基于不同DEM分辨率下的黃岡市數(shù)字地形分析

黎武　王汝蘭　徐珍

摘要：為了解湖北省黃岡市地形地貌特征，以黃岡市空間分辨率為30 m×30 m的DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，在ArcGIS10.1中，利用空間分析模塊下的重采樣工具，將30 m的數(shù)據(jù)采樣成60 m、90 m、120 m的DEM數(shù)據(jù)。分析了4種分辨率下研究區(qū)域坡度、粗糙度、溝壑密度以及水文特征，以期為該區(qū)域水土流失治理工作提供科學(xué)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：黃岡市；DEM；重采樣；水土流失

中圖分類號(hào)：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）8020904

1引言

數(shù)字高程模型（DEM）通過離散高程點(diǎn)對連續(xù)變化的地表高程進(jìn)行定量表達(dá)，是最為重要的空間信息類型之一[1]。數(shù)字地形分析是在數(shù)字高程模型DEM上進(jìn)行地形屬性計(jì)算和特征提取的數(shù)字地形信息處理技術(shù)[2]。地形分析是地形環(huán)境認(rèn)知的一種重要手段，地形分析可分為兩大類：基本地形因子如坡度、坡向、粗糙度的計(jì)算，復(fù)雜的地形分析包括地形特征如鞍部和徑流節(jié)點(diǎn)的提取、水系特征提取、水文分析等[3]。隨著數(shù)字高程模型（DEM）獲取與生產(chǎn)技術(shù)的成熟，DEM廣泛應(yīng)用于坡度坡向提取[4～6]、地形特征提取[7， 8]、水系特征分析[9， 10]。DEM分辨率對地形特征的提取有不確定性作用。一定分辨率的 DEM 所表達(dá)信息量應(yīng)該最大限度地接近原始數(shù)據(jù)的信息量，因而選擇合適的DEM分辨率是數(shù)字地形分析的關(guān)鍵[11]。DEM分辨率不同，其對地形特征信息概括的程度也不同。因此研究DEM分辨率對數(shù)字地形分析有重要意義。

以30 m×30 m的ASTER|GDEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，將其采樣成60 m、90 m、120 m，運(yùn)用這四種不同分辨率的DEM，進(jìn)行數(shù)字地形分析。探討不同分辨率下的坡度、粗糙度、水文特征與溝壑密度，分析地形因子與水土流失的關(guān)系，為區(qū)域數(shù)字地形分析與水土流失的定量研究提供可靠的理論支持。

2研究區(qū)概況

黃岡市位于湖北省東部，地理位置為114°25′～116°8′E，29°45′～31°35′N。屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季光熱界線分明。北部和東部為大別山低山丘陵，中部為丘陵區(qū)，南部為狹長的平原湖區(qū)，地勢高低起伏。地勢由北向南傾斜、東北部是著名的大別山山脈。水系湖泊眾多，自然資源豐富，面積17453 km2，下轄七縣兩市一區(qū)。以中低山和丘陵為主，山丘區(qū)占總面積的80%以上，是水土流失較為嚴(yán)重的地區(qū)。

3數(shù)據(jù)來源與研究方法

采用ASTER|GDEM數(shù)據(jù)，來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站，空間分辨率為30 m×30 m，ASTER數(shù)據(jù)覆蓋范圍為N83°～83°之間所有陸地區(qū)域。將獲取的DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS10.1中進(jìn)行拼接，用黃岡市矢量邊界去裁剪拼接后的DEM數(shù)據(jù)，獲得黃岡市的DEM原始數(shù)據(jù)。

在ArcGI10.1的支持下，對30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，得到60 m、90 m、120 m的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于這4種分辨率的DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)行區(qū)域數(shù)字地形分析。

4不同分辨率下的數(shù)字地形分析

4.1不同分辨率下坡度分析

坡度是指過地表任意一點(diǎn)的切平面與水平地面的夾角[12]。坡度反映地表的傾斜程度，是數(shù)字地形分析的基本參數(shù)[6]。坡度值反映不同的土壤侵蝕程度，揭示水土流失保護(hù)狀況。對坡度合理分級具有重大的意義，分級可以有效的反映地區(qū)地形地貌特征，有利于區(qū)域水土流失的研究與區(qū)域水土流失措施的制定。

應(yīng)用ArcGIS10.1軟件，分別提取分辨率為30 m、60 m、90 m、120 m的坡度，并按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》中地面坡度分級標(biāo)準(zhǔn)[13]，將坡度分為0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、> 35°共6 個(gè)等級。

由表1可知，隨著分辨率的降低，提取坡度的最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差都處于下降趨勢。DEM分辨率降低，區(qū)域高程會(huì)進(jìn)行的一定程度的過濾和平滑，使得地表起伏降低，DEM對地表地形的模擬能力減弱，坡度的損失信息量較大。坡度的提取對DEM分辨率的依賴性較強(qiáng)，進(jìn)行坡度信息量的提取時(shí)，應(yīng)選擇合適的DEM網(wǎng)格大小，使DEM更加真實(shí)的模擬地形。

由表2可以看出，隨著分辨率的降低，坡度在0～5°的區(qū)域越來越大，其他分級的區(qū)域面積卻在不斷減少。分辨率的降低，DEM對地形的模擬能力減弱，使得地表高程起伏變緩，原來起伏大的區(qū)域被平滑，坡度小的平緩區(qū)域增加。這種變化反映了DEM分辨率對高程的影響。

由圖1可知，4種分辨率下黃岡市坡度空間分布規(guī)律都是北部和東部坡度大，東北部坡度最大，南部和中部坡度較小。坡度的空間分異反映了地勢地形的差異，黃岡市北部和東部為大別山低山丘陵，東北部是大別山山脈，該區(qū)域整個(gè)地勢由北向南傾斜。南部與中部是平原丘陵，地形起伏相對小，坡度較小。但是整個(gè)黃岡市地形起伏較大，坡度整體還是較大。

4.2不同分辨率下粗糙度分析

地表粗糙度是地表單元的曲面面積與其在水平面上的投影面積的比值，可以反映地面的起伏變化和侵蝕程度大小，粗糙度是定量研究水土流失一個(gè)重要的參數(shù)[12]。本文利用ArcGIS10.1空間分析模塊下的的柵格計(jì)算器提取粗糙度。

由表3可知，隨著分辨率的降低，粗糙度的最大值、平均值及標(biāo)準(zhǔn)差越來越小。說明粗糙度可以反映地形起伏變化，分辨率越小，DEM表達(dá)的地物信息越完整，粗糙度越大，地表起伏也越劇烈。

4.3不同分辨率下河網(wǎng)水系分析

將黃岡市空間分辨率為30 m的DEM數(shù)據(jù)加載到ArcGIS10.1中，用水文分析模塊來提取黃岡市河網(wǎng)水系，整個(gè)處理過程都是在水文分析模塊中實(shí)現(xiàn)的。對原始的DEM 進(jìn)行填洼，計(jì)算水流方向、匯流累積量，閾值依次為1000，1200，1400，…，7400，起始閾值為1000，結(jié)束閾值為7400，間距為200，得黃岡市河網(wǎng)水系的提取結(jié)果。經(jīng)計(jì)算閾值為7000時(shí)，溝壑密度為0.3，并趨于穩(wěn)定。表明7000為最佳匯流閾值，為便于研究，將閾值為7000作為分辨率60 m、90 m、120 m的最佳匯流閾值，提取黃岡市的水系（圖2）。

由圖2和表4可知，隨著分辨率的降低，提取的黃岡市水系越來越稀疏，河網(wǎng)的總長度也在變小，平均長度、最小長度、最大長度及標(biāo)準(zhǔn)差卻在不斷增大。由此可知，分辨率越高提取出的水系也越復(fù)雜；分辨率越低提取出的水系也越簡單，只保留河網(wǎng)水系的主干道，相應(yīng)的河流最大長度也越長。不同分辨率DEM在同一匯流閾值下提取的水系差別很大，河網(wǎng)水系提取對DEM分辨率依賴性很強(qiáng)。DEM分辨率與匯流閾值都影響河網(wǎng)水系的提取，在實(shí)際河網(wǎng)水系提取時(shí)，應(yīng)該確定合適的DEM分辨率及最佳匯流閾值，以獲得最佳水系形態(tài)。

4.4DEM分辨率流域劃分

在水文分析模塊中，提取分水嶺，再利用柵格轉(zhuǎn)面工具將其轉(zhuǎn)換成流域矢量面并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

由表5可知，當(dāng)閾值都設(shè)置為7000時(shí)，DEM分辨率越低，流域的數(shù)量與流域的總面積反而越大，劃分的流域也越精細(xì)；分辨率越高，流域劃分越破碎，使得流域平均面積、最小面積、最大面積標(biāo)準(zhǔn)差都增大。

4.5不同分辨率下的溝壑密度分析

溝壑密度是指單位面積內(nèi)溝壑的總長度，以Km/Km2為單位，數(shù)學(xué)表達(dá)式為[14]：Ds=∑L/A。Ds是溝壑密度，∑L是區(qū)域內(nèi)溝壑總長度，A區(qū)域總面積。

溝壑密度反映了地表破碎程度，溝壑密度越大，地表越破碎，地形起伏度更大，地表徑流與土壤沖刷越強(qiáng)烈，土壤侵蝕也越劇烈，溝谷發(fā)育越快，水土流失也越嚴(yán)重。溝壑密度可以揭示區(qū)域地形地貌發(fā)育，也可以宏觀認(rèn)識(shí)區(qū)域水土流失狀況。

由表6可知，當(dāng)閾值為7000時(shí)，分辨率為30 m、60 m、90 m、120 m下的溝壑密度依次為0.30、0.15、0.10、0.08。分辨率越小，溝壑密度越大，反之則越小。溝壑密度的大小是由溝谷的發(fā)育程度決定的，分辨率越小，提取的溝谷數(shù)量也越多，發(fā)育也越完善。

5結(jié)論與討論

（1）基于不同DEM分辨率對黃岡市地形特征與水系特征進(jìn)行提取分析，4種分辨率下提取的地形因子參數(shù)結(jié)果差異明顯，說明DEM分辨率對區(qū)域地形特征的提取有很大的影響。

（2）DEM分辨率對坡度和地表粗糙度的提取結(jié)果都產(chǎn)生很大的影響，提取的坡度和粗糙度最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差都在下降；DEM分辨率越低，其對地形的模擬程度越高，地形的起伏也平緩，使得坡度和粗糙度降低。

（3）通過ArcGIS的水文分析工具提取黃岡市不同DEM分辨率下的河網(wǎng)水系。同一閾值不同分辨率下提取的水系形態(tài)差異很大。DEM分辨率越小，對地形表達(dá)也越精細(xì)，提取的水系與流域越復(fù)雜。選取最佳匯流閾值是水文分析的關(guān)鍵，不同的閾值提取的河網(wǎng)水系差異很大。河網(wǎng)水系提取時(shí)應(yīng)選擇合適的匯流閾值使得提取的河網(wǎng)水系最接近于真實(shí)水系。

（4）運(yùn)用DEM提取坡度、粗糙度、溝壑密度及水文特征等地形因子指標(biāo)，從不同的角度揭示了不同分辨率下的黃岡市坡面形態(tài)與河網(wǎng)水系特征，有利于對區(qū)域地貌地形特征的認(rèn)識(shí)。

（5）DEM在對數(shù)字地形分析具有重要的意義，以DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源分析區(qū)域地形因子與水文特征，可以認(rèn)識(shí)區(qū)域地貌地形特征、河網(wǎng)水系特點(diǎn)、地貌發(fā)育階段以及土壤侵蝕規(guī)律。地形因子可以定量反映區(qū)域水土流失，因此分析地形因子有助于區(qū)域水土流失認(rèn)識(shí)與治理。

參考文獻(xiàn)：

[1]

秦承志， 呼雪梅. 柵格數(shù)字地形分析中的尺度問題研究方法 [J]. 地理研究， 2014， 33（02）： 270～283.

[2]晁玉忠. 基于DEM的數(shù)字地形分析 [D].武漢：武漢理工大學(xué)， 2008.

[3]戴一鳴. 數(shù)字地形分析 [D]. 長沙：中南大學(xué)， 2005.

[4]劉敏， 湯國安， 王春， 等. DEM提取坡度信息的不確定性分析 [J]. 地球信息科學(xué)， 2007， 9（2）：65～69.