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        基于DEM對(duì)秦巴山區(qū)隴南望關(guān)鎮(zhèn)地貌形態(tài)特征定量分析

        2024-12-31 00:00:00張巖
        炎黃地理 2024年9期
        關(guān)鍵詞:坡向柵格分類

        采用GIS空間分析技術(shù)對(duì)秦巴山區(qū)隴南康縣望關(guān)鎮(zhèn)等高線及DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,分別提取研究區(qū)83.2平方千米內(nèi)高程海拔、地表起伏度、坡度、坡向地形因子不同區(qū)間帶內(nèi)面積值后定量分析統(tǒng)計(jì),獲得區(qū)域不同地貌形態(tài)分布面積及占比,判定調(diào)查區(qū)主要地貌類型。

        不確定性是客觀世界中固有屬性,同樣在地形地貌分類中也存在很大的不確定性,以往基于遙感影像與野外定性判斷,所得數(shù)據(jù)不確定性在地形地貌分界劃分處尤為明顯。

        遙感影像的不確定性、未知性導(dǎo)致在地形地貌分類領(lǐng)域中逐漸淡出,取而代之的數(shù)字高程模型DEM,基于大量數(shù)據(jù)計(jì)算分析,極大地降低遙感影像分析帶來的模糊性。

        研究的意義

        研究區(qū)位于甘肅隴南山地,境內(nèi)復(fù)雜多樣的地貌形態(tài)影響著區(qū)域內(nèi)地表水分、熱量在不同地域的再分配,同時(shí)也影響著土壤、植被、物質(zhì)遷移、生態(tài)系統(tǒng)的演變與發(fā)展,形成了境內(nèi)獨(dú)特的地形與生態(tài)系統(tǒng)。

        以往地貌分類研究主要基于遙感影像,存在很大的不確定性,在進(jìn)行分類時(shí)數(shù)據(jù)的不確定性逐漸累積放大,極大地降低了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        隨著DEM理論與方法不斷發(fā)展,基于等高線獲得高精度DEM數(shù)據(jù),為地貌形態(tài)分類提供了重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù),能極大降低區(qū)域地貌分類中不確定性、模糊性,提高了數(shù)據(jù)量化性、條理性、科學(xué)性。

        數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理分析

        基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。文章以地形地貌較為復(fù)雜的西北秦巴山區(qū)隴南市康縣望關(guān)鎮(zhèn)為例,以區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)調(diào)查野外一手資料為基礎(chǔ),結(jié)合DEM數(shù)字地形分析對(duì)望關(guān)鎮(zhèn)地形地貌進(jìn)行全面研究。

        建立高程模型。通過2種方法創(chuàng)建望關(guān)鎮(zhèn)5米分辨率DEM高程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,方法1采用3D Analyst TIN工具創(chuàng)建TIN三角網(wǎng),轉(zhuǎn)柵格生成DEM柵格影像;方法2采用Spatial Analyst地形轉(zhuǎn)柵格工具,輸出柵格像元大小為5,進(jìn)行雙三次卷積重采樣生成柵格影像。方法2較方法1耗時(shí)更長(zhǎng),但所得柵格影像精度更高,推薦方法2。

        所得DEM柵格影像后對(duì)ArcGIS默認(rèn)分類不同海拔區(qū)間采用重分類工具進(jìn)行分類,由柵格轉(zhuǎn)面工具轉(zhuǎn)為矢量,對(duì)不同海拔區(qū)間帶進(jìn)行面積幾何計(jì)算,并導(dǎo)出屬性表進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)(如表1所示)。數(shù)據(jù)表明面積峰值出現(xiàn)在海拔1464~1564米區(qū)間內(nèi),達(dá)13.53平方千米,占比16.27%,境內(nèi)主要海拔區(qū)間集中在1064~1964米,占比97.67%,大于1964米所占面積極少,僅占2.32%。數(shù)據(jù)表明境內(nèi)山地主要以低中山地貌為主,次之為中山地貌。

        地形起伏度分析。地形起伏度是在一個(gè)特定范圍區(qū)域內(nèi),最高點(diǎn)海拔與最低點(diǎn)海拔差值,該因子能直觀反映地形起伏特征,其表達(dá)式如下:

        RA=Hmax-Hmin

        式中,RA表示地形起伏度,Hmax是特定區(qū)域面積內(nèi)最大高程值,Hmin是特定區(qū)域面積內(nèi)最小高程值。

        在ArcGIS中借助領(lǐng)域分析工具集下焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具,結(jié)合望關(guān)鎮(zhèn)面積、采用DEM柵格影像像元5米×5米、對(duì)比分析5米×5米,10米×10米,15米×15米,20米×20米,25米×25米領(lǐng)域窗口值,選取RANGE計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)最大值與最小值差值,結(jié)合望關(guān)鎮(zhèn)定性地貌分類,結(jié)果顯示領(lǐng)域15×15窗口所獲得焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果與實(shí)際地貌吻合度極高。

        其次進(jìn)行重分類,根據(jù)《中國(guó)1:1000000地貌圖制圖規(guī)范》并結(jié)合《工程地質(zhì)手冊(cè)》,地形起伏區(qū)間選0~30米(高海拔河谷區(qū)及平坦區(qū))、30~100米低起伏山地(低中山),100~500米小起伏山地(低中山),500~1000米中起伏山地(中山),生成地形起伏度分級(jí)圖。最后采用柵格轉(zhuǎn)面工具將影像矢量化,對(duì)不同起伏區(qū)間帶進(jìn)行面積幾何計(jì)算,并導(dǎo)出屬性表分類統(tǒng)計(jì)(如下頁(yè)表2所示)。

        結(jié)果表明:望關(guān)鎮(zhèn)地形起伏區(qū)間分別在0~30米、30~100米、100~500米間,面積為6.19平方千米、75.68平方千米、1.34平方千米,其中低起伏山地占比90.96%,其次為高海拔河谷及平坦區(qū),分布于河谷G8513道路及平洛河兩側(cè)較開闊區(qū)域,少量分布于中莊村、亂石山村、沈?yàn)炒宓攘闵⒎植嫉拇迩f開闊區(qū)域,占比7.44%,中起伏山地占比最少,為1.61%,分布于中莊村至鷂子灣村道路兩側(cè),該區(qū)域野外調(diào)查驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)地勢(shì)高陡,起伏較大,地形險(xiǎn)峻,與數(shù)據(jù)分析結(jié)果吻合度較高。

        數(shù)據(jù)表明境內(nèi)主要以低起伏山地、高海拔河谷及平坦區(qū)為主,中起伏山地極少。

        地貌形態(tài)分析。結(jié)合中國(guó)科學(xué)院地理研究所制定的《中國(guó)1:100萬數(shù)字地貌制圖規(guī)范》及《工程地質(zhì)手冊(cè)》中山地地貌形態(tài)劃分,采用起伏度和海拔高度對(duì)山地及其子類型地貌進(jìn)行定量化描述,分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下(如表3所示)。

        研究區(qū)主要為高海拔河谷及平坦區(qū)、低起伏低中山,占98.39%,小起伏低中山分布極少,僅占1.34%,上述地貌分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果較定性分析更為翔實(shí)全面(如表4所示)。

        地形坡度分析。以往野外調(diào)查基于直觀定性判斷坡度,雖然快速簡(jiǎn)便但依據(jù)不足,主要依賴于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷,存在一定偏差,尤其是近幾年開展實(shí)施的高精度地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化調(diào)查中涉及大量斜坡單元坡度分析,缺少必要數(shù)據(jù)支撐,依靠直觀定性判斷存在較大誤差。

        在ArcGIS中借助坡度工具采用PLANAR方法對(duì)DEM柵格影像進(jìn)行分析,求得不同坡度區(qū)間分析圖,利用重分類工具參照坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分為0°~5°平坡,5°~15°緩坡,15°~25°斜坡,25°~35°陡坡,35°~45°急坡,gt;45°險(xiǎn)坡,采用柵格轉(zhuǎn)面工具轉(zhuǎn)為矢量圖層,對(duì)不同坡度區(qū)間面積進(jìn)行幾何計(jì)算,將屬性表導(dǎo)出進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),獲得不同坡度區(qū)間帶面積值,生成坡向分級(jí)圖。

        數(shù)據(jù)表明,望關(guān)鎮(zhèn)境內(nèi)最大坡度85.75°,結(jié)合坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),共劃分為6級(jí),分別為0°~5°平坡,5°~15°緩坡,15°~25°斜坡,25°~35°陡坡,35°~45°急坡,gt;45°險(xiǎn)坡,其中g(shù)t;45°險(xiǎn)坡地段面積達(dá)31.20平方千米,占比37.5%,多分布于貫穿河谷G8513道路兩側(cè),該區(qū)域集中道路建設(shè)、人工機(jī)械切坡形成的高陡邊坡,多崩塌、危巖體落石等地質(zhì)災(zāi)害,定量分析結(jié)果與實(shí)際野外調(diào)查中結(jié)果一致,但較定性分析有了大量的數(shù)據(jù)支撐(如表5所示)。

        其次為25°~35°陡坡,35°~45°急坡區(qū)域,面積分別為14.97平方千米,14.62平方千米,占比17.99%,17.57%,該區(qū)域多分布在河谷兩岸險(xiǎn)坡向外過渡延伸區(qū)域。定量分析結(jié)果以更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)揭示每個(gè)斜坡段、斜坡帶、斜坡區(qū)域坡度值及變化規(guī)律。

        次之為0°~5°平坡,5°~15°緩坡,15°~25°斜坡區(qū)域,面積分別為1.16平方千米、8.34平方千米、12.91平方千米,占比為1.40%、10.03%、15.51%,調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)該區(qū)域多分布居民區(qū)、農(nóng)田耕植區(qū),定量分析與定性結(jié)果相互印證一致。

        地形坡向分析。區(qū)別于傳統(tǒng)坡向分析方法,基于ArcGIS空間分析功能,對(duì)復(fù)雜山區(qū)進(jìn)行坡向分析。將區(qū)域內(nèi)坡向分為8級(jí),在GIS中采用PLANAR方法基于DEM柵格影像進(jìn)行分析,再用重分類工具劃分歸至8級(jí)坡向區(qū)間,由柵格轉(zhuǎn)面工具轉(zhuǎn)為矢量,對(duì)不同坡向區(qū)間內(nèi)幾何面積進(jìn)行計(jì)算,最后將屬性表導(dǎo)出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

        結(jié)果表明,望關(guān)鎮(zhèn)大部分山體坡向呈現(xiàn)東(67.5°~112.5°)、西(247.5°~292.5°)、西北(292.5°~337.5°)。面積占比13.18%、14.46%、13.92%,據(jù)此可判斷望關(guān)鎮(zhèn)大部分山脈南北走向,在野外調(diào)查中,對(duì)560處斜坡單元采集地層產(chǎn)狀數(shù)據(jù),分析所得,區(qū)內(nèi)山脈整體呈南北走向,與定量分析結(jié)果一致。同時(shí)顯示境內(nèi)東向、西向、西北坡向植被林木覆蓋率整體較其他坡向高,該數(shù)據(jù)能為地方土地利用規(guī)劃、土地整理及其他研究提供參考依據(jù)(如表6所示)。

        地貌分類是地貌制圖的基礎(chǔ),近幾年全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害精細(xì)化調(diào)查工作,涉及編制大量鄉(xiāng)鎮(zhèn)地貌分類圖,早期調(diào)查中野外定性判斷、手圖標(biāo)記等方法,逐漸演變至借助遙感影像,采用定性判定,但缺乏數(shù)據(jù)支撐,分類結(jié)果存在很大不確定性、模糊性,已難以滿足當(dāng)前地貌分類實(shí)際應(yīng)用需求。

        隨著DEM數(shù)據(jù)理論方法不斷發(fā)展,基于DEM數(shù)字地形分析分類法成為強(qiáng)有力輔助工具,對(duì)地形進(jìn)行多因子數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì),通過大量數(shù)據(jù)控制變量,改進(jìn)分類中的不確定性,在分類方法上實(shí)現(xiàn)新的突破。

        文章以秦巴山區(qū)甘肅隴南康縣望關(guān)鎮(zhèn)為例,基于DEM數(shù)字地形分析技術(shù)提取高程、地形起伏度、地貌形態(tài)、坡度、坡向等地形因子數(shù)據(jù),依據(jù)地貌形態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重分類后分析統(tǒng)計(jì),提出了一套基于DEM數(shù)字高程的多尺度、多因子地貌特征不確定性分析方法,彌補(bǔ)擴(kuò)充了現(xiàn)有分類思路與方法,對(duì)地貌分類不確定性控制具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值。

        (作者單位:甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院)

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