任德智，肖前剛，王勇軍，廖興勇，趙 波，王 帆

(1．成都市農(nóng)林科學(xué)院林業(yè)研究所，四川 成都 611130；2．成都市興綠林業(yè)科技發(fā)展有限公司，四川 成都 611130)

近年來(lái)，基于地理空間位置為基礎(chǔ)的空間定量化管理正在國(guó)土、農(nóng)林、水、城市規(guī)劃等越來(lái)越多領(lǐng)域的資源管理利用中得到廣泛應(yīng)用，也正在成為我國(guó)大數(shù)據(jù)平臺(tái)下多歸合一、精細(xì)化管理基礎(chǔ)。傳統(tǒng)管理中空間位置重疊、位置與屬性信息不對(duì)應(yīng)，圖上與實(shí)地信息難以準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)等問(wèn)題將得到有效解決。因此，獲取具有空間地理信息的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)就成為當(dāng)前大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)的重要基礎(chǔ)工作。

地貌作為地球表層系統(tǒng)中的一個(gè)基本要素,是地貌學(xué)等最基本的研究對(duì)象。通過(guò)直接或間接作用控制和影響著其他生態(tài)與環(huán)境因子的分布與變化,從而直接地影響人類活動(dòng)[1～2]。我國(guó)已形成了相應(yīng)的地貌形態(tài)分類體系和分類方法[2～3]，并廣泛應(yīng)用于土壤侵蝕、水土流失、等各種研究和實(shí)踐[1,3～4]。李炳元等[1]學(xué)者研究指出,中國(guó)陸地基本地貌類型按照起伏高度形態(tài)類型和海拔高度分級(jí)兩個(gè)指標(biāo)組合來(lái)劃分的原則,是符合起伏復(fù)雜、多臺(tái)階的中國(guó)地貌基本特點(diǎn),為具有中國(guó)特色的分類原則。

地形起伏度是指在某一個(gè)確定面積內(nèi)最大高程與最小高程之差，是定量描述一個(gè)區(qū)域地貌形態(tài)特征、劃分地貌類型，反映地面的起伏狀況和切割程度的宏觀性指標(biāo)[3～5]。近年來(lái)，利用DEM快速提取地形起伏度并結(jié)合高程進(jìn)行地貌形態(tài)劃分、研究已經(jīng)成為一種重要手段，基于DEM數(shù)據(jù)提取的基本地貌形態(tài)數(shù)據(jù)正是具有空間地理信息的基礎(chǔ)數(shù)字信息，可與基于空間地理位置的國(guó)土、林地一張圖等疊加，實(shí)現(xiàn)空間位置基本地貌及屬性對(duì)應(yīng)。蔣好忱等人[5]對(duì)國(guó)內(nèi)外6種地形起伏度提取方法研究結(jié)果表明，局地高差法是一種相對(duì)較好的提取起伏度的方法，也是目前比較流行且相對(duì)較簡(jiǎn)單的算法。

因此，研究利用局地高差法提取成都市地形起伏度、結(jié)合均值變點(diǎn)分析法確定成都市地形起伏度的最佳計(jì)算單元，并與高程進(jìn)行空間聯(lián)合提取成都市的基本地貌形態(tài)，分析其類型特征及空間分布格局，研究結(jié)果可為成都市國(guó)土、生態(tài)、農(nóng)林、水等相關(guān)研究、管理應(yīng)用提供定量化的科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

成都市位于四川省中部，成都平原東部，四川盆地西部的岷江中游地段，介于東經(jīng)102°54′～104°53′和北緯30°05′～31°26′之間，全市東西長(zhǎng)192 km，南北寬約166 km，總面積 14 334 km2。東北與德陽(yáng)市、東南與資陽(yáng)市毗鄰，南面與眉山市相連，西南與雅安市、西北與阿壩藏族羌族自治州接壤。

成都市地勢(shì)總體呈西北高，東南低，由西北向東南傾斜，全市地勢(shì)差異顯著，境內(nèi)海拔387 m～5 364 m，平均海拔約500 m，最低處金堂縣云臺(tái)鄉(xiāng)僅海拔387 m，最高處位于大邑縣西嶺鎮(zhèn)的苗基嶺，海拔高度為 5 364 m。西部以深丘和山地為主，海拔大多在 1 000 m～3 000 m之間，東部屬于四川盆地盆底平原，是成都平原的腹心地帶，主要由第四系沖積平原、臺(tái)地和部分低山丘陵組成，土層深厚，土質(zhì)肥沃，開(kāi)發(fā)歷史悠久，墾殖指數(shù)高，地勢(shì)平坦，海拔一般在500 m上下。成都按地貌類型可分為平原、丘陵和山地，平原面積比重大，達(dá) 4 971.4 km2，占全市土地總面積的40.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國(guó)占12%和四川省占2.54%的水平；丘陵面積占27.6%，山地面積占32.3%。土地墾殖指數(shù)高，可利用面積的比重可達(dá)94.2%，全市平均土地墾殖指數(shù)達(dá)38.22%，其中平原地區(qū)高達(dá)60%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國(guó)10.4%和四川省11.5%的水平。

成都屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)[6]，春早，四季分明，多云霧，無(wú)霜期較長(zhǎng)，全年無(wú)霜期大于337 d；冬春干旱少雨，夏秋多雨、雨量充沛，年平均降水量873 mm～1 265 mm，主要集中在7月～8月；熱量豐富，年平均氣溫在15.2℃～16.6℃左右，日照時(shí)間短，年均日照時(shí)數(shù) 1 017 h ～1 345 h；夏天氣溫不高(最高溫度一般不超過(guò)35℃)，但悶熱；冬天氣溫平均在5℃以上，極少冰雪，但陰天多，空氣潮濕、陰冷。成都土壤類型多樣，平原以灰色及灰棕色潮土的平原沖積土為主，低山及丘陵以紫色土為主，山區(qū)以山地黃壤、黃棕壤為主體。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用ASTER GDEMV2版DEM數(shù)據(jù)來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)，空間分辨率為30 m×30 m，投影標(biāo)系為D_WGS_1984坐標(biāo)系。

2.2 研究方法

從研究采用窗口分析法提取地形起伏度，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用目前使用較多的均值變點(diǎn)法確定最佳統(tǒng)計(jì)單元[3～5,7～8]。

(1)鄰域分析法：

本研究采用矩形窗口，窗口大小為n×n(n=2，3，4…40，45，50，55，60，65)像元，地形起伏度提取分為3步：

a.統(tǒng)計(jì)n×n(n=2，3，4…40，45，50，55，60，65)窗口內(nèi)像元的最大(max)、最小值(Min)

b.計(jì)算各窗口最大值(Max)和最小值(Min)的差值；

c.統(tǒng)計(jì)n×n窗口的平均起伏度值。

本研究基于ArcGIS10.2構(gòu)建批量提取地形起伏度提取模型，如圖1。

圖1 ArcGIS10.2基于DEM批量提取地形起伏度模型Fig. 1 ArcGIS10.2 batch extraction of terrain undulation model based on DEM

(2)均值變點(diǎn)法

變點(diǎn)分析法是一種對(duì)非線性數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，也是分析地形起伏度的最基礎(chǔ)的方法之一[9]。

a.單位地勢(shì)度序列

Ti=ti/si(i=2，3，4…40，45，50，55，60，65)

(1)

式中：Ti為分析窗口下的單位地勢(shì)度；ti分析窗口下的平均起伏度；si為分析窗口的鄰 域 面 積(m2)；i為矩形鄰域邊的窗口數(shù)。

b.對(duì)序列T取對(duì)數(shù)ln(T)，得到新序列X，X為{xi，i=2，3，4…40，45，50，55，60，65}。

c.序列X的算術(shù)平均值

(2)

d.序列X的統(tǒng)計(jì)量S和Si

運(yùn)用公式(3)計(jì)算得到統(tǒng)計(jì)量S。

(3)

令i=2，……，n，對(duì)每i將樣本分為兩段:X1，X2，……，Xi-1和Xi，i+ 1，，n，算每段樣本的算術(shù)平均值 及統(tǒng)計(jì)量Si。

(4)

e .S與Si差值圖

利用EXCEL軟件做S與Si差值圖，目視解譯得出最佳統(tǒng)計(jì)單元。

(3)疊加分析

將地形起伏度與海拔進(jìn)行疊加分析，得到成都市的基本地貌形態(tài)圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 鄰域面積與地形起伏度關(guān)系分析

基于ARCGIS10.2模型計(jì)算得到不同矩形領(lǐng)域面積下的平均起伏度值(見(jiàn)表1)。運(yùn)用EXCEL2010軟件建立不同矩形鄰域面積和平均起伏度的關(guān)系圖(如圖2)，并進(jìn)行對(duì)數(shù)方程擬合，決定系數(shù)：R2=0.9305，擬合效果較好。

表1矩形鄰域面積與平均起伏度值的關(guān)系

Tab. 1 The relationship between rectangular neighbor-hood area and average amplitude value

網(wǎng)格大小鄰域面積(104m2)平均起伏度值(m)網(wǎng)格大小鄰域面積(104m2)平均起伏度值(m)2×20.3611.4524×2451.84144.623×30.8121.5825×2556.25147.854×41.4430.7826×2660.84151.385×52.2539.3027×2765.61156.026×63.2447.1428×2870.56159.277×74.4154.4529×2975.69162.518×85.7661.3830×3081.00167.909×97.2967.9031×3186.49171.8210×109.0074.1632×3292.16176.4811×1110.8980.0533×3398.01178.7112×1212.9685.9634×34104.04182.1313×1315.2191.4635×35110.25184.9314×1417.6496.6336×36116.64189.3815×1520.25101.7637×37123.21192.7016×1623.04107.6038×38129.96195.9517×1726.01111.8739×39136.89200.9918×1829.16116.6740×40144.00204.5519×1932.49121.6645×45182.25220.4220×2036.00126.0550×50225.00236.3821×2139.69130.5855×55272.25249.2922×2243.56134.9260×60324.00267.3023×2347.61139.3065×65380.25277.96

圖2 平均起伏度值與鄰域面積對(duì)應(yīng)關(guān)系擬合曲線Fig. 2 The fitting curve of the relation between average amplitude value and neighborhood area

從圖1中可以看出，平均地形起伏度與鄰域面積呈正相關(guān)，其變幅呈由快到慢、逐步于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，曲線由陡變緩處(變點(diǎn))對(duì)應(yīng)的鄰域面積就是最佳計(jì)算單元。

3.2 確定最佳計(jì)算單元

在EXCEL2010統(tǒng)計(jì)軟件中，基于表1數(shù)據(jù)計(jì)算得到S-Si變化曲線(見(jiàn)圖3)。從圖中可以看出，在第13個(gè)點(diǎn)時(shí)S-Si差值達(dá)到最大，該點(diǎn)即為曲線(圖3)由陡變緩的變點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的領(lǐng)域面積即為最佳統(tǒng)計(jì)單元。由此得出，基于30 m×30 m空間分辨率 ASTER GDEMV2版DEM提取成都市地形起伏度的最佳分析窗口為14×14網(wǎng)格大小，統(tǒng)計(jì)面積 176 400 m2。

圖3 S和Si差值變化曲線Fig. 3 The differential value change curve of S and Si

3.3 成都市地形起伏度特征分析

運(yùn)用ARCGIS10.2軟件的重分類，將最佳分析窗口14×14網(wǎng)格大小提取的成都市地形起伏度，依據(jù)中國(guó) 1∶100 萬(wàn)地貌圖制圖規(guī)范(中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 2005)[10]分為6級(jí)：平原(≤30 m)、臺(tái)地(30 m～70 m)、丘陵(70 m～200 m)、小起伏山地(200 m～500 m)、中起伏山地(500 m～1000 m)大起伏山地(1 000 m～2 500 m)和極大起伏山地(>2 500 m)，并統(tǒng)計(jì)各級(jí)面積。從圖4和圖5可以看出，全市中起伏及以下4種地形占98.54%，其中微起伏地形(39.98%)>平坦(27.84%)>小起伏地形(20.19%)>中起伏地形(10.54%);大起伏、極大起伏和巨大起伏地形總共為1.46%。

從空間分布格局來(lái)看，中起伏度、大起伏、極大起伏和巨大起伏地形主要集中在西北部的龍門山脈；小起伏度地形主要集中在龍泉山脈及龍門山脈與成都平原接合部。微起伏與和平坦地形主要集中在龍泉山脈兩側(cè)及龍門山東南部。

圖4 成都市地形起伏度分級(jí)圖Fig. 4 Classification map of relief amplitude in Chengdu

圖5 成都市地形起伏度分級(jí)統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Statistical map of relief amplitude in Chengdu

3.4 成都市地貌形態(tài)類型特征分析

依據(jù)中國(guó) 1∶100 萬(wàn)地貌圖制圖規(guī)范[2,10]，運(yùn)用ARCGIS10.2對(duì)海拔分級(jí)圖層及起伏度分級(jí)圖層進(jìn)行聯(lián)合得到成都市基本地貌形態(tài)類型圖(圖6)，統(tǒng)計(jì)各類基本地貌形態(tài)類型面積占比(表2)。

表2成都市基本地貌形態(tài)類型統(tǒng)計(jì)表

Tab. 2 Statistical table of basic geomorphologic types in Chengdu

圖6 成都市基本地貌形態(tài)類型圖 Fig. 6 Basic morphological types of land geomorphology in Chengdu

從表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，我國(guó)25種基本地貌形態(tài)類型中成都市有20種，其中主要類型有5種，占成都市總面積的96.52%，面積占比依次為低海拔臺(tái)地>低海拔平原>低海拔丘陵>小起伏中山>中海拔丘陵，5種主要類型中又以低海拔的平原、臺(tái)地及丘陵為主，這與成都市的實(shí)際完全相符。其余15種類型包括面積占比均低于1%，其中，極高海拔區(qū)的4種類型面積占比全部小于0.01%。

從空間分布格局來(lái)看，高海拔區(qū)和極高海拔區(qū)的9種地貌基本形態(tài)類型和中海拔區(qū)的中海拔丘陵、小起伏中山、中起伏中山、大起伏中山4種類型均主要集中分布在在西北部的龍門山脈；低海拔丘陵類型主要集中在龍泉山脈及龍門山脈與成都平原接合部區(qū)域，在中部及東部呈零星分布。低海拔平原和低海拔臺(tái)地兩種主要類型主要分布在龍泉山脈與龍門山脈之間及龍泉山脈的西南部。

4 結(jié)論

(1)成都市地形起伏度提取的最佳計(jì)算單元為14×14網(wǎng)格大小(176 400 m2)，全市中起伏及以下4種地形占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，占98.54%，其中微起伏地形(39.98%)>平坦(27.84%)>小起伏地形(20.19%)>中起伏地形(10.54%)。中起伏度、大起伏、極大起伏和巨大起伏地形主要集中在西北部的龍門山脈；小起伏度地形主要集中在龍泉山脈及龍門山脈與成都平原接合部。微起伏與和平坦地形主要集中在龍泉山脈兩側(cè)及龍門山東南部。

(2)成都市基本地貌形態(tài)類型有20種，其中主要類型有5種，面積占96.52%。從空間分布格局來(lái)看，西北部的龍門山脈主要集中分布了13種類型，且以山地地形為主，由于受山地地形影響，人口密度相對(duì)較低，道路交通條件相對(duì)較差，但森林資源豐富，為成都市森林主要分布區(qū)域之一，成為全市重要的生態(tài)屏障，因此，發(fā)展規(guī)劃上以“綠水青山就是金山銀山”為基本理念，以生態(tài)保護(hù)為前提，依托和發(fā)揮森林資源優(yōu)勢(shì)大力發(fā)展生態(tài)旅游、休閑娛樂(lè)等雙或多贏產(chǎn)業(yè)。低海拔丘陵類型主要集中在龍泉山脈及龍門山脈與成都平原接合部區(qū)域，在中部及東部呈零星分布，山丘之間的河谷平原和盆地是重要農(nóng)耕區(qū)及經(jīng)濟(jì)林發(fā)展區(qū)域，森林資源介于山地與平原之間。低海拔平原和低海拔臺(tái)地兩種類型主要分布在龍泉山脈與龍門山脈之間及龍泉山脈的西南部，該地形區(qū)域自然條件優(yōu)越，為成都市的主要人為經(jīng)濟(jì)活動(dòng)區(qū)域，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，基礎(chǔ)設(shè)施及經(jīng)濟(jì)水平相對(duì)較高。

(3)研究采用的是30 m×30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)提取地形起伏度及基本地貌形態(tài)類型劃分，DEM分辨率變化是否對(duì)地形起伏度提取及基本地貌形態(tài)類型劃分精度是否有影響，以及不同研究尺度(國(guó)家、省、市及縣級(jí))下DEM最佳分辨率的確定，有待今后的進(jìn)一步研究。

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