【GIS实验课】01山区土壤侵蚀评价及其地形的关系——以皖西大别山为例

文末提供练习数据下载。

01

实验目的

（1）掌握栅格数据的常用分析方法：局域计算、区域统计、重分类等；

（2）掌握常用的空间插值方法：IDW插值（反距离权重法）；（3）GIS其它常规操作：数据的裁切、地图输出等。
02实验内容利用通用水土流失方程，评价皖西大别山区土壤侵蚀空间特征：（1）利用IDW插值生成降雨侵蚀力；（2）利用DEM提取坡长坡度因子；（3）计算土壤侵蚀量，土壤侵蚀强度等级；（4）统计土壤侵蚀量与地形之间的关系。03实验步骤◐ 1、土壤侵蚀空间分布格局1.1 降雨因子 R 的获取本文实验中R值的求值方法是采用在安徽大别山区吴素业教授提出的算式：在ArcGIS中使用IDW空间插值（图1）生成全省的R数据，由于数据的分辨率是1000多，所以在进行IDW插值的需要将输出数据的分辨率改为90米(重采样)。图1｜IDW空间插值然后用岳西县的矢量边界按掩膜裁剪（Spatial analyst Tools——Extract by Mask）得到研究区的降雨因子R图层（图3）。图2｜全省R值IDW插值

图3｜降雨因子R

1.2 土壤可蚀性因子 K 的获取本次实践中用的是皖南山区 1：50000 地形图。为了实现栅格坐标变为实际坐标，对其采用最小二乘法的方法其配准是利用最小二乘法原理，其实就是对栅格图像重采样。最后皖南山区的地形图以img格式进行保存。这个时候像元的坐标与栅格坐标轴和3S工作是采用的投影一致。最终对栅格图像进行矢量化、图形的拓扑与编辑、图斑的属性赋值，得到皖南山区土壤类型图。运用GIS生成皖南山区K值分布图（图4）截图｜图4 土壤可蚀性因子K
1.3 地形因子 L,S 的获取（1）坡度提取将yuexi_DEM.img作为输入数据，利用slope工具提取坡度（图5）。

截图｜图5 slope提取

（2）坡度因子S的获取坡度S表达了地貌的特点与土壤侵蚀的关系。在不同的坡度下有着不同的表达式，公式如下：S=10.8sinβ+0.03        β<5°S=16.8sinβ-0.5    5°<β<14°S=21.91sinβ-0.96     β>14°在栅格计算器中输入：

Con("Slope"<5,10.8*Sin("Slope"*math.pi/180)+0.03,Con("Slope"<10,16.8*Sin("Slope"*math.pi/180)-0.5,21.9*Sin("Slope"*math.pi/180)-0.96))则可提取坡度因子S（图6）：

图6｜坡度因子S

（3）坡长因子L的提取（图7）图7｜坡长因子L在地质条件一致的条件下，固定坡长与坡长22.1的土壤侵蚀量的比值。本模型的坡长计算式为:利用栅格计算器输入公式进行坡长因子L的提取：

Pow((cellsize/cos(slope*math.pi/180)/22.1),[a.img])其中计算a因子在栅格计算器中输入的公式为：

(Sin("Slope"*math.pi/180)/0.0896)/(3.0*Power(Sin("Slope"*math.pi/180),0.8)+0.56)/(1+(Sin("Slope"*math.pi/180 ) / 0.0896) / (3.0 * Power (Sin("Slope" * math.pi/180),0.8) + 0.56))通过计算得到坡长因子L，如上图所示。
1.4 作物覆盖与管理因子C与水土保持措施因子P对于C因子的提取，可以在对作物覆盖与管理因子进行研究时通过影像提取，如图8：对前人研究的成果以及过去的资料进行研究，确定了自然的植被与坡耕地的P值为1，水田的P为0.15，通过GIS空间分析功能生生成P值空间分布图，如图9所示：图8｜作物覆盖与管理因子C

图9｜水土保持措施因子P

1.5 全年土壤流失量A

将上述所有已知和已求解因子通过模型计算出区域全年土壤流失量A，在栅格计算器中按照输入各个因子进行相乘，然后再乘以100，得到土壤侵蚀空间分布图，利用重分类工具Rclassfiy按照下表进行分类分级，得到土壤侵蚀程度分布图（图10）：

表一｜土壤侵蚀级别分类表

图10｜土壤侵蚀程度专题图 ◐ 2、土壤侵蚀与环境因子的关系2.1 土壤侵蚀与海拔的关系
使用ArcGIS的Reclassfiy重分类工具（图11）对岳西县DEM分成6个高程带0-100m，100-200m, 200-500m, 500-800m, 800-1200m,1200-1900，每个高程带的赋值分别为1，2，3，4，5，6，得到高程重分类图（图12）。图 11｜Reclassfiy重分类图12｜ 高程重分类图在ArcGIS的Data Managemengt Tool——Zonal中使用面积制图工具“Tabulate Area”得到不同海拔下不同侵蚀程度的面积，如下表二所示：

表二｜不同海拔的土壤侵蚀量面积表

2.2 土壤侵蚀与坡度的关系利用ArcGIS的重分类工具将坡度分为：0-5、5-15、15-25、25-35、35-45、45-90六个级别，得到图13：图13｜坡度重分类图14｜重分类界面在ArcGIS的Data Managemengt Tool——Zonal中使用面积制图工具 “Tabulate Area”得到不同坡度下不同侵蚀程度的面积，如下表所示：

表三｜不同坡度等级中土壤侵蚀的面积表

 2.3 土壤侵蚀与坡向的关系利用Slope工具提取DEM的坡度与坡向，并将其分类得到如下的图15：

图15｜坡向重分类(a)

图15｜坡向重分类（b）
在ArcGIS的Data Managemengt Tool——Zonal中使用面积制图工具 “Tabulate Area”得到不同坡向下不同侵蚀程度的面积，如下表所示：

表四｜不同坡向的土壤侵蚀面积

04实验结论与分析

通过对岳西县土壤侵蚀度的计算，可以发现岳西县西北区域出现大面积较严重的土壤侵蚀，岳西县南部和东北部也出现大面积土壤侵蚀严重的区域，总体来说，岳西县的土壤侵蚀程度还是挺严重，这可能和当地的地势和气候有关，岳西县地势较高，且降雨量较多，容易引起土壤的侵蚀。通过分析土壤侵蚀与海拔的关系，可以得知当海拔大于200米后，土壤的剧烈侵蚀程度的面积就会大大增加，分析不同坡度等级中土壤侵蚀的关系发现，在坡度为0-15°之间各种土壤侵蚀程度类型都有，当坡度大于45°后，土壤的侵蚀类型只有剧烈侵蚀，当坡度在35-45之间时，只有微度侵蚀和剧烈侵蚀；通过分析不同坡向的土壤侵蚀的关系发现，当坡向为水平时，侵蚀程度只有轻微侵蚀，剧烈侵蚀类型分布面积最大的方向为西北方向。

本次实验需要掌握的栅格数据常用分析方法有局域计算、区域统计、重分类等，掌握常用的空间插值方法——IDW插值，在做IDW插值的时候有个小细节需要注意，数据的原始分辨率为1000多，而DEM以及其它已知因子的分辨率均为90米，所以在IDW插值时将输出数据的分辨率改为90米。此外在利用栅格计算器计算时可能会出错，有可能会生成不了所要的数据，对于这种情况我们要耐心对输在栅格里面的程序进行修改，可能是标点符号或名称不符:而对于产生了图层，但明显是错误的，这时候有可能是因为自己另外定义了输出目录，把里面因自己操作不当生成的错误数据删掉而引起的，对于这种情况只需把生成的数据放在默认文件夹下即可，然后再导出到自己想放的位置上。当然在使用栅格计算器计算坡度因子和坡长因子的时候，需要要注意角度化为弧度，需要将角度乘以math.pi/180！对了，最后提醒一句：别忘了进行数据投影！！！练习数据获取，请后台对话框回复“土壤侵蚀”。

作者｜不许人间见白头

排版｜Moon

校阅｜数读菌

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