基于DEM對(duì)秦巴山區(qū)隴南望關(guān)鎮(zhèn)地貌形態(tài)特征定量分析

采用GIS空間分析技術(shù)對(duì)秦巴山區(qū)隴南康縣望關(guān)鎮(zhèn)等高線及DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，分別提取研究區(qū)83.2平方千米內(nèi)高程海拔、地表起伏度、坡度、坡向地形因子不同區(qū)間帶內(nèi)面積值后定量分析統(tǒng)計(jì)，獲得區(qū)域不同地貌形態(tài)分布面積及占比，判定調(diào)查區(qū)主要地貌類(lèi)型。

不確定性是客觀世界中固有屬性，同樣在地形地貌分類(lèi)中也存在很大的不確定性，以往基于遙感影像與野外定性判斷，所得數(shù)據(jù)不確定性在地形地貌分界劃分處尤為明顯。

遙感影像的不確定性、未知性導(dǎo)致在地形地貌分類(lèi)領(lǐng)域中逐漸淡出，取而代之的數(shù)字高程模型DEM，基于大量數(shù)據(jù)計(jì)算分析，極大地降低遙感影像分析帶來(lái)的模糊性。

研究的意義

研究區(qū)位于甘肅隴南山地，境內(nèi)復(fù)雜多樣的地貌形態(tài)影響著區(qū)域內(nèi)地表水分、熱量在不同地域的再分配，同時(shí)也影響著土壤、植被、物質(zhì)遷移、生態(tài)系統(tǒng)的演變與發(fā)展，形成了境內(nèi)獨(dú)特的地形與生態(tài)系統(tǒng)。

以往地貌分類(lèi)研究主要基于遙感影像，存在很大的不確定性，在進(jìn)行分類(lèi)時(shí)數(shù)據(jù)的不確定性逐漸累積放大，極大地降低了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

隨著DEM理論與方法不斷發(fā)展，基于等高線獲得高精度DEM數(shù)據(jù)，為地貌形態(tài)分類(lèi)提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能極大降低區(qū)域地貌分類(lèi)中不確定性、模糊性，提高了數(shù)據(jù)量化性、條理性、科學(xué)性。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理分析

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。文章以地形地貌較為復(fù)雜的西北秦巴山區(qū)隴南市康縣望關(guān)鎮(zhèn)為例，以區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)調(diào)查野外一手資料為基礎(chǔ)，結(jié)合DEM數(shù)字地形分析對(duì)望關(guān)鎮(zhèn)地形地貌進(jìn)行全面研究。

建立高程模型。通過(guò)2種方法創(chuàng)建望關(guān)鎮(zhèn)5米分辨率DEM高程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，方法1采用3D Analyst TIN工具創(chuàng)建TIN三角網(wǎng)，轉(zhuǎn)柵格生成DEM柵格影像；方法2采用Spatial Analyst地形轉(zhuǎn)柵格工具，輸出柵格像元大小為5，進(jìn)行雙三次卷積重采樣生成柵格影像。方法2較方法1耗時(shí)更長(zhǎng)，但所得柵格影像精度更高，推薦方法2。

所得DEM柵格影像后對(duì)ArcGIS默認(rèn)分類(lèi)不同海拔區(qū)間采用重分類(lèi)工具進(jìn)行分類(lèi)，由柵格轉(zhuǎn)面工具轉(zhuǎn)為矢量，對(duì)不同海拔區(qū)間帶進(jìn)行面積幾何計(jì)算，并導(dǎo)出屬性表進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)（如表1所示）。數(shù)據(jù)表明面積峰值出現(xiàn)在海拔1464～1564米區(qū)間內(nèi)，達(dá)13.53平方千米，占比16.27%，境內(nèi)主要海拔區(qū)間集中在1064～1964米，占比97.67%，大于1964米所占面積極少，僅占2.32%。數(shù)據(jù)表明境內(nèi)山地主要以低中山地貌為主，次之為中山地貌。

地形起伏度分析。地形起伏度是在一個(gè)特定范圍區(qū)域內(nèi)，最高點(diǎn)海拔與最低點(diǎn)海拔差值，該因子能直觀反映地形起伏特征，其表達(dá)式如下：

RA=Hmax-Hmin

式中，RA表示地形起伏度，Hmax是特定區(qū)域面積內(nèi)最大高程值，Hmin是特定區(qū)域面積內(nèi)最小高程值。

在ArcGIS中借助領(lǐng)域分析工具集下焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具，結(jié)合望關(guān)鎮(zhèn)面積、采用DEM柵格影像像元5米×5米、對(duì)比分析5米×5米，10米×10米，15米×15米，20米×20米，25米×25米領(lǐng)域窗口值，選取RANGE計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)最大值與最小值差值，結(jié)合望關(guān)鎮(zhèn)定性地貌分類(lèi)，結(jié)果顯示領(lǐng)域15×15窗口所獲得焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果與實(shí)際地貌吻合度極高。

其次進(jìn)行重分類(lèi)，根據(jù)《中國(guó)1：1000000地貌圖制圖規(guī)范》并結(jié)合《工程地質(zhì)手冊(cè)》，地形起伏區(qū)間選0～30米（高海拔河谷區(qū)及平坦區(qū)）、30～100米低起伏山地（低中山），100～500米小起伏山地（低中山），500～1000米中起伏山地（中山），生成地形起伏度分級(jí)圖。最后采用柵格轉(zhuǎn)面工具將影像矢量化，對(duì)不同起伏區(qū)間帶進(jìn)行面積幾何計(jì)算，并導(dǎo)出屬性表分類(lèi)統(tǒng)計(jì)（如下頁(yè)表2所示）。

結(jié)果表明：望關(guān)鎮(zhèn)地形起伏區(qū)間分別在0～30米、30～100米、100～500米間，面積為6.19平方千米、75.68平方千米、1.34平方千米，其中低起伏山地占比90.96%，其次為高海拔河谷及平坦區(qū)，分布于河谷G8513道路及平洛河兩側(cè)較開(kāi)闊區(qū)域，少量分布于中莊村、亂石山村、沈?yàn)炒宓攘闵⒎植嫉拇迩f開(kāi)闊區(qū)域，占比7.44%，中起伏山地占比最少，為1.61%，分布于中莊村至鷂子灣村道路兩側(cè)，該區(qū)域野外調(diào)查驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)地勢(shì)高陡，起伏較大，地形險(xiǎn)峻，與數(shù)據(jù)分析結(jié)果吻合度較高。

數(shù)據(jù)表明境內(nèi)主要以低起伏山地、高海拔河谷及平坦區(qū)為主，中起伏山地極少。

地貌形態(tài)分析。結(jié)合中國(guó)科學(xué)院地理研究所制定的《中國(guó)1：100萬(wàn)數(shù)字地貌制圖規(guī)范》及《工程地質(zhì)手冊(cè)》中山地地貌形態(tài)劃分，采用起伏度和海拔高度對(duì)山地及其子類(lèi)型地貌進(jìn)行定量化描述，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下（如表3所示）。

研究區(qū)主要為高海拔河谷及平坦區(qū)、低起伏低中山，占98.39%，小起伏低中山分布極少，僅占1.34%，上述地貌分類(lèi)統(tǒng)計(jì)結(jié)果較定性分析更為翔實(shí)全面（如表4所示）。

地形坡度分析。以往野外調(diào)查基于直觀定性判斷坡度，雖然快速簡(jiǎn)便但依據(jù)不足，主要依賴(lài)于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，存在一定偏差，尤其是近幾年開(kāi)展實(shí)施的高精度地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化調(diào)查中涉及大量斜坡單元坡度分析，缺少必要數(shù)據(jù)支撐，依靠直觀定性判斷存在較大誤差。

在ArcGIS中借助坡度工具采用PLANAR方法對(duì)DEM柵格影像進(jìn)行分析，求得不同坡度區(qū)間分析圖，利用重分類(lèi)工具參照坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分為0°～5°平坡，5°～15°緩坡，15°～25°斜坡，25°～35°陡坡，35°～45°急坡，gt;45°險(xiǎn)坡，采用柵格轉(zhuǎn)面工具轉(zhuǎn)為矢量圖層，對(duì)不同坡度區(qū)間面積進(jìn)行幾何計(jì)算，將屬性表導(dǎo)出進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，獲得不同坡度區(qū)間帶面積值，生成坡向分級(jí)圖。

數(shù)據(jù)表明，望關(guān)鎮(zhèn)境內(nèi)最大坡度85.75°，結(jié)合坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，共劃分為6級(jí)，分別為0°～5°平坡，5°～15°緩坡，15°～25°斜坡，25°～35°陡坡，35°～45°急坡，gt;45°險(xiǎn)坡，其中g(shù)t;45°險(xiǎn)坡地段面積達(dá)31.20平方千米，占比37.5%，多分布于貫穿河谷G8513道路兩側(cè)，該區(qū)域集中道路建設(shè)、人工機(jī)械切坡形成的高陡邊坡，多崩塌、危巖體落石等地質(zhì)災(zāi)害，定量分析結(jié)果與實(shí)際野外調(diào)查中結(jié)果一致，但較定性分析有了大量的數(shù)據(jù)支撐（如表5所示）。

其次為25°～35°陡坡，35°～45°急坡區(qū)域，面積分別為14.97平方千米，14.62平方千米，占比17.99%，17.57%，該區(qū)域多分布在河谷兩岸險(xiǎn)坡向外過(guò)渡延伸區(qū)域。定量分析結(jié)果以更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)揭示每個(gè)斜坡段、斜坡帶、斜坡區(qū)域坡度值及變化規(guī)律。

次之為0°～5°平坡，5°～15°緩坡，15°～25°斜坡區(qū)域，面積分別為1.16平方千米、8.34平方千米、12.91平方千米，占比為1.40%、10.03%、15.51%，調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該區(qū)域多分布居民區(qū)、農(nóng)田耕植區(qū)，定量分析與定性結(jié)果相互印證一致。

地形坡向分析。區(qū)別于傳統(tǒng)坡向分析方法，基于ArcGIS空間分析功能，對(duì)復(fù)雜山區(qū)進(jìn)行坡向分析。將區(qū)域內(nèi)坡向分為8級(jí)，在GIS中采用PLANAR方法基于DEM柵格影像進(jìn)行分析，再用重分類(lèi)工具劃分歸至8級(jí)坡向區(qū)間，由柵格轉(zhuǎn)面工具轉(zhuǎn)為矢量，對(duì)不同坡向區(qū)間內(nèi)幾何面積進(jìn)行計(jì)算，最后將屬性表導(dǎo)出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

結(jié)果表明，望關(guān)鎮(zhèn)大部分山體坡向呈現(xiàn)東（67.5°～112.5°）、西（247.5°～292.5°）、西北（292.5°～337.5°）。面積占比13.18%、14.46%、13.92%，據(jù)此可判斷望關(guān)鎮(zhèn)大部分山脈南北走向，在野外調(diào)查中，對(duì)560處斜坡單元采集地層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，分析所得，區(qū)內(nèi)山脈整體呈南北走向，與定量分析結(jié)果一致。同時(shí)顯示境內(nèi)東向、西向、西北坡向植被林木覆蓋率整體較其他坡向高，該數(shù)據(jù)能為地方土地利用規(guī)劃、土地整理及其他研究提供參考依據(jù)（如表6所示）。

地貌分類(lèi)是地貌制圖的基礎(chǔ)，近幾年全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化調(diào)查工作，涉及編制大量鄉(xiāng)鎮(zhèn)地貌分類(lèi)圖，早期調(diào)查中野外定性判斷、手圖標(biāo)記等方法，逐漸演變至借助遙感影像，采用定性判定，但缺乏數(shù)據(jù)支撐，分類(lèi)結(jié)果存在很大不確定性、模糊性，已難以滿(mǎn)足當(dāng)前地貌分類(lèi)實(shí)際應(yīng)用需求。

隨著DEM數(shù)據(jù)理論方法不斷發(fā)展，基于DEM數(shù)字地形分析分類(lèi)法成為強(qiáng)有力輔助工具，對(duì)地形進(jìn)行多因子數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，通過(guò)大量數(shù)據(jù)控制變量，改進(jìn)分類(lèi)中的不確定性，在分類(lèi)方法上實(shí)現(xiàn)新的突破。

文章以秦巴山區(qū)甘肅隴南康縣望關(guān)鎮(zhèn)為例，基于DEM數(shù)字地形分析技術(shù)提取高程、地形起伏度、地貌形態(tài)、坡度、坡向等地形因子數(shù)據(jù)，依據(jù)地貌形態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類(lèi)后分析統(tǒng)計(jì)，提出了一套基于DEM數(shù)字高程的多尺度、多因子地貌特征不確定性分析方法，彌補(bǔ)擴(kuò)充了現(xiàn)有分類(lèi)思路與方法，對(duì)地貌分類(lèi)不確定性控制具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值。

（作者單位：甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院）