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。通過構建崀山地區(qū)的數(shù)字高程模型（DEM），對比可見，TIN模型比GRD模型擁有更好的拓撲結構，能更好的顯示山脈的細節(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)有絕對優(yōu)勢。選擇兩個微觀地形因子進行數(shù)據(jù)提取，制作坡度圖和坡向圖，分別統(tǒng)計了研究區(qū)的優(yōu)勢坡度區(qū)間與優(yōu)勢坡向區(qū)間。

關鍵詞：DEM；Nd4；地形因子；丹霞地貌

0引言

地貌學是研究地表形態(tài)特征及其成因、演化、內部結構和分布規(guī)律的科學。20世紀50年代以來，國外地貌學的發(fā)展與數(shù)學、力學、物理學和化學等結合愈來愈多，并逐步向定量和預測方向發(fā)展。近年來，地理信息系統(tǒng)、遙感技術等新方法、新技術的應用，大大提高了地貌學的研究精度和質量，而數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model），簡稱DEM，就是其中的一個亮點。

數(shù)字高程模型是對地球表面地形地貌的數(shù)字表達、模擬，它以數(shù)字的形式按一定的結構組織在一起，提供了一套地表三維坐標數(shù)據(jù)，用數(shù)字函數(shù)式表達為：Z=f（x，y），x、y為地面點坐標，z為與之相對應的高程?？梢钥闯?，這套數(shù)據(jù)，實際上是用來表述地表特征的離散點。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，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，張永民等就進行了區(qū)域基本地貌形態(tài)類型計算機自動分類方法的嘗試：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)。地形因子從不同側面反映地貌特征，呈現(xiàn)出更豐富的地貌信息，大大增強了DEM在地貌學中的應用。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”，并科學描述丹霞山地形特征。1939年陳國達院士首次提出“丹霞地形”這一地貌名詞以來，學者們多關注其巖石特征、地質構造、地貌形態(tài)等方面的研究。直至1961年黃進才首次提出丹霞地貌的定義：丹霞地貌是由水平或變動很輕微的厚層紅色砂巖、礫巖所構成，因巖層呈塊狀結構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屆世界遺產大會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)合申報的“中國丹霞地貌”列入“世界自然遺產目錄”。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)實現(xiàn)對地形曲面的數(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)轉換的規(guī)則網(wǎng)模型、基于航空影像的攝影測量數(shù)據(jù)以及基于立體衛(wèi)星影像的數(shù)字攝影測量手段（SPOT，立體航空圖像）等。近年來，DEM數(shù)據(jù)主要基于遙感影像獲得，如通過激光高度測量、合成孔徑雷達（SAR）獲取數(shù)據(jù)等。

現(xiàn)今，數(shù)字高程模型（DEM）理論及相關分析技術得到地學工作者的廣泛關注，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。在與地學相關的科學研究中，數(shù)字高程模型可以為各種地學模型提供地形參數(shù)并輔助地學模型的建立。應用中，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，使原有的地質地貌研究由定性進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)濟產業(yè)?。∕ETI）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的新一代對地觀測衛(wèi)星TERRA的詳盡觀測結果制作而成。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，范圍大致為：東經(jīng)，110°40'～110°55'，公里網(wǎng)格19466731～19491704，長約25km，設置833個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格約30m：北緯，26°15'～26°30'，公里網(wǎng)格2904586～2932298，長約28km，設置925個網(wǎng)格，每個網(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)。兩個模型各有特點，如表1所示。具體采用何種模型，則要考慮地形曲面特點、特征點線等因素。

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節(jié)，根源在于TIN擁有良好的拓撲結構。不過，規(guī)則格網(wǎng)DEM（GRD模型）有較為簡單的數(shù)據(jù)存儲結構，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對話框，柵格格網(wǎng)設置為30m分辨率，柵格文件有925行，833列，共770525個高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最小值為260m，最大值為1818m，平均值為583m。

進一步統(tǒng)計，百分比居于前三位的三個高程區(qū)間（見表2），300-400m區(qū)間格網(wǎng)數(shù)為236537個，占30.70%；400-500m區(qū)間格網(wǎng)數(shù)為119999個，占15.57%：500-600m區(qū)間格網(wǎng)數(shù)為89447個，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)計顯示，崀山地區(qū)300-400m高程區(qū)間占有絕對優(yōu)勢。

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：點擊網(wǎng)格菜單，進入網(wǎng)格化數(shù)據(jù)對話框，網(wǎng)格化方法選擇地學上常用的克里格法，網(wǎng)格間距設置為30m，生成*.grd文件：點選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的內容。地形因子是為有效地研究與表達地貌形態(tài)特征所設定的具有一定意義的參數(shù)或指標，它是實現(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微分點單元的信息，其量值的大小一般只受所在點高程以及微小領域范圍內高程信息的影響。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區(qū)域，或者說把一個分析窗口直接看作一個整體。它的量值不僅僅只受所在點高程的影響，并且還與分析窗口內的所有高程點信息密切相關?？紤]到地形因子的應用，本文選擇坡度和坡向兩個微觀地形因子進行提取。

2.1坡度

坡度指過該點的切平面與水平面的夾角，表征地表面在該點的傾斜程度。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力布局的重要基礎數(shù)據(jù)，具有重要的理論意義和應用價值。

坡度圖的制作涉及到坡度分級方法，有三種常用的分級法：一般主觀分級法、臨界坡度分級法、模式分級法。一般主觀分級法是指用戶根據(jù)應用目的，主觀設定坡度級別的分級方法。其優(yōu)點是較為簡單、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，帶有一定的主觀性及隨意性。

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

模式分級法是以坡度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分布特征為基礎進行的分級方法。根據(jù)統(tǒng)計模式的不同又可分為等間距分級、分位數(shù)分級、等面積分級、標準差分級及自然裂點法分級等方法。

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

0-2°，平緩坡。地貌為沖積平原、盆地、寬谷、高原、臺地、山前侵蝕剝蝕平原、夷平面。農業(yè)和林業(yè)可全面采用機械化作業(yè)：是良好的城鎮(zhèn)建設基礎：優(yōu)良的交通運輸條件，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。農業(yè)和林業(yè)機械化作業(yè)有一定困難，仍是城鎮(zhèn)、農民、工礦及交通的良好條件。土壤存在片蝕和線蝕。農業(yè)區(qū)需要進行基礎土壤保護措施。

5-15°，斜坡。這種坡一般分布在中山的谷地兩側及中山山前侵蝕平原。10°為機械化農業(yè)和林業(yè)上限，15°是卡車運行的上限，也是居民點、工礦及城鎮(zhèn)建設的界限，農業(yè)耕作應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，線狀侵蝕作用加強。

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

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

以上的六級坡度分類法是從地貌學的角度出發(fā)提出來的，實際上是一種臨界坡度分級法。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，點擊Surface菜單的Drive Slope即可得到良山地區(qū)坡度圖（圖5）。

據(jù)進一步數(shù)據(jù)統(tǒng)計：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、峻坡占有絕對優(yōu)勢，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）也相對比較常見，平均坡度約15°。

2.2坡向

坡向反映了斜坡所面對的方向。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，其他方位分布比較均勻。

在崀山地區(qū)坡向圖基礎上，將注意力轉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，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。資料顯示，肖自心、鄒文發(fā)認為崀山的大節(jié)理主要有兩組，一組340度，近南北向（容易形成坡向為東方與西方的斜坡）：另一組大致235-260度（容易形成坡向為東南與西北的斜坡）。兩組節(jié)理交叉分布，形成方格狀網(wǎng)絡，控制著溝谷和陡崖的方向。endprint