基于DEM的橫斷山縣域山區(qū)類型劃分

張 穎，趙宇鸞,2*

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550001；2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

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基于DEM的橫斷山縣域山區(qū)類型劃分

張 穎1，趙宇鸞1,2*

(1.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550001；2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

科學(xué)界定山地和山區(qū)類型可為山區(qū)因地制宜施策提供參考。運(yùn)用均值變點(diǎn)法，確定最佳統(tǒng)計(jì)單元面積，利用ArcGIS的空間分析工具處理DEM數(shù)據(jù)，提取橫斷山各類山地面積，以縣級行政單元對橫斷山山區(qū)類型進(jìn)行劃分。研究表明：使用均值變點(diǎn)法確定移動窗口面積14.98km2為橫斷山地地形起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元面積；橫斷山山地面積占比大，山地與非山地面積之比約為94∶6，山地省際空間分異明顯，四川省的山地類型以次高山、高山為主，西藏自治區(qū)的山地類型以高山、極高山為主，云南省的山地類型以中山和次高山為主；橫斷山縣級行政單元多數(shù)是山區(qū)縣，其中有16個(gè)半山區(qū)縣，6個(gè)準(zhǔn)山區(qū)縣，11個(gè)顯山區(qū)縣，65個(gè)整山區(qū)縣，只有1個(gè)非山區(qū)縣。整山區(qū)縣的數(shù)量最多，主要分布于橫斷山地的中部及其以北地區(qū)。

山地；山區(qū)；DEM；地形起伏度；橫斷山地

山地是指具有一定海拔高度、起伏度和坡度有機(jī)組合的特殊地域類型，具有顯著的自然屬性和地域特征[1]。山區(qū)是山地達(dá)到一定的面積閾值才能被外延拓展形成，其強(qiáng)調(diào)區(qū)域自然屬性和人文屬性相耦合的地域綜合體[2]，但山區(qū)的界定具有不確定性和模糊性[3]，凡是由山脈或者山系組成的空間區(qū)域，都可叫做山區(qū)[4]。山地類型的界定和山區(qū)類型的劃分都以山為基礎(chǔ)，二者既有共同點(diǎn)也有明顯的差異[5]。在目前的研究中，國外學(xué)者M(jìn)esssrli等在全球尺度上對平原、洼地、丘陵和高原進(jìn)行定義[6]，Kapos等在全球森林資源空間分布的研究中對山地進(jìn)行了定義和劃分，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)采用了該定義的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[7]。

我國是一個(gè)多山的國家，山地類型復(fù)雜多樣。國內(nèi)多位學(xué)者對我國山地范圍和山區(qū)類型劃分進(jìn)行了研究。郭紹禮等[8]定性將我國山地劃為東北山區(qū)、華北山區(qū)、秦巴—大別山區(qū)、川緣山區(qū)等10個(gè)山區(qū)；江曉波[9]采用國內(nèi)外兩種方案計(jì)算中國的山地范圍，利用國內(nèi)方案計(jì)算出我國山地面積占陸地面積的41.67%，國外方案計(jì)算出中國山地面積占中國陸地面積的46.11%；范建容等[5]利用均值變點(diǎn)法求取地形起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元面積，劃分出四川省山地和山區(qū)類型；江曉波等[2]對四川省山區(qū)范圍進(jìn)行劃分時(shí)，將人口、土地利用、GDP和道路等社會經(jīng)濟(jì)因子納入了計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中。國內(nèi)外學(xué)者對山地和山區(qū)類型劃分研究積累了經(jīng)驗(yàn)，但縣級行政單元在研究中未得到學(xué)者們的關(guān)注?？h區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要行政單元，在山地類型界定的基礎(chǔ)上，劃分縣級行政單元的山區(qū)類別，有利于準(zhǔn)確認(rèn)識不同山地類型山區(qū)縣的自然條件、資源稟賦、山地結(jié)構(gòu)、山地功能等，為山區(qū)制定差異化發(fā)展政策提供參考。橫斷山地位于青藏高原東南部，是我國唯一兼有太平洋和印度洋水系的地區(qū)，擁有復(fù)雜多樣的自然條件和豐富多彩的自然資源[10-12]，在地理、地質(zhì)、生物、水文等諸多科學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。因此，在縣級尺度上科學(xué)界定橫斷山的山地類型和山區(qū)類別很有必要。

1 研究區(qū)概況

橫斷山是指位于青藏高原東南部，四川、云南兩省西部和西藏自治區(qū)東部一系列南北向平行山脈的總稱[13](圖1)。土地總面積約45萬km2。橫斷山地勢起伏大，地形復(fù)雜多變，具有明顯的垂直自然帶、垂直氣候帶、立體農(nóng)業(yè)帶等自然景觀，素有“一山有四季，十里不同天”的氣候特點(diǎn)。境內(nèi)山高谷深、地勢險(xiǎn)峻的自然環(huán)境和多民族聚集、經(jīng)濟(jì)落后、交通不便的社會環(huán)境對區(qū)域經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了深刻影響。貧困人口多，農(nóng)村貧困發(fā)生率高，是橫斷山區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展面臨的重大難題。2014年全國農(nóng)村貧困人口3 518萬人，滇西邊境農(nóng)村貧困人口240萬人、四川省藏區(qū)農(nóng)村貧困人口103萬人，西藏自治區(qū)農(nóng)村貧困人口61萬人，分別占全國貧困人口比例的6.8%、2.9%、1.7%。云南省、四川省、西藏自治區(qū)的橫斷山區(qū)是三省區(qū)農(nóng)村貧困人口重要分布區(qū)?！翱可讲荒艹陨剑克荒艹运钡臋M斷山深山區(qū)是貧困程度最深、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平最落后的地區(qū)。對橫斷山縣域山區(qū)進(jìn)行分類研究，以期為橫斷山因地制宜實(shí)施分類脫貧提供參考。

圖1 橫斷山位置圖Fig.1 Location of Hengduan Mountains

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

山地和山區(qū)類型的劃分利用SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)數(shù)據(jù)為GRID格式、空間分辨率為90m的DEM(Digital Elevation Model)提取地形起伏度和坡度等信息。利用縣級行政單元邊界等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)對縣域的山地面積和山區(qū)類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。DEM和縣級行政單元邊界等數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

2.2 研究方法

2.2.1 均值變點(diǎn)法

山地和山區(qū)類型研究，主要采用RS和GIS技術(shù)對DEM提取地形起伏度和坡度等地形因子信息[14-17]。根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)山地分類體系[18]，結(jié)合中國學(xué)者對山地分類研究成果[19]，確定橫斷山地分類體系并提取山地面積和空間分布范圍信息。

在提取山地范圍過程中，地形起伏度和坡度是重要地形因子依據(jù)。地形起伏度是一定面積區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)海拔之差，即相對高差，是進(jìn)行區(qū)域地貌形態(tài)定量描述和地貌類型劃分的重要指標(biāo)[20]。采用GIS移動窗口分析法對DEM數(shù)據(jù)提取地形起伏度，以3×3、5×5、7×7、…、69×69柵格大小為移動窗口，共34個(gè)不同大小的移動窗口，分別對n×n格網(wǎng)區(qū)域計(jì)算其范圍內(nèi)高程的最大值(maxmum)和最小值(minmum)，再計(jì)算各n×n單元最大值與最小值的高程差。最后計(jì)算所有柵格高程差均值，得到n×n單元網(wǎng)格區(qū)域平均地形起伏度，共34個(gè)平均地形起伏度值。在地形起伏度的計(jì)算中，最佳統(tǒng)計(jì)單元大小即區(qū)域最佳統(tǒng)計(jì)面積的確定尤其重要。以n×n格網(wǎng)窗口面積為橫坐標(biāo)、平均起伏度為縱坐標(biāo)繪制對數(shù)曲線。伴隨移動窗口面積的增大，區(qū)域地形起伏度增加速度加快，但窗口增加至某一面積時(shí)，高差增加減慢，高差增加由大變小的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即拐點(diǎn)，該拐點(diǎn)對應(yīng)的移動窗口面積為最佳統(tǒng)計(jì)單元。研究采用均值變點(diǎn)法確定移動窗口大小，具體步驟如下[5]：

1)以n×n格網(wǎng)窗口大小為橫坐標(biāo)、平均起伏度為縱坐標(biāo)繪制對數(shù)曲線，該曲線要求擬合良好。

2)依次計(jì)算所有移動窗口下的平均地形起伏度和窗口面積的比值，得到各移動窗口單位面積地形起伏度Tt，取其對數(shù)為Xt。

Xt=lnTt

(1)

(1)式中，t為移動窗口個(gè)數(shù)，t∈[1，n]；n即窗口總個(gè)數(shù)34。計(jì)算數(shù)列{Xt}的算術(shù)平均值X和方差S：

(2)

(3)

3)令i=2，3，4，…，n,對每個(gè)i將數(shù)列{Xt}分為{X1,X2,…,Xi-1}、{Xi,Xi+1,…,Xn}兩段，其算術(shù)平均值分別為Xi1、Xi2，統(tǒng)計(jì)量Si為：

(4)

(4)式中，Xi1和Xi2分別為第i項(xiàng)的第一、二段數(shù)列的算術(shù)平均值，Si為第i項(xiàng)兩段數(shù)列之和。

4)計(jì)算Ti=S-Si,即數(shù)列{Xt}的方差S與第i項(xiàng)的兩段數(shù)列和Si之差，當(dāng)Ti達(dá)到最大值時(shí)其對應(yīng)的窗口面積為最佳統(tǒng)計(jì)單元面積。

2.2.2 山地與山區(qū)類型界定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)山地分類體系[18]，參考中國學(xué)者對我國山地分類的研究成果[19]，海拔1 000m以內(nèi)的區(qū)域需要考慮地形起伏度才能確定山地類型，海拔1 000～2 500m的區(qū)域則需要結(jié)合坡度確定山地類型，其他海拔區(qū)域直接按照海拔高低劃分山地類型。根據(jù)橫斷山實(shí)際海拔、坡度、地形起伏度等地形因子信息，將橫斷山地分為丘陵、低山、中低山、中山、次高山、高山和極高山7種山地類型(表1)。

表1 橫斷山山地類型界定指標(biāo)

以各縣域內(nèi)山地面積占比的多少劃分山區(qū)類型，按山地比例從小到大將橫斷山地劃分為非山區(qū)縣、純丘陵縣、半山區(qū)縣、準(zhǔn)山區(qū)縣、顯山區(qū)縣和整山區(qū)縣[19](表2)。丘陵面積比率即為某縣域內(nèi)丘陵面積占該縣域總面積的百分比。

表2 橫斷山山區(qū)類型劃分指標(biāo)

3 結(jié)果與分析

3.1 最佳統(tǒng)計(jì)單元面積

將移動窗口面積與平均地形起伏度繪制散點(diǎn)圖，擬合生成對數(shù)曲線，并進(jìn)行理論驗(yàn)證(圖2)。對數(shù)曲線y=195.1 lnx+621.5，擬合優(yōu)度R2=0.987，R2接近于1，擬合效果良好，通過理論驗(yàn)證。首次使用均值變點(diǎn)法得出Ti的變化曲線呈現(xiàn)先急速上升后緩慢下降的趨勢，Ti(即S-Si)的最大值為7.057 4，該值對應(yīng)的移動窗口大小面積為3.57km2(圖3)；剔除掉首次使用均值變點(diǎn)法計(jì)算的數(shù)據(jù)，即對移動窗口面積為3.57km2后的數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次均值變點(diǎn)得出Ti的變化曲線呈現(xiàn)先逐漸上升后緩慢下降的趨勢，Ti(即S-Si)的最大值為0.959，該值對應(yīng)的移動窗口面積為14.98km2(圖4)。橫斷山地形起伏極大，第一次均值變點(diǎn)法計(jì)算的移動窗口面積無法全面反映橫斷山地的地勢起伏情況，第二次使用均值變點(diǎn)法確定的移動窗口面積才符合橫斷山的宏觀地勢。因此，選取14.98km2為該區(qū)地形起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元面積。

圖2 橫斷山平均地形起伏度變化曲線Fig.2 The variation curve of mean relief amplitude in Hengduan Mountains

圖3 橫斷山首次均值變點(diǎn)Ti值散點(diǎn)圖Fig.3 The scatter diagram of Ti by applying mean change point for the first time in Hengduan Mountains

圖4 橫斷山二次均值變點(diǎn)Ti值散點(diǎn)圖Fig.4 The scatter diagram of Ti by applying mean change point for the second time in Hengduan Mountains

3.2 山地類型提取結(jié)果

3.2.1 空間分布

根據(jù)山地類型界定標(biāo)準(zhǔn)(表1)，利用ArcGIS空間分析工具，劃分橫斷山山地類型，并生成山地類型空間分布圖(圖5)。橫斷山非山地主要分布在橫斷山的南部，分別位于云貴高原的山岳河谷地帶和四川部分的河谷平原地區(qū)。丘陵分布較少，零星分布在四川??；低山和中低山主要分布在橫斷山的南部和東部，云南省和四川省分布面積相當(dāng)，差異較小，西藏自治區(qū)則沒有分布；中山主要分布在橫斷山地南部，即云南省西部居多，四川省也有部分中山；次高山主要分布在橫斷山地中南部的高黎貢山、怒山、云嶺和東北部的岷山，西藏自治區(qū)則有少量分布；高山主要分布在橫斷山北部，面積以四川省分布最廣，主要在沙魯里山和大雪山；極高山主要分布在橫斷山中部和西北部，以四川省分布最廣，其次是西藏自治區(qū)，云南省也有少量極高山分布。各類型山地空間分布差異明顯，地勢大致由南向北隨緯度升高逐漸增高。

四川省的山地類型主要以次高山、高山為主，二者占四川省橫斷山面積的71.11%；西藏自治區(qū)的山地類型主要以高山、極高山為主，占西藏自治區(qū)橫斷山面積的90.42%；而云南省的山地類型以中山和次高山為主，占云南省橫斷山面積的68.69%。整體來說，橫斷山區(qū)域內(nèi)，西藏自治區(qū)地勢最高，其次是四川省，云南省地勢較四川省和西藏自治區(qū)域低。橫斷山地勢高、規(guī)模大、分布廣，省際空間差異明顯。

3.2.2 規(guī)模

在山地類型劃分的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)橫斷山各類山地面積和非山地面積。提取橫斷山山地面積422 139.96km2，占研究區(qū)的93.60%，非山地面積28 843.41km2，占6.40%。其中，丘陵為209.77km2，占0.05%；低山面積3 634.08km2，占0.81%；中低山面積10 995.36km2，占2.44%；中山面積90 390.23km2，占20.04%；次高山面積104 639.86km2，占23.20%；高山面積173 313.89km2，占38.43%，位居第一位；極高山面積38 956.78km2，占8.64%(表3)。橫斷山山地面積占比大，山地類型以高山和次高山為主。

圖5 橫斷山山地類型空間分布Fig.5 The spatial distribution of mountain type in Hengduan Mountains

山地類型四川省面積/km2比例/%云南省面積/km2比例/%西藏自治區(qū)面積/km2比例/%橫斷山地面積/km2比例/%非山地629464226 22544721698 405001 2884341640丘陵2097700800000000000020977005低山26589409597513073000000363408081中低山6235512244759853580000001099536244中山36422531308537959940511717004390390232004次高山6358863228337425262818362598914104639862320高山134473754828121689391626671216724173313893843極高山2863606102811282108591925123183895678864小計(jì)278519831000013279809100003966545100004509833710000

3.3 山區(qū)類型劃分結(jié)果

根據(jù)山區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2)，劃分橫斷山山區(qū)范圍和類型。橫斷山縣級行政單元多數(shù)是山區(qū)縣，包括半山區(qū)縣、準(zhǔn)山區(qū)縣、顯山區(qū)縣和整山區(qū)縣，該區(qū)域沒有純丘陵縣，只有1個(gè)非山區(qū)縣(表4)。其中，1個(gè)非山區(qū)縣，僅分布于云南省嵩明縣；半山區(qū)縣有16個(gè)，主要分布在云南省，四川省則有少量分布，分別是攀枝花市西區(qū)和攀枝花仁和區(qū)；準(zhǔn)山區(qū)縣有6個(gè)，主要位于云南省，四川省只有攀枝花市東區(qū)屬于準(zhǔn)山區(qū)縣；顯山區(qū)縣有11個(gè)，分布于橫斷山南部的云南省和四川?。徽絽^(qū)縣有65個(gè)，云南、四川和西藏自治區(qū)均有分布，四川省整山區(qū)縣數(shù)量最多，云南省次之，西藏自治區(qū)的4個(gè)縣級行政單元皆屬整山區(qū)縣(圖6)。橫斷山主要以整山區(qū)縣居多，主要分布于橫斷山中部及其以北地區(qū)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

利用ArcGIS對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取橫斷山各類山地類型空間分布范圍和規(guī)模，界定山地類型，進(jìn)行山區(qū)類型劃分，提取橫斷山縣域山區(qū)類型空間分布。研究顯示：

1)第二次使用均值變點(diǎn)法確定對數(shù)曲線拐點(diǎn)，該拐點(diǎn)對應(yīng)的移動窗口面積14.98km2為橫斷山地地形起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元面積，符合橫斷山地的宏觀地勢。

表4 橫斷山地縣域山區(qū)類型統(tǒng)計(jì)表

圖6 橫斷山山區(qū)類型空間分布Fig.6 The spatial distribution of mountainous areas type in Hengduan Mountains

2)橫斷山山地類型省際空間分異明顯，四川省的山地類型以次高山、高山為主，云南省的山地類型以中山和次高山為主，西藏自治區(qū)的山地類型以高山、極高山為主。

3)橫斷山縣級行政單元多數(shù)是山區(qū)縣，只有1個(gè)非山區(qū)縣。山區(qū)縣中有16個(gè)半山區(qū)縣、6個(gè)準(zhǔn)山區(qū)縣、11個(gè)顯山區(qū)縣、65個(gè)整山區(qū)縣。整山區(qū)縣數(shù)量最多，主要分布于橫斷山中部及其以北山區(qū)。

4.2 討論

1)在地形起伏度的計(jì)算中，最佳統(tǒng)計(jì)單元面積的確定尤其重要。首次使用均值變點(diǎn)法計(jì)算的最佳統(tǒng)計(jì)單元大小為3.57km2，對于高差起伏巨大的橫斷山來說尺度過小，不能全面反映橫斷山的總體地勢起伏情況。第二次使用均值變點(diǎn)法確定的移動窗口面積14.98km2為橫斷山地地形起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元面積，符合橫斷山的宏觀地勢。

2)山區(qū)類型的劃分結(jié)果是在使用SRTM空間分辨率90m DEM的條件下獲得。與以往四川省山區(qū)類型量化研究相比[5]，使用不同的DEM分辨率和山區(qū)類型劃分指標(biāo)，山區(qū)類型劃分結(jié)果有一定差別。究竟使用何種分辨率的DEM和山區(qū)類型劃分指標(biāo)更能準(zhǔn)確定義山區(qū)類型有待進(jìn)一步研究。

3)橫斷山山地比例大，對生產(chǎn)生活產(chǎn)生的不利影響程度深，是該區(qū)域甚至國家脫貧攻堅(jiān)的難點(diǎn)之一，應(yīng)引起學(xué)界和政府更多的關(guān)注。

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Mountainous area divisions at county level in Hengduan Mountains based on DEM

ZHANG Ying1，ZHAO Yuluan1,2*

(1.School of Geographic and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang,Guizhou 550001,China;2.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100101,China)

Scientifically demarcating mountain types and mountainous areas types can provide reference for mountainous regions according to local conditions. In this study, we use spatial analysis tools of ArcGIS to process DEM data, and extract various areas of mountain types in Hengduan Mountains. In addition, we also divide Hengduan Mountains into different mountainous areas types at county level. The results are as follows: Mean change point method for the second time is used to determine the best statistical window which is demonstrated to be 14.98km2of mean relief amplitude in Hengduan Mountains.Hengduan Mountains has high proportion of mountainous land, and the ratio of mountainous land to non-mountainous land is 94∶6.However, there is an obvious spatial distribution difference between Yunnan province, Sichuan province and Tibet. Sichuan province is mainly consisted of sub-high mountains and high mountains; Tibet is mainly consisted of high mountains and extremely high mountains; Yunnan province is mainly consisted of middle mountains and sub-high mountains. The counties are mostly mountainous counties in Hengduan Mountains, only including 1 non-mountainous county. There are 16 mid-mount counties, 6 quasi-mount counties, 11 apparent-mount counties and 65 whole-mount counties. The number of the whole-mount counties is the largest, which mainly distribute in the middle and north in Hengduan Mountains.

mountain type; mountainous areas; DEM; relief amplitude; Hengduan Mountains

1004—5570(2016)06-0008-07

2016-09-13

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2015CB452706)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41361021)

張 穎(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：土地利用變化，E-mail:ZYoly6@163.com.

*通訊作者：趙宇鸞(1985-)，男，博士，副教授，研究方向:土地利用與山區(qū)發(fā)展，E-mail:zhaoyl.09b@igsnrr.ac.cn.

K903

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