基于ASTER GDEM的皖南低山丘陵區(qū)地貌類型劃分研究

王 雷，趙冰雪

地貌是最基本的地理要素，它決定著自然地理單元的形成和地面物質(zhì)與能量的再分配[1]。隨著空間信息技術(shù)的不斷發(fā)展，地貌研究不再局限于傳統(tǒng)的方法，其中數(shù)字高程模型DEM（Digital Elevation Model）的出現(xiàn)為地貌的定量研究提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。使用DEM數(shù)據(jù)快速提取地貌信息，結(jié)合研究區(qū)的其他數(shù)據(jù)進行綜合分析，目前已廣泛應(yīng)用于水土流失定量分析[2]、土壤侵蝕敏感性[3]和滑坡災(zāi)害評價[4]、人居環(huán)境的適宜性評價[5]等方面。

1987年出版的中國1：1000000地貌制圖規(guī)范中依據(jù)高程劃分出7個基本形態(tài)類型，即平原、臺地、丘陵、低山、中山、高山和極高山，同時對平原、臺地、丘陵、山地給出了它們的模糊數(shù)學定義[6]。近年來，以DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)字地形分析技術(shù)成為地貌研究的主要方式。劉愛利采用1：1 000 000DEM對我國的宏觀地貌進行了分類[7]；曹偉超等基于SRTM DEM研究了青藏高原的地貌類型[8-9]；常直楊等利用SRTM3 DEM數(shù)據(jù)對秦嶺地區(qū)地貌進行了分類[10]；王妍等對三峽庫區(qū)的地貌信息進行了研究[11-12]。總體上，當前對我國青藏高原、秦嶺和西南地區(qū)等大區(qū)域尺度的地貌分類體系已有較多的研究，而對于小區(qū)域尺度上的地貌類型劃分關(guān)注的還較少。本文結(jié)合低山丘陵地貌的特點建立地貌分類體系，采用ASTER GDEM數(shù)據(jù)對研究區(qū)內(nèi)的地貌類型進行劃分，以期為皖南低山丘陵區(qū)水土保持[13]、地質(zhì)災(zāi)害防治[14]等研究提供地貌基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

皖南低山丘陵區(qū)主要分布于安徽省南部池州、黃山、宣城三市，地處北緯29°23′～31°18′，東經(jīng)116°40′～119°42′。該地區(qū)在長期的地殼運動和地質(zhì)作用下，形成了以九華山、黃山、天目山-白際山為主的三大山系，山系之間發(fā)育了一系列的盆地和河谷，其中秋浦河、青戈江、新安江、水陽河等水系貫穿其間。區(qū)域內(nèi)地勢起伏明顯，其中最高峰為黃山蓮花峰，海拔為1 864 m，區(qū)域面積3.04×104km2，占安徽省總面積的21.7%。研究區(qū)范圍如圖1所示。

圖1 皖南低山丘陵區(qū)

皖南低山丘陵區(qū)是安徽省重要的旅游資源所在地，隨著區(qū)域內(nèi)旅游業(yè)的發(fā)展及人口數(shù)量的增加，在資源開發(fā)過程中，人類活動對生態(tài)環(huán)境造成了較為嚴重的破壞，全區(qū)森林覆蓋率不斷下降，水土流失嚴重[14-15]。由于特殊的地理位置和山體構(gòu)造，皖南低山丘陵區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱，同時該區(qū)受強降雨和臺風影響較為顯著，導(dǎo)致了區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)[13]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

實驗使用ASTER(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)GDEM V2數(shù)據(jù)進行地貌劃分，數(shù)據(jù)下載自中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺，數(shù)據(jù)網(wǎng)格大小為30 m。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接處理后，利用研究區(qū)的矢量邊界進行裁切，并對數(shù)據(jù)進行填洼處理，消除部分異常低值，得到研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)。

2.2 地貌形態(tài)分類體系的建立

合理的地貌分類體系是科學劃分地貌的基礎(chǔ)，李炳元等研究了我國地貌分類體系[16-17]。然而，眾多研究成果表明1：1 000 000地貌制圖規(guī)范對全國的地貌分類具有指導(dǎo)意義，在具體區(qū)域應(yīng)用時，應(yīng)考慮地區(qū)的特殊性，結(jié)合實際地貌建立劃分體系[9-10,18-19]。本文建立以地勢起伏度為主，結(jié)合高程的皖南低山丘陵區(qū)地貌形態(tài)分類體系，如表1所示。

通常將海拔在200 m到500 m之間，相對高度200 m以內(nèi)的地形稱之為丘陵，而低山的海拔在500 m至1 000 m之間。按上述分類標準，相對高度超過200 m，海拔不超過500 m的地形既不屬于丘陵，又不屬于低山。考慮研究區(qū)此類地形較多的情況，對海拔在200 m到500 m之間，但相對高度超過200 m的地形稱之為小起伏低山丘陵，依據(jù)起伏度將其歸為低山的一種。

2.3 地勢起伏度計算

地勢起伏度是指地表一定范圍內(nèi)的最高點和最低點之間的高差。實驗通過編寫Python腳本使用ArcGIS域統(tǒng)計模塊中的Focal Statistics功能分別統(tǒng)計n×n（n=3，5，7，…，65）域內(nèi)的高程最大值和最小值，然后調(diào)用柵格計算器計算鄰域內(nèi)高程差值，從而獲取不同鄰域內(nèi)的地勢起伏度Q，

式中Hmax表示鄰域內(nèi)高程最大值，Hmin表示鄰域內(nèi)高程最小值。計算結(jié)果見表2。

表1 皖南低山丘陵區(qū)地貌分類體系

表2 鄰域大小與起伏度的對應(yīng)關(guān)系

對表2中的統(tǒng)計單元面積和起伏度數(shù)據(jù)進行回歸分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，兩者的擬合方程為y=48.203ln(x)+211，判定系數(shù)R2的值為0.967 7，擬合效果良好。

圖2 統(tǒng)計單元面積與起伏度的擬合曲線

2.4 計算最佳統(tǒng)計單元

在DEM中提取地勢起伏度時，隨著分析窗口大小的增加，窗口范圍內(nèi)的最大值和最小值之差不斷增加，起初窗口只包含山體的一部分，起伏度隨著分析窗口的增大，快速增加；當窗口覆蓋整個山體時，起伏度增加到一定值，這時隨著分析窗口的再增加，起伏度的增加變緩[20]。已有研究表明[21-22]，起伏度隨分析窗口的變化呈logarithmic曲線，該曲線上必定存在一個由陡變緩的拐點（不同于二階導(dǎo)數(shù)的拐點），該點對應(yīng)的窗口值就是起伏度最佳統(tǒng)計單元。從圖2中可見平均起伏度起初隨著統(tǒng)計單元面積的增大快速增加，到達一定閾值后增速開始減緩。為更準確地計算出這一閾值，這里采用均值變點法[21]計算，該方法的基本思路如下：

1）求取統(tǒng)計量Si

2）計算統(tǒng)計量S

3）計算S-Si,i=2,3,…,N，原始樣本統(tǒng)計量S與分段的樣本統(tǒng)計量Si的最大差值所對應(yīng)的統(tǒng)計面積為最佳統(tǒng)計單元。

對表2中的數(shù)據(jù)進行處理，求取單位面積上的平均起伏度序列T：

式中Ti,ti和si分別代表單位面積起伏度、平均起伏度和統(tǒng)計單元面積。

圖3 S和Si的差值曲線

由圖3可見，曲線在鄰域大小為23×23時，S-Si的差值最大，即23×23鄰域為區(qū)域地勢起伏度最佳統(tǒng)計單元。由表2可知，研究區(qū)最佳統(tǒng)計單元面積約為0.48 km2。

3 結(jié)果分析

對研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)按地貌分類標準進行高程重分類，生成皖南低山丘陵區(qū)高程分級圖，如圖4所示。從圖中可以看出海拔200 m以下主要分布在區(qū)域北部和南部的屯溪盆地，面積占比49.42%；200～500 m主要分布在區(qū)域的中南部，面積占比36.44%；500～1 000 m及大于1 000 m的區(qū)域主要分布在研究區(qū)的幾大山系中心區(qū)域，面積占比13.14%。

圖4 皖南低山丘陵區(qū)高程分級

同理，按照分類體系對地勢起伏度進行重分類，得到區(qū)域起伏度分級圖，如圖5所示。從圖中可以看出，起伏度小于50 m的區(qū)域主要分布在北部和屯溪盆地，面積占比22.18%；50～100 m主要分布在前者的周邊，面積占比14.57%；研究區(qū)中大部分區(qū)域的起伏度在100 m～500 m之間，面積占比63.09%；起伏度大于500 m的區(qū)域很小，僅分布在幾大山系的中心區(qū)域。

圖5 皖南低山丘陵區(qū)地勢起伏度分級

通過疊加高程和地勢起伏度，得到初步地貌類型分類圖，考慮到某些地貌單元的面積過小，將其合并到相鄰地貌類型中，得到研究區(qū)內(nèi)8種地貌類型，如圖6所示。從圖中可以看出，平原和臺地主要分布在北部及屯溪盆地區(qū)域，在其周圍分布著大面積的低丘陵和高丘陵地貌，中低山地貌主要分布在九華山、黃山、天目山、白際山等山系周邊。不同地貌類型面積統(tǒng)計結(jié)果見表3。

圖6 皖南低山丘陵區(qū)地貌類型

表3 各種地貌形態(tài)的面積統(tǒng)計

4 結(jié)束語

（1）基于皖南低山丘陵區(qū)30 m分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，利用Python腳本提取不同統(tǒng)計鄰域的地勢起伏度，并通過均值變點法計算出皖南低山丘陵區(qū)的地勢起伏度最佳統(tǒng)計單元為0.48 km2。區(qū)域內(nèi)地勢起伏度以100～500 m為主，起伏明顯。

（2）結(jié)合皖南低山丘陵區(qū)地貌特點建立地貌分類體系，在此基礎(chǔ)上重分類地勢起伏度與高程，以起伏度為主要分類依據(jù)，結(jié)合高程的方式共劃分出8種地貌類型。

（3）研究區(qū)主要地貌類型為丘陵地貌和低山地貌，分別占41.88%和35.23%；平原和臺地主要分布在北部區(qū)域和屯溪盆地，占21.78%；中山地貌所占面積較小，僅在九華山、黃山、天目山、白際山等山系中心區(qū)域有分布。

地貌的劃分方式有多種，本文僅從地貌形態(tài)進行劃分，未能結(jié)合地貌成因與地質(zhì)條件進行詳細的劃分。地貌成因和地質(zhì)條件對區(qū)域的開發(fā)建設(shè)具有重要的參考意義，是水土流失、滑坡、泥石流等問題研究的重要基礎(chǔ)，今后將結(jié)合地貌成因與地質(zhì)條件進一步對區(qū)域內(nèi)的地貌進行研究。

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