基于DEM的中國山地空間范圍定量界定

張偉，李愛農(nóng)，江曉波

（1.中國科學院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2.中國科學院研究生院，北京 100039）

多數(shù)研究對中國的山地面積和范圍采用模糊的界定，缺乏可操作、準確的量化方法，如占國土面積的“三分之二”的說法。在這樣的模糊概念下，對山地資源與環(huán)境等問題的認識也是不準確的。當前我國處于經(jīng)濟發(fā)展的重要時期，國民經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護之間的矛盾日益突出，如何實現(xiàn)可持續(xù)山區(qū)發(fā)展面臨的首要問題就是確定山區(qū)的生態(tài)環(huán)境、資源狀況和人文社會經(jīng)濟現(xiàn)狀，而確定山地范圍及山地面積是重要前提?？偨Y(jié)前人的研究，對山地范圍及山地面積影響最大的兩個因素是山地界定標準和地形起伏度計算尺度。研究山地，首先遇到的問題就是對山地進行定義，在山地范圍及山地面積計算研究中，山地定量界定標準最為關(guān)鍵。同時，山地是令許多科學工作者難于嚴密定義的科學對象和學術(shù)用語，到目前為止，仍沒有統(tǒng)一的山地定義出現(xiàn)。在對全國山地的范圍和面積的研究中一直沒有精確、合理的計算結(jié)果，重要的是對地形起伏度的最佳計算尺度沒有科學的認識［1－7］。在很多對山地的定義中都用到“相對高度”這個概念，相對高度亦稱地形起伏度，被理解為“一定范圍內(nèi)海拔的變化”，但是這“一定范圍”具有很大的不確定性，如何定義地形起伏度的計算尺度對山地范圍的計算結(jié)果有很大的影響，科學認識地形起伏度的計算尺度是基于數(shù)字高程模型（DEM）界定山地范圍的重要前提［8－10］。本文通過對山地界定標準和地形起伏度計算尺度的研究，最終確定我國山地范圍及山地面積，以此為山地研究和數(shù)字山地戰(zhàn)略提供基礎(chǔ)支撐。

1 山地界定標準

1.1 已有的山地界定標準

《地貌學辭典》對山地進行了定義，“山地為山集合體的統(tǒng)稱，是一種具有一定坡度、較大高差（相對高差大于200m），又互相連綿，突出于平原或臺地之上的正地貌形態(tài)，常由山嶺和山谷組成”［11］。程鴻認為，山地是由一定絕對高度和相對高度組合的地域［12］。王明業(yè)等定義山地為具有一定海拔和坡度的地面［13］。肖克非認為，山地實質(zhì)上是一種區(qū)域概念而非地貌類型概念［14］。在國際上，UNEP－WCMC（聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署－世界保護監(jiān)測中心）對山地的劃分給出了較為具體的界定：1）海拔在300～1 000 m之間，相對高度在300m以上的區(qū)域；2）海拔在1 000～1 500m之間，坡度在5°以上或相對高度在300m以上的區(qū)域；3）海拔在1 500～2 500m之間，坡度在2°以上的區(qū)域；4）海拔大于2 500m的所有地區(qū)［15］。Kapos等的定義和 UNEP－WCMC的定義相似：1）海拔300～1 000m和在7km2輻射范圍內(nèi)且海拔大于300m的區(qū)域；2）海拔1 000～1 500m，坡度大于5°或在7km2輻射范圍內(nèi)且海拔大于300 m的區(qū)域；3）海拔1 500～2 500m，坡度大于2°的區(qū)域；4）海拔2 500m以上的全部區(qū)域；5）被山包圍的、小于 25km2的盆地和高原［7，16，17］。可見，前人關(guān)于山地的定義或范圍界定可以從以下三方面區(qū)分：

（1）關(guān)于山地的群體性概念。對于這一問題，前人的研究主要有兩種意見：1）山地必須是一個群體性的概念，以《地貌學辭典》和《地理學詞典》為代表，它們對山和山地分別進行了定義，認為山地就是許多山的統(tǒng)稱，由山嶺和山谷組成。2）山地可以是孤立的，也可以是叢聚的，以《我國山地資源的開發(fā)》和《中國的山地》為代表，其中，《中國的山地》更多從形態(tài)學的角度定義山地，認為在浩瀚的沙漠、一望無際的平原上出現(xiàn)的孤峰和丘陵也應(yīng)該視為山地。本文認為，山地應(yīng)該是一個群體性的概念，山地不同于平原的很多特性正是基于山地的群體性，如在山地生態(tài)系統(tǒng)中，小流域生態(tài)系統(tǒng)、分水嶺亞生態(tài)系統(tǒng)、斜坡亞生態(tài)系統(tǒng)、谷地亞生態(tài)系統(tǒng)都是基于很多山地組合的基礎(chǔ)上形成的；山地氣候系統(tǒng)中的山谷氣候、盆地氣候以及與氣候有關(guān)的山地資源、小生境資源的形成等同樣如此［5，16，18］。

（2）高原、山地、丘陵的區(qū)分。本文將上述對山地的定義分為狹義的山地定義和廣義的山地定義，分類的標準正是其對待高原、山地、丘陵這幾種不同的地貌類型的態(tài)度。以《地貌學辭典》和《地理學詞典》為代表的定義認為，丘陵、山地、高原是同一級的地貌類型，應(yīng)該予以區(qū)分［19］，并稱這類定義為“狹義的山地”定義。“廣義的山地”定義以《山地地理系統(tǒng)綜論》為代表，該定義僅以相對高度作為山地區(qū)別于非山地的標準，“將起伏的相對高度大于200m的地段統(tǒng)稱為山地，它不僅包括低山、中山、高山、極高山，而且包括高原、山原、丘陵及期間的山谷與山間盆地，剩下的就是相對高度小于200m的平原”［20］。在國內(nèi)關(guān)于我國各地貌類型面積統(tǒng)計的著作研究中，一般將部分丘陵和部分高原（青藏高原）作為特殊的山地計入山地的范圍，“我國山地面積大約占國土面積的2／3”這樣的結(jié)論就是基于以上原則得出的。由于這一結(jié)論已經(jīng)在國內(nèi)山地科學工作者中達成共識，且本文的最終結(jié)果是對我國山地范圍及面積進行界定，所以更傾向于對山地進行“廣義”的定義［9，14，20，21］。

（3）山地界定標準指標選擇。前人的研究結(jié)果對山地定義指標的選擇比較一致，都采用了絕對高度、相對高度、坡度對山地進行了定性和定量的描述。但是，在每個指標具體值的設(shè)置方面，上述定義出現(xiàn)了較大的分歧。我國東西地勢差異巨大、自西向東降低、呈明顯的階梯狀是造成無法統(tǒng)一山地定義的重要原因。西部很多地區(qū)高程都在3 500m以上，部分山地高程在5 000m以上，而東部地區(qū)高程大部分在1 000m以下，山地高程一般僅有1 000～1 500m，山地相對高度的變化也有類似的規(guī)律。因此，需對絕對高程分區(qū)間進行討論，UNEP－WCMC（2002）將絕對高程分為3個區(qū)間：300m以下、300～2 500m、2 500m以上，并將大于2 500m的區(qū)域計為山地；江曉波也分為3個區(qū)間：300m以下、300～3 000m、3 000m以上，并將3 000m以上的區(qū)域計為山地、300以下的區(qū)域計為非山地。對于相對高度，主要分3種意見，即200m、300m、500m，其中以200m為主。趙松喬認為，相對高度如超過500 m即為山地，不到500m則為非山地，我國東部地區(qū)海拔普遍低于500m，如果按照此定義，東部地區(qū)基本上“無山”。這些相對高度的設(shè)置都是基于狹義的山地定義提出的，如果考慮到廣義的山地定義，相對高度的值應(yīng)該低于200m。對于坡度，鐘祥浩等認為，山地定義中的坡度不宜小于15°，最好以發(fā)生一定頻率的嚴重水土流失、滑坡的臨界坡度為依據(jù)。在前人關(guān)于水土流失的研究中，多數(shù)學者認為25°是土壤侵蝕、水土流失的臨界坡度［5，22］。

1.2 新的山地界定標準

目前，山地的定義包含定性、定量以及介于二者之間3種方式。定量的山地定義便于計算機的自動計算，可以提高山地范圍界定的效率和準確性，山地界定標準正是通過完全的數(shù)字化方式對山地進行定義來區(qū)分山地和非山地的。本文通過以上分析和總結(jié)，給出4種可行的山地定量界定標準，并對每種界定標準的計算結(jié)果進行對比驗證，以確定最終的山地界定標準。首先，將絕對高程劃分為3個區(qū)間：小于500m、500～2 500m、大于2 500m，其中海拔大于2 500m的區(qū)域全部為山地。此種劃分方式體現(xiàn)了對山地下定義的一個態(tài)度，即“廣義”的山地包括丘陵和部分高原。因為丘陵的海拔高度一般小于500m，所以海拔小于500m這個指標的設(shè)置是從絕對高程上對丘陵和山地進行區(qū)分，而大于2 500m這個指標主要將青藏高原這個特殊山地與一般山地進行區(qū)分。其次是相對高度的設(shè)置，在第一區(qū)間內(nèi)主要是界定丘陵，有研究認為，相對高度在50～100 m的丘陵稱作“低丘”，而相對高度在100～200m的丘陵稱作“高丘”，因此在此區(qū)間相對高度值的設(shè)置出現(xiàn)分歧，本研究針對50m和100m分別對其定義。500～2 500m區(qū)間主要是對一般的山地而言，相對高度值應(yīng)該設(shè)置為200m，但海拔在500～2 500 m的區(qū)域內(nèi)仍然存在著丘陵區(qū)域，因此在此區(qū)間內(nèi)同樣針對50m和100m分別對其定義。第三，坡度的設(shè)置。將500～2 500m區(qū)間的坡度設(shè)置為大于25°，一種定義為相對高度大于100m或坡度大于25°的區(qū)域為山地，另一種定義為相對高度大于50m或坡度大于25°的區(qū)域為山地。海拔小于500m區(qū)間主要是界定丘陵，除了相對高度外，不再設(shè)置坡度。具體給出以下4種山地定量界定標準：1）海拔大于2 500m；500～2 500m之間，相對高度大于50 m或坡度大于25°的區(qū)域；海拔低于500m，相對高度大于50m的區(qū)域。2）海拔大于2 500m；500～2 500m之間，相對高度大于50m或坡度大于25°的區(qū)域；海拔低于500m，相對高度大于100m的區(qū)域。3）海拔大于2 500m；500～2 500m之間，相對高度大于100m或坡度大于25°的區(qū)域；海拔低于500m，相對高度大于50m的區(qū)域。4）海拔大于2 500m；500～2 500m之間，相對高度大于100m或坡度大于25°的區(qū)域；海拔低于500m，相對高度大于100m的區(qū)域。

2 全國山地范圍界定及面積計算

2.1 地形起伏度計算尺度

地形是具有尺度屬性的，關(guān)于地形的任何研究和討論必須在一定的尺度內(nèi)進行。地形起伏度計算尺度就需要一個合理的計算尺度，《歐洲1∶250萬地貌圖》采用16km2作為地形起伏度計算尺度；陳志明等在編制《中國及毗鄰地區(qū)1∶400萬地貌圖》時，采用21km2作為地形起伏度的計算尺度；涂漢明等通過對全國600個樣點和兩個樣區(qū)的詳細研究，論證了中國地勢起伏度最佳計算尺度的存在，并認為對應(yīng)于不同的地形起伏度，中國存在2km2、10km2、16km2、20km2、22km25種不同大小的計算尺度，而21km2具有全國普適性，其對應(yīng)的比例尺為1∶100萬；郎玲玲等采用1∶25萬和1∶10萬兩種DEM數(shù)據(jù)，以低山丘陵為主的福建省作為研究區(qū)域，得出最佳計算尺度分別為 4.41km2和 0.4km2［8，23，24］。筆者在《基于DEM的中國地形起伏度的適宜計算尺度研究》中論證了基于SRTM和ASTER DEM這兩種常用的不同尺度的數(shù)字高程模型的地形起伏度計算尺度分別為4.72km2和3.20km2。

2.2 全國山地范圍界定

本文以分辨率為85.6m的SRTM DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，同時選擇對應(yīng)的地形起伏度計算尺度4.72 km2，以可視化交互數(shù)據(jù)語言（Interactive Data Language，IDL）以及常用的GIS、RS軟件平臺ArcGIS、Eradas為工具，將上述4種山地界定標準結(jié)合地形起伏度適宜計算尺度分別計算我國的山地范圍和面積，通過現(xiàn)有的資料（如我國地貌類型圖）對計算結(jié)果進行對比和分析，最終確定我國山地的定量界定標準及我國山地的范圍和面積。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國行政界限數(shù)據(jù)確定各個省份的山地范圍及面積。具體的計算方法以標準1為例進行說明，海拔大于2 500m的區(qū)域全部劃為山地、海拔在500～2 500m之間相對高度大于50m或坡度大于25°的區(qū)域為山地、海拔低于500m相對高度大于50m的區(qū)域為山地。相對高度的計算公式為：

式中：LERi表示以第i個柵格為中心的窗口內(nèi)的相對高差值，Emax、Emin分別表示該窗口內(nèi)的最大、最小高程值。

2.3 全國山地范圍及面積計算

最早提出中國山地面積的權(quán)威著作是《中國地貌區(qū)劃》，確定全國山地面積為633.7萬km2，占國土面積66.0%。與上述數(shù)據(jù)接近的是《中國農(nóng)業(yè)地理總論》一書，稱中國山地占全國面積的66.1%，程鴻在《中國山地資源開發(fā)》和王明業(yè)等在《中國山地》中認為中國山地面積分別占國土面積的67.0%與69.0%。肖克非在《中國山區(qū)經(jīng)濟學》和徐榮安在《中國山地經(jīng)濟學》中均認為山地面積占全國面積的65.9%。吳傳鈞等在《中國土地利用》中提到山地占中國國土面積的67.37%。曹光卓等在“我國山區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟淺析”一文中認為山地占全國國土面積的67.6%。1999年出版的《中國統(tǒng)計年鑒》，列出全國山地面積占國土面積的69.27%。陳德懷量算的中國山地面積占國土面積的66.4%。江曉波在《中國山地范圍界定的初步意見》中提出中國山地面積占國土面積的46.11%［5］?？梢?，前人關(guān)于我國山地面積的計算結(jié)果并不統(tǒng)一，本研究根據(jù)我國地形起伏度計算尺度和我國山地界定標準的研究成果，采用SRTM DEM數(shù)據(jù)對本文提出的4種山地定義下的我國山地范圍及面積進行了計算，并通過比較和分析確定適合我國山地的定義以及范圍和面積。計算結(jié)果如下：1）根據(jù)界定標準1，中國山地面積為725.43萬km2，占我國國土面積的75.3%（圖1a）。2）根據(jù)界定標準2，中國山地面積為695.33萬km2，占我國國土面積的72.1%（圖1b）。3）根據(jù)界定標準3，中國山地面積為658.81萬km2，占我國國土面積的68.2%（圖1c）。4）根據(jù)界定標準4，中國山地面積為625.43萬km2，占我國國土面積的64.8%（圖1d）。

圖1 中國山地范圍計算結(jié)果Fig.1 The results of the area of mountain regions in China

對4種計算結(jié)果以及《中國地貌類型圖》進行了初步對比、分析，500m以下相對高程分別為50m和100m的界定標準計算結(jié)果最明顯的區(qū)別在四川盆地的川東地區(qū)，《中國地貌類型圖》上判讀該區(qū)域為紅色丘陵區(qū)和區(qū)域邊緣為喀斯特山地。根據(jù)本文山地定義的原則以及筆者在該區(qū)域的實地考察認為，川東丘陵地區(qū)應(yīng)該劃為山地，即界定標準1和標準3在500m以下的區(qū)域更能區(qū)分出我國山地和非山地。500～2 500m之間相對高程分別為50m和100m的界定標準計算結(jié)果最明顯的區(qū)別在新疆中南部地區(qū)，相對高程大于50m的定義計算結(jié)果顯示該區(qū)域有大片山地存在，相對高程大于100m的定義計算結(jié)果顯示該區(qū)域為平原?！吨袊孛差愋蛨D》上判讀該區(qū)域為沖積平原，所以山地界定標準3能更為準確的區(qū)分我國的山地和非山地。根據(jù)標準3的計算結(jié)果，中國山地面積為658.81萬km2，占我國國土面積的68.2%。

2.4 各省山地面積計算

我國大陸地貌分布的基本規(guī)律是西高東低，自西向東形成三大階梯。第一級階梯是青藏高原，高原面海拔多在4 000～5 000m。第二級階梯是青藏高原的北緣與東緣到大興安嶺、太行山、巫山之間，包括了若干高原和盆地，盆地底部高低不一，高原面海拔多在1 000～2 000m。第三級階梯是更東的低山丘陵和大平原，山丘海拔多在千米以下，平原一般不超過200m，大部分地區(qū)的相對高度為200～500 m［5］。根據(jù)山地界定標準3，分省計算山地面積的結(jié)果顯示（表1）：由于地處青藏高原，第一階梯的省份的山地面積在該省國土面積中占有較高的比例；第二階梯中山地面積比例較高的省份多處于東南丘陵地帶，如福建、廣東等省份；第三階梯中的省份多以非山地為主，如江蘇、山東等省份，而上海是唯一沒有山地存在的省級行政單元。山地面積占本省（市、區(qū)）面積比例超過80%的有10個省份，分別為西藏、青海、云南、福建、四川、廣西、貴州、重慶、陜西、湖南。以上省份大部分處于西南地區(qū)和東南丘陵地區(qū)，其中，西藏、青海因為地處青藏高原，大部分區(qū)域海拔大于2 500m，山地比例高達95%以上；云南和貴州都屬于中國西南部高原山地，云南的西北部是高山深谷的橫斷山區(qū)，東部和南部是云貴高原，山地面積超過90%，個別縣市的山地比例超過98%，貴州境內(nèi)山脈眾多，重巒疊嶂，山高谷深，素有“八山一水一分田”之說；四川西部為青藏高原的東緣和橫斷山區(qū)的一部分，川東多為丘陵地帶；而廣西、福建、湖南則處在東南丘陵地區(qū)，丘陵在國土面積中占有很高的比例。山地面積占本?。ㄊ小^(qū)）面積比例超過50%的有18個省份，多處于我國的西部和東南部地區(qū)，其中比較特殊的是浙江省，地貌類型非常豐富，從浙北地區(qū)水網(wǎng)密集的沖積平原，到浙東地區(qū)的沿海丘陵，再到浙南地區(qū)的山區(qū)，還有舟山市的海島地貌，可謂山河湖海無所不有，但總體上以山地、丘陵為主［1］?？梢?，使用標準3對中國山地范圍進行界定，從分省域結(jié)果來看，也是趨于合理的，符合我國對各省山地的傳統(tǒng)認識。

表1 中國各省山地面積Table 1 The mountain area of different province in China

3 結(jié)論與討論

本文通過分析和計算，得出以下結(jié)論：1）定義3能夠很好地區(qū)分中國的山地和非山地，比較適合我國特殊地貌類型分布的規(guī)律，因此我國山地界定標準為：海拔大于2 500m區(qū)域；海拔500～2 500m之間，相對高度大于100m或坡度大于25°的區(qū)域；海拔低于500m，相對高度大于50m的區(qū)域。2）根據(jù)以上山地界定標準，得出我國山地面積為658.81萬km2，占我國國土面積的68.2%。

關(guān)于山地和山區(qū)的概念，目前國內(nèi)外的相關(guān)文獻并沒有做嚴格的區(qū)分，通常被當做可以通用的兩個概念，譬如山地和山區(qū)都強調(diào)“山”是核心概念，沒有山也就沒有山地和山區(qū)［10］。但是部分學者也強調(diào)二者的差別：山地強調(diào)區(qū)域的自然屬性，而山區(qū)強調(diào)區(qū)域的完整性和連續(xù)性，更側(cè)重于區(qū)域的社會經(jīng)濟屬性，其界線比山地更具有模糊性和不確定性，如江曉波首先確定四川省的山地范圍，在此基礎(chǔ)上綜合考慮自然、人文和社會經(jīng)濟的空間分異，依托山地進行空間范圍的拓展，從而得到山區(qū)范圍［25］。本文認為，如果從概念上講，山地和山區(qū)是有區(qū)別的，山地是一種地貌類型，而山區(qū)是一個區(qū)域的概念，山地強調(diào)的是地表的形態(tài)及形成該形態(tài)的地學因素，山區(qū)強調(diào)的是區(qū)域范圍。如《地理學詞典》認為，“山地由山嶺和山谷組成、具有較大的絕對高度和相對高度，切割深、切割密度大，通常位于構(gòu)造運動和外力剝蝕作用活躍的地區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜”。如果從區(qū)域上講，如山地面積、山區(qū)面積等，山地和山區(qū)是可以通用的，并最終統(tǒng)一到山區(qū)的概念上?！兜乩韺W詞典》和《地貌學辭典》中認為，“連綿分布的山地、丘陵以及比較崎嶇的高原地區(qū)稱為山區(qū)”［19］。所以，從這個角度講，本文的山地和山區(qū)是一致的。本研究表明，山地面積及范圍的計算結(jié)果不僅與地形起伏度的計算尺度有關(guān)系，與所使用的數(shù)據(jù)源也有一定的關(guān)系。本文采用了分辨率為85.6m的SRTM DEM計算了我國的山地面積，而沒有采用其他分辨率的數(shù)據(jù)對該計算結(jié)果進行驗證，這需要進一步展開研究。

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