常直楊，王 建,2，白世彪,2，梁 中

(1.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.南京師范大學(xué) 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210046)

地貌是自然地理環(huán)境中最基本的要素之一，在一定區(qū)域內(nèi)，地貌與其他自然地理要素如氣候、水文、植被、土壤等的相互關(guān)系中，地貌條件往往起著重要作用[1]。傳統(tǒng)的地貌學(xué)分類，通常是基于對(duì)地形圖的判讀，結(jié)合對(duì)野外的考察來(lái)完成的，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且很難做到全面、準(zhǔn)確、系統(tǒng)、定量。而基于DEM數(shù)據(jù)的地貌分類省時(shí)省力，可以做到標(biāo)準(zhǔn)一致、系統(tǒng)統(tǒng)一、定量準(zhǔn)確。但是如何利用DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地貌類型的劃分，還需要進(jìn)行一些嘗試和探索。

西秦嶺地區(qū)地勢(shì)起伏較大，地貌類型多樣，具有典型代表性，以該區(qū)進(jìn)行地貌類型劃分的嘗試，可以為今后地貌類型的定量、快速、系統(tǒng)劃分提供依據(jù)和方法。另外，該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活躍，多滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害(舟曲特大泥石流就發(fā)生于此)，因此對(duì)該區(qū)地貌類型和格局的研究，將會(huì)為滑坡、泥石流災(zāi)害的防治提供基礎(chǔ)依據(jù)和背景數(shù)據(jù)。

20世紀(jì)50至60年代，已有學(xué)者基于地貌格局研究的傳統(tǒng)方法——野外調(diào)查法，對(duì)秦嶺地區(qū)的地理概觀、地貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[2-4]。近些年，“3S”技術(shù)的引入為地貌格局的研究提供了新的技術(shù)手段，國(guó)內(nèi)外已有不少研究成果[5-11]。高程和地勢(shì)起伏度是描述地貌形態(tài)的2個(gè)最重要的因子，是山地結(jié)構(gòu)和格局研究的重要指標(biāo)，同時(shí)高程能揭示不同海拔山地?zé)崃?、水分、生物、土壤的垂直差異，起伏度能揭示坡面環(huán)境能量特征和環(huán)境災(zāi)害危險(xiǎn)性程度[12]，因此對(duì)高程和起伏度的有效劃分是建立地貌形態(tài)識(shí)別的關(guān)鍵。其中，地勢(shì)起伏度是指在某一確定面積內(nèi)所有柵格中最大高程與最小高程之差，是描述一個(gè)區(qū)域地面高差的一個(gè)有效指標(biāo)，其準(zhǔn)確獲取的關(guān)鍵是求算最佳統(tǒng)計(jì)窗口[9,12-13]。同時(shí)，不同的研究區(qū)應(yīng)選取不同的地理指標(biāo)，指標(biāo)選取應(yīng)體現(xiàn)研究區(qū)的地貌特點(diǎn)。

我們?cè)谘芯课髑貛X地貌格局時(shí)，采用均值變點(diǎn)分析法求取了西秦嶺地區(qū)地勢(shì)起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)分析窗口，并對(duì)該結(jié)果進(jìn)行了討論。結(jié)合實(shí)際地貌，為了讓西秦嶺南、北坡及徽成盆地體現(xiàn)出地貌單元的差異，利用地勢(shì)起伏度和高程兩個(gè)參數(shù)建立了西秦嶺的地貌形態(tài)分級(jí)體系，得出14種地貌形態(tài)，為西秦嶺地貌形態(tài)的進(jìn)一步研究提供了基礎(chǔ)，以期為西秦嶺地區(qū)水土流失、地質(zhì)災(zāi)害等防治提供定量化的地貌研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西秦嶺以西，甘南山地高原以東，洮、渭河谷地以南，白龍江谷地以北，主體位于甘肅省隴南地區(qū)，經(jīng)緯度為102°11′—107°8′E、32°20′—34°48′N(圖1)，面積約46 394 km2，全區(qū)均為山地。氣候暖濕，徑流豐富，地表風(fēng)化物和松散堆積物很厚。

在地質(zhì)構(gòu)造上，西秦嶺屬于昆侖-秦嶺地槽褶皺系，習(xí)慣上分為北秦嶺(北坡)、徽成盆地和南秦嶺(南坡)，海拔450—4 591 m。北秦嶺主脈為洮渭分水嶺，呈北西—東南走向；徽成盆地是以徽縣和成縣為主體的盆地，從地質(zhì)構(gòu)造和宏觀的地貌上說(shuō)是個(gè)東西向延伸的盆地；南秦嶺位于徽成盆地以南至白龍江谷地以北，是一個(gè)山體結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的山地[14]。

圖1 西秦嶺位置

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

所使用的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(SRTM3-DEM)下載自中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)(http://datamirror.csdb.cn)，經(jīng)過(guò)投影轉(zhuǎn)換、拼接、重采樣、裁切而成，格網(wǎng)大小為90 m×90 m，數(shù)據(jù)格式為ArcGIS的grid格式。該DEM高程基準(zhǔn)為EGM96，水平基準(zhǔn)為WGS-1984，源數(shù)據(jù)是由美國(guó)“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)搭載SRTM系統(tǒng)獲取的雷達(dá)影像處理而得，所采集的地面高程包括了植被和建筑物等的高程，但對(duì)于地形復(fù)雜的西秦嶺整體地貌形態(tài)的劃分來(lái)說(shuō)，影響不大，所以可以使用該數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 西秦嶺地貌形態(tài)分級(jí)體系的建立

西秦嶺的南、北坡及盆地之分是根據(jù)ArcGIS中山脊線和山谷線的提取方法繪制而成的。若基于中國(guó)1 ∶100萬(wàn)地貌圖圖例[1]說(shuō)明，按照起伏度和高程的劃分原則劃分，則發(fā)現(xiàn)起伏度<100 m的平原和臺(tái)地面積相對(duì)于西秦嶺面積來(lái)說(shuō)微乎其微，而小起伏中山占據(jù)了研究區(qū)絕大部分面積，使得西秦嶺北坡和徽成盆地的地貌形態(tài)連成一體，不能夠很好地區(qū)分開北坡和徽成盆地的差異?？梢钥隙ɑ? ∶100萬(wàn)的地貌劃分方法在全國(guó)范圍具有指導(dǎo)意義，但具體應(yīng)用到某區(qū)域時(shí)存在局限性，應(yīng)結(jié)合實(shí)際地貌進(jìn)行劃分。為了體現(xiàn)西秦嶺南、北坡及盆地的地貌差異，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，得出了比較適合西秦嶺的地貌形態(tài)分類分級(jí)體系，如表1所示。

表1 西秦嶺地貌基本形態(tài)類型分類

2.2.2 最佳統(tǒng)計(jì)窗口求取

根據(jù)地貌發(fā)育的基本理論，存在一個(gè)使最大高差達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的最佳統(tǒng)計(jì)窗口[13]，在提取西秦嶺起伏度、切割度的時(shí)候，要確定出最佳統(tǒng)計(jì)窗口。常用的方法有人工作圖法、最大高差法、模糊數(shù)學(xué)法和均值變點(diǎn)法[9]，本文所采用的方法是均值變點(diǎn)法，該方法對(duì)恰有一個(gè)變點(diǎn)的檢驗(yàn)最為有效[15]。對(duì)于該方法，作者已在文獻(xiàn)[16]中進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。

3 結(jié)果與討論

3.1 最佳統(tǒng)計(jì)單元的求算

利用西秦嶺SRTM3-DEM數(shù)據(jù)，在ArcMap9.3的空間分析模塊中，使用窗口遞增算法，以n×n(n=3，5，…，31)像元的矩形作為模板算子，計(jì)算各鄰域內(nèi)平均地勢(shì)起伏度，作為對(duì)應(yīng)窗口地勢(shì)起伏度結(jié)果值，結(jié)果見表2。

表2 平均起伏度與統(tǒng)計(jì)單元大小對(duì)應(yīng)關(guān)系

在SPSS中對(duì)表2所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，擬合不同統(tǒng)計(jì)單元面積S與平均地勢(shì)起伏度t的關(guān)系，得到統(tǒng)計(jì)單元與地勢(shì)起伏度的關(guān)系曲線，見圖2。擬合方程為y=95.657lnx+262.81，擬合系數(shù)R2=0.972 2，擬合度滿意。

通過(guò)MATLAB編程，對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理方法見文獻(xiàn)[16]，通過(guò)計(jì)算得圖3所示曲線，S和Si之差在第7個(gè)差值，即在第8個(gè)序列點(diǎn)的時(shí)候最大，達(dá)到12.78左右，該序列點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)單元大小即為最佳統(tǒng)計(jì)單元。由表1可知，第8個(gè)序列點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是17×17像元，即面積為2.34 km2的格網(wǎng)大小為最佳統(tǒng)計(jì)單元。

圖2 統(tǒng)計(jì)單元與地勢(shì)起伏度的關(guān)系

圖3 S和Si的差值變化曲線

與涂漢明等[13,17]研究的中國(guó)地勢(shì)起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元相比，首先，本研究在研究區(qū)域選擇上有較好的改進(jìn)。其在全國(guó)共布7條穿越線，以1 ∶20萬(wàn)地形圖作為數(shù)據(jù)采集工作圖，利用人工讀圖法獲得全國(guó)600個(gè)樣點(diǎn)，并以兩個(gè)小區(qū)作為補(bǔ)充；本研究選取了起伏度大的西秦嶺DEM，在ArcMap里能夠利用窗口遞增法快捷地對(duì)DEM中柵格進(jìn)行遍歷運(yùn)算，排除一定的人為主觀因素。其次，本研究在計(jì)算最佳統(tǒng)計(jì)窗口時(shí)，采用均值變點(diǎn)分析法，該方法適用于有一個(gè)變點(diǎn)的序列，能夠準(zhǔn)確地求出拐點(diǎn)，與涂漢明等所得出的全國(guó)最佳統(tǒng)計(jì)窗口為21 km2相比，可以得出更適合西秦嶺的最佳統(tǒng)計(jì)窗口面積為2.34 km2。但是，該方法也有一定的局限性，當(dāng)以某一點(diǎn)為中心的窗口內(nèi)包含了所在山體的山頂上某一點(diǎn)與山腳某一點(diǎn)時(shí)，隨著窗口的增大，高差已經(jīng)增加不多，這樣求出的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)單元會(huì)偏小，不符合山體完整性原則。綜上所述，雖然利用ArcMap窗口分析法所求得的最佳統(tǒng)計(jì)單元面積可能會(huì)偏小，但這仍然是求取最佳統(tǒng)計(jì)窗口面積特別是小范圍研究區(qū)較佳的方法。

3.2 西秦嶺地貌形態(tài)劃分

將起伏度數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)按照地貌形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，去除零值和面積小于柵格分辨率的斑塊數(shù)據(jù)，可得到初步地貌分類圖。同時(shí)考慮到某些地貌單元的面積過(guò)小，將其合并到相鄰的地貌單元里，進(jìn)行平滑處理，最后得到14種地貌形態(tài)分布圖，如圖4所示。

基于DEM的西秦嶺數(shù)字地貌格局圖中，共有14種海拔和起伏度組合形態(tài)，無(wú)大起伏低山和大起伏中山地貌形態(tài)。將各地貌面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得表3。其中，小起伏中山和小起伏亞高山所占面積比例最大，分別約占了總面積的31.80%、21.96%。另外，由圖4也可以看出：小起伏中山主要分布于徽成盆地；北坡以小起伏亞高山為主，這里分布有太子山、白石山、露骨山等一系列的高峰，向東經(jīng)八盤山后，成為渭河與嘉陵江支流西漢水、永寧河的分水嶺，海拔降低，地貌特征表現(xiàn)為小起伏中山間有中海拔丘陵。另外，中起伏中山和中起伏亞高山也占據(jù)了研究區(qū)面積的1/5以上，南坡主要是由中起伏中山和中起伏亞高山構(gòu)成。在白龍江的上游，地表經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的切割作用，表現(xiàn)出大起伏亞高山的地貌特征，不受河流切割影響的地帶則表現(xiàn)出中起伏亞高山的地貌特征。在研究區(qū)的西部地區(qū)，是若爾蓋高原盆地的一部分，海拔雖高，但地勢(shì)起伏度不大，以寬谷緩丘為主，表現(xiàn)出了高海拔丘陵、亞高山的地貌特征。另外，中海拔丘陵主要分布于徽成盆地中，小起伏高山和高海拔丘陵主要分布于北坡西部，大起伏山地分布于南坡；中起伏高山位于北坡和南坡交界處，是洮河支流與白龍江的分水嶺，這里還分布有一些面積較小的大起伏高山。

圖4 基于DEM的西秦嶺數(shù)字地貌格局

表3 西秦嶺地區(qū)各種地貌形態(tài)面積統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

(1)利用西秦嶺地區(qū)90 m分辨率的SRTM3-DEM數(shù)據(jù)，通過(guò)均值變點(diǎn)法分析得出，該區(qū)地勢(shì)起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元面積為2.34 km2。

(2)依據(jù)西秦嶺地貌形態(tài)分級(jí)指標(biāo)體系，劃分得到14種地貌形態(tài)，與傳統(tǒng)的地貌類型大致對(duì)應(yīng)，但是系統(tǒng)性、定量化以及效率卻比傳統(tǒng)方法大大提高，從而為基于DEM的地貌類型的快速定量系統(tǒng)劃分提供了經(jīng)驗(yàn)與方法。

(3)南坡以中起伏亞高山為主；北坡以小起伏亞高山為主；盆地以小起伏中山、中海拔丘陵為主。南坡和北坡相比，北坡海拔高但起伏度小，南坡海拔低但起伏度大，南坡更易發(fā)生滑坡、泥石流。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 蘇時(shí)雨,李鉅章,蘇映平,等.中國(guó)1 ∶100萬(wàn)地貌圖設(shè)計(jì)中若干問(wèn)題的探討[J].地理學(xué)報(bào),1982,37(1):8-16.

[2] 沈玉昌.秦嶺的地理概觀[J].地理知識(shí),1954(12):347-349.

[3] 張寶升.太白山地理考察[J].旅行家,1956(1):30-34.

[4] 李學(xué)曾.陜西太白山北坡自然地理[M].北京:科學(xué)出版社,1962.

[5] 劉振東,孫玉柱,涂漢明.利用DTM編制小比例尺地勢(shì)起伏度圖的初步研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),1990,19(1):57-62.

[6] 唐飛,陳曦,程維明,等.基于DEM的準(zhǔn)噶爾盆地及其西北山區(qū)地勢(shì)起伏度研究[J].干旱區(qū)地理,2006,29(3):387-392.

[7] 王巖,劉少峰.基于DEM的青海貴德地區(qū)地形起伏度的研究[J].地質(zhì)通報(bào),2008,27(12):2117-2121.

[8] 龍恩,程維明,周成虎,等.基于Srtm-DEM與遙感的長(zhǎng)白山基本地貌類型提取方法[J].山地學(xué)報(bào),2007,25(5):557-565.

[9] 王玲,呂新.基于DEM的新疆地勢(shì)起伏度分析[J].測(cè)繪科學(xué),2009,34(1):113-116.

[10] Ebert K,H?ttestrand C,Hall A M,et al.DEM identification of macroscale stepped relief in arctic northern Sweden[J].Geomorphology,2011,132(3-4):339-350.

[11] Kühni A,Pfiffner O A.The relief of the Swiss Alps and adjacent areas and its relation to lithology and structure:topographic analysis from a 250-m DEM[J].Geomorphology,2001,41(4):285-307.

[12] 曹偉超,陶和平,孔博,等.基于DEM數(shù)據(jù)分割的西南地區(qū)地貌形態(tài)自動(dòng)識(shí)別研究[J].中國(guó)水土保持,2011(3):38-41.

[13] 涂漢明,劉振東.中國(guó)地勢(shì)起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元的求證[J].湖北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1990,12(3):266-271.

[14] 張文.西秦嶺植被分布與環(huán)境因子的關(guān)系研究[D].南京:南京師范大學(xué),2010.

[15] 項(xiàng)靜恬,史久恩,李笑吟.非線性系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的統(tǒng)計(jì)方法[M].北京:科學(xué)出版社,2000:3-6.

[16] 常直楊,王建,白世彪,等.基于DEM的青藏高原主體高原面的高程分析[J].地球科學(xué)前沿,2012(2):110-115.

[17] 涂漢明,劉振東.中國(guó)地勢(shì)起伏度研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),1991,20(4):311-319.