基于DEM的都壩河流域地貌類型識別

劉慧麗,董廷旭,陳 浩,王 飛,廖傳露

(綿陽師范學院資源環境工程學院,四川綿陽 621000)

0 引言

地貌作為地球圈層間相互作用的重要產物,控制著自然地理環境的分異[1-2],因此地貌研究具有十分重要的意義.地貌劃分更是一項具有實際應用價值的研究,它不僅有助于水土保持及水土流失防治、還能為地質災害防治等提供決策依據[3-4].隨著3S技術和數據共享平臺的快速發展,在突破傳統地貌研究方法的基礎上,通過數字地形模型(Digital Elevation Model,DEM)進行地貌定量分析,可快速、精準、全面地提取地貌信息,并結合研究區氣候氣象、土壤、植被、居民點等其他數據進行綜合分析,為氣候氣象災害預防、地質災害防治、水土保持及水土流失防治等提供指導方針.我國地貌形態分類方案呈現多樣化,不過通常都會提到臺地、平原、山地、丘陵、高原等類型[5].2008年,李炳元在前人的基礎上對中國陸地基本地貌類型劃分作了進一步探討,在傳統的平原、臺地、丘陵和山地分類的基礎上,按地形起伏度細分為7種形態,并按海拔高度劃分為5個等級[6].目前,以DEM作為基礎數據的數字地形分析技術成為地貌研究的主要方式,地貌類型劃分方法逐漸由單一地形因子(如地形起伏度、海拔高度)分析向多個地貌形態因子綜合分析轉變,研究范圍也逐漸由大區域尺度向中區域尺度及中小區域尺度拓展[7-10],而對于小區域尺度的研究還較少,特別是小流域.都壩河流域位于北川縣東北部,距離北川新縣城約20 km,屬“5·12”特大地震震中地區,也是地震災害極重災區[11-12],因此對都壩河流域地貌類型研究很有必要.本文以1∶50 000地形圖為基礎數據,通過均值變點法、相關系數矩陣及主成分分析法確定宏觀地形因子的最佳統計窗口及提取最佳地形因子組合,在此基礎上對都壩河流域地貌類型進行識別劃分,其結果對都壩河流域水土保持、地質災害防治與生態環境治理等方面具有重要的現實意義.

1 研究區域及數據

1.1 研究區域

都壩河流域位于北川縣東北部(圖1),屬于湔江流域,隸屬于涪江水系,是北川縣較為重要的一條河流,地處東經104°24′56″～104°38′34″,北緯31°52′6″～32°6′55″,流域面積約為305 km2.屬于亞熱帶濕潤季風氣候區,全年氣候濕潤溫和,光照充足且雨量充沛.以山地地形為主,整個流域西北高東南低,海拔600～2 238 m.流域內多由千枚巖、板巖、灰巖、砂頁巖等構成.因地處龍門山斷裂帶-地震高頻區,地質災害頻發,以泥石流、滑坡和崩塌為主.

圖1 都壩河流域簡圖Fig.1 Duba River Basin

1.2 數據來源與處理

本文以1∶50 000地形圖為基本資料提取等高線建立DEM,對原數據進行一階多項式仿射地理配準、投影變換及重采樣,格網大小為30 m×30 m,空間參考為WGS_1984_UTM_Zone_48N.利用ArcGIS水文分析,基于DEM數據經過流向計算(D8算法)、洼地計算及填充、流量計算、水流長度計算、河網提取(Strahler方法)等,掩膜裁剪提取流域區域,得到都壩河流域的DEM數據.

2 研究方法

2.1 最佳地形因子組合

地形因子是地形特征信息的重要載體,宏觀地形因子主要從宏觀角度、大區域范圍反映研究區的整體起伏變化情況,即表達地形總體形態特征;微觀地形因子則用于表達地貌地形細節特征[13-14].每個地形因子都有自己獨特的地學意義,因此能否準確選取地形因子必然會對地貌識別劃分產生一定的影響[15].本文分別從微觀和宏觀兩個方面提取地形因子,有利于對都壩河流域地貌進行深入研究.結合研究區域實際情況,通過定性分析初步選取高程、坡度、坡向變率、平面曲率、地形粗糙度、地形起伏度、高程變異系數、地表切割深度等10個地形因子作為初選地形因子.在實際地貌分類過程中,通過相關系數矩陣與主成分分析法選取幾個具有代表性且彼此間相關性弱的最佳地形因子組合參與地貌類型劃分[16].

2.2 最佳統計窗口確定

最佳統計窗口是提取宏觀地形因子的關鍵.本文通過矩形移動窗口法[17]計算不同窗口(2×2,3×3,……,49×49)像元大小所對應的宏觀地形因子,其平均值隨窗口面積的變化呈對數曲線特征,并采用均值變點法確定宏觀地形因子的最佳統計窗口[18].其計算步驟如下:

(1)

(2)

2.3 主成分分析法

主成分分析法是通過降維思想將多個具有一定相關性的初選變量重新組合成一組新的變量來代替,具有少數、彼此無關且能最大程度地反映原變量信息的特點[19].其計算步驟為:(1)原始數據標準化處理;(2)相關系數矩陣構建;(3)特征根、方差解釋率、累積解釋率計算;(4)主成分載荷計算;(5)主成分確定.在實際應用中,根據特征根及方差累積解釋率確定主成分個數,其選取的主成分累積解釋率大于75%且特征根大于1.本文通過斷棍模型來選擇主成分個數[20].

3 結果與分析

3.1 最佳地形因子組合

最佳地形因子組合主要是通過相關性分析篩選出少數且能夠充分描述地貌形態特征的代表性因子,在最大程度上減少地形因子信息重疊和數據冗余,提高運算效率與數據精度.通過定性分析對于初步選取都壩河流域的10個地形因子(H-高程,S-坡度,A-坡向,SOS-坡度變率,SOA-坡向變率;plane C-平面曲率,profile C-剖面曲率,C-總曲率,R-地形粗糙度,RF-地形起伏度,V-高程變異系數,D-地表切割深度),如圖2所示.基于R軟件進行相關性分析,因避免分類時因子權重不同的影響,先對這10個初選因子進行標準化處理.由表1可知,坡度和地形粗糙度、地形起伏度、地表切割深度,地形粗糙度和地形起伏度,地形起伏度和高程變異系數、地表切割深度,這些因子間的相關系數均大于0.6,相關性較強且達到極顯著.高程坡向變率和地表切割深度的相關性達到顯著水平,其余因子相關性未達到顯著性水平.通過斷棍模型,選取特征根總和大于所對應斷棍長度總和前四軸,即提取前4個主成分.其結果(表2)顯示前4個主成分的累積解釋率達到80%,特征根大于1,且主成分1最大為3.76.這說明通過斷棍模型選擇主成分是有效的,其結果與直接根據特征根及方差解釋率確定主成分相一致.

表1 初選因子間的相關系數及顯著性Tab.1 Correlation coefficient and significance of primary factors

圖2 都壩河流域DEM提取的地形因子Fig.2 Topographic factors extracted from DEM in the Duba River Basin

主成分1中地形起伏度和坡度的載荷量最大,由于二者正相關強且極顯著(表1),選擇地形起伏度作為備選地形因子;主成分2中高程和剖面曲率的載荷量最大,二者呈極顯著正相關,選擇高程作為備選地形因子;主成分3中坡度變率和坡向變率的載荷量最大,且二者呈極顯著正相關,故選擇坡度變率作為備選地形因子;主成分4中高程和平面曲率的載荷量最大,且二者呈極顯著正相關,盡管高程載荷量相對較高,但高程已作為主成分2中的備選地形因子,因此選擇平面曲率作為備選地形因子.

綜合以上,本文最終篩選出地形起伏度、高程、坡度變率、平面曲率4個地形因子進行地貌特征類型劃分.

3.2 最佳統計窗口確定

宏觀地形因子表征地表形態特征時,不同分析窗口提取的統計值各不相同,窗口的大小決定區域地表的實際反映情況.因此在提取宏觀地形因子時,最佳統計窗口大小的確定是關鍵.以地形起伏度為例,利用ArcGIS空間分析中的鄰域統計工具計算DEM數據區域范圍內的地勢起伏度,按1個格網單元進行移動,提取2×2,3×3,……,49×49的網格大小下的地形起伏度(表3),得到不同網格大小下的面積、最大地形起伏度(Max_RF)和平均地形起伏度(Mean_RF).可以發現最大地形起伏度和平均地形起伏度隨著網格大小的增大而逐漸增大,當網格單元對應的面積達到一定大小時,平均地形起伏度的變化程度則趨于平穩.根據矩形移動窗口法計算不同窗口下的地形起伏度,通過線性擬合,其平均值隨窗口大小的變化呈對數曲線特征,擬合方程為y=97.384lnx-4.516,相關系數為R2=0.953.當擬合曲線從增速到減慢時會存在一個轉折點,該轉折點所對應的網格大小即為最佳統計窗口.通過均值變點法計算擬合曲線上由陡變緩的閾值對應的點,以i(i=2,3,4,……,N;N為總樣本個數)為分界點將樣本分成兩段,計算得到總的離差平方和S=35.91,變點的存在會使S和Si之間的差值增大,當S-Si的差值為最大值時,由陡變緩的點即為變點,對應的最佳統計窗口為18×18的網格大小,面積為0.291 6 km2.故地形起伏度、高程變異系數、地表切割深度的最佳統計窗口選取18×18的網格大小.

3.3 都壩河流域地形因子特征

由圖3可知,都壩河流域的地形起伏度以小起伏山地為主,占總面積的86.52%;其次是小起伏丘陵,所占比例為10.57%,主要零散分布于東南部;河谷、平壩和中起伏山地所占面積最少,且沿河流軌跡分布.流域海拔整體偏高,85.02%的區域為中海拔地區,低海拔區出現于水系周邊,沿陳家壩鎮、桂溪鎮、都貫鄉一帶,占總面積的13.27%;亞高海拔區面積僅占1.71%,位于陳家壩鎮西北部,分布在櫻桃溝村、平溝村、龍坪村附近.流域的坡度變率主要介于25°以下,面積占比99.20%,各級面積分布呈坡度變率的增加而減少,其次坡度變率>25°的面積占比最小.平面曲率<2占整個流域的99.26%,說明研究區地形表面趨于平坦凸坡變化;平面曲率在2～4之間及>4的面積占比不足1%,呈細條帶狀分布.從假彩色合成的的地形特征影像圖來看,流域內溝谷偏多,山脊線和山谷線突出顯示.

圖3 最佳地形因子空間特征與假彩色合成Fig.3 Spatial characteristics of optimal topographic factors and false color synthesis

3.4 都壩河流域地貌特征類型

將最佳地形因子組合進行疊加分析得到都壩河流域8種地貌類型(圖4).可以看出都壩河流域分布較廣的地貌類型主要為小起伏中山(22.97%)、小起伏亞高山(20.26%)、小起伏低山(18.92%)和中起伏低山(14.18%).小起伏中山和小起伏亞高山分布比較分散,幾乎整個流域都有分布,且西北地區分布居多;小起伏低山主要分布在流域西北部,特別是都貫鄉-皇帝廟村一帶;中起伏低山大致以帶狀分布,分布最明顯在都貫鄉與陳家壩鎮的交界處附近;丘陵主要沿著河流水系周圍分布,占研究區總面積的9.81%;中起伏中山分布于西北角邊界、龍坪-勇敢村靠西北方及陳家壩鎮東南角邊界較為集中,占研究區總面積的7.80%;河谷、平壩和中起伏亞高山面積所占比例較少.

圖4 都壩河流域地貌類型空間分布Fig.4 Spatial distribution of geomorphic types in the Duba River Basin

4 結論

(1)采用均值變點法確定宏觀地形因子(地形起伏度、高程變異系數、地表切割深度)的最佳統計窗口為18×18,統計面積為0.291 6 km2,實證了均值變點法提取地形因子最佳統計窗口的可行性.

(2)都壩河流域的最佳地形因子組合為地形起伏度、高程、坡度變率、平面曲率,其累積解釋率達到80%,可以綜合全面地反映都壩河流域的地貌特征.

(3)基于最佳地形因子組合劃分為8類地貌類型,即溝谷平壩、丘陵、小起伏低山、小起伏中山、小起伏亞高山、中起伏低山、中起伏高山、中起伏亞高山.都壩河流域內以小起伏中山、小起伏亞高山、小起伏低山和中起伏低山地貌類型居多,占整個流域面積的76.33%,地貌類型復雜,且以小起伏山地為主,其面積占到一半以上.