不同DEM分辨率下影響三臺(tái)縣水土流失的地形因子分析

羊秀娟　黎武　楊曉

摘 要：地形因子是認(rèn)識(shí)地形地貌特征的重要的參數(shù)。該文以三臺(tái)縣為例，基于不同分辨率下的DEM數(shù)據(jù)，提取坡度、坡向、曲率、地表粗糙度，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。分析結(jié)果不僅可以認(rèn)識(shí)三臺(tái)縣的地形地貌特征，還可以為區(qū)域水土保持工作提供一定的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三臺(tái)縣；DEM；分辨率；地形因子；水土流失

中圖分類號(hào) S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）12-0091-03

Abstract：Terrain factor is an important parameter to understand the features of topography and geomorphology.Taking Santai County as an example，the spatial resolution，based on the DEM data of different resolutions，extracted the slope，aspect，curvature and surface roughness，and analyzed the statistical results.The analysis results can not only recognize the features of topography and geomorphology in Santai County，but also provide a basis for regional water and soil conservation work.

Key words：Santai County；DEM；Resolution；Topographic factors；Soil erosion

數(shù)字高程模型（DEM）通過(guò)離散高程點(diǎn)對(duì)連續(xù)變化的地表高程進(jìn)行定量表達(dá)，是最為重要的空間信息類型之一[1]。數(shù)字地形分析是在數(shù)字高程模型DEM上進(jìn)行地形屬性計(jì)算和特征提取得數(shù)字地形信息處理技術(shù)[2]。地形分析是地形環(huán)境認(rèn)知的一種重要手段，從地形分析可分為兩大類：基本地形因子如坡度、坡向、粗糙度的計(jì)算，復(fù)雜的地形分析包括地形特征如鞍部和徑流節(jié)點(diǎn)的提取、水系特征提取、水文分析等[3]。DEM分辨率對(duì)地形特征的提取有不確定性作用。一定分辨率的DEM所表達(dá)信息量應(yīng)該最大限度地接近原始數(shù)據(jù)的信息量，因而選擇合適的DEM分辨率是數(shù)字地形分析的關(guān)鍵[4]。DEM分辨率不同，其對(duì)地形特征信息概括的程度也不同，因此研究DEM分辨率對(duì)數(shù)字地形分析有重要意義。數(shù)字高程模型是地形曲面的數(shù)字化表達(dá)。數(shù)字高程模型是對(duì)有限的地形高程表面數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地形表面情況的數(shù)字化模擬，可以說(shuō)是對(duì)地形表面形態(tài)進(jìn)行數(shù)字化[5]。DEM是地理信息系統(tǒng)地理數(shù)據(jù)庫(kù)中很重要的空間信息資料和賴以進(jìn)行地形分析的核心數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

本文以空間分辨率30m的GDEMDEM和空間分辨率90m的SRTMDE為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，其中將30m分辨率重采樣成60m，運(yùn)用這3種不同分辨率的DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字地形分析。提取不同分辨率下的坡度、坡向、曲率、粗糙度的地形因子，分析地形因子與水土流失的關(guān)系，為區(qū)域數(shù)字地形分析與水土流失的定量研究提供可靠的理論支持。

1 研究區(qū)概況

三臺(tái)縣（30°42′～31°24′N，104°42′～105°8′E），位于四川盆地東北部，屬川中丘陵地區(qū)，地形以平壩、丘陵為主，地勢(shì)傾斜為北高南低，東高西低，較平緩，境內(nèi)海拔高度多在307.2～672m之間，坡耕地有5.25hm2，水土流失情況較嚴(yán)重。三臺(tái)縣為亞熱帶季風(fēng)性氣候，氣候溫和，四季分明，雨熱同季，縣域面積2659.38km2（圖1）。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理 本文選取GDEMDEM與SRTMDEMUTM數(shù)據(jù)，GDEMDEM空間分辨率為30m，SRTMDE空間分辨率為90m，將30m的DEM數(shù)據(jù)重采樣60m的數(shù)據(jù)。在ArcGIS10.1中對(duì)這兩種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，用三臺(tái)縣矢量邊界去裁剪拼接后的DEM數(shù)據(jù)，獲得三臺(tái)縣DEM數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法 利用ArcGIS10.1中的空間分析（Spatial Analyst）中的表面分析（Surface Analyst）對(duì)3種不同的分辨率的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分別提取坡度、坡向、平面曲率、坡面曲率、地表粗糙度地形因子，再利用表格進(jìn)行各個(gè)因子的統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同分辨率下的坡度分析 坡度是指過(guò)地表任意一點(diǎn)的切平面與水平地面的夾角[6]。地面任意一點(diǎn)都是有坡度的，坡度的大小直接影響地表的物質(zhì)流動(dòng)與能量轉(zhuǎn)換，所以坡度的大小對(duì)水土流失影響較大。為了對(duì)三臺(tái)縣水土保持有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，對(duì)坡度進(jìn)行科學(xué)合理的研究，建立一個(gè)科學(xué)合理的坡度分級(jí)顯得尤為重要。因研究目的不同，通常對(duì)地面坡度進(jìn)行不同的分級(jí)，則得到不同的坡譜表達(dá)。常見(jiàn)的坡度分級(jí)方法有主觀分級(jí)法，臨界坡度分級(jí)法，模式分級(jí)法[7]。三臺(tái)縣多為丘陵地區(qū)，地勢(shì)起伏較小，本文根據(jù)實(shí)際情況采取模式分級(jí)法對(duì)三臺(tái)縣區(qū)域分為6級(jí)（0°～3°、3°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、≥25°）通過(guò)對(duì)3種不同分辨率DEM坡度分析之后，再進(jìn)行重分類。統(tǒng)計(jì)每個(gè)分類所占得柵格數(shù)的百分比見(jiàn)（表1）。從表1可以看出當(dāng)分辨率為30m時(shí)，提取的坡度值多集中在0°～15°，占總比重的85.86%，特別是5°～15°占總值的50.41%，而15°以上才占總比重的14.13%。說(shuō)明在30mDEM分辨率的情況下三臺(tái)縣整體地勢(shì)較平緩，且無(wú)巨大的起伏，幾乎無(wú)陡峭山地。60m時(shí)，提取的坡度值也多集中在0°～15°之間，占總比重的88.85%，5°～15°占總值的49.63%，15°以上才占總比重的11.15%。當(dāng)分辨率為90m時(shí)，提取的坡度值也多集中在0°～15°，占總比重的88.6%，5°～15°占總值的51.72%，15°以上占總比重的11.4%。從整體來(lái)看，隨著分辨率的下降較陡地區(qū)所占的比例不斷下降，坡度越發(fā)的平緩。這主要原因是分辨率的粗略化，對(duì)地形的描述概括趨于簡(jiǎn)化。即隨著分辨率的降低，對(duì)地形的描述越來(lái)越粗糙，概括性越來(lái)越高，地形整體趨于平坦。

由表2可知，提取坡度因子最大值與標(biāo)準(zhǔn)差隨著分辨率的降低也下降。由于DEM分辨率降低，對(duì)地表的描述更加粗略，使得地表平滑。DEM分辨率對(duì)坡度的提取影響較大，為了對(duì)地形有更好的認(rèn)識(shí)，更好的開(kāi)展水土保持工作，應(yīng)該選取合適的DEM對(duì)地表進(jìn)行模擬。

從圖2可以看出，三臺(tái)縣的坡度空間分布規(guī)律為：東北與東南坡度高，西部較低，河流沿西北東南向，坡度的空間差異反應(yīng)了地勢(shì)的變化。西北部地形起伏相對(duì)小，坡度較小，整個(gè)三臺(tái)縣地形起伏較小，坡度整體較小。

3.2 不同分辨率下的坡向分析 坡向是地表上一點(diǎn)的切平面的法線矢量n在水平面nxoy與過(guò)該點(diǎn)的正北方向的夾角[8]。在對(duì)坡向的分析過(guò)程中，對(duì)坡向的值進(jìn)行了規(guī)定，通常以正北方向?yàn)?°，順時(shí)針一周360°。在ArcGIS10.1中坡向從0°開(kāi)始，所以對(duì)坡向分為了9類北坡[9]（0～22.5°、337.5°～360°）、東北坡（22.5°～67.5°）、東坡（67.5°）、東南坡（112.5°～157.5°）、南坡（157.5°～202.5°）、西南坡（202.5°～247.5°）、西坡（247.5°～292.5°）、西北坡（292.5°～337.5°）以及平緩坡（-1°），各方向占得比重見(jiàn)表3。從表3可以看出，坡向各個(gè)方向所占的柵格比例有所上升，分辨率的降低對(duì)地形的描述下降，使得各個(gè)方向的識(shí)別不清晰。表4是坡向的基本信息，分辨率下降標(biāo)準(zhǔn)差變小，平均值無(wú)特殊變化。

3.3 不同分辨率下的曲率分析 曲率是指地表一點(diǎn)扭曲變化的程度的定量化度量因子，它在垂直與水平的兩個(gè)方向上的分量分別稱為平面曲率和剖面曲率[10]。剖面曲率是對(duì)地面坡度的沿最大坡降方向地面高程變化率的度量，可以反應(yīng)地面復(fù)雜程度[11]。試驗(yàn)區(qū)不同分辨率的曲率情況統(tǒng)計(jì)情況表5。從表5可以看出，剖面曲率的最小值隨分辨率的降低值變大，其余的變化沒(méi)多大的規(guī)律可循，不同分辨率對(duì)曲率的影響不大。

3.4 不同分辨率下的地表粗糙度分析 地表粗糙度是地表單元的表面面積與其在水平面上的投影面積的比值，可以表示地面的起伏變化和地表的侵蝕程度，粗糙度是定量研究水土流失一個(gè)重要的參數(shù)[12]。本文利用ArcGIS10.1的空間分析（spatial analyst）模塊下的的柵格計(jì)算器提取粗糙度。從表6可以看出，隨著分辨率的降低，粗糙度的最小值沒(méi)有變化，最大值、平均值與標(biāo)準(zhǔn)差都逐漸變小，這是因?yàn)殡S著DEM分辨率的降低，對(duì)地表的概括程度加大，地表信息越完整，地表顯得越平滑。

4 結(jié)論與討論

運(yùn)用DEM提取坡度、坡向、曲率、粗糙度等地形因子指標(biāo)，比較細(xì)致的揭示了不同分辨率下的三臺(tái)縣坡面形態(tài)的特征，有利于對(duì)區(qū)域地貌地形特征的認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)3種不同分辨率的DEM數(shù)據(jù)地形因子提取，分析發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果有一定的差異，這表明不同分辨率的DEM對(duì)提取結(jié)果的影響是很大的。其中隨著分辨率的下降，提取的坡度和粗糙度的最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差都在下降，數(shù)據(jù)變化比較一致，這是由于DEM分辨率越低，其對(duì)地形的概括程度越高，地形的起伏也平緩，使得坡度和粗糙度降低，說(shuō)明DEM分辨率對(duì)坡度和地表粗糙度的提取結(jié)果的影響較大。其中隨著分辨率的下降，提取的坡向在各個(gè)方向的比例變大、曲率變化不大，說(shuō)明DEM分辨率對(duì)曲率的影響較小。DEM在對(duì)數(shù)字地形分析具有重要的意義，以DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源分析區(qū)域地形因子，可以認(rèn)識(shí)區(qū)域地貌地形的特征特點(diǎn)、地貌發(fā)育階段以及土壤侵蝕規(guī)律。地形因子可以定量反映區(qū)域水土流失，分析地形因子有助于區(qū)域水土流失的認(rèn)識(shí)與治理。

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