多源地形数据对地形因子计算及土壤侵蚀评价的影响

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土壤侵蚀预报模型是定量评价土壤侵蚀的科学依据与技术工具。采用通用土壤流失方程USLE或其衍生模型评价区域土壤侵蚀时,地形因子(坡长坡度因子等)通常使用由地形图或航空运载数据集生成的数字高程模型DEM估算。DEM数据精度显著影响计算的地形因子可靠性和准确性,从而极大地影响了土壤侵蚀评价精度,严重制约了土壤侵蚀模型应用。本论文选取中国五个水蚀二级类型区(东北黑土区、北方土石山区、西北黄土高原区、西南土石山区和南方红壤丘陵区)中的小流域作为研究对象,采用数理统计、分位数映射、中国土壤流失方程CSLE模型计算等方法,以1∶10,000地形图计算结果为基础,研究分析了四种常见地形数据源(1∶50,000地形图、30-m ASTER GDEM、30-m和90-m SRTM DEM)的DEM数据质量、提取沟道的汇流面积阈值、地形因子计算差异、坡长坡度因子降尺度转换,以及土壤侵蚀评价误差,阐明了多源地形数据对地形因子计算及土壤侵蚀评价的影响。研究结果可为区域土壤侵蚀研究和水土保持规划提供科学指导。主要研究结果如下:
  (1)量化了多源地形数据对地形因子计算的影响。随不同地形数据源DEM栅格尺寸增加,五个研究区的平均坡度值和平均坡度因子值基本均减小,平均坡长值和平均坡长因子值基本均增大。在坡度和坡长的共同作用下,平均坡长坡度因子值基本均减小。在东北黑土区,多源地形数据计算得到的地形因子差异较小,在其他四个研究区,低精度地形数据源计算得到的平均坡度值降低20%-63%、平均坡度因子值降低14%-65%、平均坡长值增加55%-397%、平均坡长因子值增加11%-50%、平均坡长坡度因子值降低-7%-46%。
  (2)明晰了坡长坡度因子降尺度转换效果。采用指数函数降尺度转换,虽然在频率域上对坡长坡度因子的修正精度较高,但其在空间域上的修正精度不好。
  (3)阐明了多源地形数据对土壤侵蚀评价的影响。随不同地形数据源DEM栅格尺寸增加,平均土壤侵蚀模数基本呈减小趋势,微度侵蚀所占面积比例基本呈微弱上升趋势,轻度及其以上侵蚀所占面积比例基本呈微弱下降趋势,其中,中度及其以上侵蚀所占面积比例降低-287%-58%。地形因子降尺度转换后,低精度地形数据源计算的平均土壤侵蚀模数计算误差降低2%-17%,其中,中度及其以上侵蚀所占面积比例计算误差减小-24%-58%。
  (4)提出了地形数据源选择推荐方案。对于平均坡长坡度因子和平均土壤侵蚀模数,若要求计算误差小于10%,推荐使用1∶50,000地形图数据;若降低要求,如计算误差小于25%,可用30-m SRTM DEM数据;若可以容忍更大的计算误差,如30%,可用90-m SRTM DEM数据。
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