不同DEM分辨率下的呂梁市溝壑密度分析

唐 慶，王娜娜

(西華師范大學 國土資源學院，四川 南充 637000)

1 引言

數(shù)字高程模型(digital evaluation model, DEM)是在一定區(qū)域范圍內(nèi)采用規(guī)則格網(wǎng)或不規(guī)則三角網(wǎng)的地面高程數(shù)據(jù)來表示地球表面信息[1, 2]，易于三維可視化和統(tǒng)計分析[3]。DEM是人們研究地表過程、構(gòu)造地貌的一種行之有效的方法和手段。高精度的DEM不僅可以非常直觀的展示一個地區(qū)的地形、地貌，而且也為各種地形特征的定量分析提供了基本數(shù)據(jù)[4]。DEM的精度影響其地形表達的能力，可使用重采樣的方法獲取不同分辨率的DEM數(shù)據(jù)[5]。從地理空間數(shù)據(jù)云平臺獲取了精度為30m的呂梁市DEM地圖，并利用ArcGIS10.2軟件對呂梁市的DEM數(shù)據(jù)進行水文分析，提取溝壑數(shù)量和溝壑總長度，計算其溝壑密度。溝壑密度即單位流域面積中溝壑總長與面積之比，單位為km/km2。溝壑密度是評價流域侵蝕切割程度、水土流失情況、進行地貌類型分析等的重要指標[6, 7]，溝壑密度越大，地面切割越破碎，侵蝕越劇烈[8]。溝壑密度在影響土壤侵蝕的各因素中占據(jù)重要地位，土壤侵蝕量與溝壑密度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[9]。隨著DEM分辨率降低，流域內(nèi)河道長度、河網(wǎng)密度均呈下降趨勢[10]。通過對呂梁市不同分辨率下的溝壑密度分析，可進一步揭示DEM分辨率與呂梁市溝壑密度的關(guān)系，及呂梁市水系分布狀況，為呂梁市水土保持工作提供可靠的數(shù)據(jù)支持，為其他地區(qū)水土流失治理提供借鑒。

2 研究區(qū)概況

呂梁市位于山西省中部西側(cè)，地理坐標北緯36°43′～38°43′，東經(jīng)110°22′～112°19′。因呂梁山脈縱貫全境而得名，至東北方向西南傾斜，地勢北高南低，中間高兩翼低，一般海拔在1000～2000 m。呂梁市隸屬于黃河上中游水土保持轄區(qū)，總面積為2.1×104km2，地貌屬晉西黃土高原的一部分，地處晉陜大峽谷，山區(qū)丘陵面積占92%，地表支離破碎，水土流失嚴重[11]。境內(nèi)水土流失面積占69%，年均土壤侵蝕模數(shù)高達7620 t/km2，年土壤侵蝕量1.6×108t[12]。

3 數(shù)據(jù)來源于處理

3.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(www.gscloud.cn)，在此平臺上下載分辨率為30m的DEM數(shù)據(jù)，其空間參考為WGS_1984_UTM_Zone_49N。導入ArcGIS10.2中，按呂梁市的面狀要素文件進行掩膜提取，獲得呂梁市30m分辨率的原始DEM數(shù)據(jù)。然后使用ArcTollbox中的數(shù)據(jù)管理—柵格—柵格處理—重采樣工具，以30 m為間距，設(shè)置分辨率分別為60 m、90 m、120 m，得到4種不同分辨率的DEM數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

將獲取的DEM數(shù)據(jù)進行水文分析，提取溝壑數(shù)據(jù)，其步驟如下： Spacial Analyst—水文分析—填洼—流向—流量—地圖代數(shù)—柵格計算器(設(shè)定閾值)—河流鏈接—柵格河網(wǎng)矢量化(提取溝壑數(shù)量與溝壑總長度)—分水嶺—轉(zhuǎn)換工具—由柵格轉(zhuǎn)出—柵格轉(zhuǎn)面(提取流域面積)，最后計算出溝壑密度。其中，使用柵格計算器設(shè)置初始閾值為1000，之后以200為間距，當溝壑密度連續(xù)三次穩(wěn)定時即設(shè)定第一次出現(xiàn)穩(wěn)定值的閾值為該分辨率下的最佳閾值。

4 結(jié)果分析

4.1 呂梁市溝壑密度的數(shù)學特征

由表1、2可以看出，在任一分辨率下，閾值增大其溝壑數(shù)量、溝壑總長及溝壑密度都逐漸減小。重采樣對DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)生平滑作用，隨著分辨率的降低，溝壑數(shù)量、溝壑總長及溝壑密度也不斷減小。分辨率越低，其溝壑密度達到穩(wěn)定值的閾值越減小，溝壑密度也減小。如30 m分辨率下的穩(wěn)定閾值為6600，溝壑密度為0.30；60 m分辨率下的穩(wěn)定閾值為4200，溝壑密度為0.19；90 m分辨率下的穩(wěn)定閾值為3600，溝壑密度為0.14；120 m分辨率下的穩(wěn)定閾值為2800，溝壑密度為0.12。

4.2 呂梁市溝壑密度的空間分布規(guī)律

如圖1、2、3、4所示，呂梁市境內(nèi)山巒起伏，以致溝壑縱橫，河網(wǎng)密度較大，水土流失嚴重。呂梁市全境均屬黃河水系，受呂梁山縱貫南北的影響，河流由分水嶺分為西麓直入黃河、東麓通過汾河流入黃河兩個水系?？傮w來說，西麓水系的溝壑數(shù)量、溝壑總長和流域面積均大于東麓水系。隨著分辨率降低、地表平滑，呂梁市的水網(wǎng)系統(tǒng)逐漸簡化，西麓河流水系簡化更為明顯，表明東麓水系的溝壑下切更深，匯流累積量更大。

圖1 分辨率30 m水系

60 m分辨率90 m分辨率120 m分辨率閾值(溝壑數(shù)量,溝壑總長,溝壑密度)(溝壑數(shù)量,溝壑總長,溝壑密度)(溝壑數(shù)量,溝壑總長,溝壑密度)1000(2893,7908.77,0.39)(1206,5276.94,0.26)(682,3960.57,0.20)1200(2379,7238.28,0.35)(1038,4808.98,0.24)(561,3614.71,0.18)1400(2058,6720.20,0.33)(885,4458.87,0.22)(485,3383.30,0.17)1600(1803,6306.99,0.31)(771,4185.69,0.21)(433,3197.25,0.16)1800(1627,5962.86,0.29)(677,3965.56,0.20)(382,3017.47,0.15)2000(1449,5660.14,0.28)(601,3762.18,0.19)(340,2849.53,0.14)2200(1283,5398.19,0.27)(542,3592.35,0.18)(313,2724.93,0.14)2400(1168,5173.14,0.25)(496,3451.93,0.17)(294,2606.84,0.13)2600(1081,4965.04,0.24)(472,3332.91,0.17)(259,2496.94,0.13)2800(999,4783.60,0.24)(439,3229.17,0.16)(245,2404.65,0.12)3000(937,4628.10,0.23)(408,3125.17,0.16)(222,2317.56,0.12)3200(871,4480.64,0.22)(378,3026.36,0.15)(212,2255.67,0.12)3400(820,4348.76,0.22)(364,2936.59,0.15)3600(763,4228.08,0.21)(350,2851.09,0.14)3800(726,4122.40,0.20)(329,2777.31,0.14)4000(693,4023.30,0.20)(318,2714.64,0.14)4200(655,3918.82,0.19)4400(618,3829.26,0.19)4600(589,3751.24,0.19)

圖2 分辨率60 m水系

圖3 分辨率90 m水系

5 結(jié)論

DEM對數(shù)字地形的分析具有重要意義，通過對呂梁市的水文分析，得到影響呂梁市水土流失的溝壑密度值與呂梁市溝壑分布圖。分辨率對數(shù)字地表形態(tài)表達具有直接影響，分辨率越低，地表平滑作用越明顯，顯示的信息更少。隨著分辨率的降低，呂梁市內(nèi)溝壑數(shù)量、溝壑總長和溝壑密度都逐漸減小。呂梁市內(nèi)河流水系以呂梁山為分水嶺，向西為直入黃河的水系，向東為流入汾河后進入黃河的水系，境內(nèi)河網(wǎng)密集、溝壑縱橫，水土流失嚴重。

圖4 分辨率120 m水系