基于1∶1萬DEM瀾滄江上游地貌形態(tài)特征分析
——以蘭坪縣為例

陳應(yīng)躍，沈金祥，張 洪，沈映政

(云南國土資源職業(yè)學(xué)院 國土管理學(xué)院，云南 昆明 650000)

0 引言

地形地貌特征是地理空間信息的基礎(chǔ)，通過提取海拔、坡度、坡向、相對高度、山體走向等特征組合構(gòu)成形態(tài)與分布多樣的地表景觀，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境與資源的地域優(yōu)勢種類分布、利用方式和利用程度等具有主導(dǎo)作用[1]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，地形地貌特征研究已經(jīng)從定性描述方法逐漸向定量化發(fā)展，定性研究主要通過語言描述分析解決問題，缺乏數(shù)據(jù)支撐，定量分析則為實驗數(shù)據(jù)提供有力支撐，為更深入、更準(zhǔn)確的區(qū)域綜合開發(fā)利用規(guī)劃提供更為可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但是地形地貌的定量分析數(shù)據(jù)龐大、計算繁瑣，如果采用傳統(tǒng)的技術(shù)方法很難快速得到成果，隨著計算機科學(xué)以及3S集成等技術(shù)的高速發(fā)展，為空間數(shù)據(jù)的采集存儲、分析處理提供了有力的技術(shù)支撐。

數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)是通過柵格形式記錄地面高程信息的數(shù)據(jù)模型，記錄地面三維坐標(biāo)信息，并基于此模型進(jìn)行各種地貌因子的提取[2]。ArcGIS是美國環(huán)境研究所研發(fā)的GIS軟件平臺，原于其強大的數(shù)據(jù)采集管理、空間分析功能，目前已成為地理信息行業(yè)運用最為廣泛的平臺。

1 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)收集

瀾滄江是一條著名的國際河流，發(fā)源于中國青藏高原唐古拉山北麓，流經(jīng)中國、緬甸、老撾、泰國、柬埔寨和越南6個國家，素有“東方多瑙河”的美譽，干流全長4880 km，居世界第六，亞洲第四，流域匯水面積達(dá)810000 km2。流經(jīng)中國境內(nèi)部分稱為瀾滄江，干流長2161 km，集水面積167487 km2，云南段流經(jīng)36個縣，干流長1216 km，集水面積88665 km2。其中怒江州蘭坪縣境內(nèi)干流長130 km,流經(jīng)中排、石登、營盤、兔峨4個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，海拔在1360～2500 m之間，相對高差達(dá)1000～2000 m，山高坡陡、谷深狹長，由于高差較大，形成“V”型峽谷，區(qū)域內(nèi)屬于典型的干熱河谷氣候，植被主要為旱生硬葉灌叢，氣候、景觀垂直分布明顯[3]。

為開展本研究，收集了蘭坪縣2015年第二次全國土地調(diào)查變更數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，比例尺為1∶1萬，數(shù)據(jù)格式為ArcGIS平臺的MDB格式，坐標(biāo)系統(tǒng)為1980西安坐標(biāo)系。

2 地貌特征因子處理

2.1 數(shù)字高程模型(DEM)

數(shù)字高程模型(DEM)是通過有限的高程數(shù)據(jù)采用空間插值的方法實現(xiàn)對地表地形數(shù)字化模擬的實體地面模型。它記錄了地面空間位置和高程信息，是進(jìn)行地貌形態(tài)特征信息提取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，地面坡度、坡向、地表起伏度等信息可以通過空間分析方法直接由DEM生成。為了對研究區(qū)進(jìn)行地貌特征分析，基于1∶1萬比例尺地形數(shù)據(jù)創(chuàng)建了10 m空間分辨率的DEM(圖1)。

2.2 海拔專題圖

海拔即高程，是地面點到大地水準(zhǔn)面的相對高度，按照分類標(biāo)準(zhǔn)：極高山(>5000 m)、高山(3500～5000 m)、中山(1000～3500 m)、低山(500～1000 m)、丘陵(200～500 m)、平原(<200 m),使用ArcGIS柵格數(shù)據(jù)分析工具對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類處理，可以得到區(qū)域海拔專題圖，同時使用Excel軟件對海拔數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計，繪制海拔變化曲線(圖2)。

圖2 海拔專題圖

2.3 坡度專題圖

坡度值指水平面與地表之間的夾角或者正切值，表征局部地區(qū)地表高度變化的比率，地表單元陡緩的程度。坡度是重要的地形因子之一，坡度的大小直接影響流域地表的物質(zhì)流和能量再分配，影響流域土壤發(fā)育、植被分布，制約著流域生態(tài)環(huán)境格局與土地資源開發(fā)利用可能的方式與類型[1]。研究區(qū)坡度狀況對于闡明流域地貌成因、山坡穩(wěn)定性和地貌發(fā)育過程具有重要的意義。利用ArcGIS的3D分析模塊通過對DEM處理生成坡度柵格圖(圖3)。并按照行業(yè)規(guī)范進(jìn)行坡度數(shù)據(jù)重分類處理，分別為：平坡(0～5°)、緩坡(5～15°)、斜坡(15～25°)、緩陡坡(25～35°)、急坡(35～45°)、險坡(>45°),得到6個分類結(jié)果，并對各個等級進(jìn)行面積分類匯總。

2.4 坡向?qū)ｎ}圖

坡向是指局部地表坡面在水平面上投影與正北方的夾角,坡向是重要的地貌因子。它影響地表日照時數(shù)和太陽輻射強度，支配著區(qū)域光熱資源的再分配，影響區(qū)域降水與地表徑流流向。使用ArcGIS的3D分析模塊對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到坡向數(shù)據(jù)，結(jié)果按照坡向分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行類別劃分，分別為：北坡(337.5～22.5°)、東北坡(22.5～67.5°)、東坡(67.5～112.5°)、東南坡(112.5～157.5°)、南坡(157.5～202.5°)、西南坡(202.5～247.5°)、西坡(247.5～292.5°)、西北坡(292.5～337.5°)、平坡(0°)，獲得坡向?qū)ｎ}圖(圖4)。并使用Excel匯總統(tǒng)計各個高差面積數(shù)據(jù)。

圖3 坡度專題圖

圖4 坡向?qū)ｎ}圖

2.5 地形起伏度專題圖

地形起伏度是指在一個特定的區(qū)域內(nèi)，最高點海拔高度與最低點海拔高度的差值[4]。它是描述區(qū)域地形特征的一個宏觀性指標(biāo)。求出一定范圍內(nèi)海拔高度的最大值和最小值，對其求差值即可得到地形起伏度。公式如下：

R=Hmax-Hmin

其中，R表示地表起伏度；Hmax表示單元內(nèi)最大高程值，Hmin表示單元內(nèi)最小高程值。地面起伏度對區(qū)域內(nèi)洪澇災(zāi)害、水土流失防治等具有重要意義。使用ArcGIS中的領(lǐng)域分析工具對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選用20×20的領(lǐng)域算子進(jìn)行單元高程最大值和最小值計算，再通過柵格計算器進(jìn)行差值求算，即可得到地面起伏度數(shù)據(jù)，使用Excel匯總統(tǒng)計各個高差面積數(shù)據(jù)，制作地面起伏度專題圖(圖5)。

圖5 地表起伏度專題圖

2.6 地貌暈渲專題圖

地貌暈渲圖可以模擬不同太陽高度角與地面實體相互作用下的地貌，輔助觀察者直觀認(rèn)識地表結(jié)構(gòu)及地表覆蓋，地貌暈渲圖受控于坡度、坡向、太陽高度角和太陽方位角。使用ArcGIS表面分析模塊中的Hill-Shade工具實現(xiàn)。參數(shù)使用默認(rèn)的方位角以及太陽高度角，獲得區(qū)域地貌暈渲圖(圖6)。

圖6 地貌暈渲圖

3 結(jié)果與分析

3.1 海拔統(tǒng)計與分析

對GIS軟件處理得到像元大小為10 m的DEM，基于不同海拔值所對應(yīng)的像元進(jìn)行面積匯總統(tǒng)計，繪制曲線圖(圖7)。從圖7可以看出：研究區(qū)域內(nèi)海拔最小值為1360 m，最高海拔4420 m，最大高差2731 m。區(qū)域內(nèi)海拔總體呈正態(tài)分布，面積峰值出現(xiàn)在2771～2850 m范圍內(nèi)，面積達(dá)27394.98 hm2，在最低海拔1360～1519 m范圍內(nèi)面積為3113.12 hm2，在最高海拔4091～4420 m范圍內(nèi)面積為1768.66 hm2。

圖7 不同海拔的面積分布圖

根據(jù)我國山地和丘陵的等級劃分系統(tǒng)，對研究區(qū)海拔高度專題圖進(jìn)行分類處理，匯總統(tǒng)計(表1)。通過表1可知，在整個蘭坪縣境內(nèi)只有中山和高山2種地貌類型，沒有低山、丘陵、平原地貌。結(jié)合圖2分析可得，中山主要分布在瀾滄江、沘江、通甸河河谷兩岸，高山主要分布于河流兩岸山頂。

表1 海拔與地貌類型統(tǒng)計表

3.2 坡度統(tǒng)計與分析

對處理得到的蘭坪縣像元大小10 m的坡度數(shù)據(jù)，基于像元的統(tǒng)計得到不同坡度對應(yīng)的面積分布，繪制曲線圖(圖8)。從圖8可以看出：坡度在0～80°均有分布，主要集中在0～59°，其他面積較少。結(jié)合蘭坪縣境內(nèi)地形地貌可以得知0～1°區(qū)域主要為河流水面。

另外，依據(jù)地貌坡度的6級分類指標(biāo)體系，對處理得到的坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，進(jìn)行基于像元的面積統(tǒng)計，如表2所示。

結(jié)合區(qū)域?qū)嵉卣{(diào)研結(jié)果對表格數(shù)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，表格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合實地情況，蘭坪縣處于瀾滄江流域上游，區(qū)域內(nèi)海拔高差較大，山體主要為中山和高山，地勢陡峭，坡度主要集中在15～45°，面積占比達(dá)總面積的83.1%，主要分布在山體中部，平坡、緩坡、險坡占比較少，合計僅占16.9%。

圖8 不同坡度的面積分布圖

表2 坡度類型統(tǒng)計表

3.3 坡向統(tǒng)計與分析

利用由DEM生成的坡向數(shù)據(jù)，基于像元面積統(tǒng)計繪制變化曲線(圖9)。

圖9 不同坡向海拔面積分布圖

另外，按照劃分標(biāo)準(zhǔn)對坡向數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，劃分為9個方向類別，同時對各個類別進(jìn)行面積匯總統(tǒng)計，如表3所示。

結(jié)合區(qū)域?qū)嵉卣{(diào)研結(jié)果對表格數(shù)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，表格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合實地情況蘭坪縣境內(nèi)坡向為0～7°的區(qū)域有個峰值，主要分布于河流水面以及壩區(qū)，但是面積相對較少，僅為22243.36 hm2，占總面積的5%。其他區(qū)域分布相對均勻，因此，流域各方位的地面光熱資源與地表徑流分配也隨之呈現(xiàn)相對均衡狀態(tài)。

3.4 地面起伏度分析

利用ArcGIS領(lǐng)域統(tǒng)計分析工具，以20×20的算子進(jìn)行最大高程、最小高程及兩者差值運算得到地表起伏度數(shù)據(jù)，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行基于像元的地表起伏度統(tǒng)計，得到地表起伏度曲線圖(圖10)。通過分析曲線圖可以看出，當(dāng)選取在蘭坪縣境內(nèi)地面起伏度最大值為229 m，最小值為0時，地面起伏度峰值出現(xiàn)在30～37 m范圍內(nèi)，起伏度大于105 m區(qū)域并零星分布于區(qū)域內(nèi)。

表3 坡向類型統(tǒng)計表

圖10 地面起伏度面積分布圖

4 結(jié)語

地形地貌定量分析是區(qū)域深度開發(fā)利用的基礎(chǔ)，本研究通過對瀾滄江中上游區(qū)域坡度、坡向、地面起伏度等地貌特征的分析，為區(qū)域土地資源綜合利用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，并具有一定的指導(dǎo)意義。

此前關(guān)于瀾滄江流域地形地貌特征的研究已有先例，研究者選用了1∶25萬比例尺DEM數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而本研究選用大比例尺1∶1萬DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化研究，在空間尺度上更精準(zhǔn)可靠，地貌特征定量也更準(zhǔn)確。由于數(shù)據(jù)采集過程中有關(guān)地形數(shù)據(jù)等高距、比例尺精度、插值模擬等方面存在著制圖綜合取舍與空間信息損失，因此有可能導(dǎo)致一些特征數(shù)據(jù)處理結(jié)果與實際狀況存在較大偏差，甚至失去實際應(yīng)用意義。因此，結(jié)合實際調(diào)查狀況，對相應(yīng)地貌特征處理結(jié)果進(jìn)行客觀分析是十分必要的，特別是在地貌起伏劇烈的云南山區(qū)峽谷流域。隨著遙感技術(shù)、三維激光掃描、傾斜攝影測量、無人機航測技術(shù)的飛速發(fā)展，為區(qū)域精細(xì)地貌特征提取提供了高效、快速的技術(shù)支撐。

[1] 甘淑,袁希平.瀾滄江流域地理信息處理與地貌形態(tài)特征分析[J].云南地理環(huán)境研究,2005,17(4):1-5.

[2] 和健全.瀾滄江流域(蘭坪段)生態(tài)修復(fù)存在問題與對策[J].現(xiàn)代園藝,2015(6):118-119.

[3] 王雷,朱杰勇,周燕.基于1:25萬DEM昆明地區(qū)地貌形態(tài)特征分析[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報：理工版,2007,32(1):6-9.

[4] 涂漢明,劉振東.中國地勢起伏度最佳統(tǒng)計單元的求證[J].湖北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,1990(3):266-271.