基于DEM的都?jí)魏恿饔虻孛差愋妥R(shí)別

劉慧麗,董廷旭,陳 浩,王 飛,廖傳露

(綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院,四川綿陽 621000)

0 引言

地貌作為地球圈層間相互作用的重要產(chǎn)物,控制著自然地理環(huán)境的分異[1-2],因此地貌研究具有十分重要的意義.地貌劃分更是一項(xiàng)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究,它不僅有助于水土保持及水土流失防治、還能為地質(zhì)災(zāi)害防治等提供決策依據(jù)[3-4].隨著3S技術(shù)和數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的快速發(fā)展,在突破傳統(tǒng)地貌研究方法的基礎(chǔ)上,通過數(shù)字地形模型(Digital Elevation Model,DEM)進(jìn)行地貌定量分析,可快速、精準(zhǔn)、全面地提取地貌信息,并結(jié)合研究區(qū)氣候氣象、土壤、植被、居民點(diǎn)等其他數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,為氣候氣象災(zāi)害預(yù)防、地質(zhì)災(zāi)害防治、水土保持及水土流失防治等提供指導(dǎo)方針.我國地貌形態(tài)分類方案呈現(xiàn)多樣化,不過通常都會(huì)提到臺(tái)地、平原、山地、丘陵、高原等類型[5].2008年,李炳元在前人的基礎(chǔ)上對中國陸地基本地貌類型劃分作了進(jìn)一步探討,在傳統(tǒng)的平原、臺(tái)地、丘陵和山地分類的基礎(chǔ)上,按地形起伏度細(xì)分為7種形態(tài),并按海拔高度劃分為5個(gè)等級(jí)[6].目前,以DEM作為基礎(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,地貌類型劃分方法逐漸由單一地形因子(如地形起伏度、海拔高度)分析向多個(gè)地貌形態(tài)因子綜合分析轉(zhuǎn)變,研究范圍也逐漸由大區(qū)域尺度向中區(qū)域尺度及中小區(qū)域尺度拓展[7-10],而對于小區(qū)域尺度的研究還較少,特別是小流域.都?jí)魏恿饔蛭挥诒贝h東北部,距離北川新縣城約20 km,屬“5·12”特大地震震中地區(qū),也是地震災(zāi)害極重災(zāi)區(qū)[11-12],因此對都?jí)魏恿饔虻孛差愋脱芯亢苡斜匾?本文以1∶50 000地形圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過均值變點(diǎn)法、相關(guān)系數(shù)矩陣及主成分分析法確定宏觀地形因子的最佳統(tǒng)計(jì)窗口及提取最佳地形因子組合,在此基礎(chǔ)上對都?jí)魏恿饔虻孛差愋瓦M(jìn)行識(shí)別劃分,其結(jié)果對都?jí)魏恿饔蛩帘３?、地質(zhì)災(zāi)害防治與生態(tài)環(huán)境治理等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

都?jí)魏恿饔蛭挥诒贝h東北部(圖1),屬于湔江流域,隸屬于涪江水系,是北川縣較為重要的一條河流,地處東經(jīng)104°24′56″～104°38′34″,北緯31°52′6″～32°6′55″,流域面積約為305 km2.屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),全年氣候濕潤溫和,光照充足且雨量充沛.以山地地形為主,整個(gè)流域西北高東南低,海拔600～2 238 m.流域內(nèi)多由千枚巖、板巖、灰?guī)r、砂頁巖等構(gòu)成.因地處龍門山斷裂帶-地震高頻區(qū),地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),以泥石流、滑坡和崩塌為主.

圖1 都?jí)魏恿饔蚝唸DFig.1 Duba River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文以1∶50 000地形圖為基本資料提取等高線建立DEM,對原數(shù)據(jù)進(jìn)行一階多項(xiàng)式仿射地理配準(zhǔn)、投影變換及重采樣,格網(wǎng)大小為30 m×30 m,空間參考為WGS_1984_UTM_Zone_48N.利用ArcGIS水文分析,基于DEM數(shù)據(jù)經(jīng)過流向計(jì)算(D8算法)、洼地計(jì)算及填充、流量計(jì)算、水流長度計(jì)算、河網(wǎng)提取(Strahler方法)等,掩膜裁剪提取流域區(qū)域,得到都?jí)魏恿饔虻腄EM數(shù)據(jù).

2 研究方法

2.1 最佳地形因子組合

地形因子是地形特征信息的重要載體,宏觀地形因子主要從宏觀角度、大區(qū)域范圍反映研究區(qū)的整體起伏變化情況,即表達(dá)地形總體形態(tài)特征;微觀地形因子則用于表達(dá)地貌地形細(xì)節(jié)特征[13-14].每個(gè)地形因子都有自己獨(dú)特的地學(xué)意義,因此能否準(zhǔn)確選取地形因子必然會(huì)對地貌識(shí)別劃分產(chǎn)生一定的影響[15].本文分別從微觀和宏觀兩個(gè)方面提取地形因子,有利于對都?jí)魏恿饔虻孛策M(jìn)行深入研究.結(jié)合研究區(qū)域?qū)嶋H情況,通過定性分析初步選取高程、坡度、坡向變率、平面曲率、地形粗糙度、地形起伏度、高程變異系數(shù)、地表切割深度等10個(gè)地形因子作為初選地形因子.在實(shí)際地貌分類過程中,通過相關(guān)系數(shù)矩陣與主成分分析法選取幾個(gè)具有代表性且彼此間相關(guān)性弱的最佳地形因子組合參與地貌類型劃分[16].

2.2 最佳統(tǒng)計(jì)窗口確定

最佳統(tǒng)計(jì)窗口是提取宏觀地形因子的關(guān)鍵.本文通過矩形移動(dòng)窗口法[17]計(jì)算不同窗口(2×2,3×3,……,49×49)像元大小所對應(yīng)的宏觀地形因子,其平均值隨窗口面積的變化呈對數(shù)曲線特征,并采用均值變點(diǎn)法確定宏觀地形因子的最佳統(tǒng)計(jì)窗口[18].其計(jì)算步驟如下:

(1)

(2)

2.3 主成分分析法

主成分分析法是通過降維思想將多個(gè)具有一定相關(guān)性的初選變量重新組合成一組新的變量來代替,具有少數(shù)、彼此無關(guān)且能最大程度地反映原變量信息的特點(diǎn)[19].其計(jì)算步驟為:(1)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理;(2)相關(guān)系數(shù)矩陣構(gòu)建;(3)特征根、方差解釋率、累積解釋率計(jì)算;(4)主成分載荷計(jì)算;(5)主成分確定.在實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)特征根及方差累積解釋率確定主成分個(gè)數(shù),其選取的主成分累積解釋率大于75%且特征根大于1.本文通過斷棍模型來選擇主成分個(gè)數(shù)[20].

3 結(jié)果與分析

3.1 最佳地形因子組合

最佳地形因子組合主要是通過相關(guān)性分析篩選出少數(shù)且能夠充分描述地貌形態(tài)特征的代表性因子,在最大程度上減少地形因子信息重疊和數(shù)據(jù)冗余,提高運(yùn)算效率與數(shù)據(jù)精度.通過定性分析對于初步選取都?jí)魏恿饔虻?0個(gè)地形因子(H-高程,S-坡度,A-坡向,SOS-坡度變率,SOA-坡向變率;plane C-平面曲率,profile C-剖面曲率,C-總曲率,R-地形粗糙度,RF-地形起伏度,V-高程變異系數(shù),D-地表切割深度),如圖2所示.基于R軟件進(jìn)行相關(guān)性分析,因避免分類時(shí)因子權(quán)重不同的影響,先對這10個(gè)初選因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理.由表1可知,坡度和地形粗糙度、地形起伏度、地表切割深度,地形粗糙度和地形起伏度,地形起伏度和高程變異系數(shù)、地表切割深度,這些因子間的相關(guān)系數(shù)均大于0.6,相關(guān)性較強(qiáng)且達(dá)到極顯著.高程坡向變率和地表切割深度的相關(guān)性達(dá)到顯著水平,其余因子相關(guān)性未達(dá)到顯著性水平.通過斷棍模型,選取特征根總和大于所對應(yīng)斷棍長度總和前四軸,即提取前4個(gè)主成分.其結(jié)果(表2)顯示前4個(gè)主成分的累積解釋率達(dá)到80%,特征根大于1,且主成分1最大為3.76.這說明通過斷棍模型選擇主成分是有效的,其結(jié)果與直接根據(jù)特征根及方差解釋率確定主成分相一致.

表1 初選因子間的相關(guān)系數(shù)及顯著性Tab.1 Correlation coefficient and significance of primary factors

圖2 都?jí)魏恿饔駾EM提取的地形因子Fig.2 Topographic factors extracted from DEM in the Duba River Basin

主成分1中地形起伏度和坡度的載荷量最大,由于二者正相關(guān)強(qiáng)且極顯著(表1),選擇地形起伏度作為備選地形因子;主成分2中高程和剖面曲率的載荷量最大,二者呈極顯著正相關(guān),選擇高程作為備選地形因子;主成分3中坡度變率和坡向變率的載荷量最大,且二者呈極顯著正相關(guān),故選擇坡度變率作為備選地形因子;主成分4中高程和平面曲率的載荷量最大,且二者呈極顯著正相關(guān),盡管高程載荷量相對較高,但高程已作為主成分2中的備選地形因子,因此選擇平面曲率作為備選地形因子.

綜合以上,本文最終篩選出地形起伏度、高程、坡度變率、平面曲率4個(gè)地形因子進(jìn)行地貌特征類型劃分.

3.2 最佳統(tǒng)計(jì)窗口確定

宏觀地形因子表征地表形態(tài)特征時(shí),不同分析窗口提取的統(tǒng)計(jì)值各不相同,窗口的大小決定區(qū)域地表的實(shí)際反映情況.因此在提取宏觀地形因子時(shí),最佳統(tǒng)計(jì)窗口大小的確定是關(guān)鍵.以地形起伏度為例,利用ArcGIS空間分析中的鄰域統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算DEM數(shù)據(jù)區(qū)域范圍內(nèi)的地勢起伏度,按1個(gè)格網(wǎng)單元進(jìn)行移動(dòng),提取2×2,3×3,……,49×49的網(wǎng)格大小下的地形起伏度(表3),得到不同網(wǎng)格大小下的面積、最大地形起伏度(Max_RF)和平均地形起伏度(Mean_RF).可以發(fā)現(xiàn)最大地形起伏度和平均地形起伏度隨著網(wǎng)格大小的增大而逐漸增大,當(dāng)網(wǎng)格單元對應(yīng)的面積達(dá)到一定大小時(shí),平均地形起伏度的變化程度則趨于平穩(wěn).根據(jù)矩形移動(dòng)窗口法計(jì)算不同窗口下的地形起伏度,通過線性擬合,其平均值隨窗口大小的變化呈對數(shù)曲線特征,擬合方程為y=97.384lnx-4.516,相關(guān)系數(shù)為R2=0.953.當(dāng)擬合曲線從增速到減慢時(shí)會(huì)存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),該轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對應(yīng)的網(wǎng)格大小即為最佳統(tǒng)計(jì)窗口.通過均值變點(diǎn)法計(jì)算擬合曲線上由陡變緩的閾值對應(yīng)的點(diǎn),以i(i=2,3,4,……,N;N為總樣本個(gè)數(shù))為分界點(diǎn)將樣本分成兩段,計(jì)算得到總的離差平方和S=35.91,變點(diǎn)的存在會(huì)使S和Si之間的差值增大,當(dāng)S-Si的差值為最大值時(shí),由陡變緩的點(diǎn)即為變點(diǎn),對應(yīng)的最佳統(tǒng)計(jì)窗口為18×18的網(wǎng)格大小,面積為0.291 6 km2.故地形起伏度、高程變異系數(shù)、地表切割深度的最佳統(tǒng)計(jì)窗口選取18×18的網(wǎng)格大小.

3.3 都?jí)魏恿饔虻匦我蜃犹卣?/h3>

由圖3可知,都?jí)魏恿饔虻牡匦纹鸱纫孕∑鸱降貫橹?占總面積的86.52%;其次是小起伏丘陵,所占比例為10.57%,主要零散分布于東南部;河谷、平壩和中起伏山地所占面積最少,且沿河流軌跡分布.流域海拔整體偏高,85.02%的區(qū)域?yàn)橹泻０蔚貐^(qū),低海拔區(qū)出現(xiàn)于水系周邊,沿陳家壩鎮(zhèn)、桂溪鎮(zhèn)、都貫鄉(xiāng)一帶,占總面積的13.27%;亞高海拔區(qū)面積僅占1.71%,位于陳家壩鎮(zhèn)西北部,分布在櫻桃溝村、平溝村、龍坪村附近.流域的坡度變率主要介于25°以下,面積占比99.20%,各級(jí)面積分布呈坡度變率的增加而減少,其次坡度變率>25°的面積占比最小.平面曲率<2占整個(gè)流域的99.26%,說明研究區(qū)地形表面趨于平坦凸坡變化;平面曲率在2～4之間及>4的面積占比不足1%,呈細(xì)條帶狀分布.從假彩色合成的的地形特征影像圖來看,流域內(nèi)溝谷偏多,山脊線和山谷線突出顯示.

圖3 最佳地形因子空間特征與假彩色合成Fig.3 Spatial characteristics of optimal topographic factors and false color synthesis

3.4 都?jí)魏恿饔虻孛蔡卣黝愋?/h3>

將最佳地形因子組合進(jìn)行疊加分析得到都?jí)魏恿饔?種地貌類型(圖4).可以看出都?jí)魏恿饔蚍植驾^廣的地貌類型主要為小起伏中山(22.97%)、小起伏亞高山(20.26%)、小起伏低山(18.92%)和中起伏低山(14.18%).小起伏中山和小起伏亞高山分布比較分散,幾乎整個(gè)流域都有分布,且西北地區(qū)分布居多;小起伏低山主要分布在流域西北部,特別是都貫鄉(xiāng)-皇帝廟村一帶;中起伏低山大致以帶狀分布,分布最明顯在都貫鄉(xiāng)與陳家壩鎮(zhèn)的交界處附近;丘陵主要沿著河流水系周圍分布,占研究區(qū)總面積的9.81%;中起伏中山分布于西北角邊界、龍坪-勇敢村靠西北方及陳家壩鎮(zhèn)東南角邊界較為集中,占研究區(qū)總面積的7.80%;河谷、平壩和中起伏亞高山面積所占比例較少.

圖4 都?jí)魏恿饔虻孛差愋涂臻g分布Fig.4 Spatial distribution of geomorphic types in the Duba River Basin

4 結(jié)論

(1)采用均值變點(diǎn)法確定宏觀地形因子(地形起伏度、高程變異系數(shù)、地表切割深度)的最佳統(tǒng)計(jì)窗口為18×18,統(tǒng)計(jì)面積為0.291 6 km2,實(shí)證了均值變點(diǎn)法提取地形因子最佳統(tǒng)計(jì)窗口的可行性.

(2)都?jí)魏恿饔虻淖罴训匦我蜃咏M合為地形起伏度、高程、坡度變率、平面曲率,其累積解釋率達(dá)到80%,可以綜合全面地反映都?jí)魏恿饔虻牡孛蔡卣?

(3)基于最佳地形因子組合劃分為8類地貌類型,即溝谷平壩、丘陵、小起伏低山、小起伏中山、小起伏亞高山、中起伏低山、中起伏高山、中起伏亞高山.都?jí)魏恿饔騼?nèi)以小起伏中山、小起伏亞高山、小起伏低山和中起伏低山地貌類型居多,占整個(gè)流域面積的76.33%,地貌類型復(fù)雜,且以小起伏山地為主,其面積占到一半以上.