基于DEM的湖南崀山丹霞地貌地形因子分析

肖清華+張慧峰+晏涵

摘要：崀山丹霞地貌區(qū)，位于湖南新寧縣縣城之南，是中國丹霞地貌成員之一。通過構(gòu)建崀山地區(qū)的數(shù)字高程模型（DEM），對(duì)比可見，TIN模型比GRD模型擁有更好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能更好的顯示山脈的細(xì)節(jié)。數(shù)據(jù)顯示，崀山地區(qū)300-400m高程區(qū)間占30.70%，在研究區(qū)有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。選擇兩個(gè)微觀地形因子進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，制作坡度圖和坡向圖，分別統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)坡度區(qū)間與優(yōu)勢(shì)坡向區(qū)間。

關(guān)鍵詞：DEM；Nd4；地形因子；丹霞地貌

0引言

地貌學(xué)是研究地表形態(tài)特征及其成因、演化、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律的科學(xué)。20世紀(jì)50年代以來，國外地貌學(xué)的發(fā)展與數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等結(jié)合愈來愈多，并逐步向定量和預(yù)測(cè)方向發(fā)展。近年來，地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)等新方法、新技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了地貌學(xué)的研究精度和質(zhì)量，而數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model），簡(jiǎn)稱DEM，就是其中的一個(gè)亮點(diǎn)。

數(shù)字高程模型是對(duì)地球表面地形地貌的數(shù)字表達(dá)、模擬，它以數(shù)字的形式按一定的結(jié)構(gòu)組織在一起，提供了一套地表三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用數(shù)字函數(shù)式表達(dá)為：Z=f（x，y），x、y為地面點(diǎn)坐標(biāo)，z為與之相對(duì)應(yīng)的高程。可以看出，這套數(shù)據(jù)，實(shí)際上是用來表述地表特征的離散點(diǎn)。這樣一來，地貌特征定量化研究就有了原始的數(shù)據(jù)源。以此為基礎(chǔ)，首先，DEM可以生成逼真的三維地貌，給人一種直觀的感受，能較真實(shí)的把握地貌整體形態(tài)；其次，精確的高程數(shù)據(jù)為基本地貌類型分類提供了直接的信息，諸如劃分平原、丘陵、山地等，張永民等就進(jìn)行了區(qū)域基本地貌形態(tài)類型計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類方法的嘗試：最后，利用原始的高程數(shù)據(jù)，通過一定的算法變換可以延伸出其它的數(shù)據(jù)信息。

在地貌學(xué)中，地形因子就屬于高程信息的一種衍生數(shù)據(jù)。地形因子從不同側(cè)面反映地貌特征，呈現(xiàn)出更豐富的地貌信息，大大增強(qiáng)了DEM在地貌學(xué)中的應(yīng)用。常用的地形因子劃分為微觀地形因子與宏觀地形因子兩種基本類型。微觀地形因子包括坡度、坡向、坡度變率、坡向變率、平面曲率、剖面曲率、坡長等，宏觀地形因子分為坡形因子、坡形粗糙度、地形起伏度、高程變異系數(shù)、地表切割深度等。本文試圖用地形因子來研究崀山丹霞地貌。

丹霞地貌是一種具有典型特征的紅色碎屑巖地貌。從馮景蘭院士1928年命名“丹霞層”，并科學(xué)描述丹霞山地形特征。1939年陳國達(dá)院士首次提出“丹霞地形”這一地貌名詞以來，學(xué)者們多關(guān)注其巖石特征、地質(zhì)構(gòu)造、地貌形態(tài)等方面的研究。直至1961年黃進(jìn)才首次提出丹霞地貌的定義：丹霞地貌是由水平或變動(dòng)很輕微的厚層紅色砂巖、礫巖所構(gòu)成，因巖層呈塊狀結(jié)構(gòu)和富有易于透水的垂直節(jié)理，經(jīng)流水向下侵蝕及重力崩塌作用形成陡峭的峰林或方山地形。

2010年8月，第34屆世界遺產(chǎn)大會(huì)審議通過了將中國湖南崀山、廣東丹霞山、福建泰寧、貴州赤水、江西龍虎山和浙江江郎山聯(lián)合申報(bào)的“中國丹霞地貌”列入“世界自然遺產(chǎn)目錄”。崀山丹霞地貌區(qū)，位于湖南新寧縣縣城之南。處于北緯26°15'18"～26°25'07"，東經(jīng)110°43'42"～110°50'07"。該區(qū)長達(dá)18.1公里，寬0.7～8.8公里，平均寬6.0公里，總面積約108平方公里。

1數(shù)字高程模型（DEM）

高程常常用來描述地形表面的起伏形態(tài)。傳統(tǒng)的高程模型是等高線，而數(shù)字高程模型是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地形曲面的數(shù)字化模擬或者說是地形表面形態(tài)的數(shù)字化表示。

數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)獲得有很多途徑，如地形圖等高線數(shù)字化、由矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的規(guī)則網(wǎng)模型、基于航空影像的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)以及基于立體衛(wèi)星影像的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量手段（SPOT，立體航空?qǐng)D像）等。近年來，DEM數(shù)據(jù)主要基于遙感影像獲得，如通過激光高度測(cè)量、合成孔徑雷達(dá)（SAR）獲取數(shù)據(jù)等。

現(xiàn)今，數(shù)字高程模型（DEM）理論及相關(guān)分析技術(shù)得到地學(xué)工作者的廣泛關(guān)注，國際上已將其作為一種常規(guī)的地形地貌研究手段和工具。在與地學(xué)相關(guān)的科學(xué)研究中，數(shù)字高程模型可以為各種地學(xué)模型提供地形參數(shù)并輔助地學(xué)模型的建立。應(yīng)用中，數(shù)字高程模型使人們可以直觀地觀察地形地貌，為研究地貌開辟了新的途徑，使原有的地質(zhì)地貌研究由定性進(jìn)入半定量和定量化階段。

1.1高程數(shù)據(jù)來源及分布特征

數(shù)字高程數(shù)據(jù)ASTER-GDEM，是“世界上迄今為止可為用戶提供的最完整的全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)”（截至2009年6月30日），是由美國國家航空與航天局（NASA）與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省（METI）共同推出的最新的地球電子地形數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)根據(jù)NASA的新一代對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星TERRA的詳盡觀測(cè)結(jié)果制作而成。ASTER-GDEM數(shù)據(jù)中95%地區(qū)的水平精度為30m，垂直精度為20m。

為了解我國ASTER GDEM數(shù)據(jù)高程精度，張朝忙等選取我國東部遼寧、山東、浙江和海南4個(gè)地區(qū)的平原、丘陵、山地等作為典型研究區(qū)，并以1：5萬DEM為假定真值、以1：25萬DEM為參照。結(jié)果表明：中國東部地區(qū)ASTER GDEM數(shù)據(jù)高程精度整體上要高于SRTM DEM和1：25萬DEM，但低于1：10萬DEMt2J。

本文使用的數(shù)據(jù)為ASTER GDEM V2。研究區(qū)內(nèi)，范圍大致為：東經(jīng)，110°40'～110°55'，公里網(wǎng)格19466731～19491704，長約25km，設(shè)置833個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格約30m：北緯，26°15'～26°30'，公里網(wǎng)格2904586～2932298，長約28km，設(shè)置925個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格30m。網(wǎng)格總數(shù)925*833=770525。

目前，數(shù)字高程模型主要有兩種數(shù)據(jù)模型，規(guī)則格網(wǎng)DEM和不規(guī)則三角網(wǎng)。兩個(gè)模型各有特點(diǎn)，如表1所示。具體采用何種模型，則要考慮地形曲面特點(diǎn)、特征點(diǎn)線等因素。

現(xiàn)用GLOBAL MAPPER軟件打開ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)，選擇好研究區(qū)域，導(dǎo)入Arcview軟件中成圖（見圖1，圖2）。從兩幅圖可以看出，圖2的不規(guī)則三角網(wǎng)DEM（TIN模型）對(duì)比圖l的規(guī)則格網(wǎng)DEM（GRD模型），在起伏較大的丘陵以及山脈地區(qū)，TIN模型具備更好的分辨率，能很好的顯示山脈的細(xì)節(jié)，根源在于TIN擁有良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不過，規(guī)則格網(wǎng)DEM（GRD模型）有較為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，有良好的表面分析功能。endprint

利用Arcview軟件，在Surface菜單下選擇InterpolateGrid，彈出Out Grid Specification對(duì)話框，柵格格網(wǎng)設(shè)置為30m分辨率，柵格文件有925行，833列，共770525個(gè)高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最小值為260m，最大值為1818m，平均值為583m。

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)，百分比居于前三位的三個(gè)高程區(qū)間（見表2），300-400m區(qū)間格網(wǎng)數(shù)為236537個(gè)，占30.70%；400-500m區(qū)間格網(wǎng)數(shù)為119999個(gè)，占15.57%：500-600m區(qū)間格網(wǎng)數(shù)為89447個(gè)，占11.61%。此后區(qū)間的格網(wǎng)數(shù)均小于70000，且依次遞減。統(tǒng)計(jì)顯示，崀山地區(qū)300-400m高程區(qū)間占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

1.2高程數(shù)據(jù)三維顯示

基于MapGIS6.7提取離散高程數(shù)據(jù)，利用“圖像處理”模塊中的“電子沙盤”，裝入GRD高程文件，全景顯示實(shí)體模型，添加“光照效果”可以得到高程三維圖（圖3）。用Surfer軟件也能夠繪制三維圖，其步驟如下：點(diǎn)擊網(wǎng)格菜單，進(jìn)入網(wǎng)格化數(shù)據(jù)對(duì)話框，網(wǎng)格化方法選擇地學(xué)上常用的克里格法，網(wǎng)格間距設(shè)置為30m，生成*.grd文件：點(diǎn)選Surface三維曲面圖命令按鈕，打開創(chuàng)建的格網(wǎng)文件，即可生成一個(gè)模擬的三維曲面圖（圖4）。從圖上可以清晰地觀察到良山地區(qū)地形地貌全態(tài)，迅速的把握山地、丘陵以及平原的大致分布。另外，三維圖顯示，本區(qū)盆地內(nèi)部山地在區(qū)域斷裂的控制下多沿北東向展布，往北延伸逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榻媳毕蚍植肌?/p>

2地形因子分析

在數(shù)字地形分析的研究中，地形因子分析是其中最為基礎(chǔ)的內(nèi)容。地形因子是為有效地研究與表達(dá)地貌形態(tài)特征所設(shè)定的具有一定意義的參數(shù)或指標(biāo)，它是實(shí)現(xiàn)地貌定量化研究的有效手段。

按照地形因子所描述的空間區(qū)域范圍，可以將地形因子劃分為微觀地形因子與宏觀地形因子兩種基本類型。常用的微觀地形因子主要有：坡度、坡向、坡長、平面曲率、剖面曲率等。它們所描述的是一個(gè)微分點(diǎn)單元的信息，其量值的大小一般只受所在點(diǎn)高程以及微小領(lǐng)域范圍內(nèi)高程信息的影響。常用的宏觀地形因子主要有：地形粗糙度、地形起伏度、高程變異系數(shù)、地表切割深度等。宏觀地形因子描述的一般是一個(gè)區(qū)域，或者說把一個(gè)分析窗口直接看作一個(gè)整體。它的量值不僅僅只受所在點(diǎn)高程的影響，并且還與分析窗口內(nèi)的所有高程點(diǎn)信息密切相關(guān)。考慮到地形因子的應(yīng)用，本文選擇坡度和坡向兩個(gè)微觀地形因子進(jìn)行提取。

2.1坡度

坡度指過該點(diǎn)的切平面與水平面的夾角，表征地表面在該點(diǎn)的傾斜程度。地面坡度不但是地貌研究的重要部分，也是自然地理特征及生產(chǎn)力布局的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

坡度圖的制作涉及到坡度分級(jí)方法，有三種常用的分級(jí)法：一般主觀分級(jí)法、臨界坡度分級(jí)法、模式分級(jí)法。一般主觀分級(jí)法是指用戶根據(jù)應(yīng)用目的，主觀設(shè)定坡度級(jí)別的分級(jí)方法。其優(yōu)點(diǎn)是較為簡(jiǎn)單、靈活，但分析效果在很大程度上依賴于制圖者的水平與經(jīng)驗(yàn)，帶有一定的主觀性及隨意性。

臨界坡度分級(jí)法是指根據(jù)研究或應(yīng)用目標(biāo)的差異性在整個(gè)坡度范圍上所表現(xiàn)的階段性的特點(diǎn)，找出重要的臨界坡度值，并以此為依據(jù)進(jìn)行坡度分級(jí)的方法。

模式分級(jí)法是以坡度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布特征為基礎(chǔ)進(jìn)行的分級(jí)方法。根據(jù)統(tǒng)計(jì)模式的不同又可分為等間距分級(jí)、分位數(shù)分級(jí)、等面積分級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)差分級(jí)及自然裂點(diǎn)法分級(jí)等方法。

國際地理聯(lián)合會(huì)地貌調(diào)查與地貌制圖專業(yè)委員會(huì)提議用六級(jí)坡度分類法（如表3），各級(jí)坡度的實(shí)際意義如下：

0-2°，平緩坡。地貌為沖積平原、盆地、寬谷、高原、臺(tái)地、山前侵蝕剝蝕平原、夷平面。農(nóng)業(yè)和林業(yè)可全面采用機(jī)械化作業(yè)：是良好的城鎮(zhèn)建設(shè)基礎(chǔ)：優(yōu)良的交通運(yùn)輸條件，坡面侵蝕微弱。

2-5°，平緩微傾斜坡。地貌為沖積洪積扇、山麓洪積平原、高原、侵蝕平原及山前地帶。農(nóng)業(yè)和林業(yè)機(jī)械化作業(yè)有一定困難，仍是城鎮(zhèn)、農(nóng)民、工礦及交通的良好條件。土壤存在片蝕和線蝕。農(nóng)業(yè)區(qū)需要進(jìn)行基礎(chǔ)土壤保護(hù)措施。

5-15°，斜坡。這種坡一般分布在中山的谷地兩側(cè)及中山山前侵蝕平原。10°為機(jī)械化農(nóng)業(yè)和林業(yè)上限，15°是卡車運(yùn)行的上限，也是居民點(diǎn)、工礦及城鎮(zhèn)建設(shè)的界限，農(nóng)業(yè)耕作應(yīng)是沿等高線從事梯田化作業(yè)。坡面已開始出現(xiàn)滑坡及土壤層的蠕動(dòng)，線狀侵蝕作用加強(qiáng)。

15-35°，陡坡。十分強(qiáng)烈的地面侵蝕，土層受嚴(yán)重破壞，滑坡分布廣泛。不能進(jìn)行耕作和建筑，為耕作和交通的上限。這種坡地為林區(qū)和牧場(chǎng)。

35-55°，急陡坡，基巖裸露，侵蝕很強(qiáng)烈，重力過程明顯。這是林業(yè)利用的極限，停止一切經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。應(yīng)封山育林，保持水土。

以上的六級(jí)坡度分類法是從地貌學(xué)的角度出發(fā)提出來的，實(shí)際上是一種臨界坡度分級(jí)法。本文提取坡度圖主要用于地貌特征的研究。因此，坡度分級(jí)采用此分類方法。

上文已在Arcview軟件中生成了數(shù)字高程模型，基于此，點(diǎn)擊Surface菜單的Drive Slope即可得到良山地區(qū)坡度圖（圖5）。

據(jù)進(jìn)一步數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：0-2°坡度區(qū)間格網(wǎng)數(shù)為180646，占總面積的23.44%：2-5°坡度區(qū)間格網(wǎng)數(shù)為9026，占總面積的1.17%：5-15°坡度區(qū)間格網(wǎng)數(shù)為187248，占總面積的24.30%：15-35。坡度區(qū)間格網(wǎng)數(shù)為357519，占總面積的46.40%：35-55°坡度區(qū)間格網(wǎng)數(shù)為35385，占總面積的4.59%：55-90°坡度區(qū)間格網(wǎng)數(shù)為701，占總面積的0.09%。由此可知，坡度區(qū)間15-35°的陡坡、峻坡占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其次5-15°坡度區(qū)間（緩傾坡與斜坡）與0-2°坡度區(qū)間（平緩坡）也相對(duì)比較常見，平均坡度約15°。

2.2坡向

坡向反映了斜坡所面對(duì)的方向。通過制作湖南崀山地區(qū)丹霞地貌坡向圖（圖6）以及坡向直方圖（圖7）可知，北方（0 22.5，337.5-360）與東北方（22.5-67.5）分布略低，格網(wǎng)數(shù)在40000上下：西北方（292.5-337.5）略有優(yōu)勢(shì)，其他方位分布比較均勻。

在崀山地區(qū)坡向圖基礎(chǔ)上，將注意力轉(zhuǎn)移到形成丹霞地貌的白堊系陸相紅層，從表4可以看出，崀山丹霞地貌白堊系區(qū)域內(nèi)，東方（67.5-112.5）與西方（247.5-292.5），東南方（112.5-157.5）與西北方（292.5-337.5）具有比較優(yōu)勢(shì)。資料顯示，肖自心、鄒文發(fā)認(rèn)為崀山的大節(jié)理主要有兩組，一組340度，近南北向（容易形成坡向?yàn)闁|方與西方的斜坡）：另一組大致235-260度（容易形成坡向?yàn)闁|南與西北的斜坡）。兩組節(jié)理交叉分布，形成方格狀網(wǎng)絡(luò)，控制著溝谷和陡崖的方向。endprint