衛(wèi)星遙感在貴州喀斯特地域研究中的應(yīng)用
——以興義萬峰林為例

楊 娟，宋善海，劉 蕓

(貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴州 貴陽 550002)

1 引言

萬峰林位于貴州省興義市境內(nèi)，是中國西南三大喀斯特地貌之一[1]。景區(qū)長200多km，寬30～50 km，從海拔2000多m的七捧高原邊緣延伸，與萬峰湖北岸、黃泥河?xùn)|岸成扇形展開，連綿至安龍、貞豐等地[2]。萬峰林景區(qū)內(nèi)峰巒疊嶂，峰林中錯落分布著田園小河、布依小寨，人與自然和諧共融。萬峰林的神奇與秀美，形成一道天下罕見的峰林畫廊，被不少專家和游人譽為“天下奇觀”[3]。

2 研究區(qū)域概況

萬峰林夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，雨量充沛，日照長，屬于低緯度高海拔地帶，具有亞熱帶季風(fēng)氣候特征。1月份平均氣溫4.5 ℃，7月份平均氣溫26.8 ℃，年平均氣溫14～19 ℃，降雨量1300～1600 mm，無霜期300 d左右。

圖1 萬峰林風(fēng)貌

萬峰林景區(qū)山峰密集奇特，氣勢宏大壯闊，整體造型完美，北部為峰林盆地，中南部為峰林洼地和峰叢山地[4]。從地質(zhì)學(xué)的角度看，萬峰林峰林、峰叢大多呈錐形，部分為鐘狀、平頂狀和馬鞍狀，堪稱一座“中國錐狀喀斯特博物館”[1]。萬峰林景區(qū)內(nèi)含有1個鄉(xiāng)、2個街道辦事處、5個鎮(zhèn)(表1)，研究區(qū)將景區(qū)范圍進行適當(dāng)擴展，納入研究區(qū)的面積為717.18 km2(圖2)。

圖2 萬峰林景區(qū)及研究區(qū)范圍

表1 研究區(qū)域范圍及面積 km2

3 研究思路

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所采用的數(shù)據(jù)為高分二號1 m空間分辨率的多光譜遙感影像數(shù)據(jù)和資源三號立體像對提取的柵格分辨率為10 m數(shù)字高程模型(圖3、表2)，利用ArcGIS軟件，采用空間數(shù)據(jù)分析、鄰域分析等分析方法，完成了基于規(guī)則格網(wǎng)DEM的山峰頂點的快速提取方法研究，并分析了各影像因素之間的相互關(guān)系，完成了研究區(qū)內(nèi)山峰個數(shù)的計算和分析評估。

表2 采用的遙感影像數(shù)據(jù)情況

圖3 研究區(qū)高分二號1 m分辨率遙感影像

3.2 技術(shù)方法

DEM數(shù)據(jù)包含了大量的地形信息，通過DEM數(shù)據(jù)可以完成對地形特征的提取，對數(shù)字地形分析具有重要作用。通過GIS高程圖分析，“峰林”是基部低矮，相互獨立的成群山體，而“峰叢”是基座相連的延續(xù)山峰，當(dāng)盆地被“峰林與峰叢”環(huán)繞時，就形成了喀斯特盆地。而位于喀斯特中心部位是叢谷，在該中心部位，當(dāng)“峰林與峰叢”狹長排列，就形成喀斯特谷地；當(dāng)“峰林與峰叢”環(huán)繞封閉時，就形成喀斯特洼地[5]。通過對萬峰林內(nèi)地域性特征的分析，將峰頭作為山頂點來判斷。山頂點是指在特定鄰域分析范圍內(nèi)，該點都比周圍點高的區(qū)域；凹陷點是指特定鄰域分析范圍內(nèi)，該點都比周圍點低的區(qū)域。本研究選用ArcGIS10.4軟件作為數(shù)據(jù)分析平臺，通過基于規(guī)則格網(wǎng)DEM典型地形特征山峰頂點的快速提取算法，即通過等高線、山頂點、凹陷點的計算和提取，利用等高線提取、鄰域分析和窗口計算等工具完成柵格數(shù)據(jù)的表面分析，再利用空間分析模塊中的等高線提取功能，完成等高距15 m和75 m的等高線圖繪制，并以此作為山頂點空間分布圖的背景圖，利用鄰域分析和柵格計算器工具完成山頂點提取，實現(xiàn)對萬峰林景區(qū)內(nèi)峰頭個數(shù)的統(tǒng)計。

利用格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)提取山頂點時，不同的分析尺度可獲得不同層次的山頂點。首先，對分析窗口內(nèi)各變量賦值對原始 DEM 單元矩陣進行掃描，設(shè)定一個鄰域分析的閾值，再對該分析區(qū)域進行重分類，滿足條件的則判定為分析區(qū)域內(nèi)的山頂點，但是在實際驗證過程中發(fā)現(xiàn)提取的山頂點存在偽噪音點[7]，因此，需要對山頂點進行處理。封閉等高線可以作為輔助判別的山頂點的有效工具，因此采用一種基于形態(tài)分析的山頂點提取方法，可以快速從DEM數(shù)據(jù)中提取山頂點，從而對這些數(shù)據(jù)的可靠性進行客觀的評定，提高其準(zhǔn)確性。可將等高線的間距作為判定山頂點的高差閾值。從DEM數(shù)據(jù)中提取等高線，并將等高線圖轉(zhuǎn)化為面狀圖，將提取到的面狀區(qū)域與之前提取到的山頂點進行疊加取交集，得到去除偽噪音點的山頂點圖(圖4)。

圖4 研究路線

3.3 提取步驟及結(jié)果

山頂點提取按照焦點統(tǒng)計→柵格計算→重分類→矢量轉(zhuǎn)換→提取山頂點高程的步驟完成。首先打開ArcGIS10.4軟件并加載DEM數(shù)據(jù)，可以將DEM數(shù)據(jù)進行裁剪，加快計算速度([ArcToolbox]→[Spatial Analysis Tools]→[Extraction]→[Extract by Mask])；焦點統(tǒng)計是指提取分析窗口中柵格的最大值，并將其賦給焦點(待計算柵格中心)，選擇[Spatial Analyst Tools]→[Neighborhood]→[Focal Statistics]，提取大小為50×50的分析窗口中柵格的最大值；進行柵格計算，提取山頂點，選擇[Spatial Analyst Tools]→[Map Algebra]→[Raster Calculator]，輸入公式，提取山頂點；對計算結(jié)果進行重分類，選擇[Spatial Analyst Tools]→[Reclass]→[Reclassify]；將重分類結(jié)果轉(zhuǎn)換為矢量點，選擇[Conversion Tools]→[From Raster]→[Raster to Point]；求出所有山頂點的高程，選擇[Spatial Analyst Tools]→[Extraction]→[extract values to points]，輸入?yún)?shù)文件得到結(jié)果。

通過鄰域分析結(jié)合等高線面狀圖提取得到山頂點的分布圖，為了將偽噪音點去除，提取高差閾值為15 m和75 m的等高線面狀分布圖進行疊置分析，最后得到實際峰頭分布圖(圖5、6)。

圖5 不同高差閾值的等高線面狀分布

基于以上原則，將研究區(qū)內(nèi)萬峰林峰頭個數(shù)進行計算、統(tǒng)計、分析，得到峰頭個數(shù)為8972個，其中景區(qū)峰頭個數(shù)為3309個(圖7)。

圖6 山頂點分布

圖7 研究區(qū)峰頭個數(shù)分析、統(tǒng)計與評估

4 結(jié)論與討論

基于規(guī)則格網(wǎng)的DEM在地貌分析中比較方便而且容易與遙感影像數(shù)據(jù)結(jié)合分析。本文依據(jù)山頂點的地貌學(xué)定義及其在DEM中的形態(tài)特征，采用ArcGIS山頂點提取算法，運用山頂點高差閾值提取的等高線轉(zhuǎn)換為面狀圖進行了疊置分析，從而快速提取了山頂點個數(shù)。通過分析與評估提取萬峰林峰頭個數(shù)為8972個，其中景區(qū)峰頭個數(shù)為3309個。該研究結(jié)果豐富了DEM的分析內(nèi)容，對貴州喀斯特地域的研究有參考作用。但本研究還有待進一步加深，如：可深入研究分辨率及分析窗口大小對不同地貌的山頂點提取的影響。