坡長圖層（lenshan）相乘的結(jié)果就為0，而另外的柵格坡長值就不會改變，最后會得到山谷山脊線上的柵格坡長為0的坡長圖。

實(shí)現(xiàn)結(jié)果較為可信。清楚的反映出了陜北地形地勢，而且可以看出來坡長少于25m的非常多，而大于150m的坡極少。

為了便于將值為0的柵格顯示出來，我再做了一次重分類。把結(jié)果圖分為0和非0兩類。圖2是將重分類后的圖與山體陰影圖的疊加顯示（放大局部顯示）：

03

不同地貌樣區(qū)DEM提取坡長的比較

從上圖很明顯會看到，陜北樣區(qū)的坡長為0-25m的占近70%的區(qū)域，坡長據(jù)大部分為200m以內(nèi)的，而200m以上的柵格極少。這就恰好說明了黃土丘陵溝壑區(qū)的地形地勢特點(diǎn)。

我們還看到，此圖東北樣區(qū)各個坡長段的分布比例基本一致，處于50-400m的稍多一點(diǎn)，大于400m的也占有6%左右，也就說明東北樣區(qū)的坡是比較平緩綿長的。當(dāng)然，與陜北樣區(qū)相比會發(fā)現(xiàn)：由坡長值的分布形態(tài)能夠判斷出研究區(qū)域的地形地勢，從而確定研究區(qū)域大致所屬實(shí)地地區(qū)。

04

結(jié)論與展望

本文從坡長的定義出發(fā)，研究了針對水土保持學(xué)科的坡長的提取方法，并比較了所提取的坡長在不同區(qū)域不同比例尺的規(guī)律，取得了如下結(jié)果。

在總結(jié)目前有關(guān)坡長以及DEM信息量研究成果的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了基于DEM的坡長提取方法：以水流長度數(shù)據(jù)和溝谷網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行柵格計算得到每個柵格的坡長值，從而改變了溝底坡長值非0的情況。

不同地貌類型區(qū)DEM提取坡長信息損失量的規(guī)律：依據(jù)Arcgis中坡長的算法，基于不同地貌類型區(qū)DEM得到的坡長，基本上和真實(shí)地形保持一致。

END