基于DEM的土地利用分布与地形因子关系研究

罗丹 王涛 张庭瑜

摘要 以山西省垣曲县为研究区，基于研究区土地利用现状和DEM数据，利用ArcGIS 10.3对研究区高程、坡度、坡向等地形因子进行提取，将地形特征与土地利用现状叠置分析，得到该地区不同高程、坡度、坡向上的土地类型分布情况。结果表明，土地利用的空间分布与地形因子具有显著相关性。在低海拔、小坡度的无坡向和阳坡地区，土地利用类型多受到人类活动的影响，耕地、园地、居民点及工矿用地多分布于这一地区;高海拔、大坡度的地形对林地、草地的变化影响较大;水域多分布于低海拔、地势平缓地区，受坡向影响不大。

关键词 土地利用分布;地形因子;ArcGIS;DEM分布指数;垣曲县

中图分类号 F 301.2  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）20-0076-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.021

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research on the Relationship between Land Use Distribution and Terrain Factors Based on DEM—A Case Study of Yuanqu County，Shanxi Province

LUO Dan WANG Tao ZHANG Ting-yu 3，4，5 （1.Land Surveying，Planning and Design Institute of Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.，Ltd.，Xian，Shaanxi 710075;2.Institute of Land Engineering and Technology，Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.，Ltd.，Xian，Shaanxi 710075;3.Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co.，Ltd.，Xian，Shaanxi 710075;4.Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering，Ministry of Natural Resources，Xian，Shaanxi 710075;5.Shaanxi Provincial Land Consolidation Engineering Technology Research Center，Xian，Shaanxi 710075）

Abstract Taking Yuanqu County of Shanxi Province as the research area，based on the current land use status and DEM data of the research area，ArcGIS 10.3 is used to extract terrain factors such as elevation，slope，and aspect of the research area，and the topographic features and current land use status are superimposed and analyzed to obtain different elevations，slopes，and slope upwards in the area.The results showed that the spatial distribution of land use had a significant correlation with topographic factors.In low-altitude，low-slope，non-slope and sunny slope areas，land use types were mostly affected by human activities.Cultivated land，garden plots，residential areas，and industrial and mining land were mostly distributed in this area.High-altitude，large-slope terrain had a greater impact on the changes of woodland and grassland;waters were mostly distributed in low-altitude，gentle terrain，and were not affected by the slope aspect.

Key words Land use distribution;Topographic factors;ArcGIS;DEM distribution index;Yuanqu County

基金项目 长安大学中央高校基本科研业务费专项资金项目（300102351502）;陕西省土地工程建设集团有限责任公司科研项目（DJNY2021-10）。

作者简介 罗丹（1991—），女，山西运城人，工程师，硕士，从事遥感与GIS应用研究。*通信作者，高级工程师，从事土地测绘应用研究。

收稿日期 2021-05-21;修回日期 2021-06-27

土地是人类赖以生存和发展的最基本的自然资源[1-2]。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[3-4]，是人类主要生产活动方式的反映。地形因子作为自然环境中的重要因素，是土地利用格局空间分布的重要影响因子，深刻影響着人类利用土地的方式和程序。通过对土地利用类型与地形因子关系的研究，能够更加清楚地了解地形因子对土地利用类型分布的影响规律[5]，从而更好地掌握土地利用的现状和未来趋势[6]。

黄土高原地形复杂多样，地形因子与土地利用空间分布有着密切的关系。笔者以山西省垣曲县土地利用数据为基础数据，应用DEM和ArcGIS软件，通过空间叠置分析，准确且快速得到土地利用空间格局与地形因子的关系[7];探讨土地利用空间格局的分布特征，研究土地利用的空间分布规律及其与地形因子之间的相互关系，优化不同地形上土地利用类型的合理布局，以期为区域土地可持续利用、土地管理决策以及生态环境建设提供理论支持[8-9]。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

垣曲县位于山西省运城市东端，地处111°31′～112°10′E、35°00′～35°39′N。东北与阳城、沁水两县毗连，北与翼城、绛县接壤，西与闻喜交界，西南连接夏县，东邻河南省的济源市，南与河南省三门峡市的渑池县、洛陽市的新安县隔河相望。背靠中条山，西倚中条支脉，东邻太行山、王屋山，南临黄河，呈现为三面环山、一面临水的丘岭小盆地特有的多样化小气候，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，年均气温13.5 ℃，年均降水量631 mm，无霜期230 d。垣曲县地势西北高、东南低，中部为垣曲山间盆地，呈北宽南窄的葫芦形展布。境内较大河流有毫清河、允西河、板涧河、西阳河、五福涧河等，均由北而南注入黄河。河流两岸多为狭窄的河谷平原，灌溉方便，人烟稠密，为主要农作区。

1.2 数据来源及处理 利用ArcGIS 10.3对垣曲县2018年1∶5万土地利用现状图进行数字化，以《全国土地分类》为标准[10]，结合实际情况及研究需要，将土地利用现状分为7类：耕地、园地、林地、草地、居民点及工矿用地、水域、其他用地。DEM数据来源于地理空间数据云，对数据进行拼接裁剪，用Spatial Analyst模块的Slope、Aspect，生成坡度、坡向图;Reclassify工具对高程、坡度、坡向进行重分类;将地类图层与地形因子分级成果进行叠置分析，得到地形因子与土地利用的分布情况（图1）。

1.3 地形分布指数

为了消除面积差异量纲的影响[11]，引入地形分布指数来描述地类在该地形因子级别上是否呈优势分布。计算公式如下：

P=（Sie/Si）×（S/Se）

式中，P为分布指数;Sie为在e地形因子该等级下的i地类面积;Si为i地类的面积;Se为整个区域e地形因子该等级下的总面积，S为整个区域的面积。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具有指示意义[12]：P> 表示该地类在该级地形上的分布高于其他地类在该区域的平均分布水平，属于优势分布，且P值越大，该地类在该地形等级上优势度越高;P< 则该地类在该地形因子级别上的分布属劣势分布，说明该地类不适宜分布在该地形上[13]。

2 结果与分析

2.1 土地利用现状分析 由于垣曲县地处山地，土地利用现状结构中林地所占面积最大，占整个垣曲县土地总面积的57.66%。耕地在土地利用现状结构中仅次于林地，占总面积的19.15%，其中旱地面积占耕地面积的90%以上。草地面积次于耕地，其中99%以上为其他草地，人工牧草地所占比例较小。园地所占面积较小，仅占土地总面积的0.45%。剩下的依次为居民点及工矿用地、水域、其他用地（表1）。

2.2 高程、坡向和坡度分级

将研究区地形因子进行分级，结果见图2。垣曲县海拔最高点为2 306 m，最低点为194 m，平均海拔为1 250.5 m。将研究区分为7个高程带：400 m以下为第1高程带，400～600 m为第2高程带，>600～800 m为第3高程带，>800～1 000 m为第4高程带，>1 000～1 300 m为第5高程带，>1 300～1 700 m为第6高程带，1 700 m以上为第7高程带。第2高程带土地面积最大，占总面积的27.27%，第3高程带次之，占总面积的21.06%，第1高程带占总面积的15.41%，第3高程带之后土地面积依次递减，第7高程带所占比例最小。可见研究区地形起伏较大，在各高程带均有土地分布。

垣曲县坡度为0～63.33°，将坡度划分为6级：0～2°为平地，>2°～6°为缓平地，>6°～15°为缓地，>15°～25°为斜坡，>25°～35°为缓陡坡，>35°为陡坡[14]。缓地所占面积最大，占总面积的36.57%，斜坡次之，占总面积的27.06%，平地和陡坡所占比例相当，均为4%左右。研究区地形较为复杂，以丘陵地带为主，坡度主要集中在6°～25°。为了便于计算，将坡向合并为5个：平地即坡向界线为- 为无坡向;南、西南为阳坡;北、东北为阴坡;西、东南为半阳坡;西北、东为半阴坡[15]。研究区无坡向较少，仅占总面积的2.59%，阴坡、半阴坡、半阳坡、阳坡依次递增，所占比例分别为19.76%、23.02%、26.77%、27.86%。

2.3 地形因子影响下的土地利用空间分布特征

从图3和表2可以明显看出，第6、第7高程带主要分布在研究区西北部，而第1、第2高程带主要分布在东南部，表明研究区地势西北高、东南低。各种土地类型随着海拔的变化，具有非常明显的分布层次。耕地在第1、第2高程带所占比例占整个耕地面积的81.05%，在海拔超过600 m的地区分布指数均小于 且呈依次递减趋势，不适宜耕种。水域在第1高程带上分布指数为2.70，优势性显著。居民点及工矿用地在海拔200～800 m的分布指数大于 在海拔高于800 m地区，分布指数随海拔的升高而降低;海拔较低的地区具有更有利于人类生活以及从事生产活动的地理条件和水土资源条件，热量和水分等对于作物的生长十分有利，适宜耕种;而随着海拔的升高，气候条件、地形地貌不利于人类生活和从事生产活动。园地主要分布在第1、第2高程带，占园地总面积的86.17%，海拔高于1 300 m的地区分布指数为0，高海拔不利于果树生长发育。林地的面积分布呈现峰值现象，在第4高程带面积最大，在海拔高于800 m的地区地形分布指数大于 在第7高程带除林地和其他用地外，其他地类分布指数均小于 且分布指数高达5.28，可见林地在第7高程带上具有较大优势。其他用地在第7高程带分布指数高达20.2 具有绝对优势。这是由于景区大部分位于高山上，历山国家级森林公园就坐落于垣曲县西北部，整个景区受人类经济活动干扰较少，自然生态环境保持相对完好。草地在第2高程带分布最多，在第4、第5高程带上分布指数大于 呈优势分布，在第4高程带以上地区面积比例逐渐下降。

平地、缓平地主要集中在研究区中部和南部，缓陡坡、陡坡主要分布在研究区东北部和西南部。平地占总面积比例最小，但在这一地区耕地所占面积最大，园地分布指数最高。耕地和园地集中分布在平地、缓平地、缓地上，分别达到总面积的81.2%和90.51%，分布指数随坡度的上升而下降，主要原因是坡度影响土壤肥力，且坡度越高，投入耕种成本越高，加大了人类从事农业生产活动的难度。水域在平地分布指数为4.25，优势性显著，随着坡度升高分布指数逐渐降低，由于受到水体自身特征的影响，水域多分布在平地上。居民点及工矿用地分布指数在平地对比其他地区达到最高，分布面积随坡度上升而减少，因为人类从事生活和生产活动多集中在地势平坦的地区。林地和草地集中分布于坡度大于15°的地区，达到总面积的90%以上，分布指数呈峰值现象，在斜坡地区达到峰值，在缓陡坡地区分布指数大于 属于优势分布。林地和草地在坡度高的地区优势性明显，对高坡度的环境具有较强的适应性。在陡坡地区，只有其他用地分布指数大于 说明在这一坡度界限内具有绝对优势。

坡向对于山地生态有着较大的作用，山地的方位对日照时数和太阳辐射强度有影响，对耕地和园地的分布有很大影响。无坡向地区土地面积最小，占总面积的2.59%，但在这一地区耕地、园地分布指数相比其他坡向为最大值，且除此外只有在半阳坡和阳坡分布指数大于 说明耕地、园地在无坡向地区和阳坡地区优势性显著，这是因为这些地区可为作物生长提供足够的光照，适宜耕种。林地、草地分布受坡向影响不明显，除在无坡向地区分布较少外，在其他各坡向分布较为均匀，在半阴坡和阴坡分布指数大于 说明在这些地区属优势分布。居民点及工矿用地在无坡向和阳坡地区分布指数大于 有75%以上分布在这些地区，这是由于人类从事生产和生活活动多集中在平地，且有一定的采光要求，所以这些地区相对其他区域具有优势性。坡向对水域分布无明显影响。

3 结论

由研究区土地利用现状数据可知，该地区土地利用类型主要为林地、耕地、草地，分别达到总面积的57.66%、19.15%、14.33%，占整个地区土地面积的90%以上，其他土地利用类型所占比例较小。土地利用类型的空间分布明显受到地形因素的影响和制约，土地利用和地形因子具有显著的相关性。耕地和园地主要分布在高程小于1 100 m且坡度小于15°的平地、缓平地和缓地上，在无坡向和阳坡地区分布较多;林地主要分布在海拔500 m以上且坡度大于15°的斜坡和陡坡上，受坡向影响不大;草地主要分布在海拔800 m以下且坡度大于15°的斜坡和陡坡上，阳坡上分布大于阴坡;居民点及工矿用地多分布于海拔低于800 m且坡度小于15°的平地和缓地上，在无坡向和阳坡上分布较多;水域主要分布在海拔低于500 m且坡度小于6°的缓地和缓平地上，受坡向影响不大。综上所述，在低海拔、地势平缓、阳光充足且水源丰富的地区;适宜人类进行各种生产和生活活动，耕地和园地多分布于这一类地区;而在高海拔、地势陡峭的阴面地区，恶劣的外部环境限制人类活动，故林地和草地多分布于这些地区。

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