雷達(dá)地形測(cè)繪DEM用于青藏高原地貌分類

韓海輝，王藝霖，李健強(qiáng)，高婷

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054）

雷達(dá)地形測(cè)繪DEM用于青藏高原地貌分類

韓海輝1，2，王藝霖2，李健強(qiáng)2，高婷2

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710054；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054）

第一次全國(guó)地理國(guó)情普查工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是調(diào)查地形地貌。針對(duì)在青藏高原等艱險(xiǎn)地區(qū)開(kāi)展相應(yīng)工作仍存在諸多困難，該文基于美國(guó)“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)獲取的SRTM－DEM數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS技術(shù)提取了青藏高原的8個(gè)地貌因子，通過(guò)相關(guān)性分析最終選取地表粗糙度、高程、地勢(shì)起伏度、坡度變率及坡向變率5個(gè)相關(guān)性相對(duì)較小的因子，開(kāi)展宏觀地貌類型劃分及地貌分布特征分析工作，并基于一種簡(jiǎn)易模型提取并討論了對(duì)青藏高原生態(tài)環(huán)境有重要影響的冰緣（凍土）地貌。研究表明：應(yīng)用SRTM－DEM數(shù)據(jù)可快速有效地提取青藏高原等艱險(xiǎn)地區(qū)的地貌因子，但某些因子之間具有極高的相關(guān)性，應(yīng)用中需慎重選擇。此外，通過(guò)SRTM－DEM數(shù)據(jù)提取地貌因子以進(jìn)行宏觀地貌類型劃分及地貌特征分析的方法簡(jiǎn)單易行，能夠?yàn)樵谇嗖馗咴绕D險(xiǎn)地區(qū)開(kāi)展地理國(guó)情普查工作提供可靠的基礎(chǔ)資料。

SRTM－DEM；地貌分類；青藏高原；冰緣地貌；地理國(guó)情

0 引 言

目前開(kāi)展的第一次全國(guó)地理國(guó)情普查工作旨在系統(tǒng)掌握權(quán)威、客觀、準(zhǔn)確的地理國(guó)情信息，為制定和實(shí)施國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃等工作提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而普查工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是全面調(diào)查我國(guó)的地形地貌情況 青藏高原面積廣闊 地形復(fù)雜、交通條件較差，這為該區(qū)域開(kāi)展詳細(xì)的地形地貌普查工作帶來(lái)了諸多困難。而DEM數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著豐富的地形信息，因此如何在青藏高原等艱險(xiǎn)地區(qū)的地貌調(diào)查工作中充分利用數(shù)字高程數(shù)據(jù)值得分析和研究。

2000年，美國(guó)“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)獲取了北緯60°至南緯56°范圍內(nèi)80%面積的三維雷達(dá)地形數(shù)據(jù)（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM 數(shù)據(jù)），原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后平面精度能夠達(dá)到±20m，高程精度達(dá)到±16m［1－2］。該數(shù)據(jù)投入使用后，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者在相關(guān)研究中積極應(yīng)用且取得了良好效果，如在地勢(shì)起伏與地貌侵蝕研究中可用其快速提取起伏度與坡度進(jìn)行地形分析［3－8］，在地質(zhì)構(gòu)造研究中可用其較準(zhǔn)確地識(shí)別斷層信息［9－11］，而在水文學(xué)研究中也可用其有效提取流域水系信息［12－15］，這些研究工作的成果都從不同方面驗(yàn)證了SRTM數(shù)據(jù)的適用性和可靠性。

本文的目的是通過(guò)利用SRTM數(shù)據(jù)對(duì)青藏高原進(jìn)行地貌類型劃分工作，包括宏觀地貌類型以及冰緣凍土地貌，并分析空間分布規(guī)律和特征，期望分析方法和分析結(jié)果能為青藏高原等艱險(xiǎn)區(qū)域開(kāi)展地形地貌普查工作提供有效幫助和參考。

1 研究區(qū)概況

青藏高原面積是我國(guó)陸地面積的四分之一，地勢(shì)高，地形復(fù)雜，其地形地貌都是50Ma～60Ma以來(lái)印度板塊和亞洲板塊碰撞的結(jié)果［16－17］。多樣的地形地貌現(xiàn)象記錄了豐富的高原隆升和演化的動(dòng)態(tài)信息，故倍受世界地學(xué)界重視［18］。本文的研究區(qū)如圖1所示，涉及面積約2581348km2。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

2 數(shù)據(jù)處理

SRTM數(shù)據(jù)根據(jù)采樣間隔可分為SRTM1（30m×30m）和SRTM3（90m×90m）。考慮到覆蓋研究區(qū)SRTM1的計(jì)算量過(guò)于龐大，本文選用了SRTM3數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云（http：／／www.gscloud.cn），數(shù)據(jù)修訂版本為 V4.1版本。該版本是由CIAT（國(guó)際熱帶農(nóng)業(yè)中心）利用新的插值算法得到的SRTM地形數(shù)據(jù)，此方法更好地填補(bǔ)了SRTM3的數(shù)據(jù)空洞。

對(duì)覆蓋研究區(qū)的多景SRTM3－DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌，并進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，最后剪裁出研究區(qū)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。投影方式為等面積圓錐投影（Albers），第一標(biāo)準(zhǔn)緯線25°N，第二標(biāo)準(zhǔn)緯線47°N，中央經(jīng)線105°E，基準(zhǔn)面Krasovsky＿1940。

3 地貌因子的選擇

不同的地貌因子能從不同的側(cè)重面描述出區(qū)域內(nèi)地貌特征，但這些因子之間往往具有高相關(guān)性，因此需要對(duì)眾多因子進(jìn)行相關(guān)性分析，從而選取出最具有代表性的因子進(jìn)行地貌類型劃分和分析工作?；诩舨煤蟮腟RTM3－DEM，本文運(yùn)用ArcGIS9.3軟件提取了研究區(qū)地表粗糙度、高程、高程變異系數(shù)、地表切割度、地勢(shì)起伏度、坡度、坡度變率、坡向變率共8個(gè)地貌因子，然后對(duì)8個(gè)因子的圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以統(tǒng)一量綱，最后通過(guò)ENVI4.8軟件計(jì)算各因子間相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各地貌因子間相關(guān)系數(shù)矩陣

表1清晰地反映出研究區(qū)的某些地貌因子間具有高度相關(guān)性，如坡度、地表切割度、地勢(shì)起伏度之間的相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.9，再如地表粗糙度與坡度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.88，而高程變異系數(shù)、地表切割度及地勢(shì)起伏度之間的相關(guān)系數(shù)也在0.8以上 因此，為避免信息的冗余性影響后續(xù)地貌類型劃分和分析工作，需要對(duì)因子進(jìn)行篩選。根據(jù)表1的結(jié)果，綜合分析，剔除相關(guān)性較高的因子，確定留取高程、地勢(shì)起伏度、地表粗糙度、坡度變率、坡向變率5個(gè)因子。

4 地貌因子分析及地貌類型劃分

4.1 高程與地勢(shì)起伏度的劃分

參考周成虎等人的研究成果［19］，將研究區(qū)地形劃分為低海拔（高程小于1000m），中海拔（高程為1000m～3500m），高海拔（高程為3500m～5000m），極高海拔（高程大于5000m）4個(gè)類型（圖2）。研究區(qū)4種地形類型的面積排序?yàn)椋焊吆０危?528263.3km2）＞極高海拔（624890.84km2）＞中海拔（414527.1km2）＞低海拔（13666.73km2）。從空間分布來(lái)看，高海拔主要集中在青南地區(qū)、羌塘地區(qū)以及喜馬拉雅山以北區(qū)域，極高海拔分布在西昆侖地區(qū)、唐古拉山附近以及岡底斯山地區(qū)，中海拔則集中于柴達(dá)木盆地、共和盆地以及河湟谷地，而低海拔僅分布在藏東南墨脫一帶。

對(duì)一個(gè)區(qū)域來(lái)說(shuō)，要想恰到好處地反映出該區(qū)域內(nèi)山體的完整性，就需要準(zhǔn)確地提取地勢(shì)起伏度［20］。對(duì)此問(wèn)題，筆者曾提出了一種均值變點(diǎn)分析法［21］，方法簡(jiǎn)單，提取結(jié)果的精度也相對(duì)較高。因此，本次繼續(xù)使用該方法提取了研究區(qū)地勢(shì)起伏度，并參考周成虎等人的研究成果［19］，劃分出平原與湖泊、臺(tái)地、丘陵、山地等7種地貌形態(tài)類型（圖3）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果 表2顯示 研究區(qū)4種山體地貌占據(jù)了研究區(qū)51%的面積，其中小起伏山地面積最大。從分布來(lái)看，小起伏山地主要集中在橫斷山脈區(qū)，中起伏山地主要集中在喀喇昆侖山地區(qū)和岡底斯山地區(qū)，而大起伏山地與極大起伏山地則集中在雅魯藏布江大拐彎處以及西昆侖地區(qū)。

圖2 高程分級(jí)圖

圖3 地勢(shì)起伏度分級(jí)圖

表2 地勢(shì)起伏度分級(jí)統(tǒng)計(jì)

4.2 地表粗糙度、坡向變率及坡度變率

地表粗糙度（Roughness）是反映侵蝕程度的一個(gè)指標(biāo)。從地表粗糙度圖（圖4）可看到存在兩個(gè)相對(duì)高值的區(qū)域，一個(gè)是沿北部邊界的西昆侖山－阿爾金山－祁連山地帶，另一個(gè)是雅魯藏布江下游區(qū)、橫斷山脈區(qū)，可能反映出這些區(qū)域的地表遭受過(guò)強(qiáng)烈侵蝕。

地面坡向變率（Slope of Aspect，SOA）是坡向的變化率。從坡向變率圖（圖5）上看，柴達(dá)木盆地的坡向變率值較大，反應(yīng)出該區(qū)域內(nèi)坡向變化快，這可能是盆地內(nèi)長(zhǎng)期遭受風(fēng)蝕作用造成地面起伏變化的結(jié)果。

坡度變率（Slope of Slope，SOS），表征了地表面高程相對(duì)于水平面變化的二階導(dǎo)數(shù)。從坡度變率圖（圖6）來(lái)看，整個(gè)研究區(qū)的坡度變化范圍在0°～26.74°。高值的分布特征與地表粗糙度相似，即高原北部邊緣的西昆侖山、阿爾金山和祁連山地區(qū)的坡度變率也較大，雅魯藏布江下游區(qū)，由于存在巨大的背斜、墨脫斷裂帶、加熱賽斷裂帶等使該區(qū)域坡度變率較大。

圖4 地表粗糙度圖

圖5 坡向變率圖

圖6 坡度變率圖

4.3 冰緣地貌劃分

青藏高原的凍土區(qū)是世界上除極地外的最大的冰緣地貌發(fā)育區(qū)，面積約159×104km2［22－23］。因此，掌握冰緣地貌的實(shí)際分布狀況對(duì)研究青藏高原的生態(tài)環(huán)境有重要意義。

對(duì)于冰緣帶的上界和下界，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為上界就是雪線［24］，而下界就是現(xiàn)代多年凍土的下界［25］。程國(guó)棟提出青藏高原多年凍土下界高度（H）存在隨緯度（Lat）變化的規(guī)律［26－28］，可用以下公式模擬。

上述公式中的緯度值可通過(guò)SRTM3－DEM提取 而對(duì)于雪線 本文通過(guò)對(duì)39個(gè)已知?dú)庀笳军c(diǎn)的雪線觀測(cè)數(shù)據(jù)（表3）進(jìn)行插值，可模擬計(jì)算研究區(qū)的雪線高度。根據(jù)以上步驟，提取出研究區(qū)冰緣地貌，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 研究區(qū)冰緣地貌分布圖

崔之久先生將青藏高原的冰緣地貌劃分為三大類型：海洋型、亞大陸型和大陸型［23］。海洋型主要分布在30°N和28°N以南，是冰緣地貌微弱發(fā)育區(qū)；亞大陸型主要分布在30°N～35°N之間，屬于冰緣地貌中等發(fā)育區(qū)；大陸型主要分布在32°N～38°N之間，是冰緣地貌強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。

本文提取的冰緣地貌分布圖也較好地與海洋型、亞大陸型和大陸型的分布范圍吻合。如在冰緣地貌分布圖上，冰緣地貌發(fā)育較集中的區(qū)域是在藏北地區(qū)、青南地區(qū)、祁連山地區(qū)，可對(duì)應(yīng)大陸型范圍，而在喜馬拉雅山以北地區(qū)、念青唐古拉山西段以及藏南地區(qū)冰緣地貌則分布要分散一些，可對(duì)應(yīng)亞大陸型范圍，另外喜馬拉雅以南、青海河湟谷地、川西北地區(qū)冰緣地貌的分布較少，可對(duì)應(yīng)海洋型范圍?？偟膩?lái)說(shuō)，提取結(jié)果還是較好地反映出了青藏高原的冰緣地貌分布狀況，但在東部年均氣溫相對(duì)較高的季節(jié)凍土區(qū)，這種方法的提取結(jié)果可能還存在一定誤差。

5 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用公開(kāi)發(fā)布的SRTM－DEM數(shù)據(jù)可方便地提取青藏高原等大范圍區(qū)域的各類地貌因子，但某些因子之間具有極高的相關(guān)性，如研究區(qū)內(nèi)地勢(shì)起伏度、地表切割度、坡度三者之間的相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，地表粗糙度與坡度的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到0.88，因此基于SRTM－DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地貌研究、地理國(guó)情普查等工作時(shí)需慎重選擇地貌因子。

通過(guò)SRTM－DEM數(shù)據(jù)提取地貌因子可快速對(duì)一個(gè)區(qū)域的地形地貌特征進(jìn)行分析，同時(shí)能有效地進(jìn)行宏觀地貌類型提取，這可為青藏高原等艱險(xiǎn)地區(qū)開(kāi)展地理國(guó)情普查工作提供必要的數(shù)字化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表3 氣象臺(tái)點(diǎn)的雪線高度

本文使用SRTM－DEM數(shù)據(jù)和已知雪線數(shù)據(jù)模擬提取的青藏高原冰緣地貌分布區(qū)結(jié)果盡管存在一定誤差，但作為一種簡(jiǎn)單可行的預(yù)測(cè)模型，其思路和方法可為相關(guān)研究工作提供參考。

［1］RABUS B，EINEDER M，ROTH A，et al.The shuttle radar topography mission—a new class of digital elevation models acquired by spaceborne radar［J］.ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing，2003，57（4）：241－262.

［2］梁科.基于SRTM數(shù)據(jù)的流域水系提取與三維可視化［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

［3］劉振東，孫玉柱.利用DTM 編制小比例尺地勢(shì)起伏度圖的初步研究［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，1990，19（1）：57－62.

［4］劉新華，楊勤科，湯國(guó)安.中國(guó)地形起伏度的提取及在水土流失定量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.水土保持通報(bào)，2001，21（1）：57－62.

［5］張會(huì)平，劉少峰，孫亞平，等.基于SRTM－DEM 區(qū)域地理起伏的獲取及應(yīng)用［J］.國(guó)土資源遙感，2006（1）：31－35.

［6］郎玲玲，程維明，朱啟疆，等.多尺度DEM提取地勢(shì)起伏度的對(duì)比分析——以福建地低山丘陵區(qū)為例［J］.地球信息科學(xué)，2007，9（6）：1－6.

［7］郭芳芳，楊農(nóng)，孟暉，等.地形起伏度和坡度分析在區(qū)域滑坡災(zāi)害評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)地質(zhì)，2008，35（1）：131－142.

［8］信忠保，許炯心，馬元旭.黃土高原地區(qū)——高程分析及其侵蝕地貌學(xué)意義［J］.山地學(xué)報(bào)，2008，26（3）：356－363.

［9］王睿博.基于DEM的川西高原構(gòu)造地貌特征提取與分析［D］.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文，2008.

［10］張會(huì)平，楊農(nóng)，張?jiān)罉?，?基于DEM 的岷山構(gòu)造帶地貌初步分析［J］.國(guó)土資源遙感，2004，4：54－58.

［11］胡藝.基于數(shù)字高程模型的構(gòu)造地貌分析——以青藏高原東北端為例［D］.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文，2008.

［12］郭超穎，畢華興，陳濤，等.基于DEM 的馬蓮河流域數(shù)字地形分析［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2008，6（1）：101－106.

［13］陳楠，王欣敏，湯國(guó)安.自 DEM 有不同算法提取坡度的對(duì)比分析［J］.測(cè)繪工程，2006，15（1）：6－9.

［14］馬玲，楊武年，鄭富強(qiáng)，等.基于DEM 的流域特征提取方法初步研究［J］.地理空間信息，2008，6（2）：69－71.

［15］鄭暢，倪九派，魏朝富.基于 DEM 和SCS模型的四川盆地丘陵區(qū)局地徑流研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2008，22（5）：73－77.

［16］MEYER B，TAPPONNIER P，BOURJOT L，et al.Crustal thickening in Gansu－Qinghai，lithospheric mantle subduction，and oblique，strikeslip controlled growth of the Tibet Plateau［J］.Geophys J Int，1998（135）：1－47.

［17］TAPPONNIER P，XU Z，ROGER F，et al.Oblique stepwise rise and growth of the Tibet Plateau［J］.Science，2001（294）：1671－1677.

［18］高明星，劉少峰.DEM 數(shù)據(jù)在青藏高原地貌研究中的應(yīng)用［J］.國(guó)土資源遙感，2008，（1）：59－63.

［19］周成虎，程維明，錢金凱.數(shù)字地貌遙感解譯與制圖［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［20］徐漢明，劉振東.中國(guó)地勢(shì)起伏度研究［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，1991，20（4）：311－319.

［21］韓海輝，高婷，易歡，等.基于變點(diǎn)分析法提取地勢(shì)起伏度——以青藏高原為例［J］.地理科學(xué)，2012，32（1）：101－104.

［22］尚明.基于遙感和DEM的青藏高原數(shù)字冰緣地貌提取方法研究［D］.太原：太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［23］崔之久.青藏高原冰緣地貌的基本特征［J］.中國(guó)科學(xué)，1981，（6）：724－733.

［24］趙尚明，程維明，柴慧霞，等.基于遙感與SRTM的青藏高原冰緣地貌信息提取方法—以1：100萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅拉薩幅（H46）為例［J］.地理研究，2007，26（6）：1175－1184.

［25］王紹令.青藏高原極大陸型多年凍土和冰緣若干問(wèn)題探討［J］.干旱區(qū)地理，1991，14（2）：10－14.

［26］程國(guó)棟，吳邦俊.高海拔多年凍土分布的地帶性數(shù)學(xué)模式之討論［J］.冰川凍土，1983，5（4）：1－7.

［27］程國(guó)棟，趙林.青藏高原開(kāi)發(fā)中的凍土問(wèn)題［J］.第四紀(jì)研究，2000，20（6）：521－531.

［28］程國(guó)棟.我國(guó)高海拔多年凍土地帶性規(guī)律之探討［J］.地理學(xué)報(bào)，1984，39（2）：185－193.

Classification of Tibetan Plateau Landform Using SRTM－DEM

HAN Hai－h(huán)ui1，2，WANG Yi－lin2，LI Jian－qiang2，GAO Ting2
（1.InstituteofGeologicalEngineeringandSurveying，Chang’anUniversity，Xi’an710054；2.Xi’anCenterofChinaGeologicalSurvey，Xi’an710054）

An important part of the first national geographic condition survey is to survey landform，but there are many difficulties to carry out the work in dangerous areas such as the Tibetan plateau.Based on SRTM3－DEM data which were acquired by U.S.Endeavour space shuttle in 2000，we used GIS technology to extract eight landform factors of the Tibetan plateau，and by calculating the correlation matrix，five factors which are less correlated were selected finally.On the basis of these factors，the landform of the Tibetan plateau was divided into different types，and then the distribution of them was analyzed.Furthermore，using a simple model we extracted the periglacial（permafrost）landforms which have made a major impact on the ecological environment of the Tibetan plateau.The result shows that using SRTM3－DEM data can extract the landscape factors quickly and efficiently in dangerous areas such as the Tibetan plateau，but we should face a problem that some factors are highly correlated.This paper also indicates that macro landform can be divided and analyzed effectively by SRTM3－DEM，and the results will provide reliable information for national geographic condition survey in dangerous areas.In addition，although the map of periglacial landforms that we got by our method has some errors，but the algorithm of the model can still give some references for further study.

SRTM－DEM；landform classification；Tibetan plateau；periglacial landform；geographical conditions

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.04.008

P931

A

1000－3177（2015）140－0043－06

2014－04－28

2014－07－29

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目（12120115064601、12120113032500）。

韓海輝（1983—），男，工程師，研究方向?yàn)橘Y源與環(huán)境遙感。

E－mail：hanhh06＠hotmail.com