曹偉超，陶和平，孔 博，劉斌濤，孫玉蓮

(1.中國科學(xué)院/水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041;2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049)

中國是一個多山的國家，山地面積占到陸地總面積的46.11%［1］，而山區(qū)更是占到陸地面積的70%以上。山地又是中國地貌的框架，中國大地貌單元如大高原、大盆地的四周都被山脈環(huán)繞:青藏高原是中國最高最大的高原，平均海拔達到了4500m，周圍的山脈有喜馬拉雅山、喀喇昆侖山、昆侖山、祁連山、橫斷山等。同時，山地在中國的分布極為不均，西南地區(qū)是山地分布最集中的地區(qū)之一，各種山地災(zāi)害頻發(fā)。由于地貌形態(tài)在很大程度上對山地災(zāi)害和局部地區(qū)氣候能產(chǎn)生影響［2］，并控制著其他生態(tài)、環(huán)境因子的分布與變化，因此研究西南地區(qū)地貌形態(tài)的分布具有其科學(xué)性和必要性。

地貌形態(tài)的識別和劃分是現(xiàn)代地貌學(xué)研究的重點內(nèi)容，國內(nèi)外已有不少研究成果［3－6］。不同研究區(qū)應(yīng)選取不同的地理指標，山區(qū)應(yīng)選擇適合山區(qū)地貌類型劃分的指標。山區(qū)最大的特點是山地分布廣泛，地貌形態(tài)識別應(yīng)考慮山區(qū)地貌類型的特征，重點是識別其山地類型分布，確定劃分指標。指標選取應(yīng)體現(xiàn)研究區(qū)地貌特點，考慮西南地區(qū)的地貌特征，應(yīng)用于一般地區(qū)的地貌形態(tài)劃分指標對于西南地區(qū)具有一定局限性，若以1000m作為低海拔的標準，則四川盆地和整個廣西將連成一片，無法體現(xiàn)高程在四川盆地和廣西的變化，因此對于具體采用的地形因子都需要確定新的指標來劃分。本研究基于DEM數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)分割方法，從西南山區(qū)具體地貌特征出發(fā)，對地貌形態(tài)劃分指標進行詳盡分析，確定具體指標，最終考慮高程和起伏度綜合作用，得到了西南山區(qū)19種地貌形態(tài)分布圖，對進一步研究地貌形態(tài)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究背景和基本流程

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究的DEM為地球電子地形數(shù)據(jù)ASTERGDEM經(jīng)過校正拼接及重采樣所得，基本格網(wǎng)單元大小為90m。行政界限數(shù)據(jù)、居民點及道路分布數(shù)據(jù)來自國家遙感應(yīng)用工程技術(shù)研究中心西南分中心，基本比例尺為1∶25萬。

1.2 研究區(qū)域及基本流程

研究區(qū)包括四川省、云南省、貴州省、重慶市以及廣西壯族自治區(qū)5個省級行政區(qū)劃，區(qū)域內(nèi)喀斯特地貌發(fā)育，地貌類型復(fù)雜，根據(jù)地貌特征分為4個地貌單元:四川盆地及其周邊，云貴高原，青藏高原東緣，廣西地區(qū)。這4個地貌單元各有特征，在最終得到的地貌類型分布圖中都應(yīng)該有所體現(xiàn)，這些特征也是衡量劃分結(jié)果是否準確的一個重要參考和標準。研究以地貌形態(tài)識別為核心，基本流程見圖1。

圖1 地貌形態(tài)劃分流程

2 西南地區(qū)地貌形態(tài)識別

2.1 西南地區(qū)地貌形態(tài)分類分級體系的建立

地貌形態(tài)識別的關(guān)鍵是建立分類分級體系，可基于高程和地勢起伏度。高程揭示不同海拔山地熱量、水分(降水)、生物(量)、土壤垂直差異;起伏度揭示坡面環(huán)境能量(位能、動能等)特征和環(huán)境災(zāi)害危險性程度。蘇時雨、陳志明等按高程≤500、500—1000、1000—3000(或3500)、3000(或3500)—5000(或5500)和＞5000(或5500)m將地形分為低地、低山、中山、高山和極高山五大類，低地即≤500m的一類又可細分為丘陵、臺地和平原;按起伏度≤100、100—200、200—500、500—1000、1000—2000(或2500)和＞2000(或2500)m將地形分為微起伏、緩起伏、小起伏、中起伏、大起伏和極大起伏六大類，20m以內(nèi)起伏定義為平原［7－8］。該指標體系在全國范圍的地形劃分中具有指導(dǎo)意義，但在具體區(qū)域應(yīng)用中有一定的局限性，應(yīng)結(jié)合實際地貌特征建立適合研究區(qū)的分類分級指標體系。

(1)高程:區(qū)域內(nèi)四川盆地海拔在500m左右，云南高原和貴州高原的海拔分別為2000m和1000m，而青藏高原東緣的海拔基本在3500m以上，5000m等高線在這里可以作為雪線［7］。綜合以上地貌特征，可確定出適合西南地區(qū)的高程分類指標體系。

(2)起伏度:DEM中用地勢起伏度來表示地面起伏的大小?？紤]到西南地區(qū)山地分布廣泛，整體起伏不是太大，局部起伏度較大，可確定出西南地區(qū)地勢起伏分類指標體系。

結(jié)合高程和起伏度得到適合西南地區(qū)的地貌形態(tài)分類分級指標體系，見表1。

表1 西南地區(qū)地貌形態(tài)分類分級指標體系

2.2 地勢起伏度的計算

地勢起伏度指DEM中某一個范圍內(nèi)最高點和最低點之間高程的差值。從定義可以明顯得出，隨著“某一個范圍”的增大，地勢起伏度必然會增加。所以，確定地勢起伏度的關(guān)鍵是確定這一范圍的大小。這里使用滑動窗口算法，以n×n像元的模板算子對研究區(qū)進行滑動計算，分別計算各鄰域內(nèi)最大值和最小值，再獲取差值，即得起伏度，表述為

式中:t表示地勢起伏度;Hmax和Hmin分別表示海拔最大值和最小值。

經(jīng)計算，可以得到像元與平均地勢起伏度的對應(yīng)關(guān)系，見表2。地勢起伏度與統(tǒng)計單元大小間的關(guān)系曲線首先利用表2數(shù)據(jù)得到其散點圖，再運用Logarithmic擬合對數(shù)方程進行回歸分析，回歸曲線見圖2。

表2 平均起伏度與統(tǒng)計單元大小對應(yīng)關(guān)系

圖2 起伏度和統(tǒng)計單元大小的擬合曲線

由圖2可以看出，擬合方程y=114.396lnx+303.091的判定系數(shù)R2=0.976，擬合效果非常好。

2.3 尋找最佳統(tǒng)計單元

涂漢明等［9］用21km2計算全國起伏度，郎玲玲等［10］在計算福建省起伏度時使用4.41km2，不同區(qū)域和不同分辨率DEM所使用的統(tǒng)計單元大小是有區(qū)別的。從圖2可知平均起伏度起初隨著統(tǒng)計單元的增大而迅速增大，但當達到一定的閾值之后增加速度開始減緩，最后趨于平穩(wěn)，這個趨勢開始減緩的閾值就是我們需要尋找的最佳統(tǒng)計單元的大小，且這個閾值是唯一的。

確定閾值的方法一般可以采用手工作圖或目視確定法，但是考慮到主觀因素的不確定性，這里使用均值變點分析法［10］:該方法認為地勢起伏度曲線必然存在一個由陡變緩的拐點，且該點唯一。數(shù)學(xué)表達式為:有數(shù)據(jù)序列{xi}，其中i=1，2，3，…，N，N為樣本數(shù)，樣本以xi點為界分為兩段，分別計算每段樣本的算術(shù)平均值以及樣本均值x，有統(tǒng)計量

式中:Si和S為均值變點分析法中間計算值;下角標t1=1，2，…，i－1;t2=i，i+1，…，N。計算期望值 E(S － Si)，最大的期望值對應(yīng)的窗口大小即為最佳統(tǒng)計窗口。

首先對表2中的起伏度數(shù)據(jù)t進行處理得到單位面積數(shù)據(jù)T，再對該數(shù)據(jù)取對數(shù)lnT即得到數(shù)據(jù)序列{xi}，對數(shù)據(jù)序列按照均值變點分析法進行計算可得到圖3的曲線。

由圖3可以容易地發(fā)現(xiàn)第7個差值即第8個序列點為最大值，也就是說第8個序列點所對應(yīng)的統(tǒng)計單元大小為地勢起伏度的最佳統(tǒng)計單元。由表2可知，第8個序列點對應(yīng)的是17×17像元，即面積為2.34km2的格網(wǎng)大小為最佳統(tǒng)計單元。

2.4 西南地區(qū)地貌形態(tài)劃分

綜合海拔和地勢起伏度的影響，將二者的分類結(jié)果進行疊加處理，可得到初步地貌分類結(jié)果圖，產(chǎn)生了30種不同的地貌類型?？紤]地形實際情況，將具有極大起伏的地形并為一類——極大起伏山地，同時較低海拔的山地不可能具有極大和大起伏，對生成的地貌分類結(jié)果圖進行重編碼，得到19種地貌形態(tài)分布圖。

為了去除分類后產(chǎn)生的部分零星像元，采用了聚類分析和剔除分析，其思想是為每個類型定義一個保留的最小圖斑面積，將小于該面積的圖斑合并到大圖斑中。為了統(tǒng)計分析的需要該面積不能取太大，本研究取25×25像元大小，即最小圖斑的面積為5km2。最后添加道路和居民點數(shù)據(jù)進行邏輯判斷，得到西南地區(qū)地貌形態(tài)分布結(jié)果圖，見圖4。

3 結(jié)果分析

將圖4中各地貌面積進行統(tǒng)計可得表3。由表3可見，各種地貌形態(tài)分布廣泛均衡，說明地形總體較破碎，特別是云貴高原喀斯特地貌發(fā)育區(qū)域。其中:低地盆地、平原，小起伏低山和小起伏中山的面積較大，分別占總面積的14.34%、12.22%和15.89%，其和超過總面積的42%，主要分布在四川盆地、廣西地區(qū)、貴州高原以及云南西南部等地勢相對較低的區(qū)域;峽谷區(qū)主要分布在橫斷山區(qū)，由幾大河流如瀾滄江、金沙江以及怒江等長期以來劇烈的切割作用造成，表現(xiàn)出極大的地表切割和起伏。研究區(qū)海拔從沿海幾十米到高原5000m以上變化很大，尤其是川西高原與四川盆地接壤處、橫斷山區(qū)等起伏多大于500m，全區(qū)起伏大于500m的地區(qū)面積為34.76萬km2，占總面積的25.33%，起伏度超過1000m的地區(qū)均分布于此。此外四川盆地、廣西平原、貴州、云南東部以及川西的若爾蓋盆地等在海拔的變化上表現(xiàn)為一個漸變過程，而四川盆地和川西高原連接處以及貢嘎山地區(qū)明顯存在一個較大面積的大起伏區(qū)域。

表3 西南地區(qū)地貌形態(tài)統(tǒng)計

前文劃分的4個地貌單元在圖4中界限明顯，且其內(nèi)部地貌特征也得到了明顯體現(xiàn):①四川盆地底部盆西平原、盆中丘陵以及盆東平行嶺谷3個區(qū)域分布明顯，且表現(xiàn)為低海拔小起伏;②青藏高原東緣的川西高原和滇西北地區(qū)表現(xiàn)為高海拔較大起伏，只有若爾蓋盆地和鹽源盆地表現(xiàn)為小起伏，貢嘎山在該區(qū)獨一無二的特征也得到明顯體現(xiàn);③云貴高原中云南高原海拔明顯高于貴州高原，地形破碎，不存在大面積平地，小的平地如云南的昆明、陸良、昭魯?shù)葔巫雍唾F州的貴陽、畢節(jié)等盆地均表現(xiàn)明顯;④廣西地區(qū)地勢自西北向東南傾斜，西北部屬云貴高原的延伸，地形較破碎，山脈如十萬大山、大瑤山及九萬大山等都表現(xiàn)為較大起伏，桂中盆地、百色盆地、南寧盆地及潯江平原等表現(xiàn)為小起伏。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)有84.62%的居民點分布在小起伏和低海拔區(qū)域，626個縣級及以上居民點中有593個分布在小起伏和低海拔區(qū)域，占到總數(shù)的94.73%，同時大起伏、極大起伏區(qū)域不存在縣級居民點，這也說明人口和城市的分布與地貌形態(tài)間存在顯著的相關(guān)性，與人口空間分布的規(guī)律［11］也十分吻合。

與陳志明［12］1993年1∶400萬中國地貌圖中基本地貌形態(tài)部分進行對比分析，由于區(qū)域和具體方法的不同，差異是可以預(yù)見的，有必要對其進行闡述與分析:①研究區(qū)及范圍不同，地貌形態(tài)是一個相對概念，高低陡緩均是相對而言，本研究選取西南地區(qū)更具有針對性;②地勢起伏度的統(tǒng)計單元大小不同，前者取21km2，本研究經(jīng)分析取2.34km2，在數(shù)值準確性上能更好地表現(xiàn)地勢起伏狀況;③分類分級體系不同，前者在全國范圍內(nèi)建立分類分級體系，且考慮大地構(gòu)造和地質(zhì)構(gòu)造地貌，本研究建立適合西南地區(qū)的分類分級體系，分類精度必然有所提高。對于西南地區(qū)，本研究更具有針對性，在數(shù)據(jù)準確性和分類結(jié)果精度上均有明顯提高。

4 結(jié)論與討論

通過本研究可以得到以下結(jié)論:①以GDEM為基礎(chǔ)，較好地擬合出了起伏度統(tǒng)計單元和起伏度之間的曲線關(guān)系，并采用均值變點分析法獲得了西南地區(qū)起伏度的最佳統(tǒng)計單元大小;②通過綜合分析，確定了適合西南地區(qū)進行地貌等級劃分的劃分指標，主要是絕對高程和起伏度的劃分指標，并得到了較好的實驗結(jié)果，具有一定的參考和應(yīng)用價值;③西南地區(qū)的地勢和起伏具有一定的規(guī)律:劃分為4個地貌類型單元——四川盆地及其周邊、青藏高原東緣、云貴高原以及廣西地區(qū)，每個單元的地貌又各有其特點。

基于90m分辨率DEM獲得的地貌形態(tài)分布圖在精度上存在一定的局限性，無法對細部或微觀地貌進行較好描述，但對于大區(qū)域的西南地區(qū)來說可較好描述其地貌形態(tài)的整體趨勢。對小區(qū)域進行更細致的地貌識別應(yīng)使用更高精度的DEM，并結(jié)合遙感影像綜合分析。

本研究的指標體系僅基于高度和起伏度，盡管起伏度自身與坡度、粗糙度、高程變異系數(shù)具有較大的相關(guān)性?？紤]到實際地形的復(fù)雜性，使用結(jié)合多因子的最佳因子組合方法進行地貌類型劃分和地貌類型的自動識別將是以后研究的方向。

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