GIS和RS技术在新疆黑山矿区土壤侵蚀中的应用

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【摘 要】论文探讨了将地理信息系统技术（gis）与遥感技术（rs）相结合，对新疆黑山矿区进行土壤侵蚀分析。介绍了DEM的获取方法，及通过ArcGIS空间分析模块分别计算得出地形坡度图、坡向图和曲率图，并叙述了曲率图在黑山矿区土壤侵蚀分析中的作用，为黑山矿区治理水土流失，进行生态建设提供依据。

【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.

【关键词】GIS；RS；生态建设；土壤侵蚀

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

【中图分类号】X53 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）03-0108-02

1 引言

数字高程模型（DEM）是地理信息系统技术（GIS）与遥感技术（RS）进行地形分析的基础数据。到20世纪80年代后期，DEM数据才广泛地应用于提取地形因子，如坡度、坡向、谷脊特征分析、高程变异、水系、河网密度等。随着国家近年来对矿区生态建设的高度重视，GIS技术和RS技术被逐渐应用到矿区的生态建设中[1]。但是，目前对矿区生态建设的应用研究还比较少，论文正是基于此而进行研究和探讨的。

论文在建立DEM的基础上，采用GIS软件进行研究区地形地貌的分析及其在土壤侵蚀分析中的应用。

2 研究工作的准备阶段

研究准备阶段主要包括两个部分：基础资料的获取和DEM数据制作。

2.1 基础资料的获取

研究的基础数据资料来源为1：50000（基本等高距为10m）国家基本地形图，1980年西安坐标系，1985国家高程标准，高斯―克吕格投影。林区地理坐标范围：东经：87°21′30″～87°38′30″，北纬：43°12′30″～43°16′00″。矿区面积15730.87hm2，最低海拔2365m，最高海拔3023m。研究区地处天山中段以北的山间谷地（俗称通沟），北依约喀坑艾代山，南临末日洛克山、黑山。东西较开阔，地势北高南低，西高东低。属于高山草原及半荒漠区[2]。

2.2 DEM数据制作

数字高程模型的表示和制作的方法种类较多，本研究采用的是地形图数据源，由等高线构建TIN生成DEM的方法。这种方法的首要步骤是由等高线生成TIN。TIN是表面上的结点和边形成的三角面说构成的网[3]。当生成TIN后，则可以使用插值工具将TIN数据进行内插计算生成网格DEM（转换成30m分辨率的栅格数据）。

3 基于DEM的地形特征提取

美国ESRI公司开发的ArcGIS地理信息平台是目前GIS行业中最具有代表性的产品，它具有完善的数据录入和空间分析功能。论文主要利用其中的空间分析模块，对研究区DEM的地形特征进行提取和分析。

3.1 坡度

坡度表示的是地表面在该点的倾斜程度，是指过该点的切平面与水平地面的夹角[4]。采用拟合曲线面法求解坡度是目前所采用的最佳方法，拟合曲线面法采用二次曲面。在ArcGIS的空间分析模块中，提取坡度有两种表示方法：①用“度”来表示，即水平面与地面夹角；②用“坡度百分比”来表示，即高程增量与水平增量之比的百分数。

3.2 坡向

坡向又称坡面倾斜角，是指地表面上一点的切平面的法线矢量在水平面的投影与过该点的正北方向的夹角。坡向表征了地面一点高程值改变量的最大变化方向。在ArcGIS提取坡向，所得数据取值范围为0°～360°，正北方向为0°，按顺时针方向计算[5]。

3.3 曲率

ArcGIS的曲率工具用于计算坡度的坡度（表面的二阶导数），即表面的指定部分是凸还是凹。表面的凸出部分（如山脊）通常不会被遮挡，这些部分的水流将流向其他区域。表面的凹入部分（如河道）通常会被遮挡，其他区域的水流将流向凹入部分。曲率工具有两个可选变化形式：平面曲率和剖面曲率。这些工具主要用于反映地形对水流和侵蚀的影响。剖面曲率将影响水流的加速和减速，进而影响到侵蚀和沉积。平面曲率将影响水流的汇聚和分散[6，7]。

4 结果与分析

4.1 坡度分析

借助ArcGIS空间分析模块，并借助其重分类工具，可以得到研究区坡度分级的面积统计表和坡度分布图，研究区以缓坡平地为主，坡度由东到西逐渐增加，坡度

4.2 坡向分析

同样，可以得到研究区的坡向分级面积统计表和坡向分布图，从而可以得出，研究区的坡向以0～90°和90～180°的半阳坡和阳坡为主，占到了研究区面积的67.38%。270～360°的阴坡面积占到研究区面积的11.87%。

4.3 曲率分析

研究区的曲率分布图见图1。单纯分析研究区的曲率是没有实际意义的，曲率通常与植被盖度数据结合，来分析研究区的土壤侵蚀现状（分析方法另述）。研究区的土壤侵蚀现状见图2。

从图1和图2的对照分析中，可以看出地形曲率与土壤侵蚀强度的密切关系：向上凸起值和朝上凹入值高的区域，土壤侵蚀强度都在中度侵蚀以上，地形曲率的绝对值在3以上的区域，土壤侵蚀为强度侵蚀和极强度侵蚀。而地形曲率绝对值在0～1之间的区域，土壤侵蚀为微度侵蚀。

5 结语

论文探讨了GIS及RS技术在新疆黑山矿区土壤侵蚀分析中的应用途径及方法。随着今后矿区的发展和相关部门对矿区生态建设重视度的不断提高，RS及GIS等地理信息空间分析技术在矿区生态建设中会成为一种必要的评价途径和方法。

【参考文献】

【1】周启鸣.数字地形分析[M].北京：科学出版社，2006.

【2】赵静.ArcGISEngine在林种区划专家支持系统中的应用[J].西北林学院学报，2013（03）：78-79.

【3】毕华兴，谭秀英，李笑吟.基于DEM的数字地形分析[J].北京林业大学学报，2005，27（2）：49-53.

【4】原立峰，李发源，张海涛.基于栅格DEM的地形特征提取与分析[J].测绘科学，2008，33（6）：86-89.

【5】刘学军，等.DEM结构特征对坡度坡向的影响分析[J].地理与地理信息科学，2004，20（6）：77-78.

【6】熊立华，郭生练.利用DEM提取地貌指数的方法评述[J].水科学进展，2002，13（6）：775-780.

【7】周云轩，王磊.基于DEM的GIS地形分析的实现方法研究[J].计算机应用研究，2002（12）：50-54.

【8】汤国安，赵牡丹，李天文，等.DEM提取黄土高原地面坡度的不确定性[J].地理W报，2003，58（6）：824-830.