基于DEM的干暖河谷地貌类型划分-以汉源县为例

基于DEM的干暖河谷地貌类型划分 以汉源县为例摘要：指出了地貌是自然地理环境的最基本要素之一，在地学研究中起着重要作用$较之传统的地貌学分类，基于DEM数据划分地貌类型的方法更全面、准确$以30mh30m的GDEMDEM数据为基础，以高程和地形起伏度为指标对该地区地貌形态进行了划分，结果显示：地形起伏度最佳统计分析窗口面积为0.15km2，汉源地区的整体地貌特点为：东、西两面山地环绕，逐渐向中部倾斜$该地区地貌类型多样，共划分出9种地貌形态$以该区进行地貌类型划分的尝试，具有典型代表性，为基于DEM的地貌类型的快速定量系统划分提供了经验与方法，分类结果与实际地貌类型相符，对该地区水土流失的治理与研究具有参考价值$关键词：地貌分类；数字高程模型'地形起伏度'均值变点法1引言地貌作为地球表层系统中最基本的组成要素之一，直接影响着其他自然要素，并在一定范围内影响着自然环境的分异'1（,它是地理学研究的核心和基础[2]&营力过程的复杂多样致使地貌被塑造成不同类型，而地貌类型及其区域差异是研究自然环境空间变化和揭示地貌形成内在机理的重要内容[3]，全面和科学地进行地貌类型划分很有必要&地貌分类体系是反映地貌信息的科学基础，目前地貌分类大都采用多指标组合的方式，如地貌形态（地形起伏度、坡度、海拔等地形因子）、营力成因（外营力或内营力）、物质分异和历史演化过程等方面传统地貌分类与制图主要采用地形图判读、野外考察等方法，不仅工作量大，而且效率较低[4]&随着地理信息技术的发展，以数字高程模型（digitalelevationmodel，DEM）为数据源的数字地形信息处理已成为定量开展地貌分类研究的热点[5]&同时，“3S”技术的应用也为地貌分类研究引入了新的技术手段，可结合DEM与遥感分类进行地貌类型自动划分[3,6]o在刻画真实地形时，只考虑单一因子划分地形存在片面性，为了更准确、客观地描述地貌类型，本文拟采用空间叠加分析方法，以30m分辨率的GDEMDEM为数据源，以地形起伏度和高程为基础对地貌类型划分&并且拟采用均值变点法计算汉源地区地形起伏度的最佳统计分析窗口&汉源县地处长江上游的大渡河流域，近年来，两岸水土流失极为严重，生存环境不断恶化。因此，对该地区的地貌类型和格局进行探究，可为水土保持的规划、防治提供基础依据和背景数据，也为西南地区干旱河谷的治理提供科学参考&2研究区概况汉源干暖河谷位于四川省雅安市西南部（图1）'@（，区域地理位置为102°16'〜103°00'E,29°05'〜29°43'N,面积约为2388km2[8]o区域内年均温差较小，东南季风经大相岭阻隔，西南季风经小相岭阻隔，海风只能从东南部大渡河的谷口进入，因而该地水汽不多，属川西南山地亚热带气候，其年均降水量为741.8mm，列雅安市最低值，全年降水量的80%〜90%集中于6〜9月，土壤类型以棕壤、石灰岩土、暗棕壤、紫色土和山地草甸土为主[9]&汉源县地处横断山脉北段东缘，长江上游，大渡河横穿县域东西，流沙河纵贯南北，形成了四周高山环绕，中部河谷低平的地势'=（，特殊的地貌基础使得该区极易形成滑坡和泥石流等山地灾害&102。20,0”东 102。40'0"东 103。0'0”东102。20,0”东 102。20,0”东 102。40,0"东 103。0,0”东图1研究区位置*00寸。6ZM00Z06Z3数据来源与研究方法3.1数据来源本研究所使用的DEM数据(GDEMDEM),来源于地理空间数据云平台网站(http:〃/)&数据分辨率为30mX30m,空间参考为WGS_1984,以及投影类型为UTM(通用横轴墨卡托投影)&将获取的DEH数据，在ArcMapl0.2中以汉源县矢量边界为要素按掩膜进行提取，获得汉源地区DEM基础数据&3.2研究方法3.2.1汉源干暖河谷地貌形态分级体系的建立中国基本地貌形态主要为平原、盆地、丘陵、山地和高原五大类型［10］,而地表相对起伏度和地貌面海拔在宏观上体现了地貌内营力作用的特征和性质，是最基本的地貌形态指标［1113］&本研究基于多尺度数字地貌等级分类方法(13)和中国陆地1:100万数字地貌分类体系［2］,以地形起伏度与海拔高度为基本指标对地貌类型进行逐级划分&依据地表高度的起伏变化将地表形态划分为平坦地、丘陵、低起伏山地、中起伏山地和高起伏山地5个宏观地貌形态亚纲，再将基本形态地貌所处的海拔高度以低海拔、中海拔、亚高海拔和高海拔分为5个地势等级亚纲，并将上述两个地貌亚纲组合，组成汉源20个基本地貌形态类型(表1)。表1 汉源县地貌基本形态类型分类起伏度高程/m低海拔(#1000)中海拔(1000〜2000)亚高海拔(2000〜3500)高海拔(&3500)微起伏(V30m)低海拔平坦地中海拔平坦地亚高海拔平坦地高海拔平坦地缓起伏(30〜200m)低海拔丘陵中海拔丘陵亚高海拔丘陵高海拔丘陵低起伏(200〜400m)低起伏低山低起伏中山低起伏亚高山低起伏高山中起伏(400〜600m)中起伏低山中起伏中山中起伏亚高山中起伏高山高起伏((600m)高起伏低山高起伏中山高起伏亚高山高起伏高山3.2.2 最佳统计单元提取根据起伏高度的基本原理，存在一个最佳统计单元，可使统计单元内最高和最低点之高差达到相对稳定［15］，因此在提取汉源地区起伏度时，关键是计算出最佳统计单元&常用的求点方法有人工判断法、最大高差法、模糊数学法和均值变点法［15］，本文拟采用均值变点法，此方法多用于地形起伏度的求算，它对仅一个变化点的检验最为有效［16］&其中的变点是：设!.，.=1，•••,3｝为非线性系统的序列，此序列会在某未知时刻突然变化且变化较大，该时刻即为变点&变点的计算主要如下：对于有序数列!.，.=1，…，3｝，为样本数，样本被分为两段，且以！，点为边界；分别计算出每段样本的算术平均值&、<及样本均值，并计算以下统计量：S=V''"'1(!—<)2土亍3(!一<)2 (1)#—；3］!：—<)! (2)在(1)、(2)式中，4—1，2，+，-+2—：，：+1，…，3。变点的存在会增加#与#:之差，两者最大差值相对应的点称为变点&本研究所用样本是不同网格单元面积下对应的平均地形起伏度结果值&4结果与讨论4.1最佳统计单元的求算本次试验运用汉源地区DEM数据，在ArcMapl0.2的空间分析模块中，使用窗口递增算法来计算研究区中地形起伏度的最佳统计面积&分析窗口类型选择矩形，并依次计算nhn(n=2,3，+，32)像元各邻域内平均地形起伏度，作为对应窗口地形起伏度的结果值，计算结果见表2&表2研究区网格单元与平均起伏度对应关系网格大小面积/X104m2平均起伏度/m网格大小面积/X104m2平均起伏度/m网格大小面积/X104m2平均起伏度/m2X20.3619.5513X1315.21209.4224X2451.84354.823X30.8138.8814X1417.64224.2825X2556.25367.574X41.4457.8915X1520.25238.4826X2660.84379.215X52.2576.4816X1623.04252.5027X2765.61391.726X63.2494.5817X1726.01266.6728X2870.56400.517X74.41112.4018X1829.16280.0829X2975.69413.928X85.76129.5019X1932.49292.8430X3081.00424.099X97.29146.5020X2036.00305.8031X3186.49435.7210X109.00162.5321X2139.69319.4832X3292.16445.5211X1110.89178.6422X2243.56331.1712X1212.96194.0123X2347.61343.84对表2中的数据进行统计分析，拟合出不同统计单(图2)拟合方程为y=85.7021n(!)+12.755，拟合系元面积与平均地形起伏度的关系，得到二者关系曲线数N2=0.9359,拟合度较高&由拟合曲线可以看出，当图3 -和Si的差值变化曲线图5图3 -和Si的差值变化曲线图5各地貌类型面积所占比40%30%20%10%0%°低起伏高山低起伏亚高山低起伏中山低起伏低山亚高海拔丘陵中海拔丘陵低海拔丘陵中海拔平坦地低海拔平坦地统计单元的面积小于10X105m2时，研究区内平均地形起伏度随着统计单元面积增大而增大,且变化幅度较大；在（10〜30）X105m2之间时，曲线上出现了平均地形起伏度增加由陡变缓的突变点;当其大于30X104m2时，平均地形起伏度随着统计单元面积增大而增大的趋势逐渐变缓，而突变点所对应面积即是最佳统计单元面积％通过公式（1）和（2）的计算得到图3所示曲线，-和Si之差在第12个序列点的时候最大，即该序列点所对应的统计单元大小即为最佳统计单元％由表1可知，第12个序列点对应的是13X13像元，即面积为0.15km2的格网大小为地形起伏度的最佳统计单元％图2网格单元面积与地形起伏度的关系4.2汉源干暖河谷地貌形态划分将起伏度数据和高程数据按照地貌形态指标重分类后进行叠加分析，并将面积过小的地貌单元合并到相邻地貌单元里，最后得到汉源干暖河谷的地貌形态分布图（图5）汉源干暖河谷地处横断山脉北段东缘，是川西高原与四川盆地之间的过渡地带，海拔虽高，但地形起伏度不大，表现出了低起伏中山、亚高山的地貌特征%如图所示，该地区共有9种海拔和起伏度组合形态，低起伏亚高山与低起伏中山主要分布在境内东西两侧，东边有大相岭、蓑衣岭等一系列的高峰;西边分布有飞越岭、小相岭、鸡冠山、马鞍山等山峰％中海拔丘陵与亚高海拔丘陵集中于中部地区，主要沿大渡河与流沙河两侧分布％在大渡河的东段，河流较多且经过长期的切割作用，表现出低起伏亚高山与低起伏中山的地貌特征，不受河流切割影响的地带则表现出亚高海拔丘陵的地貌特征％低海拔平坦地、低海拔丘陵、低起伏低山、中海拔平坦地和低起伏高山在此区域内也有少量分布％可以看出，汉源地区地貌类型分布与河流、山地的分布具有一定相关性，汉源地区的整体地貌特点为：东、西两面山地环绕，逐渐向中部倾斜％将各类地貌面积进行统计得出图5,从中可见：汉源地区的地貌类型以山地为主；低起伏亚高山、中海拔丘陵、低起伏中山和亚高海拔丘陵所占面积比例较大，分别约占研究区面积的31.77%&25.25%&21.37%、15.92%，共占研究区面积的93.30%;而其余5种地貌类型共占总面积的6.70%，占比较少％0510km，0510km，，，图例—河流■低海拔平坦地■中海拔平坦地■低海拔丘陵中海拔丘陵亚局海拔丘陵=1低起伏低山■低起伏中山■低起伏亚高山■低起伏高山图4基于DEM的汉源数字地貌格局5结论（1） 利用汉源地区30m分辨率的GDEMD