基于DEM的皖西南地区地貌类型分析

基于DEM的皖西南地区地貌类型分析 摘要:地貌作为地理信息的重要贡献组成要素，它决定着自然地理单元的形成和地面物质与能量的再分配。该研究利用GIS图像处理技术方法，通过对皖西南地区数字高程模型数据进行处理，提取了研究区有关坡度、坡向、地形起伏度等的地貌特征要素，并进行定位表达与特征统计分析，结果获得了对本区地貌特征的定位与定量化的总体认识，为研究区的农业规划、水土流失、土壤侵蚀、地质灾害等研究提供了新的空间信息基础平台。关键词:皖西南地区（Southwest Anhui）；地貌形态；地理信息系统（GIS）；数字高程模型（DEM）引言安庆市作为皖西南中心城市，安徽省“皖江开发”的重点城市之一，长江沿岸著名的港口城市，将作为研究皖西南地貌类型的重点，本篇论文就是基于安庆市地貌类型研究皖西南地貌类型。地貌作为地理信息的重要贡献组成要素，通过海拔、坡度、坡向、起伏度等特征组合构成形态与分布多样的地表景观，并对区域生态环境与资源的地域优势种类分布、利用方式和利用程度等具有主导作用。而地貌学的发展，也逐渐从以往的定性描述转入数理定量分析研究阶段。但按传统研究方法，由于地貌数据庞大、计算繁琐使定量地貌研究发展缓慢，而今随着计算机与空间技术的迅猛发展，特别是具有强大的空间数据获取与管理、分析、计算等功能的3S技术的应用，为地貌定量研究提供了有力的技术支持。GIS数字地形分析是以数字高程模型为主的产生式分析，数字高程模型（简称DEM）表示区域D上的三维向量有限序列,用函数的形式描述为：Vi=（Xi，Yi，Ei）（i=1，2，n）式中，Xi、Yi是平面坐标；Ei是（Xi，Yi）对应点的高程。DEM是GIS进行地形分析的基础数据。利用DEM数据可快速地进行各种地形因子的提取，主要包括坡度、坡向、粗糙度等的计算和通视分析、地形特征提取、水系特征提取、水文分析、道路分析等。它记录了精确的空间三维定位信息.利用DEM为基本的数据依托进行地形要素的提取与分析，无疑是获取所需地表信息的有效手段。ArcGIS 9. x是美国环境系统研究所（ESRI）最新开发的面向对象的桌面地理信息系统软件平台，它提供了强大的空间分析和可视化功能，不仅操作简单，而且界面友好.利用Arc/Info可以有效实现地图制图以及空间数据的查询、显示、分析和管理。1 研究区概况及资料整理安庆市位于北纬2947-3117、东经11546-11744，东与安徽省池州市、铜陵市隔江相望；南靠长江，与江西省九江市相连；西界湖北省黄梅、蕲春、英山三县；北接安徽省六安市、巢湖市。安庆地貌丰富多样，总体特征西北部是大别山中低山区，东南部为长江洲圩滩地，中部丘陵起伏，间有低山、湖泊。安庆市面积15398平方公里，各类地形构成是：山区面积占3569，丘陵面积占331，圩区面积占2005，江湖水面占1058，长江外滩占058。图1 数字高程图本次研究的高精度栅格数字高程模型（如图1所示）是以ArcGis 9. 2为技术平台，在安庆市地形图的基础上采集等高线，录入高程属性，利用不规则三角网（TIN）生成，并对方里网交叉点上的高程进行采样，编辑处理，因此具有高采样精度。数据统计和整理分析采用基于Excel数据处理，综合GIS与图像处理系统管理模块共同完成。2 地貌专题图的制作在栅格DEM的基础上,利用ArcGis9. 2应用软件得出研究区的高程专题图、坡度专题图、坡向专题图、地形起伏度专题图、地貌晕渲染图。2. 1海拔高度分层专题图DEM所提供的原始数据就是高程数据，是DEM最基本的信息.运用ArcGis9. 2重分类功能，将高程分为需要的分类类型，然后将属性表导入Excel中进行统计分析，如图2所示 。图2 高程专题图2. 2坡度专题图图3 坡度专题图坡度指水平面与局部地表之间的夹角或其正切值，是局部地表高度变化的比率指标，可量化表达地表面在该点的倾斜程度。坡度是重要的地形因子之一，坡度的大小直接影响流域地表的物质流和能量再分配，影响流域土壤发育、植被分布，制约着流域生态环境格局与土地资源开发利用可能的方式与类型。研究区坡度状况对于阐明流域地貌成因、山坡稳定性和地貌发育过程具有重要意义。皖西南地区的坡度专题图是基于数字高程模型，运用ArcGis9. 2的3D分析模块中的表面分析坡度得出，用Reclassify功能对坡度图进行重新分级，得到需要的专题图，如图3所示。2. 3坡向专题图作为地形特征分析和可视化的基本要素,坡度和坡向在流域单元、景观单元和形态测量的研究中颇显重要。坡向表示高度变化比例最大值的方向，影响了地面光热资源的分配，并决定地表径流流向，是一个微量指标。坡向专题图也是在3D分析中分析坡度，并用Reclassify命令重新分级所得，如图4所示。图4 坡向专题图2. 4地形起伏度专题图地形起伏度是指地面一定距离范围内最大的高程差，其实质仍是坡度概念的一个延伸，在宏观的区域内反映了地面的起伏特征，与水土流失关系密切。在本次研究中，地形起伏度的提取是通过对栅格DEM进行邻域分析，求得最大值与最小值的差值从而求得地形起伏度，对分析得到的地形起伏度进行重新分类，得到地形起伏度专题图，如图5所示。图5 地形起伏度专题图2. 5地貌晕渲图为了对地表形态结构及其覆盖获得直观认识，制作地貌晕渲染图是非常必要的。地貌晕渲图可以模拟太阳光与地表要素相互作用下的地形容貌，有助于观察者认识地形特征。地貌晕渲的视觉效果受控于坡度、坡向、太阳光方位角和太阳光高度角。研究区的地貌晕渲图从表面分析中Hill-hade命令来实现，选取方位角为默认值315，高度角默认值为45，得到研究区地貌晕渲染图，如图6所示。图6 地貌晕渲图3 地貌形态分析3. 1地貌高程分析对皖西南地区处理得到的像元大小为50m的DEM，基于不同的高程进行像元所对应的面积统计，统计结果表明，皖西南地区的高差起伏不大，高程分布范围在-111749m之间，结合直方图分析得出，总体上不同高程对应的面积分布状况出现了一个峰值，在-11200 m高度范围之间，面积分布最大值（9026 平方公里）出现在100m海拔高度附近。表1研究区地形因子分析统计地形因子数据统计高程/m-1120020050050010001000150015001749比例/%0.690.160.130.0190.0007起伏度/m12020757520020060060090090012001200150015001733比例/%0.3080.2870.0970.200.080.0250.0060.0007坡度/()0101020203030404050506060707080比例/%0.7090.1650.0880.030.0080.0010.000046.5*10坡向平袒北东北东东南南西南西西北比例/%0.150.040.090.140.120.150.100.130.09安庆地处长江中下游平原下的江南丘陵，海拔较低，丘陵和平原是其基本形态。根据这一特点，将安庆地区分为平原、丘陵、低山、低中山4类地貌类型。经过对研究区海拔高度专题图分级分类处理，按地表海拔高度进行地貌特征数量统计，得出结果如表1所示。分析该地区的地貌类型数量结构可看出安庆地区主要为平原和丘陵地貌，其中主体地貌为丘陵地貌，根据刘一超对安庆地区水文分析可知，安庆东南区域水面和圩区所占面积较大，导致高程图中200m以下面积较大；低山和低中山所占比例尺不大。结合空间分布图可以看出研究区地貌空间分布特点为：总体地形西北部高，由西北向东南呈阶梯状逐渐降低，中部隆起，东西两侧较低。平原和丘陵主要集中在安庆东南部；低山广泛分布在该区中部及西北部；低中山分布比较零散，主要也分布在该区西北部。3. 2地貌坡度分析利用对安庆地区处理得到的像元大小为50m的坡度图像如图3所示，基于像元统计得到不同坡度的面积分布如表1，结合直方图分析得出：该研究区坡度在030范围内都有分布，但相对集中在010，其中25的坡地占到总面积的10. 55%，主要分布于研究区山地带。相关研究表明，坡度越大，说明水分流失越严重，土壤侵蚀的可能性就越大，发生地质灾害的危险性也就越大。3. 3地貌坡向研究 图4坡向专题图和表1的数据表明，研究区平坦的地方占到总面积的15%，除了江河湖面以外，多为市区城镇的建设用地。研究区北、东北、西北3个坡向面积占总面积的26. 1%。北、东北、东南、西南、西北5个坡向面积占总面积的44%，可以看出东西南坡向面积相差不多，分布相对均衡，因此各方位地面光热资源与地表径流分配也随之呈现出相对均衡状态。3. 4地形起伏度分析按照徐汉明等的中国地势起伏度等级系列，从表1中可以看出研究区小起伏（75200m） ，大起伏（600900m），巨起伏（9001 200m）与宏起伏（1 200m）所占比例较小，而平坦起伏（20m），微起伏（2075m），中起伏（200600m） 与却占有总面积的79.5%，说明研究区内以平坦微起伏为主。结合地形起伏度专题图可以看出地形起伏度空间上有差异，小起伏、大起伏、巨起伏和宏起伏主要分布在研究区西北部，中起伏主要集中在研究区中部，平坦区、微起伏则主要分布在研究区域东南部。总体上来看，地势起伏度由西北北向东南逐渐减小。4结语DEM是区域地面高程的数字表示，利用DEM为基本的数据依托对研究区域的海拔、坡度、坡向以及起伏度等地形要素进行提取与分析。强大的空间数据获取与管理、分析、计算等功能为地貌定量研究提供了有力的技术支持。区域地貌形态定量分析是区域资源环境综合开发研究的基础。通过本研究，获得了对皖西南中心城市安庆地区有关坡度、坡向、起伏度等地貌特征的定位、定量分析与整体认识，为安庆地区地质灾害和资源环境研究提供了坚实的信息平台，在宏观上具有一定的指导意义。利用本方法数据获取容易，但比例尺较小，对地形信息有一定的概括。由于存在数据精度问题，在研究坡度和高程的具体数值时与现有的研究成果有出入。在研究的同时没有去除河面的面积，使平坦区域的面积不准确。由数字高程模型导出的各地形因子栅格图受栅格分辨率的影响，会随栅格分辨率的变化而不同。因此，结合实际调查状况，特别是在地貌起伏剧烈的山区峡谷流域，对相应地貌特征处理结果进行客观分析是十分必要的。参考文献：1严钦尚,增昭璇.地貌学M.北京:高等教育出版社, 1985.2刘新华,刘新华,张晓萍,等.不同尺度下影响水土流失地形因子指标的分析与选取J.西北农林科技大学学报, 2004.6, 32(6): 107-1113张超.地理信息系统实习教程M.北京:高等教育出版社,2000.4 De Vantier B A, Feldman A D. 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Based on the data collection of DEM, Southwest Anhui region is taken as the study area and a use is made of GIS technology and the image process system methods to distill Southwest Anhui regions physiognomy morphological character elements such as elevation, slope and aspec.t Then physiognomy morphological character data are analyzed by statistic method application. As a result the integrated understanding on Southwest Anhui regions physiognomy morphological character of location and quantity is obtained. It also provides a new spatial information foundation platform forstudying agricultural programs, soilerosion, and geological disasters and so on in this research area.Key words: Southwest Anhui region; physiognomy morphological character; Geographic Information System (GIS);Digital Elevation Model (DEM)