基于DEM的陜南地區(qū)地形地貌研究

高藝偉 白昊睿 高舉紅

摘 要：本文是基于陜南地區(qū)ASTER GDEM2的30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，在ArcGIS中提取多種窗口下的地形起伏度數(shù)據(jù)，采用均值變點法確定最佳鄰域分析單元。對陜南地區(qū)的起伏度、坡度、坡向、海拔以及水土保持地形因子進行定性定量分析。該研究所提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以期為該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)布局、規(guī)劃建設(shè)以及環(huán)境保護提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：DEM;均值變點;地形起伏度;地貌形態(tài);水土保持地形因子;陜南地區(qū)

Abstract：This paper is based on THE 30M DEM data of ASTER GDEM2 in southern Shaanxi， topographic relief data under various Windows were extracted in ArcGIS， and the mean point variation method was adopted to determine the optimal neighborhood analysis unit. The topographic relief， slope， slope direction， altitude and soil and water conservation topographic factor in southern Shaanxi is analyzed qualitatively and quantitatively. The basic data provided by this study is expected to provide a theoretical basis for southern Shaanxi in agricultural production， industrial layout， city construction， and environmental protection.

Key words： DEM; Topographic form; Mean change point; Relief amplitude; Soil and water conservation topographic factor; Southern Shaanxi

地貌也被稱作為地形，是指地球硬表面由內(nèi)外動力共同作用塑造而成的多種外貌形態(tài)[1]。地貌是最基本的地理要素，由坡度、坡向、海拔、地形起伏度等影響因子構(gòu)成。地貌形態(tài)直接或間接的影響人類生產(chǎn)生活方式，主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)、水利、交通等方面。數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），可以通過與空間分析手段的結(jié)合，對一個地區(qū)的地形地貌進行系統(tǒng)評估和分析。

基于DEM的分析方法已經(jīng)被成功的用于表征地形地貌特征，李圖南等利用DEM分析研究了陜北地區(qū)的地形地貌特征[2];楊曉等基于DEM的地形起伏度數(shù)據(jù)，研究了祁縣的水土流失情況[3];蘇立彬等研究了尼洋河流域的地形地貌特征，并分析了流域內(nèi)易發(fā)生災(zāi)害的危險地區(qū)[4];葉寶瑩利用Python ArcPy方法計算得到地形起伏度最佳統(tǒng)計單元，通過ArcPy的二次開發(fā)，用均值變點法確定了青藏高原的最佳鄰域分析單元[5]。

陜南地區(qū)的地形復(fù)雜多變，但是對于該地區(qū)地貌的研究還屬空白。因此，本文將陜南地區(qū)作為研究對象，利用DEM數(shù)據(jù)分析其地形地貌。

1 研究區(qū)域概況

陜南是指陜西南部地區(qū)，屬關(guān)中平原以南，巴山以東，漢江自西向東穿流而過，地處北緯31°～34°，東經(jīng)105°～111°。行政轄區(qū)主要包括漢中、安康、商洛等地市。陜南地區(qū)整體地形獨具特色，呈現(xiàn)兩山夾一川[6]，秦嶺、巴山的東部為安康盆地，西部是漢中盆地。秦嶺在陜西省境內(nèi)海拔為1500～2000米，高出關(guān)中盆地和漢中盆地1000～3000米，自西向東長約400～500千米，南北寬約300千米。研究區(qū)域內(nèi)海拔3000米以上的高峰主要位于陜南北部的秦嶺主山脈，其主峰太白山海拔約為3772米。秦嶺自西分為三支山脈，由北向南綿延至漢中盆地邊緣，其山勢逐漸走低。太白山山勢向東呈遞減趨勢，商洛地區(qū)山勢狀況結(jié)構(gòu)呈掌型自西向東劃分，其中夾雜有呈紅色的斷陷盆地以及河谷盆地，河谷平地和盆地保有二到三階梯地勢。北陡南緩的山勢使秦嶺北部溪峪短而急，而南部水系源遠流長，東西走向山嶺被溪流切割劃分形成眾多峽谷[7]。川陜間的大巴山沿安康盆地南側(cè)自西北向東南斜向分布，東西長約300余公里，海拔約為1500～2000米，高出漢中盆地1000～1500多米。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的是ASTER GDEM2的DEM數(shù)據(jù)（圖1），來源于地理空間數(shù)據(jù)云，地理坐標系為D_WGS_1984，將陜西南部地區(qū)作為研究對象，對分幅數(shù)據(jù)進行拼接，并使用陜西的省界數(shù)據(jù)對DEM進行裁剪，得到匹配正確的地理信息DEM數(shù)據(jù)。

3 研究方法

在ArcGIS10.2中，利用Spatial Analyst模塊中的表面分析（坡度、坡向）、重分類、鄰域統(tǒng)計（地形起伏度）等功能研究陜南地區(qū)的地形地貌。在重分類中劃分等級時，參考適宜的分等定級規(guī)律，綜合分析各地形因子的表達與統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以期準確表征陜南地區(qū)的地貌地形特征。

4 利用Java的地形起伏度均值變點法研究

均值變點法是一種基于非線性擬合曲線確定速率變化拐點的數(shù)理統(tǒng)計方法[5]。在本研究中，利用Java程序?qū)-Sk和像元點數(shù)進行非線性擬合，通過拐點確定最佳鄰域分析單元。首先通過計算每種像元個數(shù)下的平均地形起伏度與窗口面積的商得到單位起伏度Ti（i=3，4，5，…，29，30），再對Ti取對數(shù)得到數(shù)組Xi并計算其N倍的標準差得到S。

5 結(jié)果分析

5.1 最佳鄰域分析單元與地形起伏度分析

地形起伏度是通過統(tǒng)計網(wǎng)格內(nèi)像元的高程最大值與最小值的差（極差）進行計算的，起伏度的大小與統(tǒng)計網(wǎng)格的大小成顯著正相關(guān)，增長速率先增加后趨于平緩。峰值拐點對應(yīng)的統(tǒng)計面積即為最佳鄰域分析單元。為了精準確定拐點位置，本文采用數(shù)學統(tǒng)計法通過研究S-Sk與統(tǒng)計像元的點數(shù)關(guān)系來確定最佳鄰域分析單元[8]。從圖2可以看出，當像元個數(shù)為12×12時，S-Sk為最大值，因此最佳鄰域分析單元為12×12。

在12×12的像元大小下，研究區(qū)域的地形起伏度在0～1617m之間，根據(jù)《中國1∶100萬地貌制圖規(guī)范》，將研究區(qū)域劃分為六級：平原（0～30m）、臺地（30～70m）、丘陵（70～200m）、小起伏山地（200～500m）、中起伏山地（500～1000m）、高起伏山地（>1000m）[9，10]。

起伏度在70～200m的丘陵地在陜南地區(qū)占比最大，約占74508.81km2，占陜南地區(qū)的總面積58.10427%，其主要在秦嶺以北與關(guān)中平原相交的地區(qū)以及漢中平原;小起伏山地次之，約占24832.42km2，占總面積的19.36509%;平原和臺地占比相近，分別占13765.06km2和15123.78km2，占總面積10.73442%和11.79399%;中起伏山地占2.59km2，約占總面積0.00202%;占比面積最小的為高起伏山地，其面積為02817km2，約占陜南地區(qū)總面積的000022%，位于太白縣太白山境內(nèi)。

5.2 水土保持地形因子

地形起伏度的本質(zhì)是表示地表起伏狀況，地面的起伏狀況是影響地表徑流流向和變化的根本因素。因此選取地形起伏度作為研究水土流失地形因子的定量指標具有一定的科學性[12]，水土流失定量指標G與原始地形起伏度數(shù)據(jù)D對應(yīng)關(guān)系如下：

通過ArcGIS的計算結(jié)果得出，陜南地區(qū)的水土保持地形因子范圍為0～4.53，其平均值為2.346，高于無侵蝕地區(qū)的1.0，部分地區(qū)較容易發(fā)生水土流失。由圖3得出，盆地處水土保持地形因子基本與無侵蝕地區(qū)相似或稍小于無侵蝕地區(qū)，秦嶺北麓以及大巴山地區(qū)則水土保持地形因子較高，易發(fā)生水土流失，主要集中在太白縣、周至縣、眉縣、鎮(zhèn)巴縣，以及西鄉(xiāng)縣和南鄭縣的南部山區(qū)。陜西商州、丹鳳縣、洛南縣不易發(fā)生水土流失。該地區(qū)雖然山體連綿不斷，但總體海拔以及起伏度并不是很大，故水土保持因子較低。

5.3 陜南地區(qū)海拔的等級劃分

該研究區(qū)域以中低海拔為主，最高點處海拔3772m，最低點海拔為157m，平均海拔為1964.5m（圖1）。中海拔地區(qū)分布最為廣泛，面積為86491.8819km2，占全省總面積的6766%;超高海拔地區(qū)則為秦嶺主峰太白山，大約占陜西省總面積的0.13%;低海拔地區(qū)主要分布在漢中、安康盆地，高海拔地區(qū)則主要在秦嶺山區(qū)。陜南地區(qū)整體地形呈凹字形，秦嶺山區(qū)海拔在1500m以上，由東向西海拔逐漸升高，最高點為主峰太白山，海拔高約3771.2m。地勢由北向南逐漸走低，至漢中盆地變?yōu)槠皆?。漢中、安康、城固、漢陰等地地處漢江沿岸，平均海拔500m左右，但是漢中盆地南部大巴山地勢又逐漸升高至1500m以上（表1）。

5.4 坡度

陜南地區(qū)坡度范圍為0～88.2035°，坡度均值為209336°，主要集中在6～35°，多為斜坡陡坡，其所占比例達71.22%;坡度在0～6°的緩坡占總面積的13.5%，主要分布在秦嶺以南的漢中盆地，其平均坡度約4°，這部分地區(qū)多為平坦地形坡度較緩，其起伏度也不高;35°以上的急陡坡分布較為集中，大部分位于秦嶺山脈的高海拔地區(qū)，山地起伏連綿，山巒聳立，地形起伏度較大，秦嶺東部華山地區(qū)以及西部太白山地區(qū)最為明顯（表1）。

5.5 坡向

研究區(qū)內(nèi)平坦地區(qū)僅占0.46%，占比最多的坡向為南，但坡向分布均勻，對整體地形地貌影響不大。陰坡占比5006%，其中南占比13.70%、西南占比12.57%、東占比11.03%、東南占比12.97%;陽坡為49.4%，中西占比10.57%、西北占比12.65%、北占比13.23%、東北占比12.83%（表1）。

5.6 地貌形態(tài)

根據(jù)地形起伏度以及海拔的不同，在不同海拔（低海拔、中海拔、高海拔、超高海拔）下的地貌可以分為六類：平原、臺地、丘陵、小起伏山地、中起伏山地、高起伏山地，極高起伏山地，共計25種地貌[10，11]，其中陜南地區(qū)共計占有其中20種地形地貌（表2）。陜南地區(qū)以中海拔丘陵地為主，占總面積的43.5129%;高海拔丘陵和小起伏中山分別占比12.181093%與12.50857%，為研究區(qū)域內(nèi)較為主要的地貌;陜南地區(qū)以中低海拔為主，除去最為主要的中海拔丘陵地，低海拔平原、臺地、丘陵和中海拔平原、臺地多集中在盆地地區(qū)，其占比大致相同，均為12%左右;占比最小的兩種地貌為大起伏中山、高海拔平原，分別為0.00006%和0.00007%，均在太白山地區(qū)。

低海拔平原、臺地、丘陵以及中海拔平原、臺地等主要分布在秦嶺以南，大巴山以東的漢中安康兩盆地地區(qū);中海拔丘陵以上的地貌類型沿秦嶺分布，且為秦嶺山區(qū)的主要地貌類型，由秦嶺兩側(cè)不斷升高，地貌海拔及地形不斷改變，直至超高海拔地貌類型。超高海拔的地貌主要在秦嶺主峰太白山頂部。中海拔山地分布亦較為零散，各個山區(qū)中均存在該類地形地貌。在漢中盆地下側(cè)，南鄭縣、城固縣地形變化最為多樣，大巴山北麓出現(xiàn)五到六種地形變化，地勢較為復(fù)雜。商周、丹鳳、洛南地區(qū)的地形則較為單一，處于中低海拔且地形起伏情況并不復(fù)雜。

6 結(jié)論

在最佳鄰域分析單元12×12下，陜南地區(qū)的地形地貌共分為20類，主要為中海拔丘陵，中高海拔地形主要分布在秦嶺山區(qū)以及大巴山，其中超高海拔地貌是太白山的標志性地貌。

陜南地區(qū)地形因子范圍在1.75～3.5之間，秦嶺北麓太白山地區(qū)總體地形因子的值較高，更容易發(fā)生水土流失，而漢中、安康盆地以及商洛市范圍內(nèi)則值保持在正常水平。整個地區(qū)多為斜坡陡坡，占比達71.22%，坡向分布均勻，陰坡和陽坡所占比例均等。

本文系統(tǒng)準確地分析了陜南地區(qū)的地貌地形特征，以期為該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)布局、規(guī)劃建設(shè)以及環(huán)境保護提供理論依據(jù)。

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基金項目：大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)（S202010704092S）

作者簡介：高藝偉（1999— ），男，漢族，陜西渭南人，本科在讀，專業(yè)為地理信息科學。