基于ASTER GDEM的皖南低山丘陵區(qū)地貌類(lèi)型劃分研究

王 雷，趙冰雪

地貌是最基本的地理要素，它決定著自然地理單元的形成和地面物質(zhì)與能量的再分配[1]。隨著空間信息技術(shù)的不斷發(fā)展，地貌研究不再局限于傳統(tǒng)的方法，其中數(shù)字高程模型DEM（Digital Elevation Model）的出現(xiàn)為地貌的定量研究提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。使用DEM數(shù)據(jù)快速提取地貌信息，結(jié)合研究區(qū)的其他數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，目前已廣泛應(yīng)用于水土流失定量分析[2]、土壤侵蝕敏感性[3]和滑坡災(zāi)害評(píng)價(jià)[4]、人居環(huán)境的適宜性評(píng)價(jià)[5]等方面。

1987年出版的中國(guó)1：1000000地貌制圖規(guī)范中依據(jù)高程劃分出7個(gè)基本形態(tài)類(lèi)型，即平原、臺(tái)地、丘陵、低山、中山、高山和極高山，同時(shí)對(duì)平原、臺(tái)地、丘陵、山地給出了它們的模糊數(shù)學(xué)定義[6]。近年來(lái)，以DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)字地形分析技術(shù)成為地貌研究的主要方式。劉愛(ài)利采用1：1 000 000DEM對(duì)我國(guó)的宏觀地貌進(jìn)行了分類(lèi)[7]；曹偉超等基于SRTM DEM研究了青藏高原的地貌類(lèi)型[8-9]；常直楊等利用SRTM3 DEM數(shù)據(jù)對(duì)秦嶺地區(qū)地貌進(jìn)行了分類(lèi)[10]；王妍等對(duì)三峽庫(kù)區(qū)的地貌信息進(jìn)行了研究[11-12]?？傮w上，當(dāng)前對(duì)我國(guó)青藏高原、秦嶺和西南地區(qū)等大區(qū)域尺度的地貌分類(lèi)體系已有較多的研究，而對(duì)于小區(qū)域尺度上的地貌類(lèi)型劃分關(guān)注的還較少。本文結(jié)合低山丘陵地貌的特點(diǎn)建立地貌分類(lèi)體系，采用ASTER GDEM數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)內(nèi)的地貌類(lèi)型進(jìn)行劃分，以期為皖南低山丘陵區(qū)水土保持[13]、地質(zhì)災(zāi)害防治[14]等研究提供地貌基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

皖南低山丘陵區(qū)主要分布于安徽省南部池州、黃山、宣城三市，地處北緯29°23′～31°18′，東經(jīng)116°40′～119°42′。該地區(qū)在長(zhǎng)期的地殼運(yùn)動(dòng)和地質(zhì)作用下，形成了以九華山、黃山、天目山-白際山為主的三大山系，山系之間發(fā)育了一系列的盆地和河谷，其中秋浦河、青戈江、新安江、水陽(yáng)河等水系貫穿其間。區(qū)域內(nèi)地勢(shì)起伏明顯，其中最高峰為黃山蓮花峰，海拔為1 864 m，區(qū)域面積3.04×104km2，占安徽省總面積的21.7%。研究區(qū)范圍如圖1所示。

圖1 皖南低山丘陵區(qū)

皖南低山丘陵區(qū)是安徽省重要的旅游資源所在地，隨著區(qū)域內(nèi)旅游業(yè)的發(fā)展及人口數(shù)量的增加，在資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了較為嚴(yán)重的破壞，全區(qū)森林覆蓋率不斷下降，水土流失嚴(yán)重[14-15]。由于特殊的地理位置和山體構(gòu)造，皖南低山丘陵區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱，同時(shí)該區(qū)受強(qiáng)降雨和臺(tái)風(fēng)影響較為顯著，導(dǎo)致了區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)[13]。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

實(shí)驗(yàn)使用ASTER(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)GDEM V2數(shù)據(jù)進(jìn)行地貌劃分，數(shù)據(jù)下載自中國(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)云平臺(tái)，數(shù)據(jù)網(wǎng)格大小為30 m。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)拼接處理后，利用研究區(qū)的矢量邊界進(jìn)行裁切，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理，消除部分異常低值，得到研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)。

2.2 地貌形態(tài)分類(lèi)體系的建立

合理的地貌分類(lèi)體系是科學(xué)劃分地貌的基礎(chǔ)，李炳元等研究了我國(guó)地貌分類(lèi)體系[16-17]。然而，眾多研究成果表明1：1 000 000地貌制圖規(guī)范對(duì)全國(guó)的地貌分類(lèi)具有指導(dǎo)意義，在具體區(qū)域應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮地區(qū)的特殊性，結(jié)合實(shí)際地貌建立劃分體系[9-10,18-19]。本文建立以地勢(shì)起伏度為主，結(jié)合高程的皖南低山丘陵區(qū)地貌形態(tài)分類(lèi)體系，如表1所示。

通常將海拔在200 m到500 m之間，相對(duì)高度200 m以內(nèi)的地形稱之為丘陵，而低山的海拔在500 m至1 000 m之間。按上述分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)高度超過(guò)200 m，海拔不超過(guò)500 m的地形既不屬于丘陵，又不屬于低山?？紤]研究區(qū)此類(lèi)地形較多的情況，對(duì)海拔在200 m到500 m之間，但相對(duì)高度超過(guò)200 m的地形稱之為小起伏低山丘陵，依據(jù)起伏度將其歸為低山的一種。

2.3 地勢(shì)起伏度計(jì)算

地勢(shì)起伏度是指地表一定范圍內(nèi)的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間的高差。實(shí)驗(yàn)通過(guò)編寫(xiě)Python腳本使用ArcGIS域統(tǒng)計(jì)模塊中的Focal Statistics功能分別統(tǒng)計(jì)n×n（n=3，5，7，…，65）域內(nèi)的高程最大值和最小值，然后調(diào)用柵格計(jì)算器計(jì)算鄰域內(nèi)高程差值，從而獲取不同鄰域內(nèi)的地勢(shì)起伏度Q，

式中Hmax表示鄰域內(nèi)高程最大值，Hmin表示鄰域內(nèi)高程最小值。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 皖南低山丘陵區(qū)地貌分類(lèi)體系

表2 鄰域大小與起伏度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)表2中的統(tǒng)計(jì)單元面積和起伏度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，兩者的擬合方程為y=48.203ln(x)+211，判定系數(shù)R2的值為0.967 7，擬合效果良好。

圖2 統(tǒng)計(jì)單元面積與起伏度的擬合曲線

2.4 計(jì)算最佳統(tǒng)計(jì)單元

在DEM中提取地勢(shì)起伏度時(shí)，隨著分析窗口大小的增加，窗口范圍內(nèi)的最大值和最小值之差不斷增加，起初窗口只包含山體的一部分，起伏度隨著分析窗口的增大，快速增加；當(dāng)窗口覆蓋整個(gè)山體時(shí)，起伏度增加到一定值，這時(shí)隨著分析窗口的再增加，起伏度的增加變緩[20]。已有研究表明[21-22]，起伏度隨分析窗口的變化呈logarithmic曲線，該曲線上必定存在一個(gè)由陡變緩的拐點(diǎn)（不同于二階導(dǎo)數(shù)的拐點(diǎn)），該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的窗口值就是起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元。從圖2中可見(jiàn)平均起伏度起初隨著統(tǒng)計(jì)單元面積的增大快速增加，到達(dá)一定閾值后增速開(kāi)始減緩。為更準(zhǔn)確地計(jì)算出這一閾值，這里采用均值變點(diǎn)法[21]計(jì)算，該方法的基本思路如下：

1）求取統(tǒng)計(jì)量Si

2）計(jì)算統(tǒng)計(jì)量S

3）計(jì)算S-Si,i=2,3,…,N，原始樣本統(tǒng)計(jì)量S與分段的樣本統(tǒng)計(jì)量Si的最大差值所對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)面積為最佳統(tǒng)計(jì)單元。

對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求取單位面積上的平均起伏度序列T：

式中Ti,ti和si分別代表單位面積起伏度、平均起伏度和統(tǒng)計(jì)單元面積。

圖3 S和Si的差值曲線

由圖3可見(jiàn)，曲線在鄰域大小為23×23時(shí)，S-Si的差值最大，即23×23鄰域?yàn)閰^(qū)域地勢(shì)起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元。由表2可知，研究區(qū)最佳統(tǒng)計(jì)單元面積約為0.48 km2。

3 結(jié)果分析

對(duì)研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)按地貌分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高程重分類(lèi)，生成皖南低山丘陵區(qū)高程分級(jí)圖，如圖4所示。從圖中可以看出海拔200 m以下主要分布在區(qū)域北部和南部的屯溪盆地，面積占比49.42%；200～500 m主要分布在區(qū)域的中南部，面積占比36.44%；500～1 000 m及大于1 000 m的區(qū)域主要分布在研究區(qū)的幾大山系中心區(qū)域，面積占比13.14%。

圖4 皖南低山丘陵區(qū)高程分級(jí)

同理，按照分類(lèi)體系對(duì)地勢(shì)起伏度進(jìn)行重分類(lèi)，得到區(qū)域起伏度分級(jí)圖，如圖5所示。從圖中可以看出，起伏度小于50 m的區(qū)域主要分布在北部和屯溪盆地，面積占比22.18%；50～100 m主要分布在前者的周邊，面積占比14.57%；研究區(qū)中大部分區(qū)域的起伏度在100 m～500 m之間，面積占比63.09%；起伏度大于500 m的區(qū)域很小，僅分布在幾大山系的中心區(qū)域。

圖5 皖南低山丘陵區(qū)地勢(shì)起伏度分級(jí)

通過(guò)疊加高程和地勢(shì)起伏度，得到初步地貌類(lèi)型分類(lèi)圖，考慮到某些地貌單元的面積過(guò)小，將其合并到相鄰地貌類(lèi)型中，得到研究區(qū)內(nèi)8種地貌類(lèi)型，如圖6所示。從圖中可以看出，平原和臺(tái)地主要分布在北部及屯溪盆地區(qū)域，在其周?chē)植贾竺娣e的低丘陵和高丘陵地貌，中低山地貌主要分布在九華山、黃山、天目山、白際山等山系周邊。不同地貌類(lèi)型面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖6 皖南低山丘陵區(qū)地貌類(lèi)型

表3 各種地貌形態(tài)的面積統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）基于皖南低山丘陵區(qū)30 m分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，利用Python腳本提取不同統(tǒng)計(jì)鄰域的地勢(shì)起伏度，并通過(guò)均值變點(diǎn)法計(jì)算出皖南低山丘陵區(qū)的地勢(shì)起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元為0.48 km2。區(qū)域內(nèi)地勢(shì)起伏度以100～500 m為主，起伏明顯。

（2）結(jié)合皖南低山丘陵區(qū)地貌特點(diǎn)建立地貌分類(lèi)體系，在此基礎(chǔ)上重分類(lèi)地勢(shì)起伏度與高程，以起伏度為主要分類(lèi)依據(jù)，結(jié)合高程的方式共劃分出8種地貌類(lèi)型。

（3）研究區(qū)主要地貌類(lèi)型為丘陵地貌和低山地貌，分別占41.88%和35.23%；平原和臺(tái)地主要分布在北部區(qū)域和屯溪盆地，占21.78%；中山地貌所占面積較小，僅在九華山、黃山、天目山、白際山等山系中心區(qū)域有分布。

地貌的劃分方式有多種，本文僅從地貌形態(tài)進(jìn)行劃分，未能結(jié)合地貌成因與地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)的劃分。地貌成因和地質(zhì)條件對(duì)區(qū)域的開(kāi)發(fā)建設(shè)具有重要的參考意義，是水土流失、滑坡、泥石流等問(wèn)題研究的重要基礎(chǔ)，今后將結(jié)合地貌成因與地質(zhì)條件進(jìn)一步對(duì)區(qū)域內(nèi)的地貌進(jìn)行研究。

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