梯田地形形態(tài)特征及其綜合數(shù)字分類研究

趙衛(wèi)東，湯國(guó)安，徐 媛，周春寅，錢家忠，馬 雷

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥230009；2.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210046）

梯田是黃土高原重要的水土保持工程，在黃土高原小流域綜合治理中占據(jù)十分重要地位。近年來(lái)，國(guó)家加大了黃土高原水土流失綜合治理力度，實(shí)施了大量 “坡改梯”等水保工程。在基于GIS小流域梯田規(guī)劃和設(shè)計(jì)實(shí)踐中，迫切需要能夠?qū)μ萏锏鹊匦芜M(jìn)行有效數(shù)字表達(dá)與分析的DEM技術(shù)支撐，而現(xiàn)有DEM均難以提供適合梯田地形的數(shù)值模擬模型，無(wú)法為國(guó)家新建或改造各類梯田提供梯田規(guī)劃和設(shè)計(jì)等相關(guān)技術(shù)支持。

近年來(lái)，DEM在諸如水土保持、三維地形可視化等諸多領(lǐng)域得到了較廣泛應(yīng)用［1－9］。張彩霞等［10］利用DEM插值軟件ANUDEM，通過(guò)嵌入河流、湖泊等已知信息，采用ANUDEM地形強(qiáng)化算法，使建立的DEM偽下陷點(diǎn)少，甚至沒(méi)有偽下陷點(diǎn)。但張彩霞等［10］還特別指出，由于ANUDEM采用正方格網(wǎng)模型，不僅會(huì)在平坦地區(qū)造成大量數(shù)據(jù)冗余，而且還會(huì)導(dǎo)致其在溝沿線等地形急劇變化之處對(duì)地形進(jìn)行內(nèi)插光滑，使其難以反映該處真實(shí)坡度。因此，盡管DEM能較好表達(dá)各類宏觀自然地形，但在如何有效表達(dá)復(fù)雜梯田等人工地形方面仍然存在諸多理論和技術(shù)問(wèn)題。目前在水保領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的國(guó)家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)中的DEM（1∶1萬(wàn)DEM等）主要面向各類自然地形，其數(shù)字地形分析方法難以滿足梯田等人工地形的準(zhǔn)確數(shù)字地形分析需求［11］。因此，有必要構(gòu)建能夠應(yīng)用于梯田地形的梯田數(shù)值模擬模型，并據(jù)此建立新型DEM的數(shù)字地形分析方法，實(shí)現(xiàn)梯田地形的有效數(shù)字表達(dá)與準(zhǔn)確數(shù)字地形分析。梯田數(shù)值模擬模型的構(gòu)建需要對(duì)梯田地形的平面和剖面形態(tài)特征進(jìn)行深入研究，并對(duì)梯田地形進(jìn)行合理分類。為此，部分學(xué)者對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了初步研究。針對(duì)梯田等具有特殊形態(tài)地形的有效數(shù)字表達(dá)問(wèn)題，Wilson［12］，Drǎgut等［13］和石志寬等［14］均提出充分利用面向?qū)ο笏枷耄瑢?duì)該類與自然地形有較大形態(tài)差異的地形進(jìn)行對(duì)象封裝，并構(gòu)建其特有的數(shù)值模擬模型。

對(duì)梯田地形進(jìn)行數(shù)字分類和利用DEM對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬的研究在國(guó)內(nèi)還不多見(jiàn)，國(guó)際上也未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。祝士杰等［15］利用梯田邊沿約束線的偏移線初步實(shí)現(xiàn)了梯田地形的快速構(gòu)建，但該方法假定梯田均嚴(yán)格沿地形等高線修建，這在一定程度上制約了其對(duì)各類梯田地形的有效數(shù)值模擬。古云鶴等［16］通過(guò)添加黃土高原溝沿線等突變地形特征線，利用ANUDEM局部適應(yīng)性算法，構(gòu)建的DEM能更好地表達(dá)黃土高原溝壑區(qū)的地形特征，該方法既避免了TIN表面的平三角，改善了水文地貌關(guān)系，又表達(dá)了地形的光滑和連續(xù)性特征，同時(shí)使地形的突變特征得到良好表達(dá)。

楊蕾等［17］利用從遙感影像上提取的梯田臺(tái)階邊界線，并通過(guò)求該臺(tái)階線各點(diǎn)的高程加權(quán)平均值的方法確定各個(gè)臺(tái)階的高程值，成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)圓形梯田的三維可視化。

雖然上述研究并沒(méi)有能夠完全實(shí)現(xiàn)梯田地形的有效數(shù)值模擬，但其建模思路和方法對(duì)未來(lái)梯田數(shù)值模擬模型構(gòu)建及其三維可視化研究具有一定的參考意義。

柴慧霞［18］在綜合考慮黃土地貌的基本形態(tài)類型（包括起伏度和海拔）和基本成因類型的基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)1∶100萬(wàn)黃土地貌進(jìn)行了數(shù)字分類，取得了較好的分類成果。該分類方案的思路和方法對(duì)梯田地形的分類具有一定借鑒意義。

1 梯田地形的形態(tài)特征

1.1 梯田地形的總體特征

與自然地形相比，梯田地形具有“繼承性、規(guī)則性、易變性”三大特征。

梯田地形是對(duì)各種自然坡面地形進(jìn)行人工改造而逐步形成的。在坡面總體形態(tài)上，繼承了原有自然坡面的宏觀地形特征，在其地表復(fù)合了各類人工改造的微觀地形特征（梯田的平坦田面和陡直臺(tái)階等），因此，梯田地形具有對(duì)自然地形的繼承性。

經(jīng)過(guò)人工改造的梯田地形，較大程度地改變了自然地形所具有的復(fù)雜多變的形態(tài)特征，一般表現(xiàn)為平面上的平坦展延和規(guī)則排列，剖面上的階梯起伏，具有明顯的規(guī)則性。

由于梯田穩(wěn)定性主要取決于梯田田坎的抗沖（蝕）性，一旦有一個(gè)梯田田坎垮塌，往往會(huì)產(chǎn)生骨牌效應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)坡面梯田的毀損，而重新修整的梯田在田坎高度、田面寬度與形態(tài)等方面均與之前梯田有所不同，因此，與自然坡面相比，梯田地形具有易變性。

1.2 梯田地形的形態(tài)特征及幾何量測(cè)特征

為了構(gòu)建能對(duì)梯田地形進(jìn)行有效數(shù)字表達(dá)與分析的梯田數(shù)值模擬模型，必須對(duì)梯田地形的形態(tài)特征、幾何量測(cè)特征和語(yǔ)義特征進(jìn)行深入研究。梯田地形不僅具有“繼承性、規(guī)則性、易變性”三大總體特征，而且具有獨(dú)特的平面和剖面形態(tài)特征、幾何量測(cè)特征和語(yǔ)義特征。特別是梯田地形具有一系列適合構(gòu)建梯田數(shù)值模擬模型的幾何量測(cè)特征。

通過(guò)對(duì)陜西黃土高原地區(qū)廣泛分布的各類梯田地形的平面及剖面形態(tài)特征、幾何量測(cè)特征和語(yǔ)義特征進(jìn)行分析，總結(jié)和歸納出水平梯田等4類典型梯田特征（表1）。從表1中可以看出，各類常見(jiàn)梯田地形均可通過(guò)原始山坡的坡度、梯田田面傾角和傾向、田埂內(nèi)外坎傾角、田面寬度和高度、梯田臺(tái)階數(shù)量等一系列幾何量測(cè)參數(shù)進(jìn)行定量表達(dá)，這就為未來(lái)構(gòu)建梯田數(shù)值模擬模型奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

表1 梯田地形形態(tài)、幾何量測(cè)和語(yǔ)義特征

2 梯田地形的綜合數(shù)字分類

2.1 傳統(tǒng)梯田地形分類

我國(guó)梯田按其分布地區(qū)分為北方和南方梯田兩大類型，可進(jìn)一步細(xì)分為黃土高原梯田、云貴高原梯田以及江南丘陵梯田等。其中，黃土高原梯田和云貴高原梯田堪作北方和南方梯田的典型代表。根據(jù)梯田種植農(nóng)作物類型的不同，梯田又可分為水梯田（圖1）和旱梯田（圖2）。我國(guó)云貴高原梯田和江南丘陵梯田一般為種植水稻等為主的水梯田，而黃土高原梯田則為種植各種旱植作物的旱梯田。

圖1 云南元陽(yáng)典型水梯田地形（水平梯田）

根據(jù)梯田的剖面形態(tài)，梯田可分為階臺(tái)式梯田和波浪式梯田。階臺(tái)式梯田是在坡地上沿等高線修筑成逐級(jí)升高的階臺(tái)型梯田。根據(jù)其田面坡度的不同，又可細(xì)分為水平梯田、坡式梯田、反坡梯田、隔坡梯田和復(fù)式梯田。其中，水平梯田的田面近似水平，而坡式梯田等其他梯田的田面坡度變化較大，主要與修建梯田的原始山坡天然坡度緊密相關(guān)。復(fù)式梯田是指由水平、坡式、反坡和隔坡梯田組合而形成復(fù)合式梯田。

根據(jù)梯田埂巖性不同，梯田又可分為石?。玻┨萏锖屯凉√萏?。黃土高原多為土埂梯田和少量石坎梯田，中國(guó)南方多山地區(qū)多為石埂梯田。

圖2 陜西綏德辛店溝典型旱梯田地形（水平梯田）

2.2 梯田平面形態(tài)分類

盡管上述傳統(tǒng)梯田分類可有效區(qū)分各類常見(jiàn)梯田地形，但其主要依據(jù)梯田剖面形態(tài)特征進(jìn)行分類，未能對(duì)梯田地形平面形態(tài)特征進(jìn)行有效描述，無(wú)法滿足梯田數(shù)值模擬模型的構(gòu)建需求。為此，作者根據(jù)梯田平面形態(tài)的不同，把梯田分為單核梯田、多核梯田和無(wú)核梯田。單核梯田的梯田臺(tái)階邊沿線（簡(jiǎn)稱“臺(tái)沿線”）中包含多條嵌套式封閉曲線，并形成一個(gè)核心，該核心一般位于圓形或近似圓形梯田臺(tái)階的最中心（圖3中1號(hào)梯田臺(tái)階）。圖3—5中的數(shù)字為梯田臺(tái)階編號(hào)。多核梯田一般是指一個(gè)完整梯田中包含兩個(gè)以上的梯田核心，例如，圖4中的多核梯田包含兩個(gè)梯田核心，其中一個(gè)梯田核心有7個(gè)臺(tái)階（1—7號(hào)臺(tái)階），而另一個(gè)梯田核心僅有兩個(gè)梯田臺(tái)階（11—12號(hào)臺(tái)階）。無(wú)核梯田（圖5）是指沒(méi)有梯田核心的梯田，其臺(tái)沿線不會(huì)自封閉，主要與梯田邊界線或研究區(qū)邊界形成封閉曲線。

根據(jù)梯田平面形態(tài)特征，梯田一般由多個(gè)封閉的梯田臺(tái)階組成，梯田臺(tái)沿線要么自己形成封閉曲線，要么與梯田邊界或研究區(qū)邊界形成封閉曲線，因此，梯田臺(tái)階是組成梯田的基本單元，可作為梯田數(shù)值模擬模型的基本計(jì)算單元。

圖3 單核梯田平面形態(tài)示意圖

圖4 多核梯田平面形態(tài)示意圖

圖5 無(wú)核梯田平面形態(tài)示意圖

2.3 梯田綜合數(shù)字分類

梯田數(shù)值模擬模型的構(gòu)建不僅與梯田平面形態(tài)相關(guān)，而且也與其剖面形態(tài)相關(guān)。為滿足未來(lái)構(gòu)建梯田數(shù)值模擬模型需求，本文提出梯田綜合數(shù)字分類方案。該方案綜合上述傳統(tǒng)梯田分類和作者提出的梯田平面形態(tài)分類，并結(jié)合梯田地形數(shù)值模擬需求，形成一個(gè)完整的梯田綜合分類，其分類結(jié)果如表2所示。根據(jù)該分類，梯田按照剖面形態(tài)分為水平、坡式、隔坡、反坡和復(fù)式梯田，其相應(yīng)數(shù)字編碼分別為10，21，22，23和30。為區(qū)別梯田臺(tái)階的坡度差異，采用兩位數(shù)字表示其類型編碼，第1位數(shù)為1代表坡度為0，為2代表坡度不為0，為3代表坡度不確定。而其他4種梯田分類均以1位數(shù)字代表其類型編碼（詳見(jiàn)表2）。

為了滿足梯田數(shù)值模擬模型及其數(shù)字化表達(dá)需求，在上述梯田地形分類基礎(chǔ)上，基于面向?qū)ο笏枷?，并結(jié)合未來(lái)梯田數(shù)值模擬模型的構(gòu)建需求，對(duì)梯田地形進(jìn)行綜合數(shù)字分類，并對(duì)各梯田類型進(jìn)行統(tǒng)一數(shù)字編碼。本文重點(diǎn)研究階臺(tái)式梯田的綜合數(shù)字分類，其分類結(jié)果如表3所示。

梯田綜合數(shù)字分類采用6位數(shù)字對(duì)梯田類型進(jìn)行綜合表達(dá)，分別按照梯田總體形態(tài)、平面形態(tài)、剖面形態(tài)、田埂巖性和種植作物類型依次排列，例如，編碼111011表示階臺(tái)式單核水平土埂旱梯田；波浪式梯田的編碼為200000。根據(jù)上述梯田綜合數(shù)字分類原則，表3列出了可能出現(xiàn)的各類階臺(tái)式梯田類型，共計(jì)51類。

表2 梯田地形綜合分類成果

3 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有梯田地形分類難以反映梯田地形的平面形態(tài)特征和難以滿足梯田地形數(shù)值模擬模型構(gòu)建需求等問(wèn)題，本文提出基于梯田地形平面形態(tài)特征的梯田分類，并結(jié)合傳統(tǒng)梯田地形分類和未來(lái)利用DEM進(jìn)行梯田地形有效數(shù)字表達(dá)與分析的需求，構(gòu)建出梯田地形的綜合數(shù)字分類。與傳統(tǒng)梯田地形分類相比，該分類綜合考慮梯田的總體特征及其平面和剖面形態(tài)，能更好地反映出梯田特有的形態(tài)特征及幾何量測(cè)特征，其數(shù)字編碼更能適應(yīng)未來(lái)構(gòu)建梯田數(shù)值模擬模型的需求。研究結(jié)果為未來(lái)構(gòu)建梯田地形數(shù)值模擬模型奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)于探討利用DEM實(shí)現(xiàn)梯田地形的有效數(shù)字表達(dá)與分析具有重要理論意義。

表3 階臺(tái)式梯田類型及其數(shù)字編碼

盡管本文提出的梯田地形綜合數(shù)字分類可對(duì)現(xiàn)有各類梯田地形進(jìn)行準(zhǔn)確分類，但如何對(duì)各種梯田類型的獨(dú)特平面和剖面形態(tài)特征進(jìn)行定量表達(dá)、如何實(shí)現(xiàn)各類梯田地形數(shù)值模擬模型的構(gòu)建等問(wèn)題有待于未來(lái)做進(jìn)一步的深入研究。

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