基于不同水平分辨率DEM的昌吉回族自治州數字地形分析研究

劉宇杰 武紅旗 李潤

(新疆農業大學資源與環境學院，新疆 烏魯木齊 830052)

引言

隨著信息技術的提高，科學技術的發展，景觀的數字化分析[1]包括DEM(數字高程模型)的創建、研究數據中各種地形因子與地球表面關系的分析以及地形因子的提取[2]，人們對各種尺度的DEM(數字高程模型)的需求正在逐漸增加，最明顯的特征是基于DEM(數字高程模型)的研究已經從地表表面形態的表達，轉向建模過程。其中，廣義大范圍的尺度研究包括3個方面，即地理覆蓋范圍、分辨率和地圖比例尺。

對于DEM(數字高程模型)的尺度研究，國外的眾多研究者集中在DEM地形要素屬性的不同水平分辨率的影響，找尋其重要性。Aldo S Moya-lvarez等[3]學者研究WRF模型對秘魯復雜地形降雨預報中不同分辨率的響應，得出分辨率的提高導致該地區降雨預報結果和云系統結構的改善。同時，分辨率為18km的域顯示出較差的結果；M Neuland等[4]學者分析不同分辨率對900MHz和1800MHz無線電傳播模型的影響，總結出地理數據庫的高精度導致預測的計算時間更長，從而得到的最終數據精度也更精確。

國內學者黃丹青[5]通過研究不同模式分辨率下中國地形坡度和方位對不同天氣過程的影響，發現在高分辨率下，地表溫度和熱通量具有很強的相關性，地形坡度和方位的影響引起的地表溫度、降水、地表溫度和熱通量的變化在山區更為明顯；肖猛[6]通過研究不同分辨率下增量式光柵編碼器的測量誤差，得出光柵編碼器在不同分辨率下的誤差產生原因；劉佳軒等[7]學者通過研究DEM分辨率對提取東北地區坡度的影響，結果得出隨著分辨率的增大，柵格計算面積減小，導致坡度有所差異，區域坡度變化越大差異越大，因此，研究不同分辨率的DEM對各領域的研究分析有著重要的作用。

1 研究方法

在本文研究中，針對DEM柵格數據，傳統的DEM(數字高程模型)數據的處理技術分為2種，聚類技術、聚合技術[8]，這種數據處理技術即將原始的柵格數據系統通過系列操作從而轉化為具有新含義的系統。

本研究中使用的是SRTM-DEM數據，基于這些數據，利用空間分析中最近鄰法[9]對不同水平分辨率的規則格網進行插值，利用ArcGIS軟件提取昌吉州的地形起伏、流域信息、坡度等地形特征要素，并分析其在12.5m、40m及80m水平分辨率下地形的分布規律。

2 區域地貌特征分析

2.1 地形因子的提取與分析

在本文中，坡度的提取與分析的結果用來表示表面上某個位置的最陡下坡傾斜程度，即地面的陡緩程度，坡度值越小的地方，其地勢相對越平坦；而坡度值越大的地方，其地勢會相對越陡峭。本研究使用ArcToolBox中3D Analyst下的坡度分析(Slope)工具對昌吉州不同分辨率的坡度圖層分別進行提取與計算分析。此外，國內主要從事地理信息系統方向的學者湯國安教授等[10]在2006年就對DEM數據中提取到的坡度信息進行過詳細的研究，25°是種植農作物的臨界點，本研究將坡度分為7個等級(0～3、3～5、5～10、10～15、15～20、20～25、25～90)，對提取的昌吉州坡度圖進行參數統計，見表1。

根據對圖1的分析可以看出，3組數據有大片的相同區域，3組數據中的低坡度區到高坡度區的顏色逐漸由淺變深，對數據坡度特征的描述能力也由清晰變得模糊。從表1可以看出，水平分辨率為12.5m的坡度最大值由86.38°下降到水平分辨率為80m的74.28°，地勢變得平緩，3組數據的最小值都為0°沒有變化，而標準差的值由水平分辨率為12.5m的10.65下降到水平分辨率為80m的9.71，平均值也相應降低，從7.64°下降到5.72°。

圖1 不同水平分辨率下的昌吉州坡度分級圖

隨著研究區DEM數據水平分辨率的降低，昌吉州的坡度在高坡度地區分布較少，主要集中在低坡度地區，由分辨率為12.5m降低到分辨率80m，其對真實地形的表達能力也在逐漸下降，高坡度地區地形陡峭，低坡度地區地形相對更加平坦。

地形起伏度[11]描述了地形的宏觀特征，指最高網格點和最低網格點之間的差異。公式:

R=Hmax-Hmin

式中，R代表地形起伏度；Hmax是單位面積內最大高程值；Hmin是單位面積內的最小高程值。在ArcGIS中，使用Spatial Analyst工具中領域分析下的焦點統計工具分別計算研究區3組數據每個格網的最大最小高度，然后計算差值。昌吉州不同水平分辨率下地形起伏度的分級圖如圖2所示。

圖2 不同水平分辨率下的地形起伏度分級圖

對提取的昌吉州地形起伏度圖進行參數統計，見表2。圖2的結果表明，研究區數據的水平分辨率不同，地形起伏有明顯的不規則性差異。當水平分辨率為80m時，地形不規則度相對較高，水平分辨率為12.5m時，地形不規則度相對較低。隨著數據水平分辨率的降低，研究區內地形的不規則性逐漸增大，出現成片的高起伏度區域。

從表2和圖2可以看出，研究區內分辨率為12.5m的地形起伏度最大值為514m低于分辨率為80m中地形起伏度的最大值713m，對地形的細節描述能力降低，分辨率為12.5m地形起伏度的平均值由4.83增加到分辨率為80m的25.14，地形起伏度的標準差由分辨率為12.5m的7.47增加到分辨率為80m的40.91，3組數據中地形起伏度的最小值沒有變，均等于0，但是隨著數據水平分辨率的降低，地形起伏度的最大值、平均值和標準差都相對升高。

表2 不同分辨率下昌吉州地形起伏圖參數統計表

2.2 水文分析[12]

水文分析可以根據相鄰網格的高度和距離建立地表水流模型。具體步驟：使用填洼工具創建一個無洼地DEM數據；使用最大坡度算法——D8算法提取數據的流向；通過流量工具計算數據的匯流累積量；在本研究中河網的提取，流量超過800的所有像素都將成為河網的一部分；河網分級采用ArcGIS中的Strahler方法；使用流域分級工具對數據進行流域分割。3組不同分辨率的昌吉州流域分割如圖3所示。

圖3 昌吉州不同水平分辨率下流域分布圖

由圖3得知，水平分辨率為12.5m的流域數量明顯高于水平分辨率為80m的流域數量，分辨率高的研究區內的流域數量多，分辨率低的研究區內的流域數量少，但是水平分辨率為12.5m的數據內每個流域的面積卻小于水平分辨率為80m的流域面積，因此，得出從分辨率為12.5m降低到80m，流域面積會增加，但是流域數量會減少，圖中數據結果的細碎化程度會降低，昌吉州集水區域參數見表3。

表3 不同分辨率下昌吉州地形起伏圖參數統計表

流域個數由分辨率為12.5m的337911條降低到分辨率為40m的40586條，降低幅度很大。平均值和標準差都升高，平均值由0.02km2升高到0.42km2，標準差由0.08上升到2.51。

3 結論與討論

通過對昌吉州的坡度分析得出，分辨率由12.5m降低到80m，其地形趨于平坦化，坡度逐漸減小，坡度值越小，地勢越平坦；坡度值越大，地勢越陡峭，低水平分辨率的數據忽視了地貌的實際特點，而高水平分辨率的數據對地形細節描述的能力要強，更能體現表達地表特征的能力。通過對昌吉州12.5m分辨率到80m地形起伏度的變化分析，結果表明，隨著研究數據水平分辨率的下降，昌吉州地貌起伏度的最大值、平均數和標準差都得到增加，說明由于研究數據水平分辨率的下降，光反射的次數逐漸增加，所反映的更多的是昌吉州的宏觀地貌，而并非細節部分，同時昌吉州地形起伏度的平均值也越來越分散，且有逐步上升的趨向。

通過研究昌吉州水文分析得到的結果來看，在使用同種方法并將3組數據設置為相同的閾值時，在不改變其它條件只有水平分辨率的差異下由12.5m分辨率降低到80m之后，細碎的小流域進行了融合，從而流域數量增多，流域面積的最小值、最大值增大，總面積也在增大。