胡 最，聶 陽(yáng) 意

（1.衡陽(yáng)師范學(xué)院資源環(huán)境與旅游管理系，湖南 衡陽(yáng) 421002；2.湖南省古村古鎮(zhèn)數(shù)字化傳承協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 衡陽(yáng) 421002）

0 引言

地貌是地球表面各個(gè)圈層系統(tǒng)間的重要界面，對(duì)農(nóng)業(yè)、水利、交通、城市建設(shè)和人口分布等有著重要的影響［1］。當(dāng)前，以DEM為主要數(shù)據(jù)源的數(shù)字地形分析技術(shù)（DTA）已成為地貌研究的主流趨勢(shì)，如：根據(jù)高程、坡度、起伏度等地形因子快速實(shí)現(xiàn)地貌特征的表達(dá)［2］。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者圍繞地貌形態(tài)的數(shù)字分類(lèi)開(kāi)展了大量研究。如：結(jié)合起伏度和海拔高度劃分我國(guó)陸地的地貌特征［3］、界定地貌分類(lèi)的鋼性和柔性指標(biāo)［4］、確定我國(guó)數(shù)字地貌的分類(lèi)體系和等級(jí)［5，6］、結(jié) 合 遙 感 方 法 實(shí) 現(xiàn) 地 貌 的 自 動(dòng) 分 類(lèi)等［7－9］?？傮w上，當(dāng)前研究對(duì)我國(guó)西南地區(qū)、秦嶺和青藏高原等地區(qū)［1，10－14］給予了較多的關(guān)注，較好地研究了大區(qū)域尺度的地貌分類(lèi)方法與指標(biāo)體系，這對(duì)宏觀地貌形態(tài)特征的劃分具有較好的意義。然而，在相對(duì)較小的省域尺度上結(jié)合微觀地貌形態(tài)信息進(jìn)行地貌形態(tài)特征劃分，還缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)探索。

湖南省地處我國(guó)長(zhǎng)江中游，擁有山地、盆地和平原，地貌形態(tài)序列相對(duì)完整。近年來(lái)，很多學(xué)者系統(tǒng)地探討了湖南省地貌形態(tài)類(lèi)型的劃分［15，16］和空間格局特征［17－20］。但現(xiàn)有工作較少關(guān)注微觀地貌形態(tài)信息在地貌形態(tài)特征分類(lèi)中的作用，這不利于深入掌握湖南省地貌形態(tài)的類(lèi)型特征。針對(duì)前述問(wèn)題，本文根據(jù)1∶25萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)和地形起伏度、地表切割度和地形位置指數(shù)（TPI）開(kāi)展顧及微觀地貌形態(tài)信息的湖南省地貌形態(tài)特征分類(lèi)實(shí)驗(yàn)，分析地貌形態(tài)分類(lèi)指標(biāo)在微觀尺度上的適應(yīng)性，以期為湖南省的水土流失治理、地質(zhì)災(zāi)害防控和農(nóng)業(yè)規(guī)劃決策等提供地貌學(xué)參考。

1 分類(lèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

湖南省位于長(zhǎng)江中游，洞庭湖以南，東西寬667 km，南北長(zhǎng)774 km。湖南省東、南、西三面環(huán)山，山脈多呈北東—南西走向，海拔多在1 000 m以上；整體地勢(shì)南高北低，順勢(shì)向中部、北部?jī)A斜，呈敞口的馬蹄形盆地。湖南省東以幕阜、武功山與江西交界，西以云貴高原東緣連貴州，西北以武陵山脈毗鄰重慶，南枕南嶺與廣東、廣西相接，北以濱湖平原與湖北接壤［18］。全省屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，境內(nèi)發(fā)育湘、資、沅、澧四大水系，降水充沛。湖南地跨揚(yáng)子和華夏兩大陸塊交界處，從中元古界至第四系均有地層發(fā)育，全省可分為湘西北、湘中—湘南2個(gè)地層區(qū)，由南往北依次為湘東南褶皺帶、湘桂結(jié)合帶、雪峰構(gòu)造帶、洞庭盆地、湘北斷褶帶5個(gè)構(gòu)造單元［19］。根據(jù)地形特征，湖南省可劃分為湘西北山原山地區(qū)、湘西山地區(qū)、湘南山丘區(qū)、湘東山丘區(qū)、湘中山丘區(qū)、湘北平原區(qū)6個(gè)地貌區(qū)［20］。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用1∶25萬(wàn)的DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用高斯－克呂格投影，實(shí)驗(yàn)軟件為ArcGIS 10.1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

地貌形態(tài)指標(biāo)是劃分地貌類(lèi)型的重要依據(jù)。近年來(lái)，從DEM中派生地形因子并開(kāi)展地貌類(lèi)型劃分取得了大量成果，如：TPI指數(shù)［21］、地形單元多樣性指數(shù)［22］等。此外，通過(guò)已有地形因子的組合劃分地貌類(lèi)型也成為 重 要 的 途 徑［1，10－12，23，24］。但 現(xiàn) 有 方 法較少考慮微觀地貌形態(tài)信息在地貌類(lèi)型劃分中的作用。地貌類(lèi)型的劃分需要兼顧全局和局部地貌信息。因此，進(jìn)行地貌分類(lèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)需要綜合考慮多個(gè)指標(biāo)［25］。本文選用地形起伏度、地表切割度和TPI指數(shù)，從地貌形態(tài)特征的角度進(jìn)行地貌類(lèi)型劃分（圖1）。其中地形起伏度、地表切割度是從宏觀尺度表征地貌信息，二者可以很好地區(qū)分平原大地貌單元和山地大地貌單元；TPI指數(shù)則是從微觀尺度反映地貌特征，可進(jìn)一步對(duì)山地大地貌單元進(jìn)行區(qū)分。本文通過(guò)綜合這3個(gè)分類(lèi)指標(biāo)，結(jié)合全局地貌態(tài)勢(shì)和局部形態(tài)特征劃分湖南省的地貌形態(tài)。

1.2.1 地形起伏度 地形起伏度（Rf）是指特定區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高程差［10］，能夠直觀反映地表形態(tài)，是地貌類(lèi)型劃分的定量指標(biāo)，公式如下：

提取地形起伏度的關(guān)鍵在于確定最佳分析窗口。起伏度的科學(xué)分級(jí)是地貌類(lèi)型劃分的關(guān)鍵。如，以相對(duì)高度50 m和500 m進(jìn)行起伏度分類(lèi)就難以完全反映我國(guó)復(fù)雜的地貌特征［26］。然而，除了考慮高差外，合適的窗口同樣非常重要。如：21 km2的分析窗口就不適用于我國(guó)大比例尺地貌制圖［27］。中國(guó)1∶100萬(wàn)地貌圖制圖規(guī)范［28］將我國(guó)山地起伏度劃分為5級(jí)，劃分標(biāo)準(zhǔn)分別是200 m、500 m、1 000 m和2 500 m。目前，前述標(biāo)準(zhǔn)在青海省1∶100萬(wàn)地貌制圖［29］中取得了較好的效果。本文將參照前述劃分方法確定合適的起伏度分類(lèi)指標(biāo)。

本文從3×3窗口開(kāi)始，逐步遞增至59×59窗口，再通過(guò)將分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)數(shù)擬合，得到方程y＝178.94ln（x）＋73.178（圖2）。顯然，隨著窗口增大，湖南省的地形起伏度逐漸增大，相關(guān)系數(shù)為0.9737。這說(shuō)明窗口的大小與地形起伏度的擬合程度較好。當(dāng)窗口達(dá)到一定閾值后，其增速開(kāi)始減緩，最后趨于平緩，由此確定的閾值就是最佳分析窗口［10］。因此，21×21窗口為本文的最佳分析窗口，其面積為0.28 km2。根 據(jù) 中 國(guó)1∶100萬(wàn) 數(shù) 字 地 貌 制 圖 規(guī)范［30］，結(jié)合湖南省極大起伏山地較少的實(shí)際情況，本文將地形起伏度的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)確定為：平原（0～30 m）、臺(tái)地（30～50 m）、丘陵（50～200 m）、小起伏山地（200～500 m）、中起伏山地（＞500 m）。湖南省主要以平原、丘陵和小起伏山地為主，其中，平原主要分布在湘北和湘中地區(qū)，丘陵和山地分布在湘西、湘西北和湘東南地區(qū)。

1.2.2 地表切割度 地表切割度（D）指特定區(qū)域內(nèi)的平均高程與最小高程的差值，是研究地表侵蝕發(fā)育狀況的重要參考指標(biāo)［14］，公式如下：

利用地表切割度劃分地貌形態(tài)特征的關(guān)鍵在于確定其最佳統(tǒng)計(jì)單元。根據(jù)前文分析，這里沿用21×21窗口計(jì)算湖南省的地表切割度。沈玉昌先生按100 m、500 m和1 000 m標(biāo)準(zhǔn)確立了我國(guó)的丘陵、淺切割山地、中等切割山地和深切割山地［31］。然而，這一全國(guó)尺度的宏觀標(biāo)準(zhǔn)并不適用于湖南省的實(shí)際地貌特征。因此，本文采用的地表切割度的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為：平原（0～30 m）、丘陵（30～100 m）、淺切割山地（100～500 m）、中等切割山地（500～1 000 m）。湖南省的地表切割度主要分布在30 m以下和100～500 m兩個(gè)區(qū)間段內(nèi)，以平原和淺切割山地為主。1.2.3 TPI指數(shù) TPI［21］通過(guò)某點(diǎn)的高程與其周?chē)治龃翱趦?nèi)的平均高程的差值和地形坡度信息綜合確定坡位的類(lèi)型特征［32］。參考Weiss對(duì)坡位的分類(lèi)方法［21］，本文確定湖南省TPI指數(shù)的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為：山谷（TPI＜－1SD）、山坡（－1SD≤TPI≤1SD）、山脊（TPI＞1SD）。根據(jù)前述標(biāo)準(zhǔn)，湖南省的地形坡位可分為三類(lèi)，主要是因?yàn)楹鲜榈蜕角鹆陞^(qū)，大部分地區(qū)海拔高度在100～800 m之間。前述劃分方法有利于避免山體被分得過(guò)于破碎。總體上，山坡在湖南省地貌類(lèi)型中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，山谷和山脊所占比例相差不大，分布較為均衡。

1.2.4 分類(lèi)指標(biāo)體系 地貌形態(tài)分類(lèi)指標(biāo)體系的構(gòu)建是地貌分類(lèi)特征研究的前提，一個(gè)完備的地貌分類(lèi)體系應(yīng)是一個(gè)嚴(yán)格的等級(jí)分類(lèi)體系［5］，如我國(guó)陸地的1∶100萬(wàn)數(shù)字地貌分類(lèi)體系［5，6］。目前的地貌分類(lèi)指標(biāo)體系研究［1，10－12，24］主要考慮海拔和起伏度兩個(gè)宏觀的地形因子，這導(dǎo)致分類(lèi)結(jié)果較少能顧及微觀的地貌信息。本文選取地形起伏度、地表切割度、TPI指數(shù)，按照從宏觀到微觀、主要到次要的逐級(jí)分類(lèi)方法構(gòu)建了適合湖南省的地貌形態(tài)分類(lèi)指標(biāo)體系（表1）。其中，地形起伏度可以反映宏觀的地貌形態(tài)特征，作為主要指標(biāo)；地表切割度和TPI主要用于區(qū)分微觀的地貌形態(tài)特征信息，作為輔助指標(biāo)。

表1 湖南省地貌形態(tài)分類(lèi)指標(biāo)體系Table 1 Landforms taxonomic framework in Hunan Province

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先，通過(guò)將地形起伏度、地表切割度和TPI指數(shù)按照表1的分類(lèi)體系進(jìn)行疊置分析，得到初步的地貌分類(lèi)圖；然后，考慮到中等切割中起伏山谷、山坡、山脊三類(lèi)地貌單元面積過(guò)少，難以在地貌形態(tài)類(lèi)型圖上進(jìn)行標(biāo)識(shí)，所以將其合并為中等切割中起伏山地；最終，按照表2重新進(jìn)行形態(tài)劃分，得到湖南省的地貌類(lèi)型圖（圖3，見(jiàn)封3）。

表2 湖南省地貌形態(tài)分類(lèi)指標(biāo)體系Table 2 Morphological types of landforms in Hunan Province

由圖3可知，平原、緩起伏山地和淺切割小起伏山地在湖南省分布廣泛，其中平原集中分布于湘北洞庭湖地區(qū)，臺(tái)地在湘中地區(qū)優(yōu)勢(shì)明顯，山地集中于湘西、湘南、湘東地區(qū)；淺切割中起伏山地和中等切割中起伏山地在湖南地貌類(lèi)型中所占面積比例較小。

1.4 結(jié)果檢驗(yàn)

分形［33］是刻畫(huà)地貌形態(tài)特征的重要檢驗(yàn)指標(biāo)［34］，分維數(shù)能夠定量描述地形起伏和地表復(fù)雜程度［35，36］。本文選取5個(gè)大小相等的流域，從西往東依次標(biāo)號(hào)為1—5（圖4，見(jiàn)封3）。這5個(gè)流域從西北往東南，覆蓋了研究區(qū)的12種地貌形態(tài)。流域1、流域2屬于湘西山地區(qū)，流域3屬于湘中山地、平原相間分布區(qū)，流域4屬于湘中平原區(qū)，流域5屬于湘南山丘區(qū)。

這5個(gè)流域的基本情況為（表3）：1）流域1主要以緩起伏山坡和淺切割小起伏山坡為主，占總面積的54.77%，其余的地貌類(lèi)型占總面積的比例相差不大，地表形態(tài)復(fù)雜度相對(duì)較小。2）流域2以淺切割小起伏山坡、緩起伏山坡、淺切割小起伏山脊、淺切割小起伏山 谷 為 主，面 積 分 別 為 211.1 km2、127.5 km2、111.2 km2、105.5 km2，各種地貌類(lèi)型分布廣泛，地形復(fù)雜。3）流域3以平原、緩起伏山坡為主，在流域中面積所占比例為37.41%、33.58%，地表起伏相對(duì)較大。4）流域4中平原的面積為421.5 km2，約占總面積的62.11%，淺切割中起伏山谷、山坡、山脊的面積只占流域總面積0.08%。流域的地形復(fù)雜度和地表起伏變化都相對(duì)較小。5）流域5中緩起伏山坡、淺切割小起伏山坡所占比例較高，但不具有主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。除了中等切割中起伏山地外，其他地貌類(lèi)型均占有一定優(yōu)勢(shì)，流域5的地表復(fù)雜度較高。

分維值可以反映地貌的復(fù)雜程度，其值越大，地表起伏變化越大，地表形態(tài)也就越復(fù)雜。通過(guò)盒維數(shù)法計(jì)算5個(gè)小流域的分維值，結(jié)果為：流域1和流域4的分維值都為1.9968，流域2、流域3、流域5的分維值都為1.9974，各個(gè)流域的相關(guān)系數(shù)均接近1.0。流域1和流域4的分維值比另3個(gè)流域小，這表明流域1和流域4的地表復(fù)雜度低于其他流域。因此，分維值的計(jì)算結(jié)果符合前述5個(gè)小流域的實(shí)際地貌形態(tài)特征，證明本文實(shí)驗(yàn)取得了較好的分類(lèi)結(jié)果。

2 結(jié)果分析

2.1 整體性特征

對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表4）發(fā)現(xiàn)：1）湖南省緩起伏山坡和平原的面積較大，分別占湖南省總面積的26.71%、25.16%；2）平原集中于湘北區(qū)域的洞庭湖平原，湘中地區(qū)平原、臺(tái)地和緩起伏山地相間分布；3）淺切割中起伏山谷、山坡和山脊所占面積分別為1.46%、2.12%、1.64%，主要分布在湘西和湘南地區(qū)；4）緩起伏、淺切割小起伏山谷、山坡和山脊主要分布在湘西、湘西北、湘南和湘東南地區(qū)，這些區(qū)域地殼上升強(qiáng)烈，地表起伏度和切割度都較大；5）中等切割中起伏山地的面積僅占湖南省總面積的0.05%，零星分布于湘西北和湘東南地區(qū)。湖南省的整體地貌特點(diǎn)為：東、南、西三面山地環(huán)繞，逐漸向中部及東北部?jī)A斜。

2.2 區(qū)域性特征

山地在湖南省地貌類(lèi)型中占有較大比重（圖5，見(jiàn)封3）。湖南省的主要山脈包括雪峰山、武陵山、羅霄山、幕阜山和南嶺。雪峰山位于湖南西部，主要以淺切割小起伏山坡、緩起伏山坡、淺切割小起伏山脊和淺切割小起伏山谷為主。武陵山脈位于湖南西北部，主要以淺切割小起伏山坡為主，緩起伏山坡和淺切割小起伏山坡二者所占面積相差不大。羅霄山脈位于湖南省和江西省的邊界處，包括武功山、萬(wàn)洋山等，其中淺切割小起伏山坡優(yōu)勢(shì)明顯。連云山和幕阜山位于湖南省東北部，連云山以淺切割小起伏山坡為主，幕阜山則以緩起伏山坡為主。南嶺也以淺切割小起伏山坡和緩起伏山坡為主。此外，中等切割中起伏山地只分布在雪峰山、武陵山和連云山中；平原、臺(tái)地和淺切割中起伏山坡這三類(lèi)地貌形態(tài)在羅霄山所占比例最高；淺切割中起伏山谷（脊）在幕阜山分布較少。

3 結(jié)論

本文結(jié)合DEM數(shù)據(jù)開(kāi)展了顧及微觀地貌形態(tài)信息的湖南省地貌形態(tài)特征分類(lèi)實(shí)驗(yàn)：1）確定了湖南省地形起伏度的最佳分析窗口為0.28 km2；2）根據(jù)地形起伏度、地表切割度和TPI指數(shù)構(gòu)建了湖南省地貌形態(tài)特征的分類(lèi)指標(biāo)體系，并將湖南省按照地貌形態(tài)特征劃分為12種基本類(lèi)型。對(duì)分類(lèi)結(jié)果的檢驗(yàn)表明本文方法效果良好。

然而，地貌分類(lèi)涉及方法的適用性和指標(biāo)因子對(duì)地貌信息的概括能力。盡管本文設(shè)計(jì)了適合湖南省地貌實(shí)際特征的分類(lèi)指標(biāo)，但限于研究條件的局限，仍有許多值得改進(jìn)之處。如在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)TPI指標(biāo)值接近0時(shí)，TPI對(duì)坡位的區(qū)分能力存在欠缺，這在一定程度上影響到洞庭湖平原的地貌形態(tài)特征劃分，有待在下一步工作中深入解決。

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