梯田地形形态特征及其综合数字分类研究

赵卫东，汤国安，徐 媛，周春寅，钱家忠，马 雷

（1.合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥230009；2.南京师范大学 地理科学学院虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京210046）

梯田是黄土高原重要的水土保持工程，在黄土高原小流域综合治理中占据十分重要地位。近年来，国家加大了黄土高原水土流失综合治理力度，实施了大量 “坡改梯”等水保工程。在基于GIS小流域梯田规划和设计实践中，迫切需要能够对梯田等地形进行有效数字表达与分析的DEM技术支撑，而现有DEM均难以提供适合梯田地形的数值模拟模型，无法为国家新建或改造各类梯田提供梯田规划和设计等相关技术支持。

近年来，DEM在诸如水土保持、三维地形可视化等诸多领域得到了较广泛应用［1－9］。张彩霞等［10］利用DEM插值软件ANUDEM，通过嵌入河流、湖泊等已知信息，采用ANUDEM地形强化算法，使建立的DEM伪下陷点少，甚至没有伪下陷点。但张彩霞等［10］还特别指出，由于ANUDEM采用正方格网模型，不仅会在平坦地区造成大量数据冗余，而且还会导致其在沟沿线等地形急剧变化之处对地形进行内插光滑，使其难以反映该处真实坡度。因此，尽管DEM能较好表达各类宏观自然地形，但在如何有效表达复杂梯田等人工地形方面仍然存在诸多理论和技术问题。目前在水保领域应用较广泛的国家基础地理数据库中的DEM（1∶1万DEM等）主要面向各类自然地形，其数字地形分析方法难以满足梯田等人工地形的准确数字地形分析需求［11］。因此，有必要构建能够应用于梯田地形的梯田数值模拟模型，并据此建立新型DEM的数字地形分析方法，实现梯田地形的有效数字表达与准确数字地形分析。梯田数值模拟模型的构建需要对梯田地形的平面和剖面形态特征进行深入研究，并对梯田地形进行合理分类。为此，部分学者对相关内容进行了初步研究。针对梯田等具有特殊形态地形的有效数字表达问题，Wilson［12］，Drǎgut等［13］和石志宽等［14］均提出充分利用面向对象思想，对该类与自然地形有较大形态差异的地形进行对象封装，并构建其特有的数值模拟模型。

对梯田地形进行数字分类和利用DEM对其进行数值模拟的研究在国内还不多见，国际上也未见相关报道。祝士杰等［15］利用梯田边沿约束线的偏移线初步实现了梯田地形的快速构建，但该方法假定梯田均严格沿地形等高线修建，这在一定程度上制约了其对各类梯田地形的有效数值模拟。古云鹤等［16］通过添加黄土高原沟沿线等突变地形特征线，利用ANUDEM局部适应性算法，构建的DEM能更好地表达黄土高原沟壑区的地形特征，该方法既避免了TIN表面的平三角，改善了水文地貌关系，又表达了地形的光滑和连续性特征，同时使地形的突变特征得到良好表达。

杨蕾等［17］利用从遥感影像上提取的梯田台阶边界线，并通过求该台阶线各点的高程加权平均值的方法确定各个台阶的高程值，成功实现了一个圆形梯田的三维可视化。

虽然上述研究并没有能够完全实现梯田地形的有效数值模拟，但其建模思路和方法对未来梯田数值模拟模型构建及其三维可视化研究具有一定的参考意义。

柴慧霞［18］在综合考虑黄土地貌的基本形态类型（包括起伏度和海拔）和基本成因类型的基础上，对我国1∶100万黄土地貌进行了数字分类，取得了较好的分类成果。该分类方案的思路和方法对梯田地形的分类具有一定借鉴意义。

1 梯田地形的形态特征

1.1 梯田地形的总体特征

与自然地形相比，梯田地形具有“继承性、规则性、易变性”三大特征。

梯田地形是对各种自然坡面地形进行人工改造而逐步形成的。在坡面总体形态上，继承了原有自然坡面的宏观地形特征，在其地表复合了各类人工改造的微观地形特征（梯田的平坦田面和陡直台阶等），因此，梯田地形具有对自然地形的继承性。

经过人工改造的梯田地形，较大程度地改变了自然地形所具有的复杂多变的形态特征，一般表现为平面上的平坦展延和规则排列，剖面上的阶梯起伏，具有明显的规则性。

由于梯田稳定性主要取决于梯田田坎的抗冲（蚀）性，一旦有一个梯田田坎垮塌，往往会产生骨牌效应，导致整个坡面梯田的毁损，而重新修整的梯田在田坎高度、田面宽度与形态等方面均与之前梯田有所不同，因此，与自然坡面相比，梯田地形具有易变性。

1.2 梯田地形的形态特征及几何量测特征

为了构建能对梯田地形进行有效数字表达与分析的梯田数值模拟模型，必须对梯田地形的形态特征、几何量测特征和语义特征进行深入研究。梯田地形不仅具有“继承性、规则性、易变性”三大总体特征，而且具有独特的平面和剖面形态特征、几何量测特征和语义特征。特别是梯田地形具有一系列适合构建梯田数值模拟模型的几何量测特征。

通过对陕西黄土高原地区广泛分布的各类梯田地形的平面及剖面形态特征、几何量测特征和语义特征进行分析，总结和归纳出水平梯田等4类典型梯田特征（表1）。从表1中可以看出，各类常见梯田地形均可通过原始山坡的坡度、梯田田面倾角和倾向、田埂内外坎倾角、田面宽度和高度、梯田台阶数量等一系列几何量测参数进行定量表达，这就为未来构建梯田数值模拟模型奠定了坚实基础。

表1 梯田地形形态、几何量测和语义特征

2 梯田地形的综合数字分类

2.1 传统梯田地形分类

我国梯田按其分布地区分为北方和南方梯田两大类型，可进一步细分为黄土高原梯田、云贵高原梯田以及江南丘陵梯田等。其中，黄土高原梯田和云贵高原梯田堪作北方和南方梯田的典型代表。根据梯田种植农作物类型的不同，梯田又可分为水梯田（图1）和旱梯田（图2）。我国云贵高原梯田和江南丘陵梯田一般为种植水稻等为主的水梯田，而黄土高原梯田则为种植各种旱植作物的旱梯田。

图1 云南元阳典型水梯田地形（水平梯田）

根据梯田的剖面形态，梯田可分为阶台式梯田和波浪式梯田。阶台式梯田是在坡地上沿等高线修筑成逐级升高的阶台型梯田。根据其田面坡度的不同，又可细分为水平梯田、坡式梯田、反坡梯田、隔坡梯田和复式梯田。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变化较大，主要与修建梯田的原始山坡天然坡度紧密相关。复式梯田是指由水平、坡式、反坡和隔坡梯田组合而形成复合式梯田。

根据梯田埂岩性不同，梯田又可分为石埂（坎）梯田和土埂梯田。黄土高原多为土埂梯田和少量石坎梯田，中国南方多山地区多为石埂梯田。

图2 陕西绥德辛店沟典型旱梯田地形（水平梯田）

2.2 梯田平面形态分类

尽管上述传统梯田分类可有效区分各类常见梯田地形，但其主要依据梯田剖面形态特征进行分类，未能对梯田地形平面形态特征进行有效描述，无法满足梯田数值模拟模型的构建需求。为此，作者根据梯田平面形态的不同，把梯田分为单核梯田、多核梯田和无核梯田。单核梯田的梯田台阶边沿线（简称“台沿线”）中包含多条嵌套式封闭曲线，并形成一个核心，该核心一般位于圆形或近似圆形梯田台阶的最中心（图3中1号梯田台阶）。图3—5中的数字为梯田台阶编号。多核梯田一般是指一个完整梯田中包含两个以上的梯田核心，例如，图4中的多核梯田包含两个梯田核心，其中一个梯田核心有7个台阶（1—7号台阶），而另一个梯田核心仅有两个梯田台阶（11—12号台阶）。无核梯田（图5）是指没有梯田核心的梯田，其台沿线不会自封闭，主要与梯田边界线或研究区边界形成封闭曲线。

根据梯田平面形态特征，梯田一般由多个封闭的梯田台阶组成，梯田台沿线要么自己形成封闭曲线，要么与梯田边界或研究区边界形成封闭曲线，因此，梯田台阶是组成梯田的基本单元，可作为梯田数值模拟模型的基本计算单元。

图3 单核梯田平面形态示意图

图4 多核梯田平面形态示意图

图5 无核梯田平面形态示意图

2.3 梯田综合数字分类

梯田数值模拟模型的构建不仅与梯田平面形态相关，而且也与其剖面形态相关。为满足未来构建梯田数值模拟模型需求，本文提出梯田综合数字分类方案。该方案综合上述传统梯田分类和作者提出的梯田平面形态分类，并结合梯田地形数值模拟需求，形成一个完整的梯田综合分类，其分类结果如表2所示。根据该分类，梯田按照剖面形态分为水平、坡式、隔坡、反坡和复式梯田，其相应数字编码分别为10，21，22，23和30。为区别梯田台阶的坡度差异，采用两位数字表示其类型编码，第1位数为1代表坡度为0，为2代表坡度不为0，为3代表坡度不确定。而其他4种梯田分类均以1位数字代表其类型编码（详见表2）。

为了满足梯田数值模拟模型及其数字化表达需求，在上述梯田地形分类基础上，基于面向对象思想，并结合未来梯田数值模拟模型的构建需求，对梯田地形进行综合数字分类，并对各梯田类型进行统一数字编码。本文重点研究阶台式梯田的综合数字分类，其分类结果如表3所示。

梯田综合数字分类采用6位数字对梯田类型进行综合表达，分别按照梯田总体形态、平面形态、剖面形态、田埂岩性和种植作物类型依次排列，例如，编码111011表示阶台式单核水平土埂旱梯田；波浪式梯田的编码为200000。根据上述梯田综合数字分类原则，表3列出了可能出现的各类阶台式梯田类型，共计51类。

表2 梯田地形综合分类成果

3 结论

针对现有梯田地形分类难以反映梯田地形的平面形态特征和难以满足梯田地形数值模拟模型构建需求等问题，本文提出基于梯田地形平面形态特征的梯田分类，并结合传统梯田地形分类和未来利用DEM进行梯田地形有效数字表达与分析的需求，构建出梯田地形的综合数字分类。与传统梯田地形分类相比，该分类综合考虑梯田的总体特征及其平面和剖面形态，能更好地反映出梯田特有的形态特征及几何量测特征，其数字编码更能适应未来构建梯田数值模拟模型的需求。研究结果为未来构建梯田地形数值模拟模型奠定了坚实基础，对于探讨利用DEM实现梯田地形的有效数字表达与分析具有重要理论意义。

表3 阶台式梯田类型及其数字编码

尽管本文提出的梯田地形综合数字分类可对现有各类梯田地形进行准确分类，但如何对各种梯田类型的独特平面和剖面形态特征进行定量表达、如何实现各类梯田地形数值模拟模型的构建等问题有待于未来做进一步的深入研究。

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