数字地形模型在泥石流发生发育特征研究中的应用

1、第19卷第3期云南农业大学学报V ol119N o13 2004年6月Journal of Y unnan Agricultural UniversityJun.2004数字地形模型在泥石流发生发育特征研究中的应用王霖琳,东野光亮(山东农业大学资源与环境学院,山东泰安271018摘要:泥石流是发生在山区的一种易对人民的生产、生活条件和生存发展空间造成严重破坏的自然现象,其发生、发展受诸多因素影响,但其中地形地貌条件是影响泥石流发生发育的主要因素。随着计算机技术和3S技术的发展,在GIS平台上,利用地形图、遥感影像等建立数字地形模型(DT M,模拟地面形状,提取地形信息,对泥石流现象进行研究,将

2、是一种新的思路和方法。本文以M APG IS地理信息系统为工具,以地形图为数据源,建立DT M,结合土地利用相关资料,分析了山东省下港乡泥石流发生发育原因及特征,为这一研究进行了有益的探索。关键词:DT M;泥石流中图分类号:P642.23文献标识码:A文章编号:1004-390X(200403-0298-06The Appliance of Digital T errain Model in R esearch on the Character of Debris Flows Occurrence and G row thWANG Lin2lin,DONGYE Guang2liang(C o

3、llege of Environment and Res ources,Shandong Agricultural University,T aian271018,ChinaAbstract:Debris flow is one natural phenomenon which can destroy the existence and development condi2 tions for people severely.Its occurrence and growth is affected by many factors.But the terrain facator is the

4、first one.Digital T errain M odel(DT Mis a very g ood tool for terrain parameters analysis.This paper used MAPGIS geographical in formation system(GISand took X iajiang of Shandong province as an study area to research debris flow valley.We used elevation contours from topographic map of the study a

5、rea to generate a digital terrain m odel(DT M.It als o can simulate the topographic features and display the landform charac2 teristics.Then a useful method for research on debris flow was offered.K ey w ords:digital terrain m odel;debris flow泥石流是地质灾害的一种,是一种有较高密度,饱含砂、砾的固液气三相流体,暴发突然、速度快、来势凶猛、破坏力大,对人类

6、的生产、生活活动和生存、发展空间有严重危害的自然现象1。泥石流形成的因素很多,也很复杂,按各因子的归属和泥石流发育过程的作用特征,可以归并为自然因素和人为因素两大类,自然因素中,又可细分为地形特征、地质环境和气候气象3个主要方面。其中泥石流流域内地形诸因素及其相互关系,是泥石流发育的根本条件2。地形的起伏、坡度、坡向不仅决定了土壤水分、土壤的发育、植被的生长,影响着土地利用方式和降水的空间分布,而且还控制着径流收稿日期:2003-10-31基金项目:山东省自然科学基金项目(Y2000D06;山东省教育厅项目(J01L03作者简介:王霖琳(1978-,女,硕士研究生,主要研究方向为地质环境监测。

7、 流向与河网水系的形成及发育。因此,调查流域的地形条件对于研究泥石流的形成和发展具有非常重要的意义。泥石流多发生在山区,地形复杂,野外调查需耗费大量的人力、物力。近年来,计算机技术以及3S (G PS ,GIS ,RS 的发展,有可能通过计算机系统模拟复杂的地貌形态。本文是在MAPGIS 地理信息系统的支持下,通过数字化地形图等高线,派生出与泥石流研究相关的坡度图、坡向图、流域图等,构建数字地形模型(简称DT M ,展现复杂的泥石流形成区的地貌景观,然后在DT M 支持下,结合实地调查等其他资料,对泥石流的发育背景及形成特征加以分析,为泥石流发育环境的研究提供了新的思路。1研究区概况研究区域设

8、在山东省泰安市岱岳区下港乡火石岔村背面山坡上。下港乡位于泰安市东北部,北与济南市的章丘市、历城区为邻,南同岱岳区祝阳乡搭界,东与莱芜市接壤,西与黄前镇相连。山东省地处我国东部,固有的地理位置和气候条件均不利于泥石流的形成,因而历史上少有泥石流发生。但是2000年8月8日,泰山山脉的济南泰安交界地带暴发泥石流,造成1800余间房屋被毁,直接经济损失达1亿多元,21人遇难,敲响了山东省地质灾害的警钟。泰山为山东省最高的山脉,主峰海拔1545m ,山势雄伟,地势普遍陡峭,地形坡度比较大;同时,随着气候的变迁以及人类活动的影响,泰山山麓堆积了大量松散第四纪沉积物及其上发育的土壤,如遇大的降雨,则可饱和

9、大量水分,使得其下部成为泥石流灾害的危险地段,直接威胁到下部的火石岔村村民的生命财产安全。研究区地形为纯山区,全乡耕地1995hm 2,人均01049hm 2,农作物多以小麦、玉米、地瓜为主,另外种植果树,如山楂、栗子等,人均纯收入2810元。近年来随着山区经济的发展以及人口数量的增加,人们开始过渡开垦坡地,垒砌梯田,村民对生态环境的破坏促进了山区地质灾害的发生,另外山区村庄多建在山谷谷口,处于山洪及泥石流的下泄方向上,民房选址不当则是造成人员重大伤亡的一个主要原因 。图1研究区域地形图Fig 11T opographic map of study area2研究方法2.1数字地形模型的建立数

10、字地形模型(DT M 简称数模3,是以数字的形式,通过计算机系统建立的表示实际地形特征的空间分布模型,也是地形形状大小和起伏的数字描述。数字表示方式包括:离散点的三维坐标(XY Z 、由离散点组成的规则或不规则的格网结构,以及依据数字地面模型及一定的内插和拟合算法自动生成的等高线图、断面图、坡度图等等。将现有的地形图数字化,从数字化地形图中取得建立数字地形模型的数据点,是建立数字地形模型的常用方法。本研究以研究区域110000纸质地形图为数据源,基本等高距为10m ,采用MAPGIS 地理信息系统软件建立数字地形模型。具体步骤如下:2.1.1预处理对研究区域的地形图件以及其它统计数据进行分析。

11、确定数据源和研究范围。2.1.2扫描矢量化将地形图扫描,运用MAPGIS 的输入编辑功能对等高线进行屏幕跟踪矢量化,由于山区地形复杂,一般采用交互式矢量化,并运用MAPGIS 矢量化菜单中高程自动赋值,对等高线标赋高程值;另外,对于一些不易测得等高线的离散高程点也进行矢量化并进行标赋高程。并在DT M 分析模块中将二者进行合并。2.1.3拓扑检查对以上矢量化产品进行编辑、检查、拼接以生992第3期王霖琳,等:数字地形模型在泥石流发生发育特征研究中的应用 成拓扑关系完整的矢量图。2.1.4生成TI N模型利用软件中等高线提取高程点,产生不规则三角网(TI N,每个三角形代表一个局部平面(地表单元

12、,对应于一个平面方程,根据这类方程可计算出各自的格网点高程,生成TI N数据并进行内插,以使整个研究区域都含有高程值,然后进行基于TI N模型的相关分析。2.1.5生成G RI D模型将TI N数据进行网格化处理,本试验采用距离幂函数反比加权网格化模型,使得离散高程点处于等间距的格网平面上,最后得到具有一定水平间距的规则格网数据,即G RI D模型。2.1.6图形叠置将TI N模型、G RI D模型分析所得坡度、坡向等图形与数字高程模型以及土地利用信息等进行叠加,构成数字地形模型 。图2研究区域数字高程模型Fig12Digital elevation m odel of study area表

13、1研究区域高程分级T ab11The elevation degrees and their percentage derived from DE M of study area 高程范围/m450所占比例/%517271237192312612表2研究区域坡度分级T ab12The slope degrees and their percentage derived from DT M of study area坡度分级/40所占比例/%141010133719271210172.2数字地形模型的分析2.2.1泥石流发育的地形因子分析地形条件是对泥石流发育分布起控制性的条件1。泥石流形成的主

14、要因素是当地的地质、地貌、气候和水文持征,地形取决于地质构造、岩石性质和气候,地质构造、岩石性质和气候,又决定着径流的特征,所以地形充分反映了泥石流形成的这些最主要因素的特征。地形条件中的地貌形态特征的分异,决定了泥石流空间分布的总格局,也决定了泥石流沟谷的基本参数和主要特征2。不同的地貌形态和不同参数特征值的组合形式,在泥石流沟的发育程度、活动性规律等方面均有着不同的影响。另外,(前苏穆斯塔法库洛夫还研究过泥石流发育分布、活动性与地形坡向之间的关系。他指出由于太阳热力对山坡坡向作用不对称的影响,北半球的南向坡和西向坡的山地,泥石流发育的程度、暴发的强度和危害性,均大于北向和东向的山坡2。这是

15、对泥石流003云南农业大学学报第19卷发育分布在大区域规律性方面的研究,这从另一个角度说明了地形在泥石流发育中的作用地位上的重要性。综上所述,地形地貌条件,或它的主要参数特征值的相互组合形式,对泥石流发育分布,以及灾害的性质,发生场所的分布等,都起着控制性的作用,但是,因此利用DT M 进行地形因子信息的提取,对于泥石流的研究将具有十分重要的意义。2.2.2数字地形模型分析利用MAPGIS 系统强大的分析功能,采用双灭点透视投影,以45倾斜角生成研究区域数字高程模型(图2,数字高程模型是数字地形模型中属性为高程的部分。海拔分级见表1。海拔高度决定了该地区所接受的太阳辐射和相应的热辐射所损失的能

16、量,引起当地温度和水分条件的递变,形成了当地的小气候条件,山顶冬夏之分不明显,且雨量偏多 。图3研究区域坡度分级与等高线叠加图Fig 13The integrated map for slope andelevation contours of study area(1坡度分级图(图3在TI N 模型、G RI D 模型的基础上,确定海拔、坡度、坡向分级指标,从数字地形模型提取各指标的分级图。地形高程在GIS中,由数字高程模型显示,地形变化程度则一般用坡度来表示,有研究发现山地坡度为1030时,有利于泥石流发育5,也有研究者指出坡度3040泥石流发生的概率为515的7倍6,但是各地的泥石流发生

17、情况还与当地其它环境要素相关。根据研究区当地实际情况,作者将研究区坡度进行了5级分级。分级比例见表2。通过系统分析发现,该地坡度在1040的占总研究区域的7514%,这个坡度不仅能够产生较大的势能,而且有利于松散固体物质的形成,为泥石流的形成提供了便利条件。从坡度与等高线以及流域分布叠加图,可以看到主沟两侧坡度较大,山坡坡面呈“S ”形山顶比较浑圆,经过平缓顶面向下短距离内即有一个陡坎,坡度一般在6070,构成山坡上部,这一部位是泥石流、滑坡开始启动和积累动能的部位。到山坡下部,坡度明显变缓,有的经过2040的缓坡过渡,有的直接由陡坡转为10左右的缓坡。当上坡岩体开始滑动并迅速加速后,下坡大量

18、堆积物就会带着巨大的惯性推动沿途和前面的堆积物运动,造成摧毁性的破坏。当泥石流运动到地势开阔平坦的部位,逐渐停止运动,形成大量泥砂砾石堆积,彻底改变了原有的环境 。图4研究区域坡向分级与等高线叠加图Fig 14The integrated map for slope and elevationcontours of study area(2坡向分级图(图4MAPGIS 中,将坡向0360从正北方向开始进行分类,分为水平面和另外8个朝向共9个分类。以正北方向为0,按顺时针方向旋转,337152215为正北方向,然后每45一个方向,分别分为东北、正东、东南、正南、西南、正西、西北八个方向,并分别计

19、算了各个朝向在整个流域中所占地比例,见表3.将坡向与等高线叠加图分析结果和实地调查植被资料再进行叠加分析,可以发现研究区域北、东北向的坡地,植被分布较好,而西南、南向的坡地,由于日照时间长,太阳辐射强,土壤水分含量低,植被分布较差,坡面侵蚀较其它方向严重,因此产生的松散固体物质也多。通过计算发现西向坡、103第3期王霖琳,等:数字地形模型在泥石流发生发育特征研究中的应用南向坡的分布比例占4411%,占到整个研究区域的接近一半,而且东向坡也有不同程度的侵蚀,所以整个山体坡面侵蚀较为严重,因而也有利于泥石流的形成。2.2.3图形叠置分析叠置分析是一种常用的地图分析方法,它和数据库技术相结合,将空间

20、数据与属性数据统一操作,将信息系统中存储的多种资源与环境因素叠加起来,以研究不同因素在不同组合中的状况和变化,并进行多要素综合分析和评价。经过要素分析和GIS叠加分类,叠置数字高程模型与坡度图和坡向图,生成数字地形模型,以反映出不同地貌部位的高程、坡度、坡向等各项信息的特征及发育程度,然后结合其它的植被、地质条件、土地利用现状等图形、文件资料,进而确定泥石流发生的影响因素及危险程度,为泥石流研究提供资料。表3研究区域坡向分级T ab13The aspect degrees and their percentage derived from DT M of study area 坡向水平正北东北

21、正东东南正南西南正西西北角度范围/003371522152215671567151121511215157151571520215202152471524715292152921533715所占比例/%13142161515241616141512618515012从整个数字地形模型可以看出,高程在400m 以上的山体,坡度一般大于40,一般耕作难以进行,植被中林木以幼年黑松林为主,也有少量洋槐、麻栎等阔叶树种。草本较差,林木郁闭度在60%左右。但由于土层浅薄,植物难以扎深根,且土壤砂性强,物理性状差,植物抗冲刷的能力比较弱。高程在400m以下的山体,坡度较小,大多为土石山,因此多被开发为梯田

22、,植被多以经济作物如栗树等为主。从实际调查看,该区植被能够抵御一般的水土流失,但随着村民开垦坡地、垒砌梯田地进行,对自然植被也有了一定的破坏。而且由于村后山谷坡陡路短,山洪下泄没有缓冲的余地,直接能够冲击到村庄。村后谷内土层较厚,群众逐级垒为梯田,种上了果树,当洪水来到时,谷内梯田不仅可为泥石流提供充分的物质来源,也使泥石流能量逐级放大,起到推波助澜的作用。另外,山区农民由于生活习惯,从DT M也可看到,民房一般建于谷口平坦地带,且垂直于山谷走向,又恰位于出流路径上,当泥石流到来时,眨眼之间几乎整个村子就可消失。因此,从整个DT M分析结果看,研究区域发生泥石流的危险性较大,但由于未结合气象资

23、料,因此还不能准确预测泥石流发生的具体时间及规模,这将有待于进一步研究。3结语总之,数字地形模型作为空间数据库的某个特定结构的数据集合,可以以现有地形图为基础,将空间数据和属性数据结合起来,提取各种地形因子,能对地面形态进行综合分析,因此成为资源和环境信息调查中不可缺少的组成部分,已广泛应用于农林、水利、石油、气象、交通、地质等学科的研究过程中。但它在泥石流发生发育过程中的应用还不多见,而地形因子又是影响泥石流发生发展的首要因素,因此在地形复杂的山地丘陵区,以地形图为数据源,利用GIS系统,建立数字地形模型,可以方便地提取泥石流研究所需要的坡度、坡向等信息,进而分析泥石流发生、发育的过程,可以

24、在泥石流调查研究过程中省去很多的人力、物力,为泥石流研究的进行提供科学依据和先进方法,因此具有较高的理论价值和实践意义。但在DT M建立及应用过程中,也还存在一些需要注意的问题:(1由于现有地形图有固定的等高距,因此,如果等高距太大则难以准确反映地面真实情况,特别对于地形的特征部位如鞍部、山谷线、山脊线等都需特别处理,否则就会在DT M中显示一些平面区域,因此在数据源的选取时,应尽量选用等高距小的地形图;(2G RI D模型中,网格的大小决定了数据的密度。网格过大将不能够真实地反映地貌,陡坡变缓坡,影响DT M精度。相反,网格过小则会产生许多数据冗余,因此,网格大小的确定应视实地地形而定,以便

25、在数据量尽量小的前提下准确反应地面特征。参考文献1杨德麟.数字地面模型J.测绘通报,1998,(3:37-44.2谭万沛,王成华.暴雨泥石流滑坡的区域预测与预报203云南农业大学学报第19卷第 3 期 王霖琳 ,等 : 数字地形模型在泥石流发生发育特征研究中的应用 M . 成都 : 四川科学技术出版社 ,1994. 3 丁永建 . 山区小流域洪水过程中泥沙搬运方式的初 303 The Complication of a DTM and a New Satallite Image Map for K George Island ,AntarcticaJ . Geo2spatial Informa

26、2 ing tion Science ,2001 ,4 (2 :47 - 51. J . 土壤侵蚀与水土保持学报 ,1999 ,5 (6 :46 - 50. 步研究 J . 地理学报 ,1989 ,44 (4 :487 - 495. 4 DAI Fu2chu ,LEE C F , WANG Si2jing. Analysis of rain2 island , Hongkong J . Engineering Geology ,1999 ,52 : 279 - 290. 5 程康 ,罗德富 . 数字地形分析系统 (DTAS 在盐井沟泥 storm2induced slide2debirs2fl

27、ows on natural terrain of Lantau 10 陈晓清 , 谢洪 . 基于 GIS 的泥石流危险度区划研究 11 付晓 , 周维 . 数字高程模型及其在森林资源调查中 的应用 J . 广西林业科学 ,2002 ,31 (1 :12 - 15. 研究 J . 水土保持学报 ,1995 ,9 (2 :26 - 31. 12 徐弘 . 地理信息系统技术支持下的泥石流流域产沙 石流研究及防治工程中的应用泥石流 ( 3 M . 中国 科学院成都地理研究所 , 四川省地理学会泥石流专业 委员会 ,1986. 13 张健挺 , 陈德清 , 杨存健 , 等 . 分洪区数字地形模型 建立

28、及其应用 J . 灾害学 ,1998 ,13 (1 :7 - 10. 6 符文熹 ,聂德新 . 中国泥石流发育分布特征研究 J . 14 赵鹏祥 ,刘忠阳 ,王教育 . 火地塘林区数字地形模型 (DTM 建立初探 J . 西北林学院学报 ,1998 ,13 ( 4 : 72 - 75. 中国地质灾害与防治学报 ,1997 ,8 (4 :39 - 43. 7 傅泊杰 ,汪西林 . DEM 在研究黄土丘陵沟壑区土壤侵 (3 :17 - 21. 蚀类型和过程中的应用 J . 水土保持学报 ,1994 ,8 15 赵牡丹 ,陈正江 ,晋锐 . DEM 提取地面平均坡度误差 的量化模拟 J . 水土保持

29、通报 ,2002 ,22 (3 :55 - 57. 8 朱翔 . GIS 地形分析技术在小范围土地利用规划中的 16 李汝庆 , 李宗杰 , 黄兴文 , 等 . 岱岳区小吕家庄泥石 - 23. 应用 J . 云南环境科学 ,2000 ,19 (2 :11 - 13. 流灾害分析及防治对策 J . 吉林水利 ,2001 , ( 7 :22 9 MATTHIAS BRAUN ,J EFFERSON CARDIA SIMES ,et al. . ( 上接第282 页 63 倍 ( Th - A 和 153 倍 ( Th - B , 从取样深度与施 短时期内的一个研究方向 . 入深度不一致来看 , 以

30、及在第 40 d 从地表下 8 cm 处取样来看 ,处理小区中的木霉菌量比空白对照高 出很多倍 ,表明两个木霉菌株在土壤中有很强的定 参 考 文 献 1 徐同 . 木霉分子生物学研究进展 J . 真 菌 学 报 , 1996 ,15 (2 :143 - 148. 2 PAPAVIZAS G C. Trichoderma and Gliocladium : biology , topathol. ,1985 ,23 :23 - 54. 殖能力 ,以及从施入土层向地表扩展 , 具有很强的 扩展能力 .特别是木霉 Th - B 的定殖能力和扩展 能力明显优于 Th - A. 然而 , 从空白对照来看 , 土 壤中有相当数量的木霉菌 ,