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        基于DEM數(shù)據(jù)的地貌分類研究
        ——以西秦嶺為例

        2014-04-02 07:24:50常直楊白世彪
        中國水土保持 2014年4期
        關(guān)鍵詞:北坡秦嶺盆地

        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)來源與研究方法

        2.1 數(shù)據(jù)來源

        所使用的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(SRTM3-DEM)下載自中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)(http://datamirror.csdb.cn),經(jīng)過投影轉(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“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)的劃分來說,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1 ∶100萬地貌圖圖例[1]說明,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)于西秦嶺面積來說微乎其微,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? ∶100萬的地貌劃分方法在全國范圍具有指導(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)。其在全國共布7條穿越線,以1 ∶20萬地形圖作為數(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。

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