基于DEM錢塘江流域上游地貌形態(tài)特征分析
——以開化縣為例

郭明春，湯超華

(中國(guó)冶金地質(zhì)總局浙江地質(zhì)勘查院，浙江 衢州 324000)

地形地貌特征是地理空間信息的基礎(chǔ)，通過(guò)提取海拔、坡度、坡向、相對(duì)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(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境與資源的地域優(yōu)勢(shì)種類分布、利用方式和利用程度等具有主導(dǎo)作用(甘淑等，2005)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，地形地貌特征研究已經(jīng)從定性描述逐漸走向定量分析。定性研究主要通過(guò)語(yǔ)言描述分析解決問(wèn)題，缺乏數(shù)據(jù)支撐；定量分析則為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供有力支撐，為區(qū)域綜合開發(fā)利用和規(guī)劃提供更為可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然而，地形地貌的定量分析數(shù)據(jù)龐大、計(jì)算煩瑣，如果采用傳統(tǒng)的技術(shù)方法很難快速完成。

數(shù)字高程模型(DEM)是通過(guò)有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬，它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，是數(shù)字地形模型(DTM)的一個(gè)分支，使用Z值表示地表對(duì)應(yīng)的高程值(甘淑等，2005；周云軒等，2002)。各種地貌因子如坡度、坡向及坡度變化率、地形起伏度等地貌特性可在DEM的基礎(chǔ)上派生。

ArcGIS是美國(guó)環(huán)境研究所研發(fā)的GIS軟件平臺(tái)，源于其強(qiáng)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(yùn)用最為廣泛的平臺(tái)。ArcGIS軟件中的交互式制圖、空間處理和分析工具、二維和三維動(dòng)畫等模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析、地圖發(fā)布、三維數(shù)字情景展示等功能(張凱選等，2007；畢華興等，2005；程三友等，2010)。

前人對(duì)錢塘江流域地貌形態(tài)相關(guān)研究甚少，且所利用的DEM數(shù)據(jù)大多為美國(guó)航天局(NASA)全球數(shù)字發(fā)布的高程模型(ASTER GDEM)，其空間分辨率較低。本文收集利用浙江省測(cè)繪與地理信息局提供的地形數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上生成錢塘江上游(開化縣)DEM，并利用數(shù)據(jù)對(duì)開化縣境內(nèi)地貌形態(tài)進(jìn)行了定位表達(dá)和定量統(tǒng)計(jì)分析，為開化縣開發(fā)利用國(guó)土空間提供了支持。

1 研究區(qū)域概況

錢塘江流域跨浙、皖、贛、閩四省，浙江省境內(nèi)的錢塘江流域范圍在東經(jīng)117°24′02″—121°12′05″、北緯28°5′06″—30°24′07″之間，其源頭有南北兩源。以北源新安江起算，止于海鹽澉浦-余姚西山閘連線，浙江境內(nèi)河長(zhǎng)347.64 km；以南源衢江上游馬金溪起算，止于海鹽澉浦-余姚西山閘連線，浙江境內(nèi)河長(zhǎng)497.45 km。浙江省內(nèi)部分流域面積44 014.50 km2(浙江省測(cè)繪與地理信息局，2010)。

開化縣位于浙江省西北部，錢塘江源頭，與江西、安徽兩省接壤，總面積為2 231.1 km2?？h域下轄15個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、辦事處)。縣內(nèi)主要河流屬錢塘江流域，有馬金溪、池淮溪、龍山溪、馬尪溪，流域面積達(dá)2 092.11 km2，其中開化境內(nèi)面積占1 947.16 km2。四溪均在華埠鎮(zhèn)匯合，流入常山境。另外，屬于長(zhǎng)江鄱陽(yáng)湖水系的蘇莊溪和下莊溪注入江西省樂(lè)安江，流域面積261.85 km2。屬于新安江水系的東坑溪，溪長(zhǎng)8.5 km，流域面積9.65 km2。

開化縣屬浙西中山丘陵，山脈屬南嶺天目山系，它的三個(gè)分支分布在全縣，東部為千里崗山脈，西南部為懷玉山脈，北部為白際山山脈。全縣共有海拔1 000 m以上的山峰46座，最高的山峰是白石尖，海拔為1 453.7 m，最低是開化縣與常山縣交界處的華埠鎮(zhèn)下界首，海拔90 m，相對(duì)高差1 363.7 m。

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理分析

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為了生成開化縣的DEM，收集了浙江省開化縣礦產(chǎn)資源“十三五”規(guī)劃(2016—2020年)數(shù)據(jù)庫(kù)，具體利用的數(shù)據(jù)為開化縣行政區(qū)劃及地形圖(比例尺為1∶25萬(wàn))。為了便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理及數(shù)據(jù)分析，利用ArcGIS建立基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)GDB文件，坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000坐標(biāo)系。

2.2 數(shù)字高程模型

為了提取開化縣域的地貌因子，利用地形圖和開化縣行政區(qū)劃創(chuàng)建了縣域分辨率為30 m的DEM(圖1)。ArcGIS中利用地形圖生成DEM主要是采用3D Analyst工具下的創(chuàng)建TIN工具，創(chuàng)建TIN，然后根據(jù)TIN轉(zhuǎn)柵格工具生成DEM。

圖1 開化縣數(shù)字高程模型Fig.1 Digital elevation model of Kaihua county

對(duì)全縣域不同海拔區(qū)間的面積進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)(表1)。由表1、圖1可知，面積峰值出現(xiàn)在200～300 m，面積達(dá)503.56 km2,占全域面積的22.57%，境內(nèi)主要海拔為100～500 m,占全域面積的75.54%，海拔大于1 000 m所占面積極少，只占全域面積的0.71%。

表1 開化縣不同海拔區(qū)間面積統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical of area of different elevations in Kaihua county

2.3 起伏度(切割深度)分析

地形起伏度作為反映地表起伏程度的一個(gè)指標(biāo)，在地貌制圖、資源環(huán)境評(píng)價(jià)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，是地貌類型提取和劃分的重要指標(biāo)，也是區(qū)域地貌對(duì)比研究的客觀依據(jù)(湯國(guó)安等，2003；劉淑瓊等，2013)。其表達(dá)式如下：

RA=Hmax-Hmin

式中，RA表示地形起伏度(切割深度)，Hmax是單位面積內(nèi)最大高程值，Hmin代表單位面積內(nèi)的最小高程值。利用均值變點(diǎn)分析法確定最佳鄰域窗口為5×5，面積為62 500 m2。然后利用ArcGIS鄰域分析的焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)功能分別計(jì)算出窗口內(nèi)的最大高程值和最小高程值，最后利用柵格計(jì)算器將二者相減即可求得地形起伏度。根據(jù)《中國(guó)1∶100萬(wàn)數(shù)字地貌制圖規(guī)范中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(中國(guó)科學(xué)院地理研究所，1987)，利用ArcGIS重分類功能對(duì)最佳尺度下的地形起伏度進(jìn)行分級(jí)，生成地形起伏度(切割深度)分級(jí)圖(圖2)。

圖2 開化縣地形起伏度分級(jí)圖和基本地貌類型圖Fig.2 Topographic relief classification map and basic landform type map of Kaihua county

利用ArcGIS柵格轉(zhuǎn)區(qū)功能把已分級(jí)的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為區(qū)，然后導(dǎo)出屬性表到Excel，之后對(duì)起伏度進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)(表2)。

表2 開化縣起伏度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical of relief of Kaihua county

由研究區(qū)內(nèi)地形起伏度可知：

(1) 從各個(gè)級(jí)別的地形起伏度(切割深度)所占比例結(jié)構(gòu)來(lái)看(表2)，平坦地形面積占比為25.66%，微起伏地形為69.58%，小起伏山地為4.75%，中起伏山地所占比例極少，僅為0.01%。由此說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)以平原、低丘陵為主。

(2) 由圖2可知，起伏度小于30 m的區(qū)域主要分布馬金溪、池淮溪、龍山溪、馬尪溪兩岸，為沖積平原，地勢(shì)平坦；起伏度30～100 m區(qū)域?yàn)榍鹆甑孛病?/p>

2.4 地貌形態(tài)分析

中國(guó)科學(xué)院地理研究所(1987)主持制定的《中國(guó)1∶100萬(wàn)數(shù)字地貌制圖規(guī)范》采用起伏度和海拔高度對(duì)平原、丘陵和山地及其子類型地貌進(jìn)行了定量化描述(表3)。

表3 地貌分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standards of geomorphology

在ArcGIS中地貌分類主要利用海拔高度和起伏度柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，然后利用ArcGIS重分類功能對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行分類并統(tǒng)計(jì)(表4)，生成基本地貌類型圖。研究區(qū)內(nèi)地貌類型主要有平原、低丘陵、高丘陵、和小起伏低山四種地貌類型。

表4 開化縣地貌分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 Statistical results of landform classification in Kaihua county

從表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，研究區(qū)主要地貌類型為平原和低丘陵，占全域面積的95.24%，高丘陵和小起伏低山分布極少，只占不到5%，其中低丘陵地貌所占面積百分比高達(dá)69%，這與開化縣實(shí)際相符。

從空間分布格局來(lái)看(圖2)，高丘陵和小起伏低山地貌主要分布于開化縣四周，低丘陵地貌由四周向中部過(guò)渡，平原地貌主要分布馬金溪、池淮溪、龍山溪、馬尪溪沿溪兩岸，為溪流沖積而成。

2.5 坡度分析

坡度和坡向作為描述地形特征信息的兩個(gè)重要指標(biāo)，不但能夠表示地形的起伏形態(tài)和結(jié)構(gòu)，而且是水文模型、滑坡監(jiān)測(cè)與分析、地表物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、土壤侵蝕、土地利用規(guī)劃、防治水土流失等地學(xué)分析的基礎(chǔ)(李伯祥等，2019；劉學(xué)軍等，2004)。根據(jù)土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL190—2007)中提出的分級(jí)方案(中華人民共和國(guó)水利部, 2008)，在ArcGIS中，根據(jù)DEM數(shù)據(jù)，利用柵格表面下的坡度功能直接求出坡度，然后利用ArcGIS重分類功能對(duì)坡度重分類并統(tǒng)計(jì)(表5)，生成坡度分級(jí)圖(圖3)。

圖3 開化縣地形坡度分級(jí)圖Fig.3 Slope classification map of Kaihua county

將研究區(qū)坡度分為6級(jí)，結(jié)合表5分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)各級(jí)坡度分布較均勻，除極陡坡(>35°)外，其他占比各占20%左右。其中平緩坡(<5°)占比24.41%，可用于農(nóng)用，宜采取橫坡耕作和覆蓋耕作相結(jié)合的方式，一般可以機(jī)械化耕種；斜坡(8°～15°)面積為320.26 km2，占比14.35%，適宜農(nóng)用，需修坡式梯田，實(shí)行等高壟作以防止水土流失；陡坡(15°～25°)的面積為778.99 km2，所占比例最大，為34.91%，適宜于林業(yè)種植；急坡(25°～35°)面積為468.48 km2，占比21%，易產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，不宜農(nóng)用；險(xiǎn)坡(坡度>35°)的地區(qū)僅有零星分布，其面積只有118.78 km2，占研究區(qū)面積的5.32%，極易發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

表5 開化縣坡度分級(jí)統(tǒng)計(jì)表Table 5 Slope classification of Kaihua county

從空間分布格局來(lái)看(圖3)，結(jié)合基本地貌類型圖(圖2)可知：平緩坡和中等坡(<8°)區(qū)域主要分布馬金溪、池淮溪、龍山溪、馬尪溪沿溪兩岸，為平原地貌；斜坡、陡坡 、急坡(8°～35°)主要分布面積較廣，主要為低丘陵地貌；險(xiǎn)坡(>35°)主要分布于小起伏低山地貌。

2.6 坡向分析

地形坡向?qū)庹?、熱量和水分有重要影響，如北半球南坡比北坡能接收較多的太陽(yáng)輻射能，因而南坡土壤水分迅速蒸發(fā)，小氣候較為溫?zé)岣稍?，形成南坡植被比北坡稀疏，土壤層較薄、較瘠薄、含水也較少等，坡向在一定程度影響土地利用空間格局(閆小培等，2006)。

根據(jù)查軒等(2010)提出的坡向分級(jí)方法，將坡向分為平坡、陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡和陰坡、半陰坡五級(jí)。在ArcGIS中，根據(jù)DEM數(shù)據(jù)利用柵格表面下的坡向功能直接求出坡向，然后利用ArcGIS重分類功能對(duì)坡向重分類并統(tǒng)計(jì)(表6)，生成坡度分級(jí)圖(圖4)。

表6 開化縣坡向分級(jí)統(tǒng)計(jì)表Table 6 Slope aspect classification of Kaihua county

圖4 開化縣坡向分級(jí)圖Fig.4 Slope aspect classification map of Kaihua county

由表6、圖4可知，平坡面積占比最少，為16.38%，主要分布馬金溪、池淮溪、龍山溪、馬尪溪沿溪兩岸，沖積平原區(qū)；其余坡向分布較均勻，半陽(yáng)坡所占面積最大，占22.98%，這從一定程度上與坡度分布規(guī)律相一致。通過(guò)確定適當(dāng)?shù)钠露群推孪蚍旨?jí)標(biāo)準(zhǔn)并建立坡度、坡向分級(jí)圖，可為土地利用規(guī)劃、土地整理及其他研究提供參考依據(jù)(林愛文等，2008)。

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)地貌類型劃分為平原、低丘陵、高丘陵、和小起伏低山四種地貌類型，通過(guò)統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)地形起伏度相對(duì)集中在30～100 m之間，占比69.58%，0～30 m區(qū)間占比25.66%,說(shuō)明研究區(qū)主要以丘陵為主,平原次之。

(2)研究區(qū)地貌形態(tài)主要為丘陵和平原，全縣地勢(shì)四周高、中間低。坡度相對(duì)集中在0～25°，尤其以15°～25°坡地分布廣泛，占研究區(qū)面積的34.91%；<5°坡度分布范圍次之，占研究區(qū)面積21.58%，是農(nóng)耕地和城鎮(zhèn)的主要分布區(qū)域。各坡向分布較均勻。