山西省土地利用“地貌模型”及其在陆地卫星影像解译中的应用

山西省土地利用“地貌模型”及其在陆地卫星影像解译中的应用_巡天察地梅安

山西省土地利用“地貌模型”及其在陆地卫星影像解译中的应用

梅安新

摘　要：根据陆地卫星的影像特征，在地学分析的基础上提出土地利用“地貌模型”概念，并在山西省遥感影像解译实践中，应用“地貌模型”与影像特征相结合的方法，提高了影像的专题判对率，取得良好效果。

关键词：陆地卫星影像，地学分析，地貌模型

由于农业生产的发展，采用常规的方法调查所编制的土地利用图，往往不是现状图，而是几年前的历史图，不能适应我国现代化农业发展和管理的需求。自从1970年代空间遥感技术投入民用以来为资源调查和环境监测提供了新的信息和手段，也为土地利用调查开辟了新的途径。

应用陆地卫星遥感影像进行土地利用解译，编制各种类型土地利用图，非但成图周期短、成本低，而更主要的是卫星遥感多光谱影像提供了视野宽广的空间分布形象，不仅能显示出各种地物空间分布状况，而且能显示出它们之间的差别及其相互关系。

本文在山西省陆地卫星解译工作的基础上，仅就运用“地貌模型”问题进行探讨。

一

由于地貌在卫星影像上直观而形象，因而，我们可以运用“地貌模型”间接地解译出土地利用状况。其工艺流程如图1所示。

图1　运用“地貌模型”进行土地利用解译流程示意图

二

作物的生长，从自然条件来说，需要最低限度的热、水、土条件。在地貌条件单调、一致的情况下，热量条件取决于地理纬度位置。但对一个具体地区来说，特别是山地丘陵区，其热、水、土三者组合关系，往往以地貌条件为转移。

从山西省的情况来看，地貌对植物的分布和土地利用的影响非常明显，它既以其本身的高低、起伏、坡向和切割状况等直接影响土地利用，又通过它对区域小气候、水分条件及土壤的作用，间接地影响土地利用。

1.地貌类型决定了土地利用的基本结构

这是因为不同的地貌类型，热、水、土三者的组合关系不同。

平原：山西省的平原一般都位于盆地的底部，是耕地集中、居民点稠密的地区，基本上没有荒地，即使是低洼的盐碱地，也被开垦为耕地，除少数的人工固沙林（如雁北的金沙滩）和沿河川林带及少量果木林等小片人工林外，无天然林和面积较大的草地。

平原内部微地貌的差异也明显地影响着土地利用状况。如河漫滩地，主要是耕地和小片防护林；低阶地和冲积－洪积扇是水浇地集中的农业高产区；高阶地为旱田；扇间洼地为排水不良的盐碱地，为低产耕地区。

丘陵台地：按其成因、形态与利用状况，可分为三类：

（1）石质丘陵。顶部及山坡多为荒山及稀疏草地，坡麓和沟谷内水分较多处，有少量果树。

（2）土石丘陵。有黄土覆盖处为耕地，基岩出露处为荒地或草坡。因而，耕地、荒地、草地呈小鳞片状相间分布。

（3）黄土丘陵及台地。由黄土小塬和梁峁等组成。顶部比较平坦，耕地主要分布于塬面和梁顶及宽沟的底部。支沟切割较深较狭，两侧较陡，水土流失严重，无耕地或少耕地。黄土峁区一般沟宽、坡长、顶狭，耕地大都分布于坡地上。黄土丘陵、台地区的耕地多数为旱地，只有少数的塬面及谷地有水灌溉的地方，有小片水浇地（如翼城东部隆化塬，高1 080m，机井灌溉）。坡地较陡处和谷缘有小片护坡林，极少草地。

山地：热量条件比较差，水分状况不稳定，土层较薄，局部变化大。土地利用状况取决于海拔高度、坡向、坡度及基岩等因素。总的说来，山地主要是以草地及林地为主，但砂页岩等碎屑岩为主的山地，多为荒山及草坡地；结晶岩山地多林地和草地；石灰岩山地多草灌丛（吕梁山和管涔山例外，有成片林地）。

2.海拔高度的不同对土地利用状况影响明显

由于海拔高度的不同，有明显的垂直气候效应。随海拔高度的增加，迎风坡降水量也递增，蒸发量则因气温降低而递减。一般情况下其水平纬度效应相当于纬度向北推移100km。根据山西五台县的资料，海拔每升高100m，气温降低0.5～0.6℃，年平均气温降低3℃（≥0℃积温减少50～160℃），无霜期减少3～5天，年降水量增加30mm。其土地利用状况随海拔高度而变化，五台县地势最低的东冶盆地，海拔700m，在700～1 000m之间为平原，有大片农田分布，加上水分条件较好，无霜期150天，水浇地比重大；1 000～1 400m为黄土梁峁丘陵区，以旱地为主，由于黄土切割强烈，多为山坡旱地，少数石灰岩丘陵，为基岩裸露荒地或草地；1 400～2 000m，为结晶岩、石英岩和砂岩山地，坡度陡，土层薄，无霜期90～110天，耕地仅分布于局部土层较厚处，大部地区南坡以草地为主，北坡以森林为主；海拔2 000m以上，年平均气温在－4℃左右，无霜期75天以下，至海拔2 400m以上，一切乔木和农作物都不能生长，仅能生长草及灌木。

在海拔升高的同时，虽然降水量增加，但保水能力却降低了，耕地逐渐减少，相反的，林地、牧草地和荒地的比重却增加了。在各类土地结构发生变化的同时，农作物的结构也随着发生变化，向耐旱、耐寒、生长期短的品种发展，其他植物的种类也随高度更替（见图2）。如山西省森林分布的上限（森林线）在五台山、管涔山和吕梁山为2 600m，在太岳山、中条山为2 200m，再向上为灌丛草甸。耕地分布高度的上限（耕地线）低于森林线，不同种类作物分布上限分别为：玉米1 300m，马铃薯1 900m，莜麦2 100m，谷子2 100m。实际上，零星耕地分布上限可达2 400m（如五台山南坡），这些地方热量不足，不适宜于耕种，应该退耕还林还草。

3.地貌部位对土地利用的影响

同一地貌类型，不同的地貌部位，不仅表现在垂直方向上，而且也表现在水平方向上的自然条件差异。其中，水分条件的差异更为明显。如盆地中，洪积扇的顶部和前缘，其物质组成和水分条件均相差很大，使得土地利用和作物构成也不一样。在洪积扇顶部，由较粗的物质组成（砾石、砂），地面坡度较大，土壤透水性好，地下水埋藏较深，以旱耕地为主，部分砂砾质洪积扇上适宜于种植葡萄等果树（如太原盆地的清徐果）及菸草（如滹沱河谷地）洪积扇中下部，物质较细，以细砂、粉砂和亚黏土为主，地面坡度和缓，地下水埋深较浅，水浇地占比重大；洪积扇的前缘部位，往往有潜水溢出，排水不畅，引起地面盐渍化，水田和盐碱荒地、沼泽地、水塘比重增加。

图2　山西省主要植物与作物垂直分布

4.不同坡向与坡度影响土地利用方式

以坡向而言，南坡的热量优于北坡，但南坡的温差大，蒸发量也大，保水条件差，湿度较低。南北坡不同水热条件的组合，使得阳坡不利于林木的生长，以同一海拔高度的山地来说，较多的情况是阴（坡）林阳（坡）草结构（见表1）；但耕地分布的上限，阳坡高于阴坡。太行山中段，成片耕地上限，东南坡（阳坡）1 300m，西北坡（阴坡）900m；太岳山东南坡1 000m，西北坡800m。在耕地线以下，陡坡以林、草为主，缓坡则以耕地为主。

表1　山西省不同山地不同坡向土地利用结构

5.地面侵蚀、切割状况对土地利用的影响

地面切割状况，主要与沟谷系统有很大的关系。如雁北地区的左云、右玉一带，地面切割较浅，沟谷未切至基岩，高原面呈波状起伏，耕地主要分布于谷底和坡地上；大宁、吉县一带的黄土残塬、峨嵋岭台地及中条山以南的芮城和平陆一带的黄土台塬，塬面平坦，少切割，耕地大片分布；在黄土塬的边缘，切割破碎，沟狭而深，沟底为草地和小片林木，坡面上为荒地；在黄土梁区，梁地与平行的大沟宽谷相间分布，梁顶与谷底为耕地，坡地上多为荒地草地，侧沟的沟间坡地上，分布有梯田或坡田（田面倾斜）；在黄土高原靠近黄河的几千米范围内（有的地方达十余千米），受黄河及支流深切和溯源侵蚀的影响，黄土梁之间的河谷往往深切至基岩，坡地上部覆有黄土，分布着耕地，坡地下部为荒地。

图3　山西省黄土分布高度

6.黄土分布的范围和高度与大片耕地的分布有密切的关系

山西省除几个盆地底部以外，在丘陵区和山地区，成片耕地的分布均与黄土的分布一致。有时在山地及沟谷内可以看到这样的情况：大面积基岩出露处，都是荒地或长势不良的草地，只要其中有星星点点的黄土覆盖，也被辟为耕地。在陆地卫星影像上可以看到大片荒地和草地中间，夹有斑点状和鳞片状的耕地分布。

山西省成片耕地分布的海拔上限，与黄土线（黄土分布的上限）是一致的。黄土线以上即无大片耕地分布。山西黄土线的高度各处不尽一致，总的规律是：北部高于南部，对同一座山体来说，则南坡高于北坡（见图3）。

在陆地卫星影像上，由于某些时相无法选择，在卫星成像时，不一定是作物生长最茂盛的时间，稀疏的作物不能显示绿色植被的特征，可根据黄土的分布高度、范围及地貌类型、部位等等要素判定土地利用的结构。

根据上述地貌对土地利用的影响，再结合地理地带性规律及各地农事历（表2、表3、表4），可以确定一年中某时段内当地的作物结构，在陆地卫星影像上（相应时相）有所显示，根据其影像特征和土地利用的“地貌模型”建立起解译标志，可使解译深入一步，更符合于当地土地利用的实际状况，提高解译精度。

表2　山西省南部地区（包括临汾、运城、晋东南地区晋城以南各县）作物的物候期

（续表）

表3　山西省中部地区（包括晋中、吕梁地区、忻县以南等地）作物的物候期

（续表）

表4　山西北部地区（雁北地区和忻县以北各县）作物的物候期

（续表）

三

由于山西省南北地理纬度的差异以及地貌特征的差异，因而土地利用的“地貌模型”带有区域性特点。全省可用4个“模型”概括。

1.晋北型　其范围主要包括晋北高原、大同盆地（包括阳高、天镇盆地）、恒山山地、滹沱河谷地、五台山地等。地貌上由高原、山地、河谷盆地相间组成。高山顶部（如五台山）为草地，阴（坡）林、阳（坡）草结构，陡坡岩石裸露，沟谷深切；大河谷底部为耕地及防川防林，沟谷出山口处形成洪积扇，谷底或盆地底部有盐渍化现象；丘陵地主要为黄土覆盖，旱作为主，间有小片林地，这些林地由于气温低生长不好，大都为小叶杨。

各类地貌及其影像特征和土地利用状况见图4所示。

2.晋中型　地貌上由东西两侧的中山山地和中间的黄土高原和盆地所组成。范围西起黄河，东至太行山地，包括河东黄土高原、管涔、芦芽吕梁诸山，太原盆地位于中部。

西部黄土高原以旱作为主，水土流失严重，遥感影像呈明显浅灰白色（MSS_4、5、7标准彩色合成）的“花生壳”状结构。残塬顶、墚顶及大片缓坡上陵区为旱耕地主要分布区，大河谷底部（如三川河）为水浇地及小片川防林；山地及丘陵基本土地利用结构为“阴林阳草”型；管涔、芦芽、吕梁等山顶，森林线以上为山地草场。如吕梁山的七百里跑马崖、芦芽顶等，是与五台山北台顶一样，为山西省三大山地草场。在这些山地北坡是山西省主要林区所在。太行山地属深侵蚀切割型，少林多荒草。太原盆地为山西省主要农业区，汾河贯穿其中，两侧山体流出众多支流在盆地底部汇聚，水浇地面积大。

从黄河边到太行山作一东西向综合剖面，可以反映山西省土地利用的基本状况（图5）。

3.晋南型　地貌上是以地势相对较低的河谷盆地和黄土台地为主，山地分布在北部及南部。因此，这一类型也可称黄土台塬型（见图6）。中条山呈东西走向横亘中部，平均海拔高程在1 200m以上，切割破碎，山坡上大片草地，阴坡少量森林；中条山以北运城盆地、峨嵋岭台地主要为黄土覆盖，台地海拔高530～700m，大片耕地，盆地中以水浇地为主，中心部分有若干遗留古咸水湖，现成盐池，呈线形排列。运城盆地为棉粮产区。中条山南为400～800m海拔的向黄河微倾的黄土台塬，以棉花小麦为主，发展机灌，高程较低处提黄河水灌溉，高程较高处主要为旱地。

图7　晋东南型地貌及其影像特征与土地利用状况

整个晋南地区，热量条件丰富，无霜长达200天左右，有利于农业发展，土地利用结构上，以旱耕地为主，林地极少，草地面积虽大，但作专用牧场者不多。

4.晋东南型　地貌上表现为盆地—丘陵—山地三者组合。这里丘陵不仅为黄土覆盖（较薄），而且很多为石质丘陵，这一点与晋北型不同。同时，无霜期亦较长，有利于农业发展。海拔高程在700～1 000m间，太行山平均高度大于1 100m多为石质荒山。其土地利用结构见图7。主要范围包括沁水盆地和太行山南段。

四

从地学规律来看，概括出来的土地利用“地貌模型”，不仅反映了土地利用与地貌的关系，而且，可以应用这个“模型”所建立起来的陆地卫星影像解译标志，去间接地解译影像上某些不能直接反映或反映得不清楚的土地利用状况，同样也可以应用于土壤、地表水资源及土地、农业气候资源等解释，具有许多优点。

1.应用地貌模型与其他方法相结合解译陆地卫星影像，编制土地利用图，能反映出土地利用的规律，界线准确，精度也较高，判对率在93%以上。

2.节约时间，成图速度快。解译并编制一张1∶500 000的山西省土地利用图，仅用7个人3个月便完成了全省15.6km²，107个县的解译草图。

3.解决了缺乏直接解译标志、看不清耕地小田块等困难，对于MSS影像中小比例解译成图有很大作用。

由于陆地卫星影像分辨率的限制和土地利用影像因素的复杂性，有些土地利用类型，如特用地、交通道路、稀疏矮小的林木等在影像上显示不出；还有一些类型的分布不符合一般性规律，不能概括在“地貌模型”里，解译就有一定困难。随着Landsat TM资料和SPOT HRV资料的更广泛地使用，由于这些影像具有较高的地面分辨率，一部分目标原先需要使用“地貌模型”间接解译的，现在可以直接解译。但是，航天遥感资料的宏观特征和比航片低得多的地面分辨率，要求专业解译人员能根据要求建立各种解译模型，以便把影像解译与学科规律性分析推进一步。

参考文献

［1］国家地质总局航空物探大队.地球资源卫星像片图集.北京：地质出版社，1978.

［2］教育部部属五所高校山西遥感科研协作组.陆地卫星影像山西农业自然条件系列图说明书，1983.

［3］陆地卫星像片太原幅农业自然条件目视解译系列图.北京：科学出版社，1981.