基于DEM數(shù)據(jù)分割的西南地區(qū)地貌形態(tài)自動(dòng)識(shí)別研究

曹偉超，陶和平，孔 博，劉斌濤，孫玉蓮

(1.中國(guó)科學(xué)院/水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

中國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，山地面積占到陸地總面積的46.11%［1］，而山區(qū)更是占到陸地面積的70%以上。山地又是中國(guó)地貌的框架，中國(guó)大地貌單元如大高原、大盆地的四周都被山脈環(huán)繞:青藏高原是中國(guó)最高最大的高原，平均海拔達(dá)到了4500m，周圍的山脈有喜馬拉雅山、喀喇昆侖山、昆侖山、祁連山、橫斷山等。同時(shí)，山地在中國(guó)的分布極為不均，西南地區(qū)是山地分布最集中的地區(qū)之一，各種山地災(zāi)害頻發(fā)。由于地貌形態(tài)在很大程度上對(duì)山地災(zāi)害和局部地區(qū)氣候能產(chǎn)生影響［2］，并控制著其他生態(tài)、環(huán)境因子的分布與變化，因此研究西南地區(qū)地貌形態(tài)的分布具有其科學(xué)性和必要性。

地貌形態(tài)的識(shí)別和劃分是現(xiàn)代地貌學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容，國(guó)內(nèi)外已有不少研究成果［3－6］。不同研究區(qū)應(yīng)選取不同的地理指標(biāo)，山區(qū)應(yīng)選擇適合山區(qū)地貌類型劃分的指標(biāo)。山區(qū)最大的特點(diǎn)是山地分布廣泛，地貌形態(tài)識(shí)別應(yīng)考慮山區(qū)地貌類型的特征，重點(diǎn)是識(shí)別其山地類型分布，確定劃分指標(biāo)。指標(biāo)選取應(yīng)體現(xiàn)研究區(qū)地貌特點(diǎn)，考慮西南地區(qū)的地貌特征，應(yīng)用于一般地區(qū)的地貌形態(tài)劃分指標(biāo)對(duì)于西南地區(qū)具有一定局限性，若以1000m作為低海拔的標(biāo)準(zhǔn)，則四川盆地和整個(gè)廣西將連成一片，無(wú)法體現(xiàn)高程在四川盆地和廣西的變化，因此對(duì)于具體采用的地形因子都需要確定新的指標(biāo)來(lái)劃分。本研究基于DEM數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)分割方法，從西南山區(qū)具體地貌特征出發(fā)，對(duì)地貌形態(tài)劃分指標(biāo)進(jìn)行詳盡分析，確定具體指標(biāo)，最終考慮高程和起伏度綜合作用，得到了西南山區(qū)19種地貌形態(tài)分布圖，對(duì)進(jìn)一步研究地貌形態(tài)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 研究背景和基本流程

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的DEM為地球電子地形數(shù)據(jù)ASTERGDEM經(jīng)過(guò)校正拼接及重采樣所得，基本格網(wǎng)單元大小為90m。行政界限數(shù)據(jù)、居民點(diǎn)及道路分布數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家遙感應(yīng)用工程技術(shù)研究中心西南分中心，基本比例尺為1∶25萬(wàn)。

1.2 研究區(qū)域及基本流程

研究區(qū)包括四川省、云南省、貴州省、重慶市以及廣西壯族自治區(qū)5個(gè)省級(jí)行政區(qū)劃，區(qū)域內(nèi)喀斯特地貌發(fā)育，地貌類型復(fù)雜，根據(jù)地貌特征分為4個(gè)地貌單元:四川盆地及其周邊，云貴高原，青藏高原東緣，廣西地區(qū)。這4個(gè)地貌單元各有特征，在最終得到的地貌類型分布圖中都應(yīng)該有所體現(xiàn)，這些特征也是衡量劃分結(jié)果是否準(zhǔn)確的一個(gè)重要參考和標(biāo)準(zhǔn)。研究以地貌形態(tài)識(shí)別為核心，基本流程見(jiàn)圖1。

圖1 地貌形態(tài)劃分流程

2 西南地區(qū)地貌形態(tài)識(shí)別

2.1 西南地區(qū)地貌形態(tài)分類分級(jí)體系的建立

地貌形態(tài)識(shí)別的關(guān)鍵是建立分類分級(jí)體系，可基于高程和地勢(shì)起伏度。高程揭示不同海拔山地?zé)崃?、水?降水)、生物(量)、土壤垂直差異;起伏度揭示坡面環(huán)境能量(位能、動(dòng)能等)特征和環(huán)境災(zāi)害危險(xiǎn)性程度。蘇時(shí)雨、陳志明等按高程≤500、500—1000、1000—3000(或3500)、3000(或3500)—5000(或5500)和＞5000(或5500)m將地形分為低地、低山、中山、高山和極高山五大類，低地即≤500m的一類又可細(xì)分為丘陵、臺(tái)地和平原;按起伏度≤100、100—200、200—500、500—1000、1000—2000(或2500)和＞2000(或2500)m將地形分為微起伏、緩起伏、小起伏、中起伏、大起伏和極大起伏六大類，20m以內(nèi)起伏定義為平原［7－8］。該指標(biāo)體系在全國(guó)范圍的地形劃分中具有指導(dǎo)意義，但在具體區(qū)域應(yīng)用中有一定的局限性，應(yīng)結(jié)合實(shí)際地貌特征建立適合研究區(qū)的分類分級(jí)指標(biāo)體系。

(1)高程:區(qū)域內(nèi)四川盆地海拔在500m左右，云南高原和貴州高原的海拔分別為2000m和1000m，而青藏高原東緣的海拔基本在3500m以上，5000m等高線在這里可以作為雪線［7］。綜合以上地貌特征，可確定出適合西南地區(qū)的高程分類指標(biāo)體系。

(2)起伏度:DEM中用地勢(shì)起伏度來(lái)表示地面起伏的大小?？紤]到西南地區(qū)山地分布廣泛，整體起伏不是太大，局部起伏度較大，可確定出西南地區(qū)地勢(shì)起伏分類指標(biāo)體系。

結(jié)合高程和起伏度得到適合西南地區(qū)的地貌形態(tài)分類分級(jí)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 西南地區(qū)地貌形態(tài)分類分級(jí)指標(biāo)體系

2.2 地勢(shì)起伏度的計(jì)算

地勢(shì)起伏度指DEM中某一個(gè)范圍內(nèi)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之間高程的差值。從定義可以明顯得出，隨著“某一個(gè)范圍”的增大，地勢(shì)起伏度必然會(huì)增加。所以，確定地勢(shì)起伏度的關(guān)鍵是確定這一范圍的大小。這里使用滑動(dòng)窗口算法，以n×n像元的模板算子對(duì)研究區(qū)進(jìn)行滑動(dòng)計(jì)算，分別計(jì)算各鄰域內(nèi)最大值和最小值，再獲取差值，即得起伏度，表述為

式中:t表示地勢(shì)起伏度;Hmax和Hmin分別表示海拔最大值和最小值。

經(jīng)計(jì)算，可以得到像元與平均地勢(shì)起伏度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表2。地勢(shì)起伏度與統(tǒng)計(jì)單元大小間的關(guān)系曲線首先利用表2數(shù)據(jù)得到其散點(diǎn)圖，再運(yùn)用Logarithmic擬合對(duì)數(shù)方程進(jìn)行回歸分析，回歸曲線見(jiàn)圖2。

表2 平均起伏度與統(tǒng)計(jì)單元大小對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖2 起伏度和統(tǒng)計(jì)單元大小的擬合曲線

由圖2可以看出，擬合方程y=114.396lnx+303.091的判定系數(shù)R2=0.976，擬合效果非常好。

2.3 尋找最佳統(tǒng)計(jì)單元

涂漢明等［9］用21km2計(jì)算全國(guó)起伏度，郎玲玲等［10］在計(jì)算福建省起伏度時(shí)使用4.41km2，不同區(qū)域和不同分辨率DEM所使用的統(tǒng)計(jì)單元大小是有區(qū)別的。從圖2可知平均起伏度起初隨著統(tǒng)計(jì)單元的增大而迅速增大，但當(dāng)達(dá)到一定的閾值之后增加速度開(kāi)始減緩，最后趨于平穩(wěn)，這個(gè)趨勢(shì)開(kāi)始減緩的閾值就是我們需要尋找的最佳統(tǒng)計(jì)單元的大小，且這個(gè)閾值是唯一的。

確定閾值的方法一般可以采用手工作圖或目視確定法，但是考慮到主觀因素的不確定性，這里使用均值變點(diǎn)分析法［10］:該方法認(rèn)為地勢(shì)起伏度曲線必然存在一個(gè)由陡變緩的拐點(diǎn)，且該點(diǎn)唯一。數(shù)學(xué)表達(dá)式為:有數(shù)據(jù)序列{xi}，其中i=1，2，3，…，N，N為樣本數(shù)，樣本以xi點(diǎn)為界分為兩段，分別計(jì)算每段樣本的算術(shù)平均值以及樣本均值x，有統(tǒng)計(jì)量

式中:Si和S為均值變點(diǎn)分析法中間計(jì)算值;下角標(biāo)t1=1，2，…，i－1;t2=i，i+1，…，N。計(jì)算期望值 E(S － Si)，最大的期望值對(duì)應(yīng)的窗口大小即為最佳統(tǒng)計(jì)窗口。

首先對(duì)表2中的起伏度數(shù)據(jù)t進(jìn)行處理得到單位面積數(shù)據(jù)T，再對(duì)該數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)lnT即得到數(shù)據(jù)序列{xi}，對(duì)數(shù)據(jù)序列按照均值變點(diǎn)分析法進(jìn)行計(jì)算可得到圖3的曲線。

由圖3可以容易地發(fā)現(xiàn)第7個(gè)差值即第8個(gè)序列點(diǎn)為最大值，也就是說(shuō)第8個(gè)序列點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)單元大小為地勢(shì)起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元。由表2可知，第8個(gè)序列點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是17×17像元，即面積為2.34km2的格網(wǎng)大小為最佳統(tǒng)計(jì)單元。

2.4 西南地區(qū)地貌形態(tài)劃分

綜合海拔和地勢(shì)起伏度的影響，將二者的分類結(jié)果進(jìn)行疊加處理，可得到初步地貌分類結(jié)果圖，產(chǎn)生了30種不同的地貌類型。考慮地形實(shí)際情況，將具有極大起伏的地形并為一類——極大起伏山地，同時(shí)較低海拔的山地不可能具有極大和大起伏，對(duì)生成的地貌分類結(jié)果圖進(jìn)行重編碼，得到19種地貌形態(tài)分布圖。

為了去除分類后產(chǎn)生的部分零星像元，采用了聚類分析和剔除分析，其思想是為每個(gè)類型定義一個(gè)保留的最小圖斑面積，將小于該面積的圖斑合并到大圖斑中。為了統(tǒng)計(jì)分析的需要該面積不能取太大，本研究取25×25像元大小，即最小圖斑的面積為5km2。最后添加道路和居民點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷，得到西南地區(qū)地貌形態(tài)分布結(jié)果圖，見(jiàn)圖4。

3 結(jié)果分析

將圖4中各地貌面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可得表3。由表3可見(jiàn)，各種地貌形態(tài)分布廣泛均衡，說(shuō)明地形總體較破碎，特別是云貴高原喀斯特地貌發(fā)育區(qū)域。其中:低地盆地、平原，小起伏低山和小起伏中山的面積較大，分別占總面積的14.34%、12.22%和15.89%，其和超過(guò)總面積的42%，主要分布在四川盆地、廣西地區(qū)、貴州高原以及云南西南部等地勢(shì)相對(duì)較低的區(qū)域;峽谷區(qū)主要分布在橫斷山區(qū)，由幾大河流如瀾滄江、金沙江以及怒江等長(zhǎng)期以來(lái)劇烈的切割作用造成，表現(xiàn)出極大的地表切割和起伏。研究區(qū)海拔從沿海幾十米到高原5000m以上變化很大，尤其是川西高原與四川盆地接壤處、橫斷山區(qū)等起伏多大于500m，全區(qū)起伏大于500m的地區(qū)面積為34.76萬(wàn)km2，占總面積的25.33%，起伏度超過(guò)1000m的地區(qū)均分布于此。此外四川盆地、廣西平原、貴州、云南東部以及川西的若爾蓋盆地等在海拔的變化上表現(xiàn)為一個(gè)漸變過(guò)程，而四川盆地和川西高原連接處以及貢嘎山地區(qū)明顯存在一個(gè)較大面積的大起伏區(qū)域。

表3 西南地區(qū)地貌形態(tài)統(tǒng)計(jì)

前文劃分的4個(gè)地貌單元在圖4中界限明顯，且其內(nèi)部地貌特征也得到了明顯體現(xiàn):①四川盆地底部盆西平原、盆中丘陵以及盆東平行嶺谷3個(gè)區(qū)域分布明顯，且表現(xiàn)為低海拔小起伏;②青藏高原東緣的川西高原和滇西北地區(qū)表現(xiàn)為高海拔較大起伏，只有若爾蓋盆地和鹽源盆地表現(xiàn)為小起伏，貢嘎山在該區(qū)獨(dú)一無(wú)二的特征也得到明顯體現(xiàn);③云貴高原中云南高原海拔明顯高于貴州高原，地形破碎，不存在大面積平地，小的平地如云南的昆明、陸良、昭魯?shù)葔巫雍唾F州的貴陽(yáng)、畢節(jié)等盆地均表現(xiàn)明顯;④廣西地區(qū)地勢(shì)自西北向東南傾斜，西北部屬云貴高原的延伸，地形較破碎，山脈如十萬(wàn)大山、大瑤山及九萬(wàn)大山等都表現(xiàn)為較大起伏，桂中盆地、百色盆地、南寧盆地及潯江平原等表現(xiàn)為小起伏。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)有84.62%的居民點(diǎn)分布在小起伏和低海拔區(qū)域，626個(gè)縣級(jí)及以上居民點(diǎn)中有593個(gè)分布在小起伏和低海拔區(qū)域，占到總數(shù)的94.73%，同時(shí)大起伏、極大起伏區(qū)域不存在縣級(jí)居民點(diǎn)，這也說(shuō)明人口和城市的分布與地貌形態(tài)間存在顯著的相關(guān)性，與人口空間分布的規(guī)律［11］也十分吻合。

與陳志明［12］1993年1∶400萬(wàn)中國(guó)地貌圖中基本地貌形態(tài)部分進(jìn)行對(duì)比分析，由于區(qū)域和具體方法的不同，差異是可以預(yù)見(jiàn)的，有必要對(duì)其進(jìn)行闡述與分析:①研究區(qū)及范圍不同，地貌形態(tài)是一個(gè)相對(duì)概念，高低陡緩均是相對(duì)而言，本研究選取西南地區(qū)更具有針對(duì)性;②地勢(shì)起伏度的統(tǒng)計(jì)單元大小不同，前者取21km2，本研究經(jīng)分析取2.34km2，在數(shù)值準(zhǔn)確性上能更好地表現(xiàn)地勢(shì)起伏狀況;③分類分級(jí)體系不同，前者在全國(guó)范圍內(nèi)建立分類分級(jí)體系，且考慮大地構(gòu)造和地質(zhì)構(gòu)造地貌，本研究建立適合西南地區(qū)的分類分級(jí)體系，分類精度必然有所提高。對(duì)于西南地區(qū)，本研究更具有針對(duì)性，在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和分類結(jié)果精度上均有明顯提高。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)本研究可以得到以下結(jié)論:①以GDEM為基礎(chǔ)，較好地?cái)M合出了起伏度統(tǒng)計(jì)單元和起伏度之間的曲線關(guān)系，并采用均值變點(diǎn)分析法獲得了西南地區(qū)起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元大小;②通過(guò)綜合分析，確定了適合西南地區(qū)進(jìn)行地貌等級(jí)劃分的劃分指標(biāo)，主要是絕對(duì)高程和起伏度的劃分指標(biāo)，并得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具有一定的參考和應(yīng)用價(jià)值;③西南地區(qū)的地勢(shì)和起伏具有一定的規(guī)律:劃分為4個(gè)地貌類型單元——四川盆地及其周邊、青藏高原東緣、云貴高原以及廣西地區(qū)，每個(gè)單元的地貌又各有其特點(diǎn)。

基于90m分辨率DEM獲得的地貌形態(tài)分布圖在精度上存在一定的局限性，無(wú)法對(duì)細(xì)部或微觀地貌進(jìn)行較好描述，但對(duì)于大區(qū)域的西南地區(qū)來(lái)說(shuō)可較好描述其地貌形態(tài)的整體趨勢(shì)。對(duì)小區(qū)域進(jìn)行更細(xì)致的地貌識(shí)別應(yīng)使用更高精度的DEM，并結(jié)合遙感影像綜合分析。

本研究的指標(biāo)體系僅基于高度和起伏度，盡管起伏度自身與坡度、粗糙度、高程變異系數(shù)具有較大的相關(guān)性?？紤]到實(shí)際地形的復(fù)雜性，使用結(jié)合多因子的最佳因子組合方法進(jìn)行地貌類型劃分和地貌類型的自動(dòng)識(shí)別將是以后研究的方向。

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