黄土丘陵沟壑区土地利用空间分布与地形因子关系研究

1、黄土丘陵沟壑区土地利用空间分布与地形因子关系研究    数据预处理以研究区 15 万土地利用现状图表 1 土地利用类型面积统计表Tab 1 Area of land use types土地利用类型 耕地 园地 林地 草地 水域 工矿用地面积/km2655 55 124 78 930 63 1207 01 27 28 3 89占幅员面积比例/% 2223 4 23 3156 4093 093 0 13( 2005 年) 、15 万等高线图作为基本分析图件。    首先运用 ArcGIS 软件对土地利用现状图进行几何校正，在此基

2、础上，对图像进行矢量化处理，得到研究区土地利用现状数据( 表 1) ，然后进行矢栅转换，栅格数据大小定义为 25m ×25m。利用 ArcGIS 软件的分析功能在等高线图上生成数字高程模型 DEM，在此基础上生成高程、坡度、坡向栅格图，栅格数据大小均为 25m ×25m。    2 2 高程、坡向和坡度分级    基于 DEM 的高程、坡度和坡向分级，应该建立在土地利用现状的基础上，以既能体现安塞县的地形特征，又能符合经济规律和自然规律为依据13。文中研究结合安塞县的土地利用特点和地形特征，将高程分为 7 带; 坡

3、度的划分则依据土地利用更新调查技术规定以及动力和重力学原理，分为 6 级; 在输出的坡向数据中，正北方向为 0°，顺时针方向计算，取值范围为 0° 360°，在该研究中把坡向分为 5 级。具体划分标准和结果( 表 2、表 3、表 4) 。    表 2 高程分带及其面积    Tab 2 The land area in each elevation range级别代号 1 2 3 4 5 6 7级别名称 第 1 高程带 第 2 高程带 第 3 高程带 第 4 高程带 第 5 高程带 第 6 高程带 第

4、7 高程带高程界线/m 1100 1100 1200 1200 1300 1300 1400 1400 1500 1500 1600 1600土地面积/km272 04 341 94 783 41 1037 70 546 49 152 98 14 582 3 研究指标研究中用到一个重要指标及计算模型: 分布指数。该指数通过计算土地利用类型的出现频率，反映不同地形因子等级上土地利用类型的分布特征。分布指数的计算公式如下:P = (SieSi) × (SSe)式中: P 代表分布指数; e 代表地形因子，文中分别代表高程、坡度、坡向三大地形因子; Sie 代表在 e 地形因子特定等级下的

5、 i表 3 坡度分级及其面积Tab 3 The land area in each slope range级别代号 1 2 3 4 5 6级别名称 平地 缓平地 缓地 斜坡 缓陡坡 陡坡坡度界线/° 0 2 2 6 6 15 15 25 25 35 35土地面积/km245 90 95 68 332 78 397 32 350 76 1726 69表 4 坡向分级及其面积Tab 4 The land area in each slope aspect range级别代号 1 2 3 4 5级别名称 无坡向 阴坡 半阴坡 半阳坡 阳坡坡向界线/° 10 67 5OR337 5

6、 36067 5 112 5OR292 5 337 5247 5 292 5OR112 5 157 5157 5 247 5土地面积/km299 64 617 64 807 55 801 69 622 62地类面积，Si代表 i 地类的面积，Se 代表整个区域 e 地形因子特定等级下的总面积，S 代表整个区域的面积。由该公式可分别得到高程、坡度和坡向三类地形因子分布指数9。某种土地利用类型的地形分布指数对于其在地形上的空间分布有着一定的指示意义: P 值大于 1，表示第 i 种地类在第 e 级地形上的分布属于优势分布，P 值越大，优势度越高; P 值小于 1，则说明第 i 种地类在第 e 级地

7、形上的分布属于劣势分布，说明该地形级别不适宜该地类分布或者发育14。    利用 GIS 的空间分析功能，将土地利用现状图与高程分级图、坡度分级图和坡向分级图分别进行叠加分析，最后得到不同地形因子的土地利用空间分布情况，对其进行统计汇总，以期找到该地区土地利用类型在不同地形因子上的分布规律，为该地区的土地利用规划提供一定的科学依据6。    3 结果和分析    3 1 土地利用空间分布与地形因子的关系第 6 期 钟德燕 等 黄土丘陵沟壑区土地利用空间分布与地形因子关系研究·103·大

8、，占了该区域的 50 24%，是该区的主导土地利用类型。随着坡度的增加，耕地和园地的分布比例都在减小，而林地和草地的分布比例在增大。从分布指数可以看出: 水域在平地上的分布指数高达 11 15，在其他坡度等级上的分布指数相近，因为水域的分布受水体自身特征的影响，多分布在平地上，受坡度的影响较小。工矿用地的分布指数随着坡度的增加而减小，平地上的分布指数达到 2 71，人类活动大都集中在相对较平缓的地区，因此坡度相对较小的区域是工矿用地的优势分布区。随着坡度的增加，耕地和园地的分布指数减小，主要是因为随着坡度的增大，土壤肥力变差，投入与产出比变小，增加了人们从事农业生产活动的难度。林地和草地在高坡

9、度地区的优势性明显，在陡坡区域，只有林地和草地的分布指数大于1。说明林地和草地对坡度的限制条件具有较强的适应性，在坡度较大的区域适合开发林地或草地，有利于保护高坡度地区的生态环境。    3 1 3 坡向因子影响下的土地利用空间分布特征由于坡向影响着太阳辐射能量的分配和土壤水分的再分布，因此对于农业用地和园地等土地利用类型来说具有重要的研究意义9。结合表4 和表7 可以看出，在无坡向区域，总的土地面积最小，但是耕地分布比例较大，占该级土地总面积的 38 24%，是该区域的土地利用主导方式; 在其他坡向区域林地和草地的分布比例较大。水域的分布基本不受坡向影响，该研究

10、主要分析其他 5 种土地利用类型的坡向分布指数。耕地和园地在无坡向和阳坡区域的分布指数都明显大于 1，这两个区域是耕地和园地的坡向优势区，它们对光照条件要求较高，这些区域太阳辐射强，地形产生的水热条件有利于农作物和经济作物的生长。半阳坡和阳坡是草地的优势坡向分布区，这种分布规律是由该种土地利用类型对光温水的特殊需要而决定的。林地的分布规律性很强，在半阳坡转向阴坡的过程中，分布指数逐渐增大，由 101 增大到 1 09。工矿用地的分布特征受人类生活习惯的影响，在无坡向区域上的分布指数最大，高达 2 51，另外在半阳坡和阳坡方向，分布指数也大于 1，因为这些区域的日照充分，采光较好，成为工矿用地的

11、优势选址区域。    3 2 土地利用空间分布的三维表达由上述分析可以看出，安塞县的土地利用空间分布具有一定的规律性，与表 7 土地利用类型的坡向分布特征表Tab 7 Distribution characteristics of land use types in different aspect levels坡向分级及特征土地利用类型耕地 园地 林地 草地 水域 工矿用地面积/km238 10 6 76 20 67 26 77 7 02 0 331 比例 / % 38 24 6 78 20 74 26 86 7 04 0 33分布指数 1 72 1 60 0

12、66 0 66 761 2 51面积/km2129 80 20 06 212 51 247 66 6 82 0 792 比例 / % 21 02 3 25 34 41 40 10 1 10 0 13分布指数 0 95 0 77 1 09 0 98 119 0 96面积/km2178 97 32 45 269 84 321 61 3 95 0 743 比例 / % 22 16 4 02 33 41 39 82 0 49 0 09分布指数 0 99 0 95 1 06 0 97 053 0 69面积/km2164 45 33 70 255 80 341 65 4 97 1 124 比例 / % 2

13、0 51 4 20 31 91 42 62 0 62 0 14分布指数 0 92 0 99 1 01 1 04 067 1 06面积/km2144 23 31 81 171 81 269 33 4 52 0 925 比例 / % 23 17 5 11 27 59 43 26 0 73 0 15分布指数 1 04 1 21 0 87 1 06 079 1 12图 1 安塞县土地利用空间分布三维景观图Fig 1 Three dimension visualization of land use distribution in Ansai County地理环境关系密切。文中利用 ArcGIS 提供的

14、三维场景分析模块 ArcScene，叠加 DEM 与土地利用栅格图，同时进行适当的高度夸张处理，生成研究区土地利用空间分布三维景观图，该图可直观地显示研究区土地利用空间分布与地理环境的关系。从图 1 可知，该研究区草地面积最大，大部分分布于海拔高于 1400m的陡坡区域，有成片分布的天然草地，也有零星分布的人工草地; 林地分布面积次于草地，以片状分布于高海拔区域的丘岗坡地区域，在研究区南部的梁峁丘陵区集中有大片林场分布，对于防治该区域的水土流失发挥了重要作用; 耕地和园地大部分以条状、斑块状和树枝状分布于水库周围及沿河两岸的平坦地区; 水域的分布受水体自身特征的影响，多分布在海拔相对较低的平地

15、上; 工矿用地主要靠着耕地和园地分布，第 6 期 钟德燕 等 黄土丘陵沟壑区土地利用空间分布与地形因子关系研究·105· 1 1 高程因子影响下的土地利用空间分布特征高程是影响土地利用类型分布的一个重要因素，随着海拔的增加，大气温度，湿度都会有明显变化，结果导致土地利用的方向与方式随高程发生一定规律的变化15。各高程分带的土地利用分布状况如表 5。从表 2 可知，各高程带上的土地总面积差异很大，在第 4 高程带( 1300 1400m) 上的土地面积最大，在第 1、6、7 高程带( 小于 1100m，大于 1500m) 上的土地面积很少。各种土地利用类型随着海拔的增加，具有

16、非常明显的分布层次。    随着海拔的增加，耕地、园地、水域和工矿用地的分布比例逐渐减小，草地的分布比例明显增大，林地则先增大后 变 小。 在 第 1 高 程 带 ( 小 于1100m) 上，耕地面积所占比例最大，为 34 03%，是该区域的主导土地利用方式; 但是随着海拔的增大，耕地的主导性减弱，草地和林地的分布比例变大。在 1600m 以上草地的分布比例高达 74 14%，成为该区域的主导土地利用类型。从分布指数可以看出耕地、园地、水域和工矿用地在 1 3高程带( 1000 1300m) 范围内的分布指数明显大于 1。水域在第 1 高程带上的分布指数达到了 7

17、 59，优势性非常显著。究其原因，低海拔地区的地理环境和水土资源条件更有利于人类生活和从事各种生产活动，水分和热量有利于作物的生长，适宜耕作。随着海拔的增加，地形地貌、气候条件等都不利于人们生产生活。耕地、园地、水域和工矿用地的分布指数逐渐下降，当海拔大于 1500m 时，水域和工矿用地的分布指数等于 0。林地的分布指数呈现峰值现象，先增加后减小，在第 4 高程带( 1300 1400m) 时，林地的分布指数达到最大，是林地的海表 5 土地利用类型的高程分布特征表Tab 5 Distribution characteristics of land use types in different

18、elevation levels高程分级及特征土地利用类型耕地 园地 林地 草地 水域 工矿用地面积/km224 51 11 31 12 51 18 33 5 06 0 321 比例 / % 34 03 15 70 17 37 25 44 7 03 0 45分布指数 1 53 3 71 055 0 62 7 60 3 38面积/km280 09 28 77 88 45 133 24 10 53 0 862 比例 / % 23 42 8 41 25 87 38 97 3 08 0 25分布指数 1 05 1 99 082 0 95 3 33 1 91面积/km2182 56 37 78 250

19、09 302 71 9 07 1 203 比例 / % 23 30 4 82 31 92 38 64 1 16 0 15分布指数 1 05 1 14 101 0 94 1 25 1 16面积/km2234 04 33 25 364 78 401 76 2 56 1 314 比例 / % 22 55 3 20 35 15 38 72 0 25 0 13分布指数 1 01 0 76 111 0 95 0 27 0 96面积/km2114 86 12 17 184 41 234 80 0 06 0 195 比例 / % 21 02 2 23 33 74 42 97 0 01 0 03分布指数 0 9

20、5 0 53 107 1 05 0 01 0 26面积/km219 19 1 47 26 94 105 38 6 比例 / % 12 55 0 96 17 61 68 88 分布指数 0 56 0 23 056 1 68 面积/km20 30 0 03 3 44 10 81 7 比例 / % 2 03 0 21 23 62 74 14 分布指数 0 09 0 05 075 1 81 表 6 安塞县土地利用类型的坡度分布特征表Tab 6 Distribution characteristics of land use types in different slope levels坡度分级及特征土

21、地利用类型耕地 园地 林地 草地 水域 工矿用地面积/km223 06 3 05 6 79 8 10 4 73 0 161 比例 / % 50 24 6 64 14 80 17 65 10 31 0 36分布指数 2 26 1 57 047 0 43 11 15 2 71面积/km224 61 5 83 29 48 34 88 0 76 0 112 比例 / % 25 73 6 09 30 81 36 45 0 80 0 12分布指数 1 16 1 44 098 0 89 0 86 0 91面积/km278 23 14 50 100 20 136 73 2 70 0 423 比例 / % 23

22、 51 4 36 30 11 41 09 0 81 0 12分布指数 1 06 1 03 095 1 00 0 88 0 95面积/km285 69 17 16 127 48 163 26 3 22 0 534 比例 / % 21 57 4 32 32 08 41 09 0 81 0 13分布指数 0 97 1 02 102 1 00 0 88 1 00面积/km273 17 13 86 112 84 147 83 2 61 0 455 比例 / % 20 86 3 95 32 17 42 15 0 74 0 13分布指数 0 94 0 93 102 1 03 0 80 0 98面积/km23

23、70 79 70 39 553 83 716 21 13 26 2 216 比例 / % 21 47 4 08 32 07 41 48 0 77 0 13分布指数 0 97 0 96 102 1 01 0 83 0 97拔优势区。当海拔高于 1500m 时，除草地以外的土地利用类型的分布指数都小于 1，草地的分布占有绝对优势，高海拔区域的天然草地较多，形成了独特的"高山草原"景观。    3 1 2 坡度因子影响下的土地利用空间分布特征坡度是土地资源固有的环境因子之一，对土地利用和土地承载力有直接作用16，影响着地表物质流动和能量转换，对土地利

24、用的方向和方式起着决定性的作用。由表 3 可知，各坡度等级的土地面积差异较大，平地和缓平地的面积较小，分别只占总面积的 1 56% 和 3 24%，陡坡地占的面积比重最大，高达 5855% 。可以看出安塞县的地形较为复杂，大多是丘陵地带。平地区域总面积虽然小，但是耕地所占面积· 104·干 旱 区 资 源 与 环 境 第 26 卷第 26 卷 第 6 期 干 旱 区 资 源 与 环 境 Vol 26 No 62012 年 6 月 Journal of Arid Land Resources and Environment Jun 2012文章编号:1003 7578( 20

25、12) 06 102 06黄土丘陵沟壑区土地利用空间分布与地形因子关系研究*钟德燕，常庆瑞，宋丰骥( 西北农林科技大学 资源环境学院，杨凌 712100)提 要: 以地处黄土丘陵沟壑区的安塞县为例，以土地利用现状图和数字高程模型为基础数据，在 ArcGIS9 3 软件的支持下，分别从高程、坡度、坡向三个方面对地形数据和土地利用数据进行叠加分析处理，研究土地利用空间分布格局与地形因子的关系。研究结果表明: 土地利用空间分布与地形因子关系密切，并呈现一定的规律性。随着海拔的增加，草地的分布比例增大，林地的分布比例先增大后减小，耕地、园地、水域和工矿用地均呈减少趋势; 平坦地区是耕地、园地、水域和工

26、矿用地的优势分布区，大坡度区域是林地和草地的优势分布区; 坡向由阴坡转向阳坡的过程中，林地的分布比例减小，耕地、园地、草地和工矿用地的分布比例增加，水域基本不受坡向影响。在此基础上，构建研究区土地利用空间分布三维景观图，再现土地利用空间分布与地理环境的关系。该研究有助于实现不同地形上土地利用类型的合理布局，优化该区的土地利用结构。      关键词: 黄土丘陵沟壑区; 地形因子; 土地利用; 空间分布     中图分类号: F301 24 文献标识码: A    土地作为人类最宝贵的自然资源，是

27、人类赖以生存和发展的物质基础，随着土地、粮食和人口的问题日益突出1 3，土地利用/覆被的研究已经成为众多学科领域研究的热点和前沿4 6。土地利用是自然环境和人类活动相互作用的一个综合复杂体7。地形作为自然环境的一个重要因素，对区域内的水、热、养分起到再分配的作用，深刻影响着人类利用土地的方式和程度。因此，地形因子是决定区域土地利用空间格局的关键因素之一8，其空间特征影响着土地利用类型的演变过程7。近几年，有不少学者以 DEM 为基础对地形因子与土地利用的关系进行了研究。如孙丽等，以北京延庆县为例，运用 DEM 剖析了土地利用类型的分布及时空变化9; 冯朝阳等，以北京的门头沟区为例，探讨了地形因

28、子对土地利用/覆被变化的影响10; 张方方等，以江西省为例，对南方山地丘陵土地利用类型的地形影响进行了分析11。由于我国地域辽阔，地形条件复杂，高程、坡度、坡向等地形因子组合多样，导致不同的研究区有不同的研究结果12。黄土丘陵沟壑区地形复杂多样，地形因子与土地利用空间分布有着密切的关系。文中以地处黄土丘陵沟壑区的延安市安塞县为研究区域，利用地理信息系统技术，在 DEM 的基础上提取地形因子( 高程、坡度和坡向) ，分析了土地利用的空间分布规律及其与地形因子的相互关系，并构建土地利用空间分布的三维可视化模型，以揭示人、地和环境之间的发展关系，实现不同地形上土地利用类型的合理布局，为土地利用方式的

29、优化提供建议，有助于研究区土地资源的可持续利用。    1 研究区概况    安塞县位于陕西省延安市北部，地处东经 108°51'44 109°26'18，北纬 36°30'45 37°19'31，东及东南与子长县、宝塔区相连，南接甘泉县，西邻志丹县，北与靖边县接壤。境内延水横穿南北，群山虎踞龙蟠。县境南北长 92km，东西宽 36km。幅员面积 2949 14km2。属于中温带大陆性半干旱季风气候，年平均气温 8 9，年平均降水量 497 8mm。该县地处陕北黄

30、土高原丘陵沟壑区，地势西北高，东南低，沟壑纵*收稿日期: 2011 5 10。    基金项目: 国家自然科学基金( 30872073) ; 国家重点基础研究发展计划( 973 项目) ( 2007CB407203) 资助。    作者简介: 钟德燕( 1987 ) ，女，汉族，重庆市永川区人，硕士研究生，研究方向为遥感模型与信息处理。E mail: zhongdeyan nw-suaf edu cn通讯作者: 常庆瑞( 1959 ) ，男，汉族，陕西省子洲县人，教授，博士研究生导师，主要从事资源环境与 3S 技术研究。E mail:

31、 chan-gqr nwsuaf edu cn在山区也有少量零星分布。    4 结论    在 ArcGIS 软件的支持下，进行了基于地形因子的土地利用空间分布格局分析，得到以下结论:该研究区土地利用类型以草地、林地和耕地为主，分别占研究区面积的 40 93%、31 56% 和 22 23%，其它土地利用类型占的比例较小。土地利用空间分布区域差异明显，不同地形因子不同级别下的土地利用主导类型不同，不同土地利用类型的优势分布区不同。耕地和园地主要分布在海拔低于 1300m 且坡度小于 6°的平地和缓平地上，无坡向和阳坡分布较

32、多; 林地主要分布在海拔 1300 1500m 且坡度大于 15°的斜坡、缓陡坡、陡坡之上，阴坡分布多于阳坡; 草地主要分布在海拔大于 1500m 且坡度大于 25°的缓陡坡和陡坡之上，阳坡分布多于阴坡; 水域和工矿用地主要分布在海拔低于 1300m 的平地上。可以看出地形因子是影响该研究区土地利用类型的一个重要因素。低海拔、地势平缓区域，水源充足，交通便利，气候条件适宜，人类对土地利用的干扰强度大，耕地和园地资源丰富; 高海拔、地势陡峭区域，人类对土地的干扰程度明显减弱，土地系统相对稳定，以草地和林地分布为主。这种分布符合黄土丘陵沟壑区的自然规律和社会经济规律。针对该研究

33、区的特点，基于栅格单元的土地利用与地形因子分析方法能够准确地描述各种土地利用类型与海拔、坡度和坡向的关系。同时，运用 DEM 与土地利用空间分布栅格图建立的三维景观图，为人们直观地展示了一个现实的地质区域，有利于人们辨识土地利用空间分布与所处地理环境的关系。该研究对于研究区土地利用的合理性具有指导意义，有助于优化该区的土地利用结构，实现不同地形区域上土地利用的合理布局，以达到研究区生态、经济和社会效益的统一，为区域的整体协调发展发挥作用。    参 考 文 献    1李秀彬 全球环境变化研究的核心领域 土地利用/土地覆被变化的国际动

34、向J 地理学报，1996，51( 6) : 553 5582陈百明，刘新卫，杨红 LUCC 研究的最新进展评述J 地理科学进展，2003，21( 1) : 22 293徐霞，王静爱，贾海坤，等 内蒙中部地区不同生态区土地利用格局分布特征J 地理科学进展，2005，24( 3) : 44 504verburg P H，veldkamp T A，Boumma J Land use change under conditions of high population pressure: the case of JavaJ Global EnvironmentalChange，1999，9: 303

35、3125于兴修，杨桂山 中国土地利用/覆被变化研究的现状与问题J 地理科学进展，2002，21( 1) : 51 576柳长顺 土地利用变化研究方法的探讨 以西吉县 80 年代土地利用变化为例J 水土保持学报，2002，16( 5) : 60 667吴学伟，龚文峰，袁力 基于 DEM 黑龙江省土地利用定量分析J 东北林业大学学报，2009，37( 9) : 74 758梁发超，刘黎明 基于地形梯度的土地利用类型分布特征分析 以湖南省浏阳市为例J 资源科学，2010，32( 11) : 2138 21449孙丽，陈焕伟，潘家文 运用 DEM 剖析土地利用类型的分布及时空变化 以北京延庆县为例J

36、山地学报，2004，22( 6) : 762 76610冯朝阳，于勇，高吉喜，等 地形因子对京西门头沟区土地利用/覆盖变化的影响J 山地学报，2007，25( 3) : 274 27911张方方，齐述华，舒晓波，等 南方山地丘陵土地利用类型的地形影响 GIS 分析 以江西省为例J 地球信息科学学报，2010，12( 6) :784 79012黄海洋，杨庆媛，王成 基于 DEM 的土地利用类型与地形因子关系研究 以重庆市酉阳县麻旺镇为例J 西南大学学报( 自然科学版) ，2009，31( 4) : 159 16413刘瑞民，杨志峰，沈珍瑶，等 基于 DEM 的长江上游土地利用分析J 地理科学进展

37、，2006，25( 1) : 102 10814代冬梅，吴国平，司惠超 基于 DEM 的浏阳市土地利用空间格局分析J 安徽农业科学，2009，37( 3) : 1231 123415邹敏，吴泉源，逄杰武 基于 DEM 的龙口市土地利用空间格局与时空变化研究J 测绘科学，2007，32( 6) : 173 17516仙巍，邵怀勇，周万村 基于 3S 技术的三峡库区不同坡度带与坡向带的景观格局研究 以巫溪县为例J 中国生态农业学报，2007，15( 1) : 140 144· 106·干 旱 区 资 源 与 环 境 第 26 卷Relationship between terr

38、ain factors and spatial distribution of land use in loesshilly and gully areaZHONG Deyan，CHANG Qingrui，SONG Fengji( College of Resources and Environment，Northwest AF University，Yangling，Shaanxi 712100，P R China)Abstract: The relationship bewteen land use spatial pattern and terrain factors in Ansai county，Shaanxi provincewas studied Based on the digital elevation model ( DEM) and land use data，with the support of GIS softwareArcGIS 9 3，t