基于DEM的湖北省蘄春縣地形起伏度分析

黎　武,王汝蘭,慕　凱,余林艷,賀春明,徐　珍

(西華師范大學(xué) 國(guó)土資源學(xué)院，四川 南充 637009)

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基于DEM的湖北省蘄春縣地形起伏度分析

黎武,王汝蘭,慕凱,余林艷,賀春明,徐珍

(西華師范大學(xué) 國(guó)土資源學(xué)院，四川 南充 637009)

基于大別山區(qū)的湖北省蘄春縣ASTER GDEM(空間分辨率30m×30m)數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS 10.2的窗口分析法依次計(jì)算3×3、5×5、7×7、…、65×65窗口下的地形起伏度，最后用均值變點(diǎn)分析法確定最佳分析窗口，利用最佳分析窗口制作蘄春縣地形起伏度分級(jí)圖。研究結(jié)果表明：蘄春縣最佳分析窗口為21×21，最佳統(tǒng)計(jì)面積為106.20×104m2，地形起伏度可分為5級(jí)，其中丘陵分布最廣占總面積的33.75%，平原占16.61%，臺(tái)地占32.96%，小起伏山地占16.67%，中起伏山地分布最少占0.02%；地形的起伏是造成水土流失的重要因素，蘄春縣地形起伏度較小，地勢(shì)低平，地形條件對(duì)水土流失影響較輕；地形起伏導(dǎo)致土壤侵蝕退化，土壤肥力下降，制約農(nóng)業(yè)的發(fā)展。針對(duì)起伏度分級(jí)的不同地貌類型區(qū)域，因地制宜的進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。臺(tái)地和丘陵地區(qū)坡改梯，防治坡耕地水土流失，中起伏和小起伏山地列入保護(hù)用地，適當(dāng)發(fā)展經(jīng)濟(jì)林，防止?jié)撛诘乃亮魇А?/p>

蘄春縣；DEM；地形起伏度；均值變點(diǎn)分析法；水土流失

地形起伏度 (Relief Amplitude)是指某一確定面積內(nèi)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之高差[1]。它反映區(qū)域內(nèi)地面的起伏特征，是定量描述地貌形態(tài)、劃分地貌類型的重要指標(biāo)[2]。地形起伏度是重要的地形因子，它不僅反映了地表切割剝蝕程度，也是導(dǎo)致水土流失最直接的因素[2]。近年來，隨著3S技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)字高程模型(DEM)研究區(qū)域地形起伏度逐漸興起[3-5]，地形起伏度已經(jīng)應(yīng)用于人口分布(人口分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展)[5-8]土地利用時(shí)空變化[9]，水土流失定量評(píng)價(jià)[10]，地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)(滑坡)[11-12]，生態(tài)環(huán)境(人居環(huán)境)[13-14]等方面。

目前對(duì)地形起伏度的研究大多集中在較大范圍[4，15-17]。對(duì)局部小范圍的研究相對(duì)較少，如陳珂[18]以華鎣市DEM、丁賢法[19]以云南省富寧縣DEM為數(shù)據(jù)源，分析地形起伏度。局部小范圍特別是縣域范圍下的研究也有重要的意義。本文以ASTER GDEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，湖北省蘄春縣為研究區(qū)，采用GIS空間分析(Spatial Analyst)中的窗口分析法提取蘄春縣地形起伏度，最后利用均值變點(diǎn)分析法確定最佳分析窗口，依據(jù)數(shù)字地貌制圖規(guī)范，制作地形起伏度分級(jí)圖，據(jù)分級(jí)圖對(duì)該縣地形起伏度進(jìn)行初步分析。通過分析蘄春縣地形起伏度的空間分布規(guī)律，不僅可以認(rèn)識(shí)該地區(qū)宏觀地形特征與水土流失情況，也能夠?yàn)橥恋刭Y源的合理利用和水土流失的防范治理提供重要的理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

蘄春縣在115°12′～115°55′E、29°59′～30°41′N之間。位于湖北省東南部，大別山南麓，東臨安徽省，長(zhǎng)江中游北岸，隸屬黃岡市(如圖1所示)。地勢(shì)北高南低，地貌復(fù)雜。北部為山區(qū)，中部為丘陵地帶，南部為平原。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和，光照充足，雨量充沛，四季分明。歷年平均無霜期249.1天，日照時(shí)數(shù)2 025.8小時(shí)，年平均氣溫16.8 ℃，年降水量1 341.7 mm[20]。蘄春版圖面積2 398平方千米，下轄15個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)辦、2個(gè)省級(jí)園區(qū)(開發(fā)區(qū))和1個(gè)國(guó)家級(jí)濕地公園，人口約101.1萬(2014年統(tǒng)計(jì))。

圖1　研究區(qū)地理位置

2　數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用ASTER GDEM數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)網(wǎng)站(http：//www.gscloud.cn/)，該數(shù)據(jù)是在2009年6月由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(METI)和美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)共同發(fā)布?？臻g分辨率為30 m×30 m，數(shù)據(jù)覆蓋范圍為83°S到83°N之間的所有陸地區(qū)域，達(dá)到了地球陸地表面覆蓋率的99%，其平面基準(zhǔn)為WGS84，置信度為95%[21]。在ArcGIS10.2空間分析中，對(duì)獲取的蘄春縣DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，然后在裁剪工具(Clip)中，用從國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心下載1∶400萬的蘄春縣矢量邊界圖去裁剪拼接好的DEM數(shù)據(jù)，得到蘄春縣縣域范圍內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)。

2.2研究方法

2.2.1窗口分析法提取地形起伏度

在ArcGIS 10.2的空間分析(Spatial Analyst)中，使用窗口遞增分析法提取蘄春縣地形的起伏度。窗口類型為矩形，窗口依次為3×3、5×5、7×7…，移動(dòng)步距為2，終止窗口為65×65。用柵格計(jì)算器(Raster Calculator)計(jì)算每個(gè)分析窗口內(nèi)最大高程與最小高程之差，每個(gè)矩形窗口內(nèi)的高差作為起伏度，窗口下平均值即是平均地形起伏度，由此計(jì)算出每個(gè)分析窗口的起伏度。每個(gè)窗口內(nèi)的最大高程圖層與最小高程圖層的差值所得出的新圖層為該窗口內(nèi)的地形起伏度圖層。計(jì)算公式為[16]：

(1)

式中：ΔHi表示以第i個(gè)矩形窗口內(nèi)的地形起伏度，Hmax、Hmin分別表示該窗口內(nèi)的最大、最小高程值。

2.2.2均值變點(diǎn)分析法

基于DEM提取地形起伏度，關(guān)鍵在于確定最佳分析窗口[1]。本文使用數(shù)理統(tǒng)計(jì)上的均值變點(diǎn)分析法確定最佳分析窗口，該方法的原理是變點(diǎn)的存在會(huì)使原始樣本的統(tǒng)計(jì)量S與樣本分段后的統(tǒng)計(jì)量Si之間的差距增大。令i=2,3…,n，對(duì)每個(gè)i將樣本分為兩段：X1, X2,…,Xi-1和Xi,Xi+1,…,Xn，計(jì)算步驟大致如下[16，22]。

(a)計(jì)算每段樣本的算術(shù)平均值Xi1、Xi2及統(tǒng)計(jì)量Si：

(2)

(b)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量S：

(3)

(c)計(jì)算期望值E(S-Si)：

(4)

3　結(jié)果與分析

3.1不同窗口與平均起伏度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

利用GIS的窗口分析法計(jì)算蘄春縣地形起伏度，依次計(jì)算3×3、5×5、7×7、…、65×65窗口下的地形起伏度，取每個(gè)分析窗口的地形起伏度的平均值。窗口大小、窗口面積、平均起伏度的關(guān)系(如表1所示)。

表1　分析窗口面積與平均起伏度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

對(duì)每個(gè)分析窗口下的平均地形起伏度與各分析窗口面積進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合(y=AlnX+B)，得出的擬合曲線(圖2)擬合系數(shù)為0.95，擬合效果較好。由圖2可以看出：隨著窗口面積的增加，地形起伏度的值也會(huì)增加，最終會(huì)趨向穩(wěn)定，由快到慢的變化過程中會(huì)存在一個(gè)最佳統(tǒng)計(jì)單元。圖2中窗口面積在0～50×104m2平均地形起伏度迅速增大，之后增速減緩趨于平穩(wěn)。擬合曲線由陡變緩的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的窗口面積就是所要尋找的最佳統(tǒng)計(jì)單元。

圖2　分析窗口面積與平均起伏度擬合曲線

用窗口遞增法得到的每個(gè)分析窗口的地形起伏度隨分析窗口的變化曲線，可以從曲線的變化規(guī)律中確定最佳統(tǒng)計(jì)單元。先前的研究多采用目視判斷，但是這樣往往會(huì)受到主觀因素的影響，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了克服主觀因素的影響，本文采用均值變點(diǎn)分析法確定最佳統(tǒng)計(jì)單元。

3.2均值變點(diǎn)分析法確定最佳統(tǒng)計(jì)單元

用均值變點(diǎn)法對(duì)窗口分析法得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理。處理步驟如下：

(a)首先用表1中的數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算各分析窗口下單位面積的平均地形起伏度(即平均地勢(shì)起伏度與窗口面積的比值)，記為Ti(i=1,3,5,7,9…65)。

(b)然后對(duì)T以ln為底取對(duì)數(shù)構(gòu)建樣本序列X(X={Xi,i=3,5,7…,63})。用均值變點(diǎn)法公式計(jì)算樣本序列X的統(tǒng)計(jì)量S與Si值，S值為28.95，并計(jì)算樣本序列的Si與S-Si，其Si、S-Si值見表2。

表2　均值變點(diǎn)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果

對(duì)S-Si值進(jìn)行擬合，擬合曲線見圖3。從圖3可以看出，在第10個(gè)點(diǎn)時(shí)S-Si值達(dá)到最大，即為所求的變點(diǎn)(由陡變緩的點(diǎn))。該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的分析窗口大小為21×21，矩形窗口面積106.20×104m2，即蘄春縣最佳統(tǒng)計(jì)面積為106.20×104m2。

圖3　S與Si差值的變化曲線

3.3地形起伏度分析

以分析窗口為21×21，面積為106.20×104m2作為蘄春縣起伏度的最佳分析窗口，用最佳分析窗口提取蘄春縣地形起伏度為0～569 m(如圖4所示)。

根據(jù)數(shù)字地貌制圖規(guī)范，地形起伏度可劃分為7級(jí)，即：平原(<30 m)、臺(tái)地(30～70 m)、丘陵(70～200 m)、小起伏山地(200～500 m)、中起伏山地(500～1000 m)、大起伏山地(1000～2 500 m)和極大起伏山地(>2 500 m)[16,23]。利用最佳窗口(21×21)提取的蘄春縣地形起伏度0～569 m(圖4)，依據(jù)此分類標(biāo)準(zhǔn)，可將蘄春縣地貌劃分為平原、臺(tái)地、丘陵、小起伏山地、中起伏山地5種類型。在ArcGIS 10.2的空間分析(Spatial Analyst)中，用重分類(Reclassify)工具對(duì)蘄春縣地形起伏度進(jìn)行分級(jí)，制作地形起伏度分級(jí)圖見圖5。

圖4　用最佳窗口(21×21)提取的蘄春縣地形起伏圖

圖5　蘄春縣地勢(shì)起伏度分級(jí)圖

從空間分布上來看：蘄春縣地處大別山區(qū)，整個(gè)地勢(shì)東北高、西南低，由東北向西南漸次傾斜，地形起伏度也呈現(xiàn)東北向西南傾斜的空間分布規(guī)律。據(jù)圖5可以看出，該縣地形起伏度空間分布整體趨勢(shì)為北部高于南部，東部高于西部。起伏度<70 m的主要分布西部，包括漕河鎮(zhèn)、赤東鎮(zhèn)、葛州鎮(zhèn)、八里湖農(nóng)場(chǎng)、橫車鎮(zhèn)、彭思鎮(zhèn)、管窯鎮(zhèn)、劉河鎮(zhèn)北部、青石鎮(zhèn)北部。這些區(qū)域海拔較低，起伏度較小，地形主要以平原為主，是蘄春縣人口分布最多的區(qū)域。70 m<起伏度<1000 m主要分布在與英山縣、武穴市、黃梅縣和安徽省的交界處，包括譚林鎮(zhèn)、大同鎮(zhèn)、向橋鄉(xiāng)、青石鎮(zhèn)南部、劉河鎮(zhèn)南部、株林鎮(zhèn)、漕河鎮(zhèn)東部。這些區(qū)域地處大別山區(qū)，地勢(shì)較高，起伏度較大。大起伏度的山區(qū)地表起伏，地形破碎，溝壑縱橫，土壤結(jié)構(gòu)松散，抗沖性弱，蘄春縣屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水豐沛，加之人類活動(dòng)的干擾，易對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)活動(dòng)、工業(yè)生產(chǎn)、交通以及地質(zhì)災(zāi)害防治、生態(tài)環(huán)境治理產(chǎn)生較大影響。由于蘄春縣最佳分析窗口為21×21，起伏度為0～569 m，依據(jù)數(shù)字地貌制圖規(guī)范的分類標(biāo)準(zhǔn)，所以該區(qū)域沒有出現(xiàn)大起伏山地和極大起伏山地。

4　結(jié)論與討論

(1)基于均值變點(diǎn)分析法提取蘄春縣地形起伏度，最佳統(tǒng)計(jì)面積為106.20×104m2，地形起伏度可分為5級(jí)，地形起伏度30 m～70 m的區(qū)域占總面積的32.96%，起伏度70 m～200 m占33.75%。地形起伏度>200 m占全縣面積的16.69%，起伏度大的區(qū)域較少，水土流失情況較輕。地形起伏度<70 m的集中在西部，小起伏與中起伏山地集中在東部，東部地形起伏度大于西部，北部大于南部。

(2)采用GIS的窗口分析方法提取蘄春縣的地形起伏度，均值變點(diǎn)分析方法確定最佳統(tǒng)計(jì)單元，這種方法具有簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、直觀、快速的優(yōu)點(diǎn)。用最佳統(tǒng)計(jì)單元提取的蘄春縣(0～569 m)的起伏度圖，ArcGIS軟件的重分類工具制作的起伏度分級(jí)圖能清晰的反映蘄春縣地勢(shì)起伏的空間變化和整體變化。

(3)小區(qū)域較高分辨率的DEM研究地形起伏度有待深入，本文在縣域尺度下，選取空間分辨率為(30 m×30 m)的ASTER GDEM數(shù)據(jù)來提取蘄春縣的地勢(shì)起伏度。不僅能較好的認(rèn)識(shí)蘄春縣的地貌形態(tài)，也能為縣域尺度下地形起伏度的進(jìn)一步研究提供借鑒意義。

(4)地形是最重要的自然地理要素，地形起伏度可以定量描述地形地貌特征。地表起伏度的大小反映了地表的平整與破碎程度，分析地形起伏度空間分布對(duì)我們認(rèn)識(shí)區(qū)域人口分布、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、工農(nóng)業(yè)活動(dòng)、自然災(zāi)害的規(guī)律有著重要的意義。地形的起伏不僅是導(dǎo)致水土流失最直接的原因，而且也是我們認(rèn)識(shí)區(qū)域地貌類型特征的重要評(píng)價(jià)因子。因此，地形起伏度因子的研究對(duì)區(qū)域水土流失宏觀評(píng)價(jià)和地貌類型的認(rèn)識(shí)有著重要意義。

(5)由于認(rèn)識(shí)水平有限和數(shù)據(jù)的限制，本文主要選取區(qū)域宏觀地形因子中的地形起伏度來分析蘄春縣的地貌類型。在今后的研究中不僅要選取更多的區(qū)域宏觀地形因子，如地表粗糙度、地表切割度等因子，而且也應(yīng)當(dāng)分析地形起伏度對(duì)地面相關(guān)事物的影響，以及其在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的意義。

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責(zé)任編輯王菊平

A DEM-based analysis of topographic relief in Qichun County of Hubei Province

LI Wu, WANG Ru-lan, MU Kai, YU Lin-yan, HE Chun-ming, XU Zhen

(School of Land and Resources, China West Normal University, Nanchong 637009，Sichuan，China)

Based on the ASTER GDEM (spatial resolution 30 m*30 m) data of the Dabie Mountain Area in Qichun County, Hubei Province, the window analysis method of ArcGIS 10.2 was used to calculate the 3×5, 3×5, 7×7, … 65×65 window of the terrain respectively, and then the method of mean change point analysis to determine the best analysis window which was used to make the Qichun County topographic relief map. The results showed that the best analysis window was 21*21 Qichun, best statistical area 106.20×104m2. Relief degree could be divided into 5 levels, including hills, the most widespread accounting for 33.75% of the total area; plain, accounting for 16.61%; platform, accounting for 32.96%; small rolling mountain, accounting for 16.67%; undulating mountain, the least distribution accounting for 0.02%. The ups and downs of terrain is one of the major factors causing soil and water loss. Qichun’s relief degree is quite low and thus its terrain condition has a minor impact on soil and water loss. Relief leads to degradation of soil erosion and soil fertility decline which restrict the development of agriculture. Agricultural production activities should be carried out differently according to the landscapes with different reliefs. Platforms and hills should be converted into terraces to prevent farmland soil and water loss. The ups and downs and small undulating hills should be protected. Economic forest should be developed properly to prevent potential soil erosion.

Qichun County; digital elevation model (DEM); relief; change point analysis; soil erosion

P942；TP79

A

1003-8078(2016)03-0088-07

2015-09-01

10.3969/j.issn.1003-8078.2016.03.22

黎武，男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥寥狼治g與水土保持。