不同DEM分辨率下影響三臺縣水土流失的地形因子分析

羊秀娟　黎武　楊曉

摘 要：地形因子是認識地形地貌特征的重要的參數。該文以三臺縣為例，基于不同分辨率下的DEM數據，提取坡度、坡向、曲率、地表粗糙度，對結果進行統計分析。分析結果不僅可以認識三臺縣的地形地貌特征，還可以為區域水土保持工作提供一定的依據。

關鍵詞：三臺縣；DEM；分辨率；地形因子；水土流失

中圖分類號 S157 文獻標識碼 A 文章編號 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

數字高程模型（DEM）通過離散高程點對連續變化的地表高程進行定量表達，是最為重要的空間信息類型之一[1]。數字地形分析是在數字高程模型DEM上進行地形屬性計算和特征提取得數字地形信息處理技術[2]。地形分析是地形環境認知的一種重要手段，從地形分析可分為兩大類：基本地形因子如坡度、坡向、粗糙度的計算，復雜的地形分析包括地形特征如鞍部和徑流節點的提取、水系特征提取、水文分析等[3]。DEM分辨率對地形特征的提取有不確定性作用。一定分辨率的DEM所表達信息量應該最大限度地接近原始數據的信息量，因而選擇合適的DEM分辨率是數字地形分析的關鍵[4]。DEM分辨率不同，其對地形特征信息概括的程度也不同，因此研究DEM分辨率對數字地形分析有重要意義。數字高程模型是地形曲面的數字化表達。數字高程模型是對有限的地形高程表面數據實現地形表面情況的數字化模擬，可以說是對地形表面形態進行數字化[5]。DEM是地理信息系統地理數據庫中很重要的空間信息資料和賴以進行地形分析的核心數據系統。

本文以空間分辨率30m的GDEMDEM和空間分辨率90m的SRTMDE為基礎數據源，其中將30m分辨率重采樣成60m，運用這3種不同分辨率的DEM數據，進行數字地形分析。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系，為區域數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 研究區概況

三臺縣（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，地形以平壩、丘陵為主，地勢傾斜為北高南低，東高西低，較平緩，境內海拔高度多在307.2～672m之間，坡耕地有5.25hm2，水土流失情況較嚴重。三臺縣為亞熱帶季風性氣候，氣候溫和，四季分明，雨熱同季，縣域面積2659.38km2（圖1）。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源與預處理 本文選取GDEMDEM與SRTMDEMUTM數據，GDEMDEM空間分辨率為30m，SRTMDE空間分辨率為90m，將30m的DEM數據重采樣60m的數據。在ArcGIS10.1中對這兩種類型的數據進行拼接，用三臺縣矢量邊界去裁剪拼接后的DEM數據，獲得三臺縣DEM數據。

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3種不同的分辨率的DEM數據進行分析。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，再利用表格進行各個因子的統計分析。

3 結果與分析

3.1 不同分辨率下的坡度分析 坡度是指過地表任意一點的切平面與水平地面的夾角[6]。地面任意一點都是有坡度的，坡度的大小直接影響地表的物質流動與能量轉換，所以坡度的大小對水土流失影響較大。為了對三臺縣水土保持有一個基本的認識，對坡度進行科學合理的研究，建立一個科學合理的坡度分級顯得尤為重要。因研究目的不同，通常對地面坡度進行不同的分級，則得到不同的坡譜表達。常見的坡度分級方法有主觀分級法，臨界坡度分級法，模式分級法[7]。三臺縣多為丘陵地區，地勢起伏較小，本文根據實際情況采取模式分級法對三臺縣區域分為6級（0°～3°、3°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、≥25°）通過對3種不同分辨率DEM坡度分析之后，再進行重分類。統計每個分類所占得柵格數的百分比見（表1）。從表1可以看出當分辨率為30m時，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%。說明在30mDEM分辨率的情況下三臺縣整體地勢較平緩，且無巨大的起伏，幾乎無陡峭山地。60m時，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%。當分辨率為90m時，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%。從整體來看，隨著分辨率的下降較陡地區所占的比例不斷下降，坡度越發的平緩。這主要原因是分辨率的粗略化，對地形的描述概括趨于簡化。即隨著分辨率的降低，對地形的描述越來越粗糙，概括性越來越高，地形整體趨于平坦。

由表2可知，提取坡度因子最大值與標準差隨著分辨率的降低也下降。由于DEM分辨率降低，對地表的描述更加粗略，使得地表平滑。DEM分辨率對坡度的提取影響較大，為了對地形有更好的認識，更好的開展水土保持工作，應該選取合適的DEM對地表進行模擬。

從圖2可以看出，三臺縣的坡度空間分布規律為：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了地勢的變化。西北部地形起伏相對小，坡度較小，整個三臺縣地形起伏較小，坡度整體較小。

3.2 不同分辨率下的坡向分析 坡向是地表上一點的切平面的法線矢量n在水平面nxoy與過該點的正北方向的夾角[8]。在對坡向的分析過程中，對坡向的值進行了規定，通常以正北方向為0°，順時針一周360°。在ArcGIS10.1中坡向從0°開始，所以對坡向分為了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°），各方向占得比重見表3。從表3可以看出，坡向各個方向所占的柵格比例有所上升，分辨率的降低對地形的描述下降，使得各個方向的識別不清晰。表4是坡向的基本信息，分辨率下降標準差變小，平均值無特殊變化。

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，可以反應地面復雜程度[11]。試驗區不同分辨率的曲率情況統計情況表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，其余的變化沒多大的規律可循，不同分辨率對曲率的影響不大。

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重要的參數[12]。本文利用ArcGIS10.1的空間分析（spatial analyst）模塊下的的柵格計算器提取粗糙度。從表6可以看出，隨著分辨率的降低，粗糙度的最小值沒有變化，最大值、平均值與標準差都逐漸變小，這是因為隨著DEM分辨率的降低，對地表的概括程度加大，地表信息越完整，地表顯得越平滑。

4 結論與討論

運用DEM提取坡度、坡向、曲率、粗糙度等地形因子指標，比較細致的揭示了不同分辨率下的三臺縣坡面形態的特征，有利于對區域地貌地形特征的認識。通過對3種不同分辨率的DEM數據地形因子提取，分析發現數據的結果有一定的差異，這表明不同分辨率的DEM對提取結果的影響是很大的。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、標準差都在下降，數據變化比較一致，這是由于DEM分辨率越低，其對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，說明DEM分辨率對坡度和地表粗糙度的提取結果的影響較大。其中隨著分辨率的下降，提取的坡向在各個方向的比例變大、曲率變化不大，說明DEM分辨率對曲率的影響較小。DEM在對數字地形分析具有重要的意義，以DEM為基礎數據源分析區域地形因子，可以認識區域地貌地形的特征特點、地貌發育階段以及土壤侵蝕規律。地形因子可以定量反映區域水土流失，分析地形因子有助于區域水土流失的認識與治理。

參考文獻

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