梯田區(qū)侵蝕地形因子隨DEM分辨率變化的特征分析

張宏鳴 楊勤科 王 猛 楊江濤 王美麗 晉 蓓

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西楊凌 712100； 2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710069；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100； 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，陜西楊凌 712100)

梯田區(qū)侵蝕地形因子隨DEM分辨率變化的特征分析

張宏鳴1楊勤科2王 猛1楊江濤3王美麗1晉 蓓4

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西楊凌 712100； 2.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710069；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100； 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，陜西楊凌 712100)

通過無人機航空攝影測量，獲取高精度DEM，分析提取的坡度、坡長和LS因子，同時通過分辨率的變化，計算并分析了這些參數(shù)的變化情況。研究表明：基于無人機獲取的DEM能夠較好地表達(dá)梯田地形特征，梯田地形因子分布特征與地形特征吻合，大值集中于梯田過渡的陡坡處，小值集中于田面。隨著分辨率的降低，非梯田區(qū)坡度整體呈現(xiàn)衰減趨勢，坡長呈現(xiàn)增長趨勢，LS先小幅增加，后由于坡度衰減明顯，LS呈現(xiàn)衰減趨勢，但變化幅度不大；而梯田區(qū)隨著分辨率的降低，小坡度和超大坡度所占比例均減小，平均坡度降低，但坡長增加顯著，因此導(dǎo)致LS增長較顯著，在20 m分辨率下，LS因子被高估約1/3。梯田通常作為水保措施因子單獨來考慮，由于分辨率對地形因子影響較大，因此梯田區(qū)的地形因子估算需要考慮分辨率的影響。

土壤侵蝕； 中國水土流失方程； 地形因子； 梯田； 數(shù)字高程模型

引言

地形是土壤侵蝕和水土保持措施布設(shè)的重要影響因子，坡度、坡長和坡度坡長因子(Slope length and steepness factor，LS)成為侵蝕模型的重要參數(shù)[1-5]，且在世界范圍的中小流域和區(qū)域土壤侵蝕評價中得到了廣泛應(yīng)用[6]。通常地形因子基于數(shù)字高程模型(Digital elevation model，DEM)來提取。DEM的分辨率對地形因子的獲取影響較大[7]，而DEM數(shù)據(jù)源及采集方式主要有3種[8-9]：①實地測量，這種方式精度高，但大尺度上工作量巨大。②地形圖數(shù)字化，但部分柵格是空間插值的結(jié)果，真實地形的凹陷和凸起常常被忽略。③遙感，但地形的突變細(xì)節(jié)很難解譯。近年來，DEM獲取技術(shù)發(fā)展迅速，航空攝影測量、干涉測量法、LiDAR(Light detection and ranging techniques)，尤其是無人機技術(shù)，能夠方便、快捷地獲得較高精度的DEM。

梯田是人類在坡耕地上探索的一種水土保持措施。梯田的修筑很大程度上開發(fā)了坡耕地的農(nóng)業(yè)生長潛力，具有蓄水、保土作用[10]。我國梯田廣泛分布在北方黃土高原區(qū)和南方低山丘陵區(qū)。梯田的修建，改變了地表起伏程度，使坡度、坡長等變化較大，受DEM獲取方式、分辨率的限制等，梯田的地形特征一直很難有效地表現(xiàn)，進(jìn)而侵蝕地形因子也無法真實反映梯田的影響。因此，前人的研究多集中在如何構(gòu)建適合的梯田 DEM[10-12]，盡管在侵蝕模型中，考慮到梯田的水土保持作用，如通用土壤流失方程[2]的P(工程)因子[13]，中國土壤侵蝕方程[3]中的E(水土保持措施)因子。但是梯田地形條件下，提取的LS因子分布特征、梯田區(qū)DEM分辨率對LS因子的影響還鮮有報道。

本文在前期研究基礎(chǔ)上[14-19]，通過無人機航空攝影測量獲取大面積、高精度梯田DEM，同時對DEM進(jìn)行降尺度變換，對不同分辨率下的DEM提取坡度、坡長、S因子、L因子和LS因子，分析其變化規(guī)律，同時對比地形圖獲取DEM提取的各個因子，進(jìn)而為地形因子在梯田地形上的分布特征、變化過程、區(qū)域土壤侵蝕的定量評價提供理論支持。

1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及研究方法

1.1 研究區(qū)域

黃土高原是我國也是世界上水土流失最嚴(yán)重和生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)之一，該區(qū)域的土壤侵蝕調(diào)查也成為較為迫切的需求。鑒于前期研究積累，同時為了進(jìn)行對比說明，本文分別對無人機提取的梯田區(qū)DEM與地形圖數(shù)字化獲得的非梯田區(qū)DEM進(jìn)行地形因子提取，并對比。

研究樣區(qū)1：甘肅榆中地區(qū)，為黃土高原梯田區(qū)。榆中地區(qū)山地較多，且坡大溝深、水土流土異常嚴(yán)重，長期以來水土流失異常嚴(yán)重，再加上干旱少雨，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)往往是廣種薄收。為減少坡面水土流失程度和增加農(nóng)作物產(chǎn)量，近20年，榆中人民在各類山坡坡面上修建梯田、魚鱗坑等坡面水土保持工程[20]。因此該地區(qū)是典型黃土丘陵旱梯田區(qū)域。該實驗樣區(qū)DEM數(shù)據(jù)及所在黃土高原地區(qū)的位置，如圖1a所示，梯田根據(jù)田面坡度的不同，一般分為水平梯田、坡式梯田、隔坡梯田和軟埝梯田[21]，研究區(qū)以水平梯田為主。

圖1 實驗樣區(qū)Fig.1 Study areas

研究樣區(qū)2：陜北縣南溝流域[16]，如圖1b所示。該流域地處黃土高原中部，面積約44.85 km2，是典型黃土丘陵地貌高原區(qū)代表，該地區(qū)溝谷發(fā)育充分，水土流失嚴(yán)重，比較適合做地形指標(biāo)提取算法的測試，且該地區(qū)梯田較少，試驗結(jié)果能夠為黃土高原侵蝕地形因子非梯田區(qū)的提取提供有力參考，同時也能夠與梯田侵蝕地形因子計算結(jié)果進(jìn)行對比。

1.2 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

研究樣區(qū)1：于2015年3月份拍攝。低空無人機航攝影像點云數(shù)據(jù)生成的為數(shù)字表面模型(Digital surface model，DSM)[22]，由于研究區(qū)所在范圍在該段時間幾乎沒有植被覆蓋，建筑用地較少，可通過對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分為地面點和非地面點兩類，將非地面點作為噪聲處理，通過濾波后得到剔除非地面點的DEM。拍攝期，風(fēng)力小于4級，天氣晴朗，能見度高，飛行采用自動起飛/規(guī)劃航線飛行/自動降落模式，全程總計耗時約24 h。采用安翔動力公司開發(fā)的AF1000型無人機，翼展2.7 m，質(zhì)量14 kg，航時3 h，有效載荷2 kg，飛行航高90 m，搭載SONYA5100型相機，單幅影像尺寸約340 m×500 m，影像分辨率0.05 m，基于精度要求，樣區(qū)范圍共布設(shè)83個地面控制點(圖1a，綠色點)，主要分布在起飛點附近的梯田田坎、道路交叉口中心，使用RTK進(jìn)行測量，可用于空三運算和精度檢測。同時用這些點來檢測影像集合定位精度，保證校正影像在侵蝕檢測中的基本應(yīng)用需求。數(shù)據(jù)處理采用Agisoft photoscan軟件，導(dǎo)入影像、POS數(shù)據(jù)及控制點數(shù)據(jù)，受計算能力限制，將整個區(qū)域等分成25個測區(qū)塊進(jìn)行處理，平均每塊5 000幅左右照片，對每塊逐一進(jìn)行點云提取和立體模型建立，最后再進(jìn)行合并、紋理提取。采用Xian 1980 3 Degree GK CM 108E投影，DEM分辨率0.5 m，30 000行×24 000列。本次實驗采用相同的83個野外檢查點對像控點中誤差進(jìn)行計算，高程中誤差0.32 m。研究區(qū)田坎高度在0.5～5 m之間，因此該精度能夠表現(xiàn)梯田的基本特征。根據(jù)實驗過程要求，再根據(jù)點云數(shù)據(jù)分別生成1、2、5、10、15、20 m分辨率DEM。依據(jù)無人機影像制作的1∶500地形圖的平面和高程精度均滿足《1∶500 1∶1 000 1∶2 000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》對1∶500平地、丘陵的成圖要求。

研究樣區(qū)2：DEM數(shù)據(jù)是基于1∶10 000數(shù)字地形圖(包括等高線、高程點和河流)，在ANUDEM軟件下生成的Hc-DEM(圖1b)，數(shù)據(jù)分辨率為2.5 m。1∶10 000數(shù)字地形圖由國家基礎(chǔ)地理信息中心提供，符合文獻(xiàn)[23]要求。在ANUDEM軟件下分別生成分辨率為2.5、5、10、15、20 m數(shù)據(jù)。

1.3 提取方法

本文地形因子算法基于LIU等[3，5]的中國土壤侵蝕方程(CSLE)，CSLE中LS因子計算公式為

(1)

L=(λ/22.1)m

(2)

(3)

式中S——坡度因子

θ——DEM提取的坡度,(°)

L——坡長因子

λ——DEM提取的坡長,m

m——坡度坡長指數(shù)

22.1 m為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長。因為坡長計算考慮較周全，因此LS因子的計算使用LS_TOOL[14-18]完成。

前人研究表明，高精度DEM上采用D8算法[24]，提取S因子精度較高[25]，因此本文坡度計算采用D8算法。L因子的提取及基于等高距小于0.7 m的地形圖獲取的DEM上提取結(jié)果和真值更加接近[26]。因此本文對坡長分級結(jié)果的分析只針對0.5 m分辨率條件下。為了估算坡長的計算精度，本文選取50個樣點(圖1a，紅色和紫色)，為剔除數(shù)據(jù)邊界導(dǎo)致的誤差影響，樣點均位于一個完整流域內(nèi)(圖1a，白色邊界)，根據(jù)ZHANG等[27]的方法，以田坎為起點，沿等高線垂線方向，在ArcGIS軟件中測量樣點坡長，作為參考值。梯田區(qū)坡長平均絕對值誤差為1.4 m，標(biāo)準(zhǔn)差1.7 m，均方差0.9 m。根據(jù)RENARD等[2]的研究表明，坡長在10 m內(nèi)的誤差對LS因子的影響均可接受。因此本文坡長可供L因子計算使用。

1.4 坡度坡長分級方法

根據(jù)文獻(xiàn)[28]中對土壤侵蝕面蝕(片蝕)強度分級的規(guī)定將坡度分級為小坡度(θ≤5°)、中小坡度(5°～8°)、中等坡度(8°～15°)、中大坡度(15°～25°)、大坡度(25°～35°)、超大坡度(θ>35°)。黃土坡面侵蝕過程中，有研究[29]表明5 m前后差異較大，魏天興等[30]研究建議15 m為臨界坡長，結(jié)合前人研究結(jié)果[31-32]和梯田寬度狀況，將坡長分級為：短坡長(λ≤5 m)、中短坡長(5～15 m)、中等坡長(15～25 m)、中長坡長(25～50 m)、長坡長(50～100 m)、超長坡長(λ>100 m)。

圖2 0.5 m分辨率下地形因子的累積頻率曲線Fig.2 Cumulative frequency and frequency curves of LS factor and its parameters in 0.5 m grid size

2 結(jié)果與分析

2.1 梯田侵蝕地形因子空間格局分析

圖3 0.5 m分辨率下侵蝕地形因子計算結(jié)果(龍泉)Fig.3 Average LS value under different resolutions (Longquan Village)

0.5 m分辨率下，研究區(qū)1的坡度范圍為0°～87.97°，坡長范圍為0.25～180.35 m，LS因子范圍為0.01～48.5。各項指標(biāo)的頻率分布和累積頻率分布情況如圖2所示，由于田面所占面積比例較大，因此，小坡度約占18.69%、中小坡度約占10.50%、中等坡度約占19.99%、中大坡度約占20.29%、大坡度約占15.43%、超大坡度約占15.10%；由于LS_TOOL在計算坡長時考慮了坡度變化引起的截斷[14-18]，因此坡長在梯田邊緣處的截斷明顯，90.64%坡長小于12 m(圖2b)。L、S和LS因子受坡度和坡長的共同作用，與梯田變化特征類似(表1)。91.75%的LS因子小于7(圖2c)，短坡長主要集中于梯田田面位置(表1)。各指標(biāo)平均值情況如表1所示(0.5 m)，平均坡度18.68°，平均坡長4.22 m，LS因子平均值2.36。由于S因子變化與坡度變化正相關(guān)，L因子變化與坡長正相關(guān)，因此，本文主要對比坡度、坡長和LS因子。

截取研究區(qū)DEM、光照暈渲圖、可見光影像及部分分辨率下的計算結(jié)果，如圖3所示，0.5 m分辨率下，DEM、光照暈渲圖與可見光影像對比，梯田的細(xì)節(jié)表現(xiàn)清晰，能夠反映該類地形的變化特征。坡度、坡長、LS因子計算結(jié)果合理，也與地形特征吻合。與可見光影像對比，可以清晰地識別梯田田坎變化引起的坡度變化、坡長截斷和LS因子的變化。如圖4所示，短坡長(70.18%)集中于田面，中短坡長(12.65%)、中等坡長(10.79%)集中于梯田過渡區(qū)的陡坡坡底，中長坡長(4.13%)、長坡長(1.91%)和超長坡長(0.34%)集中于非梯田區(qū)的坡面底部。坡度因子、坡長因子與坡度、坡長正相關(guān)，分布情況也與之對應(yīng)。LS因子分布情況與坡度分布相似，主要原因是LS因子受坡度影響比較大。基于無人機獲取的DEM，可清晰地表達(dá)梯田地形特征，且LS因子及其相關(guān)參數(shù)分布合理。

表1 不同分辨率下的地形因子平均值(龍泉)Tab.1 Average LS value under different resolutions (Longquan Village)

圖4 不同分辨率下地形因子的累積頻率曲線Fig.4 Cumulative frequency curves of terrain factor under different cell sizes

2.2 不同分辨率下侵蝕地形因子變化特征

圖5 不同分辨率下地形因子箱線圖Fig.5 Box-plot of terrian factors under different resolutions

基于不同分辨率的DEM，分別進(jìn)行坡度、坡長、坡度因子、坡長因子和LS因子計算，結(jié)果平均值如表1所示。分辨率由高到低變化，平均坡度下降，平均坡長增加，受該變化影響，S因子降低，L因子升高，LS因子增加。通過該變化規(guī)律可以看到，在0.5～20 m分辨率的變化過程中，坡度衰減了約24.35%，坡長增加了約246.65%。從空間分布特征來看，隨著分辨率降低(柵格尺寸上升)，梯田地形特征逐漸模糊，坡度、坡長的變化逐漸無法反映梯田變化特征，只能反映該區(qū)域的大概地形變化。因此，在梯田區(qū)域，分辨率的降低對坡長影響較大，主要原因是由于坡度變化程度的降低，導(dǎo)致坡長截斷效果下降；坡長增加，L因子增加，S因子下降，但由于L因子增加的較多，最終導(dǎo)致LS因子增加，增加了169.75%，也就是說，如果參照前人的建議[23]，以0.5 m DEM計算結(jié)果為參考值，梯田區(qū)域即使常用的5～10 m高分辨率的DEM，LS因子也被高估了超過1/3，根據(jù)不同分辨率下LS因子值增加比例，建立可供參考的回歸方程，R2=0.96，用于參考LS因子被高估的數(shù)量關(guān)系，可用于修正梯田區(qū)低分辨率DEM條件下的LS因子計算結(jié)果

y=0.000 2x3-0.009 2x2+0.182 1x+0.105

(0.5 m≤x≤20 m)

(4)

式中y——相對0.5 m分辨率LS因子增長比例

x——分辨率

由于CSLE中梯田作為水保措施單獨考慮，因此該變化規(guī)律也可以用來修正工程因子，進(jìn)而獲得更加精準(zhǔn)的侵蝕結(jié)果。

坡度、坡長、LS因子的累積頻率結(jié)果如圖4所示，為了更加直觀地表達(dá)地形因子分布的范圍，統(tǒng)計各因子分布的四分位數(shù)，繪制箱線圖(圖5)，直線的頂點和最低點為最大值(高位)和最小值(低位)位置，灰色矩形的上邊和下邊，分別是75%(Q3)和25%(Q1)的位置，矩形中的橫實線為50%位置(中點)。

(1)坡度變化情況：累積頻率50%附近(圖4a)，所對應(yīng)的坡度為16°左右，以此為分割，隨著分辨率增大，小于16°的坡度點增加，大于16°的坡度點減少，45°～50°范圍的坡度與0°～5°坡度范圍的點減少較多，與圖6相對應(yīng)，隨著分辨率的降低，較小的坡度(紅色)和較大的坡度(深藍(lán))呈現(xiàn)減少趨勢，該特征與已有的非梯田的坡度研究報道有所不同[33]，由于梯田區(qū)平地和突變區(qū)域較多，隨著分辨率的降低，這些區(qū)域的特征被平滑掉，因此小坡度和超大坡度均呈現(xiàn)減小趨勢，該變化在圖5a中更加明顯，中點位置幾乎沒有變化，Q1和Q3位置向中點移動，最大值變小。

圖6 不同分辨率下侵蝕地形因子及坡度坡長計算結(jié)果(龍泉)Fig.6 Average slope, slope length and LS value under different resolutions (Longquan Village)

(2)坡長變化情況：隨著分辨率的降低，坡長平均值增加明顯，短坡長減少，中等坡長和中長坡長增加(圖4b)，Q1、中值、Q3和最大值均增加(圖5b)，Q1和Q3之間的范圍也在增加，但增加的幅度沒有最大值增加的幅度大，表明分辨率對坡長的最大值影響較大，使得Q3與最大值之間的距離增幅較大，主要原因是在分辨率降低的過程中，田坎信息逐漸丟失，使得坡長連續(xù)，因此增長顯著。

(3)LS因子變化情況：隨分辨率降低，累積頻率曲線表現(xiàn)為右移(圖4c)，即小值點所占比例減小，大值點比例增加，由圖5c可看到，最小值、Q1、中值點、Q3和最大值隨分辨率降低逐漸上移；與坡長變化相似，隨著分辨率降低，LS因子增大，但顯著性不如坡長明顯，中值點變化較明顯的是在5～10 m分辨率的過程，這與坡長的中值變化特征基本一致；在平均坡度變小條件下，LS因子卻隨坡長的增加而增大，說明LS因子受坡長影響較大，也即在梯田區(qū)域分辨率下降對坡長影響較大，進(jìn)而導(dǎo)致對LS因子的影響較大。

為了進(jìn)一步檢驗分辨率、坡長、坡度、對LS因子的影響，采用Canoco5的主成分分析方法(PCA)進(jìn)行評估[34]，PCA通過線性變換將原始數(shù)據(jù)變換為一組各維度線性無關(guān)的表示，可用于表示各特征分量的相關(guān)關(guān)系，坐標(biāo)無量綱。計算結(jié)果如圖7所示。分辨率使用柵格尺寸，帶箭頭直線代表4個參數(shù)，直線間的夾角代表4個參數(shù)間的相關(guān)性，夾角小于90°說明正相關(guān)，夾角越小相關(guān)性越顯著。夾角大于90°說明負(fù)相關(guān)，夾角越大負(fù)相關(guān)性越顯著。

圖7 分辨率、坡度、坡長、LS因子的PCA分析Fig.7 PCA analysis for resolution, slope steepness, slope length and LS factor

柵格尺寸的反向延長線與坡度的夾角小于柵格尺寸與坡長的夾角，柵格尺寸的變化對坡長的影響大于對坡度的影響。在柵格尺寸增加的過程中，坡長對LS因子的影響最大，且正相關(guān)；坡度對LS因子的影響次之，是負(fù)相關(guān)；柵格尺寸對LS因子的影響最小，為正相關(guān)，該結(jié)果與統(tǒng)計特征結(jié)果相吻合，也即在分辨率降低的過程中，坡長的改變大于坡度的改變，進(jìn)而使得坡長的變化趨勢影響了LS因子的變化趨勢。

2.3 非梯田區(qū)侵蝕地形因子變化特征

對研究區(qū)2，不同分辨率下的DEM計算得到的坡度、坡長、坡度因子、坡長因子和LS因子如表2所示。非梯田區(qū)與梯田區(qū)的坡度、坡長變化趨勢基本一致，但非梯田區(qū)比梯田區(qū)的LS因子值大較多，這與梯田作為水保措施一致。非梯田區(qū)LS因子在5 m分辨率以下表現(xiàn)為增長，5 m以上表現(xiàn)為遞減，在20 m分辨率處，LS因子結(jié)果與2.5 m結(jié)果接近。當(dāng)分辨率大于5 m時，隨著分辨率的降低，坡度衰減，坡長增加，部分地形細(xì)節(jié)消失，導(dǎo)致坡度截斷因子作用下降，連續(xù)長坡增多，因此坡長增加明顯，但坡度衰減幅度大于坡長增加幅度，LS因子表現(xiàn)為衰減。

表2 不同分辨率下的地形因子平均值(縣南溝)Tab.2 Average LS value under different resolutions at Xiannangou Catchment

3 討論

(1)根據(jù)梯田地形因子分布特征，平坦田面的LS因子較小，田坎的LS因子較大，田面的出現(xiàn)使得LS因子降低明顯，盡管田坎的存在使得LS因子也存在一定的大值，但由于坡長的截斷作用，使得LS因子的增長并不顯著，進(jìn)而使得最終計算的侵蝕量減小，這與梯田作為水保措施的作用一致，因此梯田地區(qū)，采用高精度的DEM來估算土壤侵蝕十分必要。

(2)本文僅討論了梯田和非梯田區(qū)地形因子的計算結(jié)果的變化特征，地形因子的提取受流向、溝道等地形特征影響，而梯田的出現(xiàn)使得匯流、河網(wǎng)等均發(fā)生了改變，這些結(jié)果是否合理將直接影響地形因子的提取，進(jìn)而影響土壤侵蝕評價，因此高分辨率下梯田地區(qū)的地形分析需要做進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)基于無人機航空攝影測量獲得的0.5 m分辨率DEM能夠基本反映梯田地形特征，對田坎等表現(xiàn)效果良好，適合于快速、大面積范圍的精準(zhǔn)地形參數(shù)提取。

(2)梯田區(qū)坡度、坡長受梯田地形特征影響較大。小坡度、短坡長集中在梯田田面平坦位置，超大坡度、中短坡長和中等坡長集中在兩田面過渡的田坎部位或無梯田的長坡底部，坡長截斷效果明顯，因此短坡長較多，但隨著分辨率的降低，梯田區(qū)的坡度分布呈現(xiàn)明顯的向中心集中的趨勢。

(3)對于梯田區(qū)，分辨率的降低坡長受到的影響大于坡度受到的影響，這一作用直接體現(xiàn)在LS因子上，使得LS因子隨分辨率降低而增大，隨著分辨率下降，5 m分辨率以上LS因子增大超過了100%，也即梯田地區(qū)過低的分辨率將高估侵蝕量。非梯田區(qū)的LS因子隨著分辨率降低，在小幅升高后持續(xù)降低，與2.5 m分辨率對比，20 m的分辨率計算結(jié)果偏差不大。與梯田區(qū)LS因子相比，非梯田區(qū)域LS因子較大，20 m以下分辨率對LS因子影響較弱。

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AnalysisofDEMResolutiononErosionalTerrainCharacteristicsofTerraceArea

ZHANG Hongming1YANG Qinke2WANG Meng1YANG Jiangtao3WANG Meili1JIN Bei4

(1.CollegeofInformationEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,NorthwestUniversity,Xi’an710069,China3.CollegeofWaterResourceandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China4.CollegeofEcomomicsManagement,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Terrain is a main environmental factor which affects the surface hydrology and soil erosion.Slope steepness, slope length and LS factor are important parameters in soil erosion model.As a water conservation measure, terraced field changes the surface morphology and affects slope steepness, slope length and LS factor.Terrain features of the terraced area based on low resolution DEM are fuzzy and difficult to be reasonably estimated due to the lacking of high precision.High resolution DEM, which was accessed by UAV aerial photogrammetry technology, was used to analyze slope steepness, slope length and LS factor under different resolutions.Meanwhile, the changes of these parameters were calculated and analyzed in a none terraced area with the same resolution changes as comparison.The result showed that the DEMs which were accessed by UAV can express the terrace terrain features in details.Distribution of terraced terrain factors coincided with topographic features.These features showed high values distributed in the ridge area and small values distributed in terrace surface.With the decrease of DEM resolutions, the slope steepness of none terraced areas was decreased while the slope length was increased, and LS value was increased firstly and then decreased because of the fast decrease of the slope steepness, but the variation range was relatively small.For terraced areas, the portion of both small and large part of the slope steepness was decreased, average slope steepness was also decreased.Slope length had a clear increasing trend, so as the LS factor.Under the resolution of 20 m, LS factor was overestimated for about 33%.Terracing is usually considered as a project factor in soil erosion models of soil and water conservation measures.Due to the large influence of resolution on LS factors, the estimation of erosion in terraced field needs to consider the effect of resolution changes.

soil erosion; Chinese soil loss equation; topographic factor; terrace; DEM

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.021

S157; TP79

A

1000-1298(2017)10-0172-08

2017-02-06

2017-04-18

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0403203)、國家自然科學(xué)基金項目(41771315、41301283、41371274、41301507、61402374)、歐盟地平線2020研究與創(chuàng)新計劃項目(ISQAPER: 635750)、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目(2016JM6038)和西北農(nóng)林科技大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(2452015060)

張宏鳴(1979—)，男，副教授，博士，主要從事空間大數(shù)據(jù)管理與區(qū)域土壤侵蝕評價研究，E-mail: zhm@nwsuaf.edu.cn

楊勤科(1962—)，男，研究員，博士，主要從事區(qū)域土壤侵蝕評價和侵蝕地形研究，E-mail: qkyang@nwu.edu.cn