條帶剖面方法及其應(yīng)用

胥 姝，褚永彬，余 林

（1.成都市勘察測(cè)繪研究院，四川 成都 610081；2.成都信息工程大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610225；3.西南油氣田分公司重慶氣礦開(kāi)州采輸氣作業(yè)區(qū)，重慶 405431）

條帶剖面（Swath Profile），又稱(chēng)廊帶剖面、帶狀剖面，最早由Fielding 在1994 年對(duì)青藏高原及鄰區(qū)進(jìn)行地貌分析的時(shí)候提出并使用，獲得了跨越高原的條帶內(nèi)高程最大值曲線、最小值曲線、平均高程曲線，探討了地貌起伏特征[1]。條帶剖面與普通地形剖面線的不同點(diǎn)在于，普通地形剖面線記錄的是地形沿剖面線的起伏，是一維的信息；而條帶剖面按照面對(duì)落在條帶內(nèi)的高程值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲取最值和均值等，是二維的信息。相較于單一的剖面線，條帶剖面能夠更準(zhǔn)確地表達(dá)地形地貌特征，是定量地貌分析的重要手段之一，受到廣泛應(yīng)用，并不斷出現(xiàn)新的提取方法[2]。本文介紹了條帶剖面的原理、方法和在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況，為以后的研究和應(yīng)用提供一定的借鑒。

1 方 法

地形圖上繪制一條直線，記錄直線與等高線交點(diǎn)的高程及距離起點(diǎn)的長(zhǎng)度，以高程為縱軸、長(zhǎng)度為橫軸繪制的曲線即為地形剖面線（圖1 左圖）。地形剖面可以反映地表起伏、地勢(shì)變化，表達(dá)地貌形態(tài)以及地表切割強(qiáng)度等。由繪制方法可知，地形剖面線僅能反映線下地形起伏，不能準(zhǔn)確表達(dá)地表固有的面性特征，且剖面線的選擇具有較強(qiáng)的主觀性[3]。這種情況隨著數(shù)字高程模型的發(fā)展得以改變，即利用DEM獲取高程條帶剖面。

圖1 剖面線與條帶剖面采樣方式的區(qū)別[9]

條帶剖面以具有一定寬度的條帶為高程統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)，沿一定的間隔做若干條帶中心線的垂線，統(tǒng)計(jì)每一條垂線下的高程最值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等[1,4-8]。條帶剖面的縱軸不再為單一的高程值，而是采樣線下的采樣統(tǒng)計(jì)值（高程最大值、最小值、均值等如圖1 右圖所示）。

條帶剖面改變了高程起伏的一維表達(dá)，能夠較好地反映區(qū)域在二維面上的地形起伏特征[10]。根據(jù)所使用條帶的形狀，分為規(guī)則條帶和不規(guī)則條帶。規(guī)則條帶的中央基線為直線，而不規(guī)則條帶則為折線或曲線。

1.1 規(guī)則條帶剖面方法

規(guī)則條帶是應(yīng)用最廣的一種形式。其方法概括起來(lái)有自定義工具方法、GIS 組合工具方法。自定義工具方法是根據(jù)條帶剖面的定義，由剖面線按照設(shè)定的寬度擴(kuò)展獲得[11]。其基本思路為：繪制剖面基線，并指定條帶的寬度和采樣間隔。將基線按照采樣間隔進(jìn)行等分，在等分節(jié)點(diǎn)處定義垂直于基線的采樣線。同樣按照采樣間隔等分采樣線，取等分點(diǎn)下高程值，組成高程集合，按采樣線統(tǒng)計(jì)高程集合中的最值及均值等統(tǒng)計(jì)值。采樣線上高程統(tǒng)計(jì)值作為縱軸，采樣線距離基線端點(diǎn)的距離作為橫軸繪制條帶剖面。

常用的GIS 軟件，如ArcGIS，本身并不具有針對(duì)條帶剖面的單獨(dú)工具，但經(jīng)過(guò)空間分析工具的組合使用也可以完成高程信息的統(tǒng)計(jì)功能[9，12]。自定義工具要求應(yīng)用人員具有一定的計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)，而組合工具利用ArcGIS自帶的功能模塊，靈活運(yùn)用Zonal Statistics分區(qū)統(tǒng)計(jì)的功能，統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)高程信息完成條帶剖面繪制，更易操作和推廣。

1.2 不規(guī)則條帶剖面方法

為了研究河流裂點(diǎn)遷移與地形演化關(guān)系，Gallen[13]等采用首尾相接的多個(gè)矩形組成了近似沿河流走向的多邊形條帶。Telbisz[14]等采用正交采樣網(wǎng)格方法計(jì)算不規(guī)則條帶剖面，獲得了阿巴拉契亞山脈的最值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差值剖面曲線。這種方法采樣線垂直于基線，條帶剖面X 軸與條帶延伸方向一致，獲得的是沿條帶方向的地形統(tǒng)計(jì)信息，可以稱(chēng)之為高程條帶縱剖面。也正由于采樣線垂直于基線，所以在曲線曲率較大的地方易發(fā)生高程重復(fù)采樣，對(duì)分析結(jié)果帶來(lái)一定的影響[14-15]。Hergarten[15]等拓展了不規(guī)則條帶剖面的思路，度量條帶內(nèi)每一個(gè)采樣點(diǎn)到基線的距離，計(jì)算相同距離的采樣點(diǎn)的最值等統(tǒng)計(jì)值。這種方法避免了重復(fù)采樣，將條帶剖面以一種橫切面的方式展現(xiàn)，但不能表達(dá)沿曲線地貌特征走向的高程變化、地形起伏情況。在Hergarten[9]等不規(guī)則條帶剖面和Telbisz等正交采樣網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，褚永彬設(shè)計(jì)一種新的算法，通過(guò)記錄采樣點(diǎn)在采樣網(wǎng)格中的位置，實(shí)現(xiàn)一次計(jì)算，同時(shí)生成曲線地貌特征的縱橫2 種條帶剖面，彌補(bǔ)了上述不足。這種綜合方法從縱、橫2 個(gè)視角分析地貌，互為補(bǔ)充，擴(kuò)展了地貌分析的思路，適用于山脈、河谷、斷裂帶等地貌特征的分析。

2 應(yīng) 用

條帶剖面繪制的剖面線是高程等地形因子的統(tǒng)計(jì)值。通過(guò)條帶剖面的統(tǒng)計(jì)信息分析地貌演化速率、河流重組，以及降水和地形的關(guān)系，尤其評(píng)價(jià)造山帶地表垂直升降運(yùn)動(dòng)、河流冰川地形分析方面具有顯著作用。

2.1 地形地貌特征

地形地貌特征的分析是條帶高程剖面最直接的應(yīng)用。在條帶地形剖面的基礎(chǔ)上，Andermann[16-17]等分析了降水和地形的關(guān)系，F(xiàn)oster[18]分析了冰川地形特征。張佳佳[19]等將地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)標(biāo)繪在條帶剖面上，討論了地質(zhì)災(zāi)害與地形，尤其是坡度之間的關(guān)系。賈騰斌[20]等在利用三維激光掃描儀獲取地表地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立坡面微地形模型（M-DEM），采用條帶剖面的方法，獲取了不同耕作措施下微地形的地形起伏度、地表粗糙度、溝壑深度、高程變異系數(shù)等，完成了坡面復(fù)雜度特征的提取和分析[20]。

地形地貌特征本質(zhì)上是局地高程的變化，條帶剖面反映的恰好是條帶內(nèi)高程的統(tǒng)計(jì)信息，同時(shí)結(jié)合其他地形因子，可以更直觀地反映地形地貌特征[21-25]。

2.2 定量地貌分析及地貌演化

通過(guò)地形形態(tài)特征分析地貌發(fā)育、地形演化是條帶剖面的另一個(gè)重要應(yīng)用。Molin[26-27]等基于DEM 數(shù)據(jù)，在地形特征的基礎(chǔ)上，分析高程最值和平均值，進(jìn)而分析地形中的主要起伏波動(dòng)，以及構(gòu)造折返，探討了亞平寧山脈地貌演化。高明星[28]等利用高程帶狀剖面圖，定量化揭示了西秦嶺北緣-拉脊山東西兩側(cè)地貌結(jié)構(gòu)，結(jié)合地質(zhì)數(shù)據(jù)，探討了西秦嶺北緣-拉脊山兩側(cè)的地貌差異及其發(fā)育機(jī)制。蘇琦[29]等利用條帶剖面方法，定量地分析了白龍江流域盆地的高程與坡度變化之間的一致性程度。

條帶剖面中最小高程代表切割盆地沉積物的峽谷谷底，最大高程代表沉積頂面，二者之間的高差即表示剝蝕厚度。王巖[30]等由此定量評(píng)價(jià)龍門(mén)山地區(qū)主要水系下切剝蝕所引起的地殼均衡反彈量。梁明劍[31]等結(jié)合其他地貌定量參數(shù)，探討了地貌演化與構(gòu)造活動(dòng)的關(guān)系。

2.3 構(gòu)造活動(dòng)

條帶剖面為評(píng)價(jià)造山帶地表垂直升降運(yùn)動(dòng)提供了定量化數(shù)據(jù)[14]。Musumeci[32]等通過(guò)對(duì)阿爾圖納地塊的DTM分析，獲得了若干條帶剖面、水系形態(tài)參數(shù)、坡度和水系密度圖，以此為基礎(chǔ)，分析了構(gòu)造對(duì)地形的束縛，表明晚阿爾卑斯山SW 逆沖推覆與右旋走滑運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系。Clark[33]等利用條帶剖面獲得的最大值和均值，討論了青藏高原地表抬升以及下地殼流等科學(xué)問(wèn)題。Y?ld?r?m[34]從條帶剖面中分析了沿?cái)嗔褞献罡叻宓奈恢靡约白畲笃鸱妥疃钙陆?，?jì)算了理想狀態(tài)下的斷層位移距離。

在條帶剖面反映的地形特征基礎(chǔ)上，趙尚民[10]等識(shí)別了青藏高原北緣西昆侖山脈的公格爾山地區(qū)的地形梯度，討論了該地區(qū)的隆升過(guò)程；李朝陽(yáng)[35]等結(jié)合前人磷灰石裂變徑跡測(cè)年數(shù)據(jù)，劃分了紅河斷裂帶中南段的構(gòu)造活動(dòng)期次，分析了構(gòu)造抬升速率；鄧賓[36]等結(jié)合巖石圈結(jié)構(gòu)、水平縮短變形等信息，反演了大婁山地區(qū)構(gòu)造變形事件和盆山建造過(guò)程；賈秋鵬[37]等結(jié)合地震資料，分析了地貌特征和現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)表現(xiàn)，揭示了龍門(mén)山及四川盆地存在晚新生代構(gòu)造縮短的可能性。同樣，條帶剖面反映出的高程梯度變化表現(xiàn)了龍門(mén)山構(gòu)造帶南段前展式擴(kuò)展的特點(diǎn)及地形受構(gòu)造活動(dòng)的影響[38]。

在構(gòu)造活動(dòng)分析方面，條帶剖面提供了基礎(chǔ)的地形變化數(shù)據(jù)，并利用圖形化的地形起伏直觀展示了研究區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)。

2.4 水系發(fā)育

條帶剖面的統(tǒng)計(jì)屬性可以展示坡度、殘留夷平面順河的變化情況。Gallen[13]按照條帶剖面的方法，提取了位于南阿巴拉契亞山脈河流沿流向的高程、起伏度、坡度等地形特征，研究了河流裂點(diǎn)的遷移。王平[39]繪制了沿川江干流的條帶剖面，統(tǒng)計(jì)的最大高程和均值高程剖面反映出川江下段流向與地形梯度方向相同，而上段流向則與地形梯度方向相反，以此討論長(zhǎng)江中游的襲奪-反向過(guò)程。同樣利用條帶剖面，分析了川東-湘鄂西弧形斷褶帶的構(gòu)造地貌特征，提出古長(zhǎng)江東支和西支的分水嶺應(yīng)位于弧形帶的“中線”附近的向斜谷地內(nèi)的觀點(diǎn)[40]。梁明劍[41]等利用條帶剖面分析了蘆山地震區(qū)“三山夾兩盆”的地貌格局及其與構(gòu)造的關(guān)系，探討了河流地貌對(duì)地震的響應(yīng)。陳露[42]利用條帶剖面揭示的地形起伏形態(tài)信息，探討了條帶剖面對(duì)珠峰自然保護(hù)區(qū)的流域地貌景觀分區(qū)以及流域發(fā)育特征的指示意義。條帶剖面展示的總體地形趨勢(shì)，有助于發(fā)現(xiàn)河流流向的變化，從而為水系演化提供輔助分析數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 論

與傳統(tǒng)地形剖面線相比，條帶剖面具有對(duì)地形特征的統(tǒng)計(jì)功能，可以直觀展示研究區(qū)高程以及其他地形因子的最值、均值等。此方法提出后，已經(jīng)普遍應(yīng)用于地形特征的分析，尤其在定量地貌分析、地貌演化速率等方面，進(jìn)而討論構(gòu)造活動(dòng)以及地貌演化。其繪制方法也不斷發(fā)展，由規(guī)則條帶發(fā)展到不規(guī)則條帶，從而能夠更好地適應(yīng)地表曲折山脈、河流的地形分析。