1、基于地形分析的土地利用类型分布研究摘要：随着地理信息系统(GIS)的不断完善以及数字高程模型(DEM)精度的提高，其在应用研究中倍受青睐，据此，本文以达州市通川区为研究区，引入地形位置指数( Topographic Position Index，TPI)，在运用 GIS 技术和 DEM 的基础上，计算出多尺度 TPI 数据，并结合通川区坡度数据，得出相应尺度坡位分类（Slope Position Classification）结果，并通过与土地利用类型数据进行叠加分析，研究不同坡位上各土地利用类型的分布特征，归纳其影响规律，为土地资源的合理利用提供参考信息。 关键词：DEM；坡度；坡位；土地利
2、用；土地类型 中图分类号：U652.4 文献标识码：A 土地利用是人类以生产生活为目的所进行的长期性或周期性的经济活动，它是受自然条件、社会经济条件和技术条件共同决定的土地功能，因此，土地利用类型的分布与这些条件密切相关。目前，针对土地利用格局的研究多从人文因素（如经济力驱动、城镇化发展、政策驱动等）和自然因素（如高程、坡度等地形因子）两个方面分析1-3，并揭示其与土地利用类型时空分布的普遍关系及特征。地形是决定土地利用的重要环境因子，也是众多自然因素中对人类影响最大的因素之一。地形差异是土地利用结构和空间分布格局分异的重要影响因子，特别是在人为活动占优势的区域，地形特征通常成为大尺度人为干扰
3、活动地域分布格局的基本骨架4。Blaszczynski（1997）认为，地形是地球表面一种特殊的地貌形态，从大尺度的平原、山脉到小尺度的山丘、沟谷，对于景观的物理、生物等过程都有着重要的作用5。对自然因素方面的探讨，国内外学者多从宏观角度揭示了地形因子与土地利用时空变化的关系，由于我国地域辽阔，地形条件复杂，高程、坡度等地形因子组合多样，导致不同的研究区域其研究结果不同。本文以地处我国西南丘陵低山地区的四川省达州市通川区为案例区域，利用地形图、土地利用现状图以及实地调研获取的数据，运用 GIS 技术建立研究区 DEM 得到高程、坡度以及坡位三个地形因子，并通过叠加分析，研究各主要土地利用类型在
4、不同高程、坡度、坡位条件下的分布特征，更加清楚地掌握地形因子对土地利用类型分布的影响规律，为土地资源合理利用提供基础性信息。 1、研究区概况 通川区位于四川省东北部，介于东经 10722至 10738和北纬3108至 3118之年，全区幅员 444.5 平方公里，东及东北面与宣汉接壤，北面、南面与达县为邻，是达州市政治、经济、文化中心。区内地形以低山浅丘宽谷为主，地势四周高、中部较低，以州河为主要干流的三条河流流经境内。根据第五次人口普查数据，全区总人口 384525人。全区辖 3 个街道(东城、西城、朝阳)、一个管委会（莲花湖） 、7 个镇(西外、北外、罗江、蒲家、复兴、双龙、魏兴)、3 个
5、乡(新村、磐石、东岳)。 2、数据和方法 2.1 基础数据 本文研究的基础数据主要为通川区分辨率为 30m30m 规则格网 DEM数据（如图 1） ，以及通川区 1:10000 的土地利用现状图（如图 2） 。 根据二调地类代码表以及通川区土地利用现状图，并结合研究需要，本文将通川区土地利用类型主要分为以下八类：耕地、园地、林地、草地、交通运输用地、水域及水利设施用地、其他土地、城镇村及工矿用地。各土地利用类型分布如图 2，数量及所占比例如表 1。 表 1 通川区主要土地利用类型统计表 土地利用类型 耕地 园地 林地 草地 交通运输用地 水域及水利设施用地 其他土地 城镇村及工矿用地 面积/h
6、m2 17855.91 1532.36 17547.11 831.03 363.82 1251.03 251.35 4906.26 比例/% 40.09 3.44 39.40 1.87 0.82 2.81 0.56 11.02 图 1 通川区 DEM 图图 2 通川区土地利用类型分布图 2.2 研究方法及过程 （1）技术路线 基于 GIS 平台，利用通川区 DEM 数据以及土地利用现状图数据，逐步处理，得出数据结果并作简要分析，具体操作流程如下： （2）坡度 坡度（slope）是地表单元陡缓的程度，通常把坡面的垂直高度 h 和水平距离 l 的比叫做坡度（或叫做坡比）用字母 i 表示。坡度的表示
7、方法有百分比法、度数法、密位法和分数法四种，其中以百分比法和度数法较为常用。本文采用的是百分比法，即： 坡度 = (高程差/水平距离)x100% 或（i=h/l100%） 依据国际地理学联合会地貌调查与地貌制图委员会关于地貌详图应用的坡地分类来划分坡度等级，规定：00.5为平原，0.52为微斜坡，25为缓斜坡，515为斜坡，1535为陡坡，3555为峭坡，5590为垂直壁。结合研究区区域坡度特征，本文采用如表 2 所示分类标准对研究区坡度进行分级，各坡度级别分布如图 3 所示。 表 2 坡度分级标准 坡度分级 坡度级代码 2 26 615 1525 25 图 3 各级坡度分布图 （3）地形位置
8、指数（Topographic Position Index，TPI） 地形位置指数( Topographic Position Index，TPI) 是 Andrew Weiss 在 2001 年 ESRI 国际用户大会上提出的，它是地形分类体系的基础参数6。TPI 提供了一种简洁而有力的方式将景观按形态学类别进行归类(Jenness,2005)7。其基本原理是研究目标点与其邻域高程平均值的差值，然后根据差值的正负和大小来确定目标点所处的地形位置，正值代表目标点高于邻域，而负值则代表目标点低于邻域。 由于邻域的选取可大可小，而邻域大小对计算结果有着决定性的影响，因此，应当根据研究目的以及研究区
9、区域特征适当选取。本文针对通川区高程特征（参考图 1） ，由于区域中心部位和边缘部位的高程与其他部位相比差距较大，为提高计算精度，采用了由低到高多种尺度邻域下计算 TPI，主要邻域尺度包括 150m，300m 以及 500m，利用 Arcgis9.3中 TPI 计算工具，针对各尺度逐一计算，并进行综合分析、对比研究。 （4）坡位分类 所谓坡位，即坡度与地形位置的结合，通过不同尺度下地形位置指数（TPI）与坡度（Slope）的综合分析，呈现出相应尺度下的坡位分布。在此过程中，比较常用且便捷的方法是对 TPI 设定阈值8，具体设定标准如表 3： 表 3 坡位分类标准表 编号 类型 分类依据 1 山
10、谷（valley） TPI-1.0Std 2 下坡位（lower slope） -1.0StdTPI-0.5Std 3 平坡位（flat slope） -0.5StdTPI0.5Std,Slope5 4 中坡位（middle slope） -0.5StdTPI0.5Std,Slope5 5 上坡位（upper slope） 0.5StdTPI1Std 6 山脊（ridge） TPI1.0Std 基于以上处理及设置之后，利用 Arcgis9.3 中的坡位分类工具，分别加载不同尺度的 TPI 栅格图及坡度分级图，便可得出不同邻域尺度（150m，300m 以及 500m）下的坡位分类结果，如图 4
11、所示： 图 4 不同尺度下坡位分类图 （5）叠加分析 叠加分析是对输入图层叠加后产生的新要素的属性，按一定的数学模型进行计算分析。叠加的结果不仅生成了新的空间关系，而且还将输入的多个数据层的属性联系起来产生了新的属性关系，本文基于 GIS 平台，将通川区土地利用现状图与不同尺度下所得的坡位分类图进行叠加，主要目的是得到二者新的空间关系和属性关系，以便进行数据的综合分析。 3、结果分析 （1）高程与土地利用类型分布 根据表 1 统计分析以及图 1 和图 2 的对比分析可得，通川区主要地类为为耕地、林地以及城镇村、工矿用地，而耕地主要分布在高程 200m-300m 之间，林地主要分布在高程 500
12、m 以上，城镇村及工矿用地主要分布在高程 200m 以下。 （2）坡度与土地利用类型分布 将通川区土地利用类型分布图（图 2）与通川区坡度分级图（图 3）对比可见，城镇村及工矿用地主要分布在最为平整的区域，坡度一般不超过 6；由于耕地对地形的特殊要求，因此主要分布于坡度低于 15的区域，同时可以明显的看到林地大部分分布在 25以上的区域，坡度在 15-25 度的区域上，也有零星的分布。 （3）坡位与土地利用类型分布 根据图 5 中六种尺度下坡位分类效果图分析可得，随着尺度的增大，山谷（valley）和山脊（ridge）越发凸显，其他坡位类别对比减弱，单纯从中难以得出各坡位类别与土地利用类型的关
13、系，因此，本文利用Arcgis9.3 中的叠加分析工具，将不同尺度下已经转换成矢量图的坡位分类图与通川区土地利用现状图进行叠加，以获得新的空间关系和属性关系，再充分利用属性数据，基于 Microsoft Office 软件进行统计分析。下面就邻域尺度为 150m 的坡位分类图为例，与通川区土地利用现状图叠加，叠加效果图如图 5（以地类为分类显示依据） ，属性关系表如图6（部分）： 图 5 叠加效果图图 6 叠加后属性关系表 基于以上数据，通过统计分析得到 150m 邻域尺度下，土地利用类型分布与坡位的关系数据表，如表 4： 表 4 土地利用类型分布与坡位的关系数据表（150m Neighbor
14、hood） 坡位 土地利用类型 1 耕地 2 园地 3 林地 4 草地 5 交通运输用地 6 水利及水利设施用地 7 其他土地 8 城镇村及工矿用地 1 面积/hm2 8407.12 671.12 7611.30 334.55 187.08 824.13 85.11 2226.79 比例/% 41.27 3.29 37.36 1.64 0.92 4.05 0.42 10.93 47.14 43.83 43.47 40.35 51.49 66.34 33.90 45.41 2 面积/hm2 697.55 62.70 430.33 22.70 15.42 46.33 6.35 231.02 比例/
15、% 46.07 4.14 28.42 1.50 1.02 3.06 0.42 15.26 3.91 4.10 2.46 2.74 4.24 3.73 2.53 4.71 3 面积/hm2 1259.45 118.27 684.58 31.17 30.27 74.00 12.48 441.08 比例/% 47.47 4.46 25.80 1.17 1.14 2.79 0.47 16.62 7.06 7.72 3.91 3.76 8.33 5.96 4.97 8.99 4 面积/hm2 113.24 10.59 176.13 6.98 1.11 9.09 1.56 26.50 比例/% 32.75 3.06 50.94 2.02 0.32 2.63 0.45 7.66 0.63 0.69 1.01 0.84 0.31 0.73 0.62 0.54 5 面积/hm2 635.40 55.94 417.84 17.76 14.21 34.95 6.36 210.55 比例/% 45.56 4.01 29.96 1.27 1.02 2.51 0.46 15.10 3.56 3.65 2.39 2.14 3.91 2.81 2.53 4.29 6 面积/hm2 6720.80 612.47 8190.12 415.91 115.27 253.79 139.22 1767.87
