基于1∶1萬DEM瀾滄江上游地貌形態特征分析
——以蘭坪縣為例

陳應躍，沈金祥，張 洪，沈映政

(云南國土資源職業學院 國土管理學院，云南 昆明 650000)

0 引言

地形地貌特征是地理空間信息的基礎，通過提取海拔、坡度、坡向、相對高度、山體走向等特征組合構成形態與分布多樣的地表景觀，對區域生態環境與資源的地域優勢種類分布、利用方式和利用程度等具有主導作用[1]。經過幾十年的發展，地形地貌特征研究已經從定性描述方法逐漸向定量化發展，定性研究主要通過語言描述分析解決問題，缺乏數據支撐，定量分析則為實驗數據提供有力支撐，為更深入、更準確的區域綜合開發利用規劃提供更為可靠的基礎數據，但是地形地貌的定量分析數據龐大、計算繁瑣，如果采用傳統的技術方法很難快速得到成果，隨著計算機科學以及3S集成等技術的高速發展，為空間數據的采集存儲、分析處理提供了有力的技術支撐。

數字高程模型(DEM)數據是通過柵格形式記錄地面高程信息的數據模型，記錄地面三維坐標信息，并基于此模型進行各種地貌因子的提取[2]。ArcGIS是美國環境研究所研發的GIS軟件平臺，原于其強大的數據采集管理、空間分析功能，目前已成為地理信息行業運用最為廣泛的平臺。

1 區域概況與數據收集

瀾滄江是一條著名的國際河流，發源于中國青藏高原唐古拉山北麓，流經中國、緬甸、老撾、泰國、柬埔寨和越南6個國家，素有“東方多瑙河”的美譽，干流全長4880 km，居世界第六，亞洲第四，流域匯水面積達810000 km2。流經中國境內部分稱為瀾滄江，干流長2161 km，集水面積167487 km2，云南段流經36個縣，干流長1216 km，集水面積88665 km2。其中怒江州蘭坪縣境內干流長130 km,流經中排、石登、營盤、兔峨4個鄉(鎮)，海拔在1360～2500 m之間，相對高差達1000～2000 m，山高坡陡、谷深狹長，由于高差較大，形成“V”型峽谷，區域內屬于典型的干熱河谷氣候，植被主要為旱生硬葉灌叢，氣候、景觀垂直分布明顯[3]。

為開展本研究，收集了蘭坪縣2015年第二次全國土地調查變更數據庫數據，比例尺為1∶1萬，數據格式為ArcGIS平臺的MDB格式，坐標系統為1980西安坐標系。

2 地貌特征因子處理

2.1 數字高程模型(DEM)

數字高程模型(DEM)是通過有限的高程數據采用空間插值的方法實現對地表地形數字化模擬的實體地面模型。它記錄了地面空間位置和高程信息，是進行地貌形態特征信息提取的基礎數據，地面坡度、坡向、地表起伏度等信息可以通過空間分析方法直接由DEM生成。為了對研究區進行地貌特征分析，基于1∶1萬比例尺地形數據創建了10 m空間分辨率的DEM(圖1)。

2.2 海拔專題圖

海拔即高程，是地面點到大地水準面的相對高度，按照分類標準：極高山(>5000 m)、高山(3500～5000 m)、中山(1000～3500 m)、低山(500～1000 m)、丘陵(200～500 m)、平原(<200 m),使用ArcGIS柵格數據分析工具對DEM數據進行重分類處理，可以得到區域海拔專題圖，同時使用Excel軟件對海拔數據進行匯總統計，繪制海拔變化曲線(圖2)。

圖2 海拔專題圖

2.3 坡度專題圖

坡度值指水平面與地表之間的夾角或者正切值，表征局部地區地表高度變化的比率，地表單元陡緩的程度。坡度是重要的地形因子之一，坡度的大小直接影響流域地表的物質流和能量再分配，影響流域土壤發育、植被分布，制約著流域生態環境格局與土地資源開發利用可能的方式與類型[1]。研究區坡度狀況對于闡明流域地貌成因、山坡穩定性和地貌發育過程具有重要的意義。利用ArcGIS的3D分析模塊通過對DEM處理生成坡度柵格圖(圖3)。并按照行業規范進行坡度數據重分類處理，分別為：平坡(0～5°)、緩坡(5～15°)、斜坡(15～25°)、緩陡坡(25～35°)、急坡(35～45°)、險坡(>45°),得到6個分類結果，并對各個等級進行面積分類匯總。

2.4 坡向專題圖

坡向是指局部地表坡面在水平面上投影與正北方的夾角,坡向是重要的地貌因子。它影響地表日照時數和太陽輻射強度，支配著區域光熱資源的再分配，影響區域降水與地表徑流流向。使用ArcGIS的3D分析模塊對DEM數據進行處理得到坡向數據，結果按照坡向分類標準進行類別劃分，分別為：北坡(337.5～22.5°)、東北坡(22.5～67.5°)、東坡(67.5～112.5°)、東南坡(112.5～157.5°)、南坡(157.5～202.5°)、西南坡(202.5～247.5°)、西坡(247.5～292.5°)、西北坡(292.5～337.5°)、平坡(0°)，獲得坡向專題圖(圖4)。并使用Excel匯總統計各個高差面積數據。

圖3 坡度專題圖

圖4 坡向專題圖

2.5 地形起伏度專題圖

地形起伏度是指在一個特定的區域內，最高點海拔高度與最低點海拔高度的差值[4]。它是描述區域地形特征的一個宏觀性指標。求出一定范圍內海拔高度的最大值和最小值，對其求差值即可得到地形起伏度。公式如下：

R=Hmax-Hmin

其中，R表示地表起伏度；Hmax表示單元內最大高程值，Hmin表示單元內最小高程值。地面起伏度對區域內洪澇災害、水土流失防治等具有重要意義。使用ArcGIS中的領域分析工具對DEM數據進行處理，選用20×20的領域算子進行單元高程最大值和最小值計算，再通過柵格計算器進行差值求算，即可得到地面起伏度數據，使用Excel匯總統計各個高差面積數據，制作地面起伏度專題圖(圖5)。

圖5 地表起伏度專題圖

2.6 地貌暈渲專題圖

地貌暈渲圖可以模擬不同太陽高度角與地面實體相互作用下的地貌，輔助觀察者直觀認識地表結構及地表覆蓋，地貌暈渲圖受控于坡度、坡向、太陽高度角和太陽方位角。使用ArcGIS表面分析模塊中的Hill-Shade工具實現。參數使用默認的方位角以及太陽高度角，獲得區域地貌暈渲圖(圖6)。

圖6 地貌暈渲圖

3 結果與分析

3.1 海拔統計與分析

對GIS軟件處理得到像元大小為10 m的DEM，基于不同海拔值所對應的像元進行面積匯總統計，繪制曲線圖(圖7)。從圖7可以看出：研究區域內海拔最小值為1360 m，最高海拔4420 m，最大高差2731 m。區域內海拔總體呈正態分布，面積峰值出現在2771～2850 m范圍內，面積達27394.98 hm2，在最低海拔1360～1519 m范圍內面積為3113.12 hm2，在最高海拔4091～4420 m范圍內面積為1768.66 hm2。

圖7 不同海拔的面積分布圖

根據我國山地和丘陵的等級劃分系統，對研究區海拔高度專題圖進行分類處理，匯總統計(表1)。通過表1可知，在整個蘭坪縣境內只有中山和高山2種地貌類型，沒有低山、丘陵、平原地貌。結合圖2分析可得，中山主要分布在瀾滄江、沘江、通甸河河谷兩岸，高山主要分布于河流兩岸山頂。

表1 海拔與地貌類型統計表

3.2 坡度統計與分析

對處理得到的蘭坪縣像元大小10 m的坡度數據，基于像元的統計得到不同坡度對應的面積分布，繪制曲線圖(圖8)。從圖8可以看出：坡度在0～80°均有分布，主要集中在0～59°，其他面積較少。結合蘭坪縣境內地形地貌可以得知0～1°區域主要為河流水面。

另外，依據地貌坡度的6級分類指標體系，對處理得到的坡度數據進行重分類，進行基于像元的面積統計，如表2所示。

結合區域實地調研結果對表格數量結構進行分析，表格數據結構符合實地情況，蘭坪縣處于瀾滄江流域上游，區域內海拔高差較大，山體主要為中山和高山，地勢陡峭，坡度主要集中在15～45°，面積占比達總面積的83.1%，主要分布在山體中部，平坡、緩坡、險坡占比較少，合計僅占16.9%。

圖8 不同坡度的面積分布圖

表2 坡度類型統計表

3.3 坡向統計與分析

利用由DEM生成的坡向數據，基于像元面積統計繪制變化曲線(圖9)。

圖9 不同坡向海拔面積分布圖

另外，按照劃分標準對坡向數據進行重分類，劃分為9個方向類別，同時對各個類別進行面積匯總統計，如表3所示。

結合區域實地調研結果對表格數量結構進行分析，表格數據結構符合實地情況蘭坪縣境內坡向為0～7°的區域有個峰值，主要分布于河流水面以及壩區，但是面積相對較少，僅為22243.36 hm2，占總面積的5%。其他區域分布相對均勻，因此，流域各方位的地面光熱資源與地表徑流分配也隨之呈現相對均衡狀態。

3.4 地面起伏度分析

利用ArcGIS領域統計分析工具，以20×20的算子進行最大高程、最小高程及兩者差值運算得到地表起伏度數據，對該數據進行基于像元的地表起伏度統計，得到地表起伏度曲線圖(圖10)。通過分析曲線圖可以看出，當選取在蘭坪縣境內地面起伏度最大值為229 m，最小值為0時，地面起伏度峰值出現在30～37 m范圍內，起伏度大于105 m區域并零星分布于區域內。

表3 坡向類型統計表

圖10 地面起伏度面積分布圖

4 結語

地形地貌定量分析是區域深度開發利用的基礎，本研究通過對瀾滄江中上游區域坡度、坡向、地面起伏度等地貌特征的分析，為區域土地資源綜合利用提供了基礎數據支持，并具有一定的指導意義。

此前關于瀾滄江流域地形地貌特征的研究已有先例，研究者選用了1∶25萬比例尺DEM數據作為數據基礎，而本研究選用大比例尺1∶1萬DEM數據進行精細化研究，在空間尺度上更精準可靠，地貌特征定量也更準確。由于數據采集過程中有關地形數據等高距、比例尺精度、插值模擬等方面存在著制圖綜合取舍與空間信息損失，因此有可能導致一些特征數據處理結果與實際狀況存在較大偏差，甚至失去實際應用意義。因此，結合實際調查狀況，對相應地貌特征處理結果進行客觀分析是十分必要的，特別是在地貌起伏劇烈的云南山區峽谷流域。隨著遙感技術、三維激光掃描、傾斜攝影測量、無人機航測技術的飛速發展，為區域精細地貌特征提取提供了高效、快速的技術支撐。

[1] 甘淑,袁希平.瀾滄江流域地理信息處理與地貌形態特征分析[J].云南地理環境研究,2005,17(4):1-5.

[2] 和健全.瀾滄江流域(蘭坪段)生態修復存在問題與對策[J].現代園藝,2015(6):118-119.

[3] 王雷,朱杰勇,周燕.基于1:25萬DEM昆明地區地貌形態特征分析[J].昆明理工大學學報：理工版,2007,32(1):6-9.

[4] 涂漢明,劉振東.中國地勢起伏度最佳統計單元的求證[J].湖北大學學報：自然科學版,1990(3):266-271.