基于遙感數(shù)據(jù)的洞庭盆地東部地表垂直形變研究

陳玉冬 李德平 高海麗 鐘文章

摘要利用GIS技術(shù)對2000年的SRTM和2009年的ASTER GDEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到兩個時期之間洞庭盆地東部及其周邊區(qū)域的地表垂直形變分布圖，然后從整體到局部分析洞庭盆地東部的地表垂直形變分布狀況及其原因。結(jié)果表明，東洞庭盆地受構(gòu)造沉降影響，大部分地區(qū)處于沉降狀態(tài)，而局部地區(qū)受到泥沙淤積或人類活動的影響較嚴(yán)重，導(dǎo)致地表抬升；盆地外的地區(qū)，臨湘市、岳陽縣和汨羅市東部呈南北向的抬升帶，處于幕阜-九嶺隆起之上，受構(gòu)造抬升影響，大部分地區(qū)處于抬升狀態(tài)，而臨湘市和岳陽市西北地區(qū)未處于隆起之上，大部分則處于沉降狀態(tài)。這對掌握洞庭盆地演變趨勢和洞庭盆地的工農(nóng)業(yè)規(guī)劃建設(shè)具有重要的理論意義。

關(guān)鍵詞洞庭盆地；SRTM；ASTER GDEM；地表垂直形變；地理信息系統(tǒng)

中圖分類號S126文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2014）04-01235-04

基金項目湖南省普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗室開放基金項目（09K020）；湖南師范大學(xué)地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)校級重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項目。

作者簡介陳玉冬（1987- ），女，四川仁壽人，碩士研究生，研究方向：GIS應(yīng)用。*通訊作者，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事GIS應(yīng)用開發(fā)與自然資源評價研究。

洞庭湖是長江最重要的調(diào)蓄性湖泊和我國最大的淡水基地。洞庭湖濕地是國家級重點(diǎn)野生動物保護(hù)區(qū)、亞洲最大的內(nèi)陸濕地保護(hù)區(qū)、世界淡水魚類優(yōu)質(zhì)種群資源基因庫。環(huán)洞庭湖地區(qū)是我國重要的商品糧基地和全國最大的水稻種植區(qū)，也是我國重要的棉、油、茶、豬、魚生產(chǎn)基地。加強(qiáng)洞庭湖生態(tài)環(huán)境保護(hù)，鞏固洞庭湖區(qū)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)地位，加快環(huán)洞庭湖地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對于加強(qiáng)我國生態(tài)文明建設(shè)、保障我國糧食安全、建設(shè)全面小康社會具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。目前，洞庭湖擴(kuò)張或是萎縮的主要因素是洞庭盆地的構(gòu)造沉降與泥沙淤積[1-2]。目前，國內(nèi)外關(guān)于地表垂直形變的研究方法主要有水準(zhǔn)測量[3]、GPS測量[4-5]、合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)[6-7]等。為此，筆者利用2000年的SRTM數(shù)據(jù)與2009年的ASTER GDEM數(shù)據(jù)對洞庭盆地東部的地表垂直形變進(jìn)行研究，分析其演變狀況，為環(huán)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)的規(guī)劃建設(shè)提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

洞庭盆地形成于白堊紀(jì)，自第4紀(jì)以來，洞庭盆地在地質(zhì)構(gòu)造上經(jīng)歷了沉降、抬升、沉降的發(fā)展變化。迄今為止，洞庭盆地主體產(chǎn)生坳陷沉降并接受沉積，盆地周緣抬升并接受風(fēng)化剝蝕[8]。就現(xiàn)代地形輪廓而言，洞庭盆地為一個斷陷盆地，四周均為隆起：西側(cè)武陵隆起，南側(cè)雪峰隆起，東側(cè)幕阜-九嶺隆起，北側(cè)華容隆起（圖1[9]）。該研究中的洞庭盆地范圍主要是以盆地自白堊紀(jì)開始時發(fā)展過程中的地層為根據(jù)，依據(jù)1∶500 000湖南省地質(zhì)圖[10]劃定。

目前，洞庭盆地的演變主要受構(gòu)造沉降、泥沙淤積和人類活動3個因素的制約。其中，有學(xué)者認(rèn)為，洞庭盆地的演變是構(gòu)造沉降起關(guān)鍵作用，盆地接受沉積沉降，湖泊擴(kuò)大；也有學(xué)者認(rèn)為是泥沙淤積起主導(dǎo)作用，盆地將接受沉積抬升，湖泊萎縮[3-4]。洞庭盆地今后的演化方向一直是地學(xué)界研究的熱點(diǎn)。

2基于SRTM與ASTER GDEM數(shù)據(jù)的地表垂直形變模型構(gòu)建

2.1數(shù)據(jù)來源

2.1.1SRTM數(shù)據(jù)簡介。SRTM高程數(shù)據(jù)是由美國航空航天局、地理空間情報局以及德國和意大利的航天機(jī)構(gòu)聯(lián)合測量的。該數(shù)據(jù)有兩種水平精度，分別為30和90 m分辨率。其中，90 m分辨率的（SRTM-3）標(biāo)稱絕對高程精度為16 m，標(biāo)稱絕對平面精度為20 m[11]，是能夠免費(fèi)獲得的。SRTM高程數(shù)據(jù)由于是使用干涉雷達(dá)技術(shù)獲取的，因此原始高程數(shù)據(jù)存在諸多不足[12]，從而導(dǎo)致生產(chǎn)的SRTM DEM產(chǎn)品存在許多缺數(shù)據(jù)區(qū)域。雖然目前的V4.1版本在這些缺數(shù)據(jù)區(qū)域得到了修補(bǔ)，但是在局部地區(qū)的高程精度仍不是很理想，且存在異常值[13]等。該研究選擇的SRTM數(shù)據(jù)為V4.1版本的SRTM-3數(shù)據(jù)，時間為2000年，名稱為utm_srtm_59_07，格式為img，投影為WGS _ 1984 _ UTM_Zone_49CN，坐標(biāo)范圍為110°～115° E、25°～30° N。

2.1.2ASTER GDEM數(shù)據(jù)簡介。ASTER GDEM是美國航天局（NASA）與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）共同推出的最新的地球電子地形數(shù)據(jù)。ASTER GDEM數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m，垂直精度約為20 m，水平精度為30 m[14]。ASTER GDEM圖1洞庭盆地范圍及構(gòu)造單元數(shù)據(jù)存在著一些奇異點(diǎn)和缺陷，主要表現(xiàn)為云的影響、不同數(shù)量的初始DEM值的影響、水體值異常[15]，在一定程度上影響了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該研究根據(jù)研究區(qū)的范圍，從國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺上下載了8景數(shù)據(jù)，時間為2009年，格式為img，投影為WGS _ 1984 _ UTM_Zone_49CN，坐標(biāo)范圍為110°～114° E、28°～30° N。

2.2數(shù)據(jù)處理流程該研究的數(shù)據(jù)處理流程分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)預(yù)處理、形變模型構(gòu)建3大步驟（圖2）。

2.2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。根據(jù)研究區(qū)范圍確定所需SRTM與ASTER GDEM數(shù)據(jù)的范圍，在地里空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站平臺上下載所需數(shù)據(jù)。

2.2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理。對ASTER GDEM數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、重采樣，使得ASTER GDEM與SRTM數(shù)據(jù)的投影方式、分辨率一致，對SRTM和ASTER GDEM進(jìn)行異常值處理。

2.2.3形變模型構(gòu)建。通過ArcGIS軟件平臺對SRTM和ASTER GDEM數(shù)據(jù)進(jìn)行空間運(yùn)算，構(gòu)建研究區(qū)的地表垂直形變模型。

3結(jié)果與分析

3.1洞庭盆地東部地表垂直形變類型劃分為了便于直觀地了解洞庭盆地東部各個區(qū)域地表垂直形變及其程度，該研究通過ArcGIS的重分類功能將地表垂直形變結(jié)果進(jìn)行重分類。根據(jù)得到的形變量將形變程度分為7類：<-5 m為極強(qiáng)沉降區(qū)，-5～-2 m為明顯沉降區(qū)，-2～0 m為一般沉降區(qū)，0 m為假定平衡區(qū)，0～2 m為一般抬升區(qū)，2～5 m為明顯抬升區(qū)，>5 m為極強(qiáng)抬升區(qū)。為加強(qiáng)洞庭盆地東部內(nèi)部及盆地周邊地形變化的對比，研究區(qū)范圍為東洞庭盆地及外圍部分地區(qū)。

3.2洞庭盆地東部地表垂直形變分布以水域和小流域為根據(jù)將洞庭盆地及盆地周邊劃分為東西南北4個部分，該研究以盆地東部為例，分析其形變分布狀況及原因。從圖3可以看出，盆地東部范圍內(nèi)，除水域外的地區(qū)，大部分處于一般沉降狀態(tài)，其余地區(qū)基本為假定平衡區(qū)，且假定平衡區(qū)基本分布在水域周邊；另外，華容縣至南縣之間有一條極細(xì)小的明顯抬升區(qū)，湘陰縣亦有極小部分的明顯抬升區(qū)。盆地外的區(qū)域，岳陽縣西北有少部分明顯沉降區(qū)，臨湘市西北至岳陽市西北地區(qū)是一片一般沉降區(qū)，在臨湘市與岳陽市相交處存在大片明顯沉降區(qū)與明顯抬升區(qū)的混合地帶；汨羅市東部、岳陽縣東部、臨湘市東部相連，呈南北向抬升狀態(tài)，以明顯抬升區(qū)和平衡區(qū)為主，其中存在少數(shù)明顯沉降區(qū)。

盆地外的地區(qū)，沿汨羅市、岳陽縣、臨湘市南北向的明顯抬升區(qū)位于幕阜九嶺隆起之上，受構(gòu)造抬升作用影響，且抬升程度較大；同時，該地區(qū)處于丘陵、低山地區(qū)，地形較復(fù)雜，受數(shù)據(jù)在山區(qū)的精度及準(zhǔn)確性限制，區(qū)域內(nèi)夾雜的少數(shù)明顯沉降區(qū)不作確定性評價；臨湘市及岳陽市西北部為一片一般沉降區(qū)，該沉降區(qū)沿長江分布，受流水沖刷作用與洪湖-湘陰斷裂的影響。

3.4盆地東部典型地區(qū)分析在上述洞庭盆地東部全貌分析的基礎(chǔ)上，為了加深研究，選取了1∶50 000郭鎮(zhèn)市、新墻和桃林圖幅區(qū)域（簡稱郭-新-桃地區(qū)）與南大膳和新河口圖幅區(qū)域（簡稱南-新地區(qū)）進(jìn)行詳細(xì)分析。南-新地區(qū)只有一小部分落入洞庭盆地東部范圍，另有一小部分落入洞庭盆地北部范圍，大部分落入洞庭盆地南部范圍。選擇該地區(qū)進(jìn)行典型分析，主要是為了了解3個部分交界處的地表垂直形變狀況。

3.4.1郭-新-桃地區(qū)。

3.4.1.1地表垂直形變空間分布。郭-新-桃區(qū)域從極強(qiáng)沉降區(qū)至極強(qiáng)抬升區(qū)的7個形變類型完全，整體上以一般沉降分布為主（圖4）。自上而下，地表垂直形變具體分布如下：康王北部及郭鎮(zhèn)市北部為一般沉降區(qū)，郭鎮(zhèn)市附近為假定平衡區(qū)；馮萬仕、夾鋪?zhàn)?、五垸及麻塘?zhèn)圍成的四邊形內(nèi)，存在大部分明顯沉降區(qū)，其中，新開塘與麻塘鎮(zhèn)之間以一般沉降為主，但是存在一條狹長的一般抬升帶、一條極強(qiáng)沉降帶、一條明顯沉降帶，且同為南北走向；陶家老屋北部是假定平衡區(qū)，且存在少部分一般抬升區(qū)；從鹿角到鹿角鎮(zhèn)再到岳陽縣是一片假定平衡區(qū)，平衡區(qū)周圍為一般沉降區(qū)；鹿角至蘇堤老之間，及水域周邊為假定平衡區(qū)，但存在極少數(shù)一般抬升區(qū)；蘇堤老、黃秀橋、長湖街以北的整個區(qū)域以一般沉降區(qū)域為主，其中有少部分假定平衡區(qū)，如黃家祠堂、黃市附近，以及零星分布的明顯沉降區(qū)，如羅家咀和劉家灣東、西部部分地區(qū)。

圖4郭-新-桃地區(qū)地表垂直形變分布42卷4期陳玉冬等基于遙感數(shù)據(jù)的洞庭盆地東部地表垂直形變研究 3.4.1.2地表垂直形變原因分析。結(jié)合該區(qū)域的地質(zhì)背景、水域分布、地表環(huán)境等，分析該區(qū)域地表形變原因?？傮w上，郭-新-桃區(qū)域大部分處于洞庭盆地內(nèi)，位于湘陰凹陷構(gòu)造單元之上，因此，盆地內(nèi)部受構(gòu)造沉降影響，大體處于沉降狀態(tài)；而盆地外的區(qū)域處于幕阜隆起之上，受構(gòu)造抬升影響，理論上該區(qū)域應(yīng)處于抬升狀態(tài)，但實(shí)際上該區(qū)域基本處于沉降狀態(tài)，這可能與該區(qū)域處于兩種不同構(gòu)造單元的交界處，受到的構(gòu)造沉降影響程度更大有關(guān)，也可能是因為該區(qū)域山地地形明顯，受到數(shù)據(jù)本身在山區(qū)的準(zhǔn)確性影響。

具體而言，在郭鎮(zhèn)市區(qū)域內(nèi)，康王北部及郭鎮(zhèn)市北部為一般沉降區(qū)，在該區(qū)域北部是南湖，且位于長江沿岸附近，人類活動頻繁，對地表的沉降起到促進(jìn)作用。在馮萬仕、夾鋪?zhàn)?、五垸及麻塘?zhèn)圍成的四邊形內(nèi)，馮萬仕附近的明顯沉降區(qū)位于黃峁山脈，麻塘鎮(zhèn)至岳陽縣之間的明顯沉降區(qū)位于麻布大山、鷹咀山、晏家大山山脈。對比地形圖后可知，該區(qū)的高程點(diǎn)處高程值降低，說明這兩座連綿的山體處于沉降狀態(tài)，但是，在麻布大山、鷹咀山、晏家大山山脈西側(cè)存在一條一般抬升帶，其原因不明，且數(shù)據(jù)本身在山區(qū)的精度也對結(jié)果有一定的影響，因此此處的沉降帶和抬升帶的地表形變結(jié)果不能作確定性評價；此外，在新開塘和五垸附近存在煤礦資源，對煤礦資源的開采導(dǎo)致地表塌陷下沉，因此，在構(gòu)造沉降的基礎(chǔ)上，該區(qū)域的沉降更加明顯。陶家老屋北部的小部分一般抬升區(qū)主要受人類活動的影響。

在新墻及桃林寺區(qū)域內(nèi)，蘇堤老、黃秀橋、長湖街以北的整個區(qū)域以一般沉降區(qū)域為主，主要受到構(gòu)造沉降影響，水域少，河流的沖刷和泥沙的淤積作用不明顯，人類活動沒有對地表的垂直形變產(chǎn)生明顯影響，因此，在構(gòu)造沉降的影響下，這片區(qū)域主要以一般沉降為主；其中的黃家祠堂、黃市附近的假定平衡區(qū)，是因為汨羅江和羅水分別流經(jīng)黃家祠堂和黃市，對流經(jīng)區(qū)域產(chǎn)生泥沙淤積作用，另外人類沿河流修筑堤壩等對其也有一定的影響，這在一定程度上抵消了構(gòu)造沉降的影響，使得該區(qū)域的地表垂直形變不明顯；羅家咀和劉家灣東、西部地區(qū)的明顯沉降區(qū)主要受構(gòu)造沉降影響，但其余影響因素不明確。

3.4.2南-新地區(qū)。

3.4.2.1地表垂直形變空間分布。南-新地區(qū)無極強(qiáng)沉降區(qū)，只存在明顯沉降區(qū)至極強(qiáng)抬升區(qū)的6個形變類型，整體上以一般沉降為主（圖5）。自上而下，地表垂直形變具體分布如下：南湖灣北部存在少部分一般抬升區(qū)，而南灣湖西南部為明顯沉降區(qū)；永福西部存在一小片一般抬升區(qū)；南湖灣、玉成垸、金盆農(nóng)場和南道河圍成的北部區(qū)域內(nèi)，一般沉降區(qū)與假定平衡區(qū)基本持平；南道河、金盆農(nóng)場和南大膳鎮(zhèn)圍成的三角形范圍內(nèi)以假定平衡區(qū)為主，而南道河至金盆農(nóng)場存在一條較窄的一般抬升帶，在這條抬升帶內(nèi)存在極小的明顯抬升區(qū)；永福、玉成垸、金盆農(nóng)場、南大膳鎮(zhèn)、主港片、廖潭口北部和子母城圍成的近圓形區(qū)域內(nèi)基本為一般沉降區(qū)；主港片南部除水域外，大部分為假定平衡區(qū)，在平衡區(qū)南部存在少部分一般抬升區(qū)；廖潭口南部亦有極少數(shù)一般抬升區(qū)。極強(qiáng)抬升區(qū)幾乎分辨不出。

3.4.2.2地表垂直形變原因分析?？傮w而言，南-新區(qū)域位于洞庭盆地內(nèi)部（東、南、北盆地的交匯處），處于沅江凹陷構(gòu)造單元上，受構(gòu)造沉降運(yùn)動影響，以沉降為主，部分區(qū)域的地表抬升。

具體而言，南灣湖北部處于抬升狀態(tài)，該區(qū)域濱臨大通湖，湖邊泥沙淤積嚴(yán)重，且人類沿湖區(qū)的作業(yè)，使得該區(qū)域地表抬升；南湖灣西部的明顯沉降區(qū)，除受到構(gòu)造沉降影響外，還受較強(qiáng)烈的人類活動的影響。永福西部的一小片一般抬升區(qū)主要受人類活動的影響。南湖灣、玉成垸、金盆農(nóng)場和南道河圍成的區(qū)域內(nèi)，一般沉降區(qū)與假定平衡區(qū)基本持平，是因為在假定平衡區(qū)內(nèi)，雖然沒有臨水域，但處于洞庭湖區(qū)內(nèi)，人類的各種較強(qiáng)烈的建設(shè)活動對構(gòu)造沉降起到了一定的抵消作用，使得地表形變不明顯；而沉降區(qū)內(nèi)，人類活動相對較平和，在構(gòu)造沉降的影響下地表下沉。

南道河、金盆農(nóng)場和南大膳鎮(zhèn)圍成的三角形范圍內(nèi)以假定平衡區(qū)為主，因為在假定平衡區(qū)東部是漉湖，漉湖岸邊泥沙淤積與人類活動使得地表在構(gòu)造沉降的影響下地表形變不明顯；而南道河至金盆農(nóng)場的較窄的抬升帶，主要受到人類活動的影響，才使得在這條狹窄的區(qū)域內(nèi)地表抬升，其中的極小的明顯抬升區(qū)也是在相對較強(qiáng)的人類活動影響下產(chǎn)生的。永福、玉成垸、金盆農(nóng)場、南大膳鎮(zhèn)、主港片、廖潭口北部和子母城圍成的近圓形區(qū)域內(nèi)基本為一般沉降區(qū)，主要受到構(gòu)造沉降影響，而受到的泥沙淤積和人類活動的影響相對較小，因此該區(qū)域呈現(xiàn)沉降狀態(tài)。主港片南部除水域外，大部分為假定平衡區(qū)，這主要是泥沙淤積對構(gòu)造沉降的抵消作用，使得該區(qū)域內(nèi)的地表垂直形變不明顯，而在平衡區(qū)南部存在少部分一般抬升區(qū)，該區(qū)域東南部臨淳湖，西部臨萬子湖，泥沙淤積作用更加明顯，且還存在人類活動，使得該區(qū)的地表抬升較明顯。廖潭口南部極少數(shù)受到泥沙淤積的影響也較強(qiáng)，導(dǎo)致該區(qū)的地表抬升明顯。

4結(jié)語

（1）通過從整體到局部的分析，發(fā)現(xiàn)東洞庭盆地的內(nèi)部區(qū)域受構(gòu)造沉降影響，大體處于沉降狀態(tài)，局部地區(qū)受到泥沙淤積和人類活動影響較大，地表呈現(xiàn)抬升；洞庭盆地外圍的臨湘市、岳陽市和汨羅市的東部處于幕阜-九嶺隆起上，以抬升為主，而臨湘市和岳陽市的西北地區(qū)地表呈現(xiàn)沉降狀態(tài)。