基于DEM數(shù)據(jù)的地貌分類研究
——以西秦嶺為例

常直楊，王 建,2，白世彪,2，梁 中

(1.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京210046)

地貌是自然地理環(huán)境中最基本的要素之一，在一定區(qū)域內(nèi)，地貌與其他自然地理要素如氣候、水文、植被、土壤等的相互關(guān)系中，地貌條件往往起著重要作用[1]。傳統(tǒng)的地貌學(xué)分類，通常是基于對地形圖的判讀，結(jié)合對野外的考察來完成的，不僅費時費力，而且很難做到全面、準(zhǔn)確、系統(tǒng)、定量。而基于DEM數(shù)據(jù)的地貌分類省時省力，可以做到標(biāo)準(zhǔn)一致、系統(tǒng)統(tǒng)一、定量準(zhǔn)確。但是如何利用DEM數(shù)據(jù)進行地貌類型的劃分，還需要進行一些嘗試和探索。

西秦嶺地區(qū)地勢起伏較大，地貌類型多樣，具有典型代表性，以該區(qū)進行地貌類型劃分的嘗試，可以為今后地貌類型的定量、快速、系統(tǒng)劃分提供依據(jù)和方法。另外，該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活躍，多滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害(舟曲特大泥石流就發(fā)生于此)，因此對該區(qū)地貌類型和格局的研究，將會為滑坡、泥石流災(zāi)害的防治提供基礎(chǔ)依據(jù)和背景數(shù)據(jù)。

20世紀(jì)50至60年代，已有學(xué)者基于地貌格局研究的傳統(tǒng)方法——野外調(diào)查法，對秦嶺地區(qū)的地理概觀、地貌結(jié)構(gòu)進行了研究[2-4]。近些年，“3S”技術(shù)的引入為地貌格局的研究提供了新的技術(shù)手段，國內(nèi)外已有不少研究成果[5-11]。高程和地勢起伏度是描述地貌形態(tài)的2個最重要的因子，是山地結(jié)構(gòu)和格局研究的重要指標(biāo)，同時高程能揭示不同海拔山地?zé)崃?、水分、生物、土壤的垂直差異，起伏度能揭示坡面環(huán)境能量特征和環(huán)境災(zāi)害危險性程度[12]，因此對高程和起伏度的有效劃分是建立地貌形態(tài)識別的關(guān)鍵。其中，地勢起伏度是指在某一確定面積內(nèi)所有柵格中最大高程與最小高程之差，是描述一個區(qū)域地面高差的一個有效指標(biāo)，其準(zhǔn)確獲取的關(guān)鍵是求算最佳統(tǒng)計窗口[9,12-13]。同時，不同的研究區(qū)應(yīng)選取不同的地理指標(biāo)，指標(biāo)選取應(yīng)體現(xiàn)研究區(qū)的地貌特點。

我們在研究西秦嶺地貌格局時，采用均值變點分析法求取了西秦嶺地區(qū)地勢起伏度的最佳統(tǒng)計分析窗口，并對該結(jié)果進行了討論。結(jié)合實際地貌，為了讓西秦嶺南、北坡及徽成盆地體現(xiàn)出地貌單元的差異，利用地勢起伏度和高程兩個參數(shù)建立了西秦嶺的地貌形態(tài)分級體系，得出14種地貌形態(tài)，為西秦嶺地貌形態(tài)的進一步研究提供了基礎(chǔ)，以期為西秦嶺地區(qū)水土流失、地質(zhì)災(zāi)害等防治提供定量化的地貌研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西秦嶺以西，甘南山地高原以東，洮、渭河谷地以南，白龍江谷地以北，主體位于甘肅省隴南地區(qū)，經(jīng)緯度為102°11′—107°8′E、32°20′—34°48′N(圖1)，面積約46 394 km2，全區(qū)均為山地。氣候暖濕，徑流豐富，地表風(fēng)化物和松散堆積物很厚。

在地質(zhì)構(gòu)造上，西秦嶺屬于昆侖-秦嶺地槽褶皺系，習(xí)慣上分為北秦嶺(北坡)、徽成盆地和南秦嶺(南坡)，海拔450—4 591 m。北秦嶺主脈為洮渭分水嶺，呈北西—東南走向；徽成盆地是以徽縣和成縣為主體的盆地，從地質(zhì)構(gòu)造和宏觀的地貌上說是個東西向延伸的盆地；南秦嶺位于徽成盆地以南至白龍江谷地以北，是一個山體結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的山地[14]。

圖1 西秦嶺位置

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

所使用的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(SRTM3-DEM)下載自中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(http://datamirror.csdb.cn)，經(jīng)過投影轉(zhuǎn)換、拼接、重采樣、裁切而成，格網(wǎng)大小為90 m×90 m，數(shù)據(jù)格式為ArcGIS的grid格式。該DEM高程基準(zhǔn)為EGM96，水平基準(zhǔn)為WGS-1984，源數(shù)據(jù)是由美國“奮進”號航天飛機搭載SRTM系統(tǒng)獲取的雷達影像處理而得，所采集的地面高程包括了植被和建筑物等的高程，但對于地形復(fù)雜的西秦嶺整體地貌形態(tài)的劃分來說，影響不大，所以可以使用該數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 西秦嶺地貌形態(tài)分級體系的建立

西秦嶺的南、北坡及盆地之分是根據(jù)ArcGIS中山脊線和山谷線的提取方法繪制而成的。若基于中國1 ∶100萬地貌圖圖例[1]說明，按照起伏度和高程的劃分原則劃分，則發(fā)現(xiàn)起伏度<100 m的平原和臺地面積相對于西秦嶺面積來說微乎其微，而小起伏中山占據(jù)了研究區(qū)絕大部分面積，使得西秦嶺北坡和徽成盆地的地貌形態(tài)連成一體，不能夠很好地區(qū)分開北坡和徽成盆地的差異?？梢钥隙ɑ? ∶100萬的地貌劃分方法在全國范圍具有指導(dǎo)意義，但具體應(yīng)用到某區(qū)域時存在局限性，應(yīng)結(jié)合實際地貌進行劃分。為了體現(xiàn)西秦嶺南、北坡及盆地的地貌差異，通過對比試驗，得出了比較適合西秦嶺的地貌形態(tài)分類分級體系，如表1所示。

表1 西秦嶺地貌基本形態(tài)類型分類

2.2.2 最佳統(tǒng)計窗口求取

根據(jù)地貌發(fā)育的基本理論，存在一個使最大高差達到相對穩(wěn)定的最佳統(tǒng)計窗口[13]，在提取西秦嶺起伏度、切割度的時候，要確定出最佳統(tǒng)計窗口。常用的方法有人工作圖法、最大高差法、模糊數(shù)學(xué)法和均值變點法[9]，本文所采用的方法是均值變點法，該方法對恰有一個變點的檢驗最為有效[15]。對于該方法，作者已在文獻[16]中進行了較為詳細(xì)的介紹。

3 結(jié)果與討論

3.1 最佳統(tǒng)計單元的求算

利用西秦嶺SRTM3-DEM數(shù)據(jù)，在ArcMap9.3的空間分析模塊中，使用窗口遞增算法，以n×n(n=3，5，…，31)像元的矩形作為模板算子，計算各鄰域內(nèi)平均地勢起伏度，作為對應(yīng)窗口地勢起伏度結(jié)果值，結(jié)果見表2。

表2 平均起伏度與統(tǒng)計單元大小對應(yīng)關(guān)系

在SPSS中對表2所獲得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，擬合不同統(tǒng)計單元面積S與平均地勢起伏度t的關(guān)系，得到統(tǒng)計單元與地勢起伏度的關(guān)系曲線，見圖2。擬合方程為y=95.657lnx+262.81，擬合系數(shù)R2=0.972 2，擬合度滿意。

通過MATLAB編程，對表2數(shù)據(jù)進行處理，處理方法見文獻[16]，通過計算得圖3所示曲線，S和Si之差在第7個差值，即在第8個序列點的時候最大，達到12.78左右，該序列點所對應(yīng)的統(tǒng)計單元大小即為最佳統(tǒng)計單元。由表1可知，第8個序列點對應(yīng)的是17×17像元，即面積為2.34 km2的格網(wǎng)大小為最佳統(tǒng)計單元。

圖2 統(tǒng)計單元與地勢起伏度的關(guān)系

圖3 S和Si的差值變化曲線

與涂漢明等[13,17]研究的中國地勢起伏度最佳統(tǒng)計單元相比，首先，本研究在研究區(qū)域選擇上有較好的改進。其在全國共布7條穿越線，以1 ∶20萬地形圖作為數(shù)據(jù)采集工作圖，利用人工讀圖法獲得全國600個樣點，并以兩個小區(qū)作為補充；本研究選取了起伏度大的西秦嶺DEM，在ArcMap里能夠利用窗口遞增法快捷地對DEM中柵格進行遍歷運算，排除一定的人為主觀因素。其次，本研究在計算最佳統(tǒng)計窗口時，采用均值變點分析法，該方法適用于有一個變點的序列，能夠準(zhǔn)確地求出拐點，與涂漢明等所得出的全國最佳統(tǒng)計窗口為21 km2相比，可以得出更適合西秦嶺的最佳統(tǒng)計窗口面積為2.34 km2。但是，該方法也有一定的局限性，當(dāng)以某一點為中心的窗口內(nèi)包含了所在山體的山頂上某一點與山腳某一點時，隨著窗口的增大，高差已經(jīng)增加不多，這樣求出的拐點所對應(yīng)的統(tǒng)計單元會偏小，不符合山體完整性原則。綜上所述，雖然利用ArcMap窗口分析法所求得的最佳統(tǒng)計單元面積可能會偏小，但這仍然是求取最佳統(tǒng)計窗口面積特別是小范圍研究區(qū)較佳的方法。

3.2 西秦嶺地貌形態(tài)劃分

將起伏度數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)按照地貌形態(tài)指標(biāo)進行數(shù)據(jù)融合，去除零值和面積小于柵格分辨率的斑塊數(shù)據(jù)，可得到初步地貌分類圖。同時考慮到某些地貌單元的面積過小，將其合并到相鄰的地貌單元里，進行平滑處理，最后得到14種地貌形態(tài)分布圖，如圖4所示。

基于DEM的西秦嶺數(shù)字地貌格局圖中，共有14種海拔和起伏度組合形態(tài)，無大起伏低山和大起伏中山地貌形態(tài)。將各地貌面積進行統(tǒng)計可得表3。其中，小起伏中山和小起伏亞高山所占面積比例最大，分別約占了總面積的31.80%、21.96%。另外，由圖4也可以看出：小起伏中山主要分布于徽成盆地；北坡以小起伏亞高山為主，這里分布有太子山、白石山、露骨山等一系列的高峰，向東經(jīng)八盤山后，成為渭河與嘉陵江支流西漢水、永寧河的分水嶺，海拔降低，地貌特征表現(xiàn)為小起伏中山間有中海拔丘陵。另外，中起伏中山和中起伏亞高山也占據(jù)了研究區(qū)面積的1/5以上，南坡主要是由中起伏中山和中起伏亞高山構(gòu)成。在白龍江的上游，地表經(jīng)過長期的切割作用，表現(xiàn)出大起伏亞高山的地貌特征，不受河流切割影響的地帶則表現(xiàn)出中起伏亞高山的地貌特征。在研究區(qū)的西部地區(qū)，是若爾蓋高原盆地的一部分，海拔雖高，但地勢起伏度不大，以寬谷緩丘為主，表現(xiàn)出了高海拔丘陵、亞高山的地貌特征。另外，中海拔丘陵主要分布于徽成盆地中，小起伏高山和高海拔丘陵主要分布于北坡西部，大起伏山地分布于南坡；中起伏高山位于北坡和南坡交界處，是洮河支流與白龍江的分水嶺，這里還分布有一些面積較小的大起伏高山。

圖4 基于DEM的西秦嶺數(shù)字地貌格局

表3 西秦嶺地區(qū)各種地貌形態(tài)面積統(tǒng)計

4 結(jié) 論

(1)利用西秦嶺地區(qū)90 m分辨率的SRTM3-DEM數(shù)據(jù)，通過均值變點法分析得出，該區(qū)地勢起伏度的最佳統(tǒng)計單元面積為2.34 km2。

(2)依據(jù)西秦嶺地貌形態(tài)分級指標(biāo)體系，劃分得到14種地貌形態(tài)，與傳統(tǒng)的地貌類型大致對應(yīng)，但是系統(tǒng)性、定量化以及效率卻比傳統(tǒng)方法大大提高，從而為基于DEM的地貌類型的快速定量系統(tǒng)劃分提供了經(jīng)驗與方法。

(3)南坡以中起伏亞高山為主；北坡以小起伏亞高山為主；盆地以小起伏中山、中海拔丘陵為主。南坡和北坡相比，北坡海拔高但起伏度小，南坡海拔低但起伏度大，南坡更易發(fā)生滑坡、泥石流。

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