基于DEM的干暖河谷地貌類型劃分

吳曦 羅君 鄭吉林

摘要：指出了地貌是自然地理環(huán)境的最基本要素之一，在地學(xué)研究中起著重要作用。較之傳統(tǒng)的地貌學(xué)分類，基于DEM數(shù)據(jù)劃分地貌類型的方法更全面、準(zhǔn)確。以30m×30m的GDEMDEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以高程和地形起伏度為指標(biāo)對(duì)該地區(qū)地貌形態(tài)進(jìn)行了劃分，結(jié)果顯示：地形起伏度最佳統(tǒng)計(jì)分析窗口面積為0.15km²，漢源地區(qū)的整體地貌特點(diǎn)為：東、西兩面山地環(huán)繞，逐漸向中部?jī)A抖。該地區(qū)地貌類型多樣，共劃分出9種地貌形態(tài)。以該區(qū)進(jìn)行地貌類型劃分的嘗試，具有典型代表性，為基于DEM的地貌類型的快速定量系統(tǒng)劃分提供了經(jīng)驗(yàn)與方法，分類結(jié)果與實(shí)際地貌類型相符，對(duì)該地區(qū)水土流失的治理與研究具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地貌分類;數(shù)字高程模型;地形起伏度;均值變點(diǎn)法

中圖分類號(hào)：S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2020）04-0154-04

1 引言

地貌作為地球表層系統(tǒng)中最基本的組成要素之一，直接影響著其他自然要素，并在一定范圍內(nèi)影響著自然環(huán)境的分異[1]，它是地理學(xué)研究的核心和基礎(chǔ)[2]。營(yíng)力過程的復(fù)雜多樣致使地貌被塑造成不同類型，而地貌類型及其區(qū)域差異是研究自然環(huán)境空間變化和揭示地貌形成內(nèi)在機(jī)理的重要內(nèi)容[3]，全面和科學(xué)地進(jìn)行地貌類型劃分很有必要。

地貌分類體系是反映地貌信息的科學(xué)基礎(chǔ)，目前地貌分類大都采用多指標(biāo)組合的方式，如地貌形態(tài)（地形起伏度、坡度、海拔等地形因子）、營(yíng)力成因（外營(yíng)力或內(nèi)營(yíng)力）、物質(zhì)分異和歷史演化過程等方面[2]。傳統(tǒng)地貌分類與制圖主要采用地形圖判讀、野外考察等方法，不僅工作量大，而且效率較低[4]。隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，以數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）為數(shù)據(jù)源的數(shù)字地形信息處理已成為定量開展地貌分類研究的熱點(diǎn)[5]。同時(shí)，“3S”技術(shù)的應(yīng)用也為地貌分類研究引入了新的技術(shù)手段，可結(jié)合DEM與遙感分類進(jìn)行地貌類型自動(dòng)劃分[3，6]。在刻畫真實(shí)地形時(shí)，只考慮單一因子劃分地形存在片面性，為了更準(zhǔn)確、客觀地描述地貌類型，本文擬采用空間疊加分析方法，以30m分辨率的GDEMDEM為數(shù)據(jù)源，以地形起伏度和高程為基礎(chǔ)對(duì)地貌類型劃分。并且擬采用均值變點(diǎn)法計(jì)算漢源地區(qū)地形起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)分析窗口。漢源縣地處長(zhǎng)江上游的大渡河流域，近年來，兩岸水土流失極為嚴(yán)重，生存環(huán)境不斷惡化。因此，對(duì)該地區(qū)的地貌類型和格局進(jìn)行探究，可為水土保持的規(guī)劃、防治提供基礎(chǔ)依據(jù)和背景數(shù)據(jù)，也為西南地區(qū)干旱河谷的治理提供科學(xué)參考。

2 研究區(qū)概況

漢源干暖河谷位于四川省雅安市西南部（圖1）[7]，區(qū)域地理位置為102°16′～103°00′E，29°05′～29°43′N，面積約為2388km²[8]。區(qū)域內(nèi)年均溫差較小，東南季風(fēng)經(jīng)大相嶺阻隔，西南季風(fēng)經(jīng)小相嶺阻隔，海風(fēng)只能從東南部大渡河的谷口進(jìn)入，因而該地水汽不多，屬川西南山地亞熱帶氣候，其年均降水量為741.8mm，列雅安市最低值，全年降水量的80%～90%集中于6～9月，土壤類型以棕壤、石灰?guī)r土、暗棕壤、紫色土和山地草甸土為主[9]。漢源縣地處橫斷山脈北段東緣，長(zhǎng)江上游，大渡河橫穿縣域東西，流沙河縱貫?zāi)媳?，形成了四周高山環(huán)繞，中部河谷低平的地勢(shì)[9]，特殊的地貌基礎(chǔ)使得該區(qū)極易形成滑坡和泥石流等山地災(zāi)害。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用的DEM數(shù)據(jù)（GDEMDEM），來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn/）>數(shù)據(jù)分辨率為30m×30m，空間參考為WGS 1984，以及投影類型為UTM（通用橫軸墨卡托投影）。將獲取的DEM數(shù)據(jù)，在ArcMap10.2中以漢源縣矢量邊界為要素按掩膜進(jìn)行提取，獲得漢源地區(qū)DEM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 研究方法

3.2.1 漢源干暖河谷地貌形態(tài)分級(jí)體系的建立

中國(guó)基本地貌形態(tài)主要為平原、盆地、丘陵、山地和高原五大類型[10]，而地表相對(duì)起伏度和地貌面海拔在宏觀上體現(xiàn)了地貌內(nèi)營(yíng)力作用的特征和性質(zhì)，是最基本的地貌形態(tài)指標(biāo)[11～13]。本研究基于多尺度數(shù)字地貌等級(jí)分類方法[13]和中國(guó)陸地1：100萬數(shù)字地貌分類體系[2]，以地形起伏度與海拔高度為基本指標(biāo)對(duì)地貌類型進(jìn)行逐級(jí)劃分。依據(jù)地表高度的起伏變化將地表形態(tài)劃分為平坦地、丘陵、低起伏山地、中起伏山地和高起伏山地5個(gè)宏觀地貌形態(tài)亞綱，再將基本形態(tài)地貌所處的海拔高度以低海拔、中海拔、亞高海拔和高海拔分為4個(gè)地勢(shì)等級(jí)亞綱，并將上述兩個(gè)地貌亞綱組合，組成漢源20個(gè)基本地貌形態(tài)類型（表1）。

3.2.2 最佳統(tǒng)計(jì)單元提取

根據(jù)起伏高度的基本原理，存在一個(gè)最佳統(tǒng)計(jì)單元，可使統(tǒng)計(jì)單元內(nèi)最高和最低點(diǎn)之高差達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定[14]，因此在提取漢源地區(qū)起伏度時(shí)，關(guān)鍵是計(jì)算出最佳統(tǒng)計(jì)單元。常用的求點(diǎn)方法有人工判斷法、最大高差法、模糊數(shù)學(xué)法和均值變點(diǎn)法[15]，本文擬采用均值變點(diǎn)法，此方法多用于地形起伏度的求算，它對(duì)僅一個(gè)變化點(diǎn)的檢驗(yàn)最為有效[16]。其中的變點(diǎn)是：設(shè){x_i，i=1，…，N}為非線性系統(tǒng)的序列，此序列會(huì)在某未知時(shí)刻突然變化且變化較大，該時(shí)刻即為變點(diǎn)[17～19]。變點(diǎn)的計(jì)算主要如下：對(duì)于有序數(shù)列{x_i，i=1，…，N}，為樣本數(shù)，樣本被分為兩段，且以x_i點(diǎn)為邊界;分別計(jì)算出每段樣本的算術(shù)平均值x_i、及樣本均值，并計(jì)算以下統(tǒng)計(jì)量：

在（1）、（2）式中，t₁=1，2，…，;t₂=i，i+1，…，N。變點(diǎn)的存在會(huì)增加S與S;之差，兩者最大差值相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)稱為變點(diǎn)。本研究所用樣本是不同網(wǎng)格單元面積下對(duì)應(yīng)的平均地形起伏度結(jié)果值。

4 結(jié)果與討論

4.1 最佳統(tǒng)計(jì)單元的求算

本次試驗(yàn)運(yùn)用漢源地區(qū)DEM數(shù)據(jù)，在ArcMap10.2的空間分析模塊中，使用窗口遞增算法來計(jì)算研究區(qū)中地形起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)面積。分析窗口類型選擇矩形，并依次計(jì)算n×n（n=2，3，…，32）像元各鄰域內(nèi)平均地形起伏度，作為對(duì)應(yīng)窗口地形起伏度的結(jié)果值，計(jì)算結(jié)果見表2。

對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，擬合出不同統(tǒng)計(jì)單元面積與平均地形起伏度的關(guān)系，得到二者關(guān)系曲線（圖2）。擬合方程為y=84.7021n（x）+12.744，擬合系數(shù)R²=0.9349，擬合度較高。由擬合曲線可以看出，當(dāng)統(tǒng)計(jì)單元的面積小于10×10⁴m²時(shí)，研究區(qū)內(nèi)平均地形起伏度隨著統(tǒng)計(jì)單元面積增大而增大，且變化幅度較大;在（10～30）×10⁴m²之間時(shí)，曲線上出現(xiàn)了平均地形起伏度增加由陡變緩的突變點(diǎn);當(dāng)其大于30×10⁴m²時(shí)，平均地形起伏度隨著統(tǒng)計(jì)單元面積增大而增大的趨勢(shì)逐漸變緩，而突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)面積即是最佳統(tǒng)計(jì)單元面積。通過公式（1）和（2）的計(jì)算得到圖3所示曲線，S和Si之差在第12個(gè)序列點(diǎn)的時(shí)候最大，即該序列點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)單元大小即為最佳統(tǒng)計(jì)單元。由表1可知，第12個(gè)序列點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是13×13像元，即面積為0.15km²的格網(wǎng)大小為地形起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元。

4.2 漢源干暖河谷地貌形態(tài)劃分

將起伏度數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)按照地貌形態(tài)指標(biāo)重分類后進(jìn)行疊加分析，并將面積過小的地貌單元合并到相鄰地貌單元里，最后得到漢源干暖河谷的地貌形態(tài)分布圖（圖4）。漢源干暖河谷地處橫斷山脈北段東緣，是川西高原與四川盆地之間的過渡地帶，海拔雖高，但地形起伏度不大，表現(xiàn)出了低起伏中山、亞高山的地貌特征。如圖所示，該地區(qū)共有9種海拔和起伏度組合形態(tài)，低起伏亞高山與低起伏中山主要分布在境內(nèi)東西兩側(cè)，東邊有大相嶺、蓑衣嶺等一系列的高峰;西邊分布有飛越嶺、小相嶺、雞冠山、馬鞍山等山峰。中海拔丘陵與亞高海拔丘陵集中于中部地區(qū)，主要沿大渡河與流沙河兩側(cè)分布。在大渡河的東段，河流較多且經(jīng)過長(zhǎng)期的切割作用，表現(xiàn)出低起伏亞高山與低起伏中山的地貌特征，不受河流切割影響的地帶則表現(xiàn)出亞高海拔丘陵的地貌特征。低海拔平坦地、低海拔丘陵、低起伏低山、中海拔平坦地和低起伏高山在此區(qū)域內(nèi)也有少量分布?？梢钥闯?，漢源地區(qū)地貌類型分布與河流、山地的分布具有一定相關(guān)性，漢源地區(qū)的整體地貌特點(diǎn)為：東、西兩面山地環(huán)繞，逐漸向中部?jī)A斜。

將各類地貌面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出圖5，從中可見：漢源地區(qū)的地貌類型以山地為主;低起伏亞高山、中海拔丘陵、低起伏中山和亞高海拔丘陵所占面積比例較大，分別約占研究區(qū)面積的31.77%，24.25%、21.37%、15.92%，共占研究區(qū)面積的93.30%;而其余5種地貌類型共占總面積的6.70%，占比較少。

5 結(jié)論

（1）利用漢源地區(qū)30m分辨率的GDEMDEM數(shù)據(jù)，通過均值變點(diǎn)法分析得出，該區(qū)地形起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元面積為0.15km²。

（2）根據(jù)地形起伏度和高程構(gòu)建了漢源地貌形態(tài)特征的分類指標(biāo)體系，并將漢源地區(qū)劃分為9種基本地貌類型。其中，低起伏亞高山、中海拔丘陵、低起伏中山和亞高海拔丘陵所占面積比例較大，共占據(jù)研究區(qū)面積的93.30%。

（3）低起伏亞高山與低起伏中山主要分布在縣境東西兩側(cè)，中海拔丘陵與亞高海拔丘陵集中分布于中部地區(qū)。境內(nèi)地貌以山地為主，河流眾多，切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫，極易發(fā)生滑坡、泥石流等自然災(zāi)害。

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收稿日期：2020-01-04

收稿日期：2020-01-04作者簡(jiǎn)介：吳曦（1994-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榈貓D學(xué)與地理信息系統(tǒng)。

通訊作者：羅君（1985-），博士，講師，研究方向?yàn)榈乩砭C合研究。