1975–2020 年黃土塬區關鍵帶道路網絡數據

楊思齊，金釗, 黃輝

1.中國科學院地球環境研究所, 黃土與第四紀地質國家重點實驗室，西安 710061

2.北京師范大學，地理科學學部，地球科學前沿交叉研究中心，北京 100875

3.長安大學，地質工程與測繪學院，西安 710054

4.陜西黃土高原地球關鍵帶國家野外科學觀測研究站，西安 710061

5.中國林業科學研究院林業研究所，國家林草局林木培育重點實驗室，北京 100091

6.河南黃河小浪底關鍵帶國家野外科學觀測研究站，河南濟源 454650

引 言

地球關鍵帶指植被冠層頂部至地下水底部或者土壤-巖石交界面的區域，是大氣圈、生物圈、土壤圈、水圈交匯的異質性地帶，也是受氣候變化和人類活動影響最顯著的關鍵區域[1]。地球關鍵帶作為表層地球系統科學一種新的研究范式，主要研究地球淺表層系統的結構、過程和服務功能，并將地球這一“皮膚”系統的多尺度過程進行耦合，進行綜合性研究和整體性考慮[2]。經過近20 年的發展，地球關鍵帶研究已成為21 世紀地球科學最前沿的研究領域，重點關注三大科學問題，包括：（1）什么控制著地球關鍵帶的結構和過程？（2）地球關鍵帶如何響應氣候和土地利用變化？（3）如何利用地球關鍵帶的綜合知識來滿足社會需求？[3]

交通道路作為一種重要的土地利用方式，是影響地球關鍵帶過程的一個不可忽視的人類活動影響因素。眾多研究表明，交通道路加劇了景觀的破碎化，尤其是與降雨的疊加作用，加速了地球關鍵帶系統水土流失和土地退化[4-6]。近40 年來，隨著城市建設不斷加速，道路網絡也不斷擴張，區域連通性的增強大大推進了我國經濟的發展。道路建設與人類活動密切相關，交通路網在促進社會和經濟發展的同時，也對地球關鍵帶景觀生態和水土流失產生了長遠和復雜的影響[7-8]。道路網絡的建設首先會改變土地利用/覆被變化，并伴隨著路網的延長和擴張，人類活動的影響范圍逐漸增大，對土地資源的利用度日益加深，對區域生態環境的擾動也逐步增強[9]。因此，道路網絡數據的建立非常必要，但目前存在的OSM 路網數據冗余且缺少歷史數據；此外，當前發布的一些道路數據多為城市道路或者單期數據[10-11]，關于黃土塬區的歷史路網數據集相對較少，限制了對黃土塬區路網演化機制及環境效應的深入研究和認識。

董志塬是黃土高原面積最大、最連續的塬面，素有“天下黃土第一塬”之稱。2000 年以來，隨著我國西部大開發戰略的啟動，董志塬的城鎮化和道路建設得到了蓬勃發展[12]。研究表明，公路和城鎮的建設會顯著增加地表徑流，加劇黃土塬區關鍵帶的土壤侵蝕和水土流失[13]。因此，研究交通路網對黃土塬區景觀生態和地球關鍵帶過程具有重要的意義，但目前并未有關于董志塬的路網數據。本研究根據多源數據進行統一化，建立了董志塬1975、2005 和2020 年路網矢量數據，具有較好的精度，可為探討塬區路網發展對景觀生態、水土保持和地球關鍵帶研究提供基礎數據，為董志塬固溝保塬工程和土地資源管理提供重要的數據支持。

1 數據采集和處理方法

1.1 數據區域范圍

董志塬位于黃土高原南部，地處甘肅省慶陽市（35°15'23"–36°04'20"N, 107°26'47"–107°57'51"E），塬區包括西峰區全部，慶城縣、寧縣、合水縣三縣的部分區域（圖1）。平均海拔為1400 m，屬于大陸季風性氣候，雨水集中在6–9 月，多年平均降雨量為543 mm，平均氣溫為8.1 ℃，最高氣溫為35.1 ℃，最低氣溫為-22.4 ℃。塬面面積910 km2，南北總長110 km，是世界上黃土層最厚、保存最完整的黃土塬。但隨著近代以來人類活動的不斷加劇，塬面蠶食，溝道不斷擴張，塬面日益縮小，其東西寬度已從唐代時的32 km 減少為現在的17.5 km，最窄處僅剩50 m。由于塬面缺乏一些水土流失防護措施，水流匯入溝道，加速溝道演化，塬面日益萎縮。

圖1 研究區示意圖Figure 1 Dongzhi Tableland on the Loess Plateau

1.2 交通路網數據源

董志源1975 年的路網數據根據甘肅省交通局編制的資料（圖2）[14-16]；2005 年的道路網絡數據是由慶陽市水土保持局提供；2020 年的道路網絡數據基于OSM 數據，下載于91 衛星影像，并結合2020 年谷歌影像進行目視解譯。

圖2 1975 年董志塬路網數據源Figure 2 Sources of road network data on Dongzhi Tableland in 1975

1.3 數據處理

董志塬1975、2005 和2020 年路網數據的來源都不同，需要把所有數據進行統一處理、建立標準。數據處理均在ArcGIS 軟件支持完成，具體方法如下：

（1）數據選擇與預處理：掃描1975 年的歷史資料，根據掃描文件的坐標信息（圖2）在ArcGIS 進行地圖校正與配準。以慶陽市水土保持局提供的2005 年的路網數據為基準，對1975年和 2020 年的路網數據進行投影轉換， 所有矢量文件的投影為Beijing_1954_3_Degree_GK_Zone_36。

（2）數據解譯：對1975 年進行配準的圖片中的路網進行矢量化，并添加屬性信息；根據下載的OSM 數據，以2020 年的衛星影像圖作為工作底圖，基于ArcGIS 軟件的人機交互解譯完成2020 年董志塬路網數據處理。

（3）道路等級劃分：根據原數據和相關文獻參考[17-18]，將塬區的路網分為：高速公路、國道、省道、城市道路和鄉村道路5 類。

（4）矢量線數據復合：疊加谷歌影像，復核范圍為塬區面積的20%，經復核，數據正確率達90%以上。

2 數據樣本描述

董志塬1975、2005 和2020 年的路網數據是文件為.shp 的線狀數據（圖3）。表1 為路網數據屬性表結構，表2 為1975、2005 和2020 年董志塬路網數據長度信息。由于1975 年的路網數據參考甘肅省交通局編制的資料，該資料未統計鄉村道路，因此本數據集1975 年的鄉村道路為空值。

表1 路網數據屬性表結構Table 1 Structure of road network attribute table

表2 1975–2020 年董志塬路網情況Table 2 Road network information on Dongzhi Tableland from 1975 to 2020

圖3 1975–2020 年董志塬路網數據Figure 3 Road network data on Dongzhi Tableland from 1975 to 2020

3 數據質量控制

本數據集2005 年的路網數據為慶陽市水土保持局進行現場驗證的數據，數據質量可靠。因此本數據集的質量控制主要是對1975 和2020 年路網解譯數據進行檢查和修改。這兩期數據從收集、處理分析到驗證均質量控制嚴格。

（1） 數據解譯

確定數據處理思路，優化解譯技術方法，及時糾正問題，以4 個縣為界，分幅進行解譯，確定勾繪的矢量線與影像數據重合，同時添加屬性數據。

（2） 結果檢驗與核對

在核對時，利用ArcGIS 中的fishnet 工具條，將塬區格網化，核對每個格網中的數據是否規范，同時對屬性、拓撲關系進行檢查。本數據集通過解譯人員自查、課題組成員對成果進行復查，對照相應時期的谷歌影像反復對這3 期路網數據進行核查。

4 數據價值

本數據集闡明了董志塬1975、2005 和2020 年的路網數據情況及其變化，是目前時間序列最多的路網數據集。本數據的生產方式為遙感解譯，同時借助高精度影像進行對比分析，保證數據精度。本數據集為塬區的道路網絡相關研究提供可靠的基礎數據，同時也為董志塬的固溝保塬工作提供了重要的科學數據支持。

數據作者分工職責

楊思齊（1994—），女，陜西省渭南市人，博士研究生，研究方向為地表過程監測。主要承擔工作：數據資料收集整理、質量控制及數據論文撰寫。

金釗（1979—），男，陜西省西安市人，博士，研究員，研究方向為黃土高原重大治理工程的環境效應與可持續性方面研究。主要承擔工作：總體方案設計、數據復核及論文修改。

黃輝（1980—），女，中國林業科學研究院林業研究所，副研究員，主要從事森林碳氮水循環對全球變化的響應等方面的研究。主要承擔工作：數據討論和論文修改。