基于DEM數據的地貌分類研究
——以西秦嶺為例

常直楊，王 建,2，白世彪,2，梁 中

(1.南京師范大學 地理科學學院，江蘇 南京 210046；2.南京師范大學 虛擬地理環境教育部重點實驗室，江蘇 南京210046)

地貌是自然地理環境中最基本的要素之一，在一定區域內，地貌與其他自然地理要素如氣候、水文、植被、土壤等的相互關系中，地貌條件往往起著重要作用[1]。傳統的地貌學分類，通常是基于對地形圖的判讀，結合對野外的考察來完成的，不僅費時費力，而且很難做到全面、準確、系統、定量。而基于DEM數據的地貌分類省時省力，可以做到標準一致、系統統一、定量準確。但是如何利用DEM數據進行地貌類型的劃分，還需要進行一些嘗試和探索。

西秦嶺地區地勢起伏較大，地貌類型多樣，具有典型代表性，以該區進行地貌類型劃分的嘗試，可以為今后地貌類型的定量、快速、系統劃分提供依據和方法。另外，該地區地質構造活躍，多滑坡和泥石流等地質災害(舟曲特大泥石流就發生于此)，因此對該區地貌類型和格局的研究，將會為滑坡、泥石流災害的防治提供基礎依據和背景數據。

20世紀50至60年代，已有學者基于地貌格局研究的傳統方法——野外調查法，對秦嶺地區的地理概觀、地貌結構進行了研究[2-4]。近些年，“3S”技術的引入為地貌格局的研究提供了新的技術手段，國內外已有不少研究成果[5-11]。高程和地勢起伏度是描述地貌形態的2個最重要的因子，是山地結構和格局研究的重要指標，同時高程能揭示不同海拔山地熱量、水分、生物、土壤的垂直差異，起伏度能揭示坡面環境能量特征和環境災害危險性程度[12]，因此對高程和起伏度的有效劃分是建立地貌形態識別的關鍵。其中，地勢起伏度是指在某一確定面積內所有柵格中最大高程與最小高程之差，是描述一個區域地面高差的一個有效指標，其準確獲取的關鍵是求算最佳統計窗口[9,12-13]。同時，不同的研究區應選取不同的地理指標，指標選取應體現研究區的地貌特點。

我們在研究西秦嶺地貌格局時，采用均值變點分析法求取了西秦嶺地區地勢起伏度的最佳統計分析窗口，并對該結果進行了討論。結合實際地貌，為了讓西秦嶺南、北坡及徽成盆地體現出地貌單元的差異，利用地勢起伏度和高程兩個參數建立了西秦嶺的地貌形態分級體系，得出14種地貌形態，為西秦嶺地貌形態的進一步研究提供了基礎，以期為西秦嶺地區水土流失、地質災害等防治提供定量化的地貌研究基礎數據。

1 研究區概況

研究區位于陜西秦嶺以西，甘南山地高原以東，洮、渭河谷地以南，白龍江谷地以北，主體位于甘肅省隴南地區，經緯度為102°11′—107°8′E、32°20′—34°48′N(圖1)，面積約46 394 km2，全區均為山地。氣候暖濕，徑流豐富，地表風化物和松散堆積物很厚。

在地質構造上，西秦嶺屬于昆侖-秦嶺地槽褶皺系，習慣上分為北秦嶺(北坡)、徽成盆地和南秦嶺(南坡)，海拔450—4 591 m。北秦嶺主脈為洮渭分水嶺，呈北西—東南走向；徽成盆地是以徽縣和成縣為主體的盆地，從地質構造和宏觀的地貌上說是個東西向延伸的盆地；南秦嶺位于徽成盆地以南至白龍江谷地以北，是一個山體結構極其復雜的山地[14]。

圖1 西秦嶺位置

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

所使用的數字高程模型數據(SRTM3-DEM)下載自中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據服務平臺(http://datamirror.csdb.cn)，經過投影轉換、拼接、重采樣、裁切而成，格網大小為90 m×90 m，數據格式為ArcGIS的grid格式。該DEM高程基準為EGM96，水平基準為WGS-1984，源數據是由美國“奮進”號航天飛機搭載SRTM系統獲取的雷達影像處理而得，所采集的地面高程包括了植被和建筑物等的高程，但對于地形復雜的西秦嶺整體地貌形態的劃分來說，影響不大，所以可以使用該數據。

2.2 研究方法

2.2.1 西秦嶺地貌形態分級體系的建立

西秦嶺的南、北坡及盆地之分是根據ArcGIS中山脊線和山谷線的提取方法繪制而成的。若基于中國1 ∶100萬地貌圖圖例[1]說明，按照起伏度和高程的劃分原則劃分，則發現起伏度<100 m的平原和臺地面積相對于西秦嶺面積來說微乎其微，而小起伏中山占據了研究區絕大部分面積，使得西秦嶺北坡和徽成盆地的地貌形態連成一體，不能夠很好地區分開北坡和徽成盆地的差異。可以肯定基于1 ∶100萬的地貌劃分方法在全國范圍具有指導意義，但具體應用到某區域時存在局限性，應結合實際地貌進行劃分。為了體現西秦嶺南、北坡及盆地的地貌差異，通過對比試驗，得出了比較適合西秦嶺的地貌形態分類分級體系，如表1所示。

表1 西秦嶺地貌基本形態類型分類

2.2.2 最佳統計窗口求取

根據地貌發育的基本理論，存在一個使最大高差達到相對穩定的最佳統計窗口[13]，在提取西秦嶺起伏度、切割度的時候，要確定出最佳統計窗口。常用的方法有人工作圖法、最大高差法、模糊數學法和均值變點法[9]，本文所采用的方法是均值變點法，該方法對恰有一個變點的檢驗最為有效[15]。對于該方法，作者已在文獻[16]中進行了較為詳細的介紹。

3 結果與討論

3.1 最佳統計單元的求算

利用西秦嶺SRTM3-DEM數據，在ArcMap9.3的空間分析模塊中，使用窗口遞增算法，以n×n(n=3，5，…，31)像元的矩形作為模板算子，計算各鄰域內平均地勢起伏度，作為對應窗口地勢起伏度結果值，結果見表2。

表2 平均起伏度與統計單元大小對應關系

在SPSS中對表2所獲得的數據進行統計分析，擬合不同統計單元面積S與平均地勢起伏度t的關系，得到統計單元與地勢起伏度的關系曲線，見圖2。擬合方程為y=95.657lnx+262.81，擬合系數R2=0.972 2，擬合度滿意。

通過MATLAB編程，對表2數據進行處理，處理方法見文獻[16]，通過計算得圖3所示曲線，S和Si之差在第7個差值，即在第8個序列點的時候最大，達到12.78左右，該序列點所對應的統計單元大小即為最佳統計單元。由表1可知，第8個序列點對應的是17×17像元，即面積為2.34 km2的格網大小為最佳統計單元。

圖2 統計單元與地勢起伏度的關系

圖3 S和Si的差值變化曲線

與涂漢明等[13,17]研究的中國地勢起伏度最佳統計單元相比，首先，本研究在研究區域選擇上有較好的改進。其在全國共布7條穿越線，以1 ∶20萬地形圖作為數據采集工作圖，利用人工讀圖法獲得全國600個樣點，并以兩個小區作為補充；本研究選取了起伏度大的西秦嶺DEM，在ArcMap里能夠利用窗口遞增法快捷地對DEM中柵格進行遍歷運算，排除一定的人為主觀因素。其次，本研究在計算最佳統計窗口時，采用均值變點分析法，該方法適用于有一個變點的序列，能夠準確地求出拐點，與涂漢明等所得出的全國最佳統計窗口為21 km2相比，可以得出更適合西秦嶺的最佳統計窗口面積為2.34 km2。但是，該方法也有一定的局限性，當以某一點為中心的窗口內包含了所在山體的山頂上某一點與山腳某一點時，隨著窗口的增大，高差已經增加不多，這樣求出的拐點所對應的統計單元會偏小，不符合山體完整性原則。綜上所述，雖然利用ArcMap窗口分析法所求得的最佳統計單元面積可能會偏小，但這仍然是求取最佳統計窗口面積特別是小范圍研究區較佳的方法。

3.2 西秦嶺地貌形態劃分

將起伏度數據和高程數據按照地貌形態指標進行數據融合，去除零值和面積小于柵格分辨率的斑塊數據，可得到初步地貌分類圖。同時考慮到某些地貌單元的面積過小，將其合并到相鄰的地貌單元里，進行平滑處理，最后得到14種地貌形態分布圖，如圖4所示。

基于DEM的西秦嶺數字地貌格局圖中，共有14種海拔和起伏度組合形態，無大起伏低山和大起伏中山地貌形態。將各地貌面積進行統計可得表3。其中，小起伏中山和小起伏亞高山所占面積比例最大，分別約占了總面積的31.80%、21.96%。另外，由圖4也可以看出：小起伏中山主要分布于徽成盆地；北坡以小起伏亞高山為主，這里分布有太子山、白石山、露骨山等一系列的高峰，向東經八盤山后，成為渭河與嘉陵江支流西漢水、永寧河的分水嶺，海拔降低，地貌特征表現為小起伏中山間有中海拔丘陵。另外，中起伏中山和中起伏亞高山也占據了研究區面積的1/5以上，南坡主要是由中起伏中山和中起伏亞高山構成。在白龍江的上游，地表經過長期的切割作用，表現出大起伏亞高山的地貌特征，不受河流切割影響的地帶則表現出中起伏亞高山的地貌特征。在研究區的西部地區，是若爾蓋高原盆地的一部分，海拔雖高，但地勢起伏度不大，以寬谷緩丘為主，表現出了高海拔丘陵、亞高山的地貌特征。另外，中海拔丘陵主要分布于徽成盆地中，小起伏高山和高海拔丘陵主要分布于北坡西部，大起伏山地分布于南坡；中起伏高山位于北坡和南坡交界處，是洮河支流與白龍江的分水嶺，這里還分布有一些面積較小的大起伏高山。

圖4 基于DEM的西秦嶺數字地貌格局

表3 西秦嶺地區各種地貌形態面積統計

4 結 論

(1)利用西秦嶺地區90 m分辨率的SRTM3-DEM數據，通過均值變點法分析得出，該區地勢起伏度的最佳統計單元面積為2.34 km2。

(2)依據西秦嶺地貌形態分級指標體系，劃分得到14種地貌形態，與傳統的地貌類型大致對應，但是系統性、定量化以及效率卻比傳統方法大大提高，從而為基于DEM的地貌類型的快速定量系統劃分提供了經驗與方法。

(3)南坡以中起伏亞高山為主；北坡以小起伏亞高山為主；盆地以小起伏中山、中海拔丘陵為主。南坡和北坡相比，北坡海拔高但起伏度小，南坡海拔低但起伏度大，南坡更易發生滑坡、泥石流。

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