基于DEM的中国山地空间范围定量界定

张伟，李爱农，江晓波

（1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；2.中国科学院研究生院，北京 100039）

多数研究对中国的山地面积和范围采用模糊的界定，缺乏可操作、准确的量化方法，如占国土面积的“三分之二”的说法。在这样的模糊概念下，对山地资源与环境等问题的认识也是不准确的。当前我国处于经济发展的重要时期，国民经济发展和生态环境保护之间的矛盾日益突出，如何实现可持续山区发展面临的首要问题就是确定山区的生态环境、资源状况和人文社会经济现状，而确定山地范围及山地面积是重要前提。总结前人的研究，对山地范围及山地面积影响最大的两个因素是山地界定标准和地形起伏度计算尺度。研究山地，首先遇到的问题就是对山地进行定义，在山地范围及山地面积计算研究中，山地定量界定标准最为关键。同时，山地是令许多科学工作者难于严密定义的科学对象和学术用语，到目前为止，仍没有统一的山地定义出现。在对全国山地的范围和面积的研究中一直没有精确、合理的计算结果，重要的是对地形起伏度的最佳计算尺度没有科学的认识［1－7］。在很多对山地的定义中都用到“相对高度”这个概念，相对高度亦称地形起伏度，被理解为“一定范围内海拔的变化”，但是这“一定范围”具有很大的不确定性，如何定义地形起伏度的计算尺度对山地范围的计算结果有很大的影响，科学认识地形起伏度的计算尺度是基于数字高程模型（DEM）界定山地范围的重要前提［8－10］。本文通过对山地界定标准和地形起伏度计算尺度的研究，最终确定我国山地范围及山地面积，以此为山地研究和数字山地战略提供基础支撑。

1 山地界定标准

1.1 已有的山地界定标准

《地貌学辞典》对山地进行了定义，“山地为山集合体的统称，是一种具有一定坡度、较大高差（相对高差大于200m），又互相连绵，突出于平原或台地之上的正地貌形态，常由山岭和山谷组成”［11］。程鸿认为，山地是由一定绝对高度和相对高度组合的地域［12］。王明业等定义山地为具有一定海拔和坡度的地面［13］。肖克非认为，山地实质上是一种区域概念而非地貌类型概念［14］。在国际上，UNEP－WCMC（联合国环境规划署－世界保护监测中心）对山地的划分给出了较为具体的界定：1）海拔在300～1 000 m之间，相对高度在300m以上的区域；2）海拔在1 000～1 500m之间，坡度在5°以上或相对高度在300m以上的区域；3）海拔在1 500～2 500m之间，坡度在2°以上的区域；4）海拔大于2 500m的所有地区［15］。Kapos等的定义和 UNEP－WCMC的定义相似：1）海拔300～1 000m和在7km2辐射范围内且海拔大于300m的区域；2）海拔1 000～1 500m，坡度大于5°或在7km2辐射范围内且海拔大于300 m的区域；3）海拔1 500～2 500m，坡度大于2°的区域；4）海拔2 500m以上的全部区域；5）被山包围的、小于 25km2的盆地和高原［7，16，17］。可见，前人关于山地的定义或范围界定可以从以下三方面区分：

（1）关于山地的群体性概念。对于这一问题，前人的研究主要有两种意见：1）山地必须是一个群体性的概念，以《地貌学辞典》和《地理学词典》为代表，它们对山和山地分别进行了定义，认为山地就是许多山的统称，由山岭和山谷组成。2）山地可以是孤立的，也可以是丛聚的，以《我国山地资源的开发》和《中国的山地》为代表，其中，《中国的山地》更多从形态学的角度定义山地，认为在浩瀚的沙漠、一望无际的平原上出现的孤峰和丘陵也应该视为山地。本文认为，山地应该是一个群体性的概念，山地不同于平原的很多特性正是基于山地的群体性，如在山地生态系统中，小流域生态系统、分水岭亚生态系统、斜坡亚生态系统、谷地亚生态系统都是基于很多山地组合的基础上形成的；山地气候系统中的山谷气候、盆地气候以及与气候有关的山地资源、小生境资源的形成等同样如此［5，16，18］。

（2）高原、山地、丘陵的区分。本文将上述对山地的定义分为狭义的山地定义和广义的山地定义，分类的标准正是其对待高原、山地、丘陵这几种不同的地貌类型的态度。以《地貌学辞典》和《地理学词典》为代表的定义认为，丘陵、山地、高原是同一级的地貌类型，应该予以区分［19］，并称这类定义为“狭义的山地”定义。“广义的山地”定义以《山地地理系统综论》为代表，该定义仅以相对高度作为山地区别于非山地的标准，“将起伏的相对高度大于200m的地段统称为山地，它不仅包括低山、中山、高山、极高山，而且包括高原、山原、丘陵及期间的山谷与山间盆地，剩下的就是相对高度小于200m的平原”［20］。在国内关于我国各地貌类型面积统计的著作研究中，一般将部分丘陵和部分高原（青藏高原）作为特殊的山地计入山地的范围，“我国山地面积大约占国土面积的2／3”这样的结论就是基于以上原则得出的。由于这一结论已经在国内山地科学工作者中达成共识，且本文的最终结果是对我国山地范围及面积进行界定，所以更倾向于对山地进行“广义”的定义［9，14，20，21］。

（3）山地界定标准指标选择。前人的研究结果对山地定义指标的选择比较一致，都采用了绝对高度、相对高度、坡度对山地进行了定性和定量的描述。但是，在每个指标具体值的设置方面，上述定义出现了较大的分歧。我国东西地势差异巨大、自西向东降低、呈明显的阶梯状是造成无法统一山地定义的重要原因。西部很多地区高程都在3 500m以上，部分山地高程在5 000m以上，而东部地区高程大部分在1 000m以下，山地高程一般仅有1 000～1 500m，山地相对高度的变化也有类似的规律。因此，需对绝对高程分区间进行讨论，UNEP－WCMC（2002）将绝对高程分为3个区间：300m以下、300～2 500m、2 500m以上，并将大于2 500m的区域计为山地；江晓波也分为3个区间：300m以下、300～3 000m、3 000m以上，并将3 000m以上的区域计为山地、300以下的区域计为非山地。对于相对高度，主要分3种意见，即200m、300m、500m，其中以200m为主。赵松乔认为，相对高度如超过500 m即为山地，不到500m则为非山地，我国东部地区海拔普遍低于500m，如果按照此定义，东部地区基本上“无山”。这些相对高度的设置都是基于狭义的山地定义提出的，如果考虑到广义的山地定义，相对高度的值应该低于200m。对于坡度，钟祥浩等认为，山地定义中的坡度不宜小于15°，最好以发生一定频率的严重水土流失、滑坡的临界坡度为依据。在前人关于水土流失的研究中，多数学者认为25°是土壤侵蚀、水土流失的临界坡度［5，22］。

1.2 新的山地界定标准

目前，山地的定义包含定性、定量以及介于二者之间3种方式。定量的山地定义便于计算机的自动计算，可以提高山地范围界定的效率和准确性，山地界定标准正是通过完全的数字化方式对山地进行定义来区分山地和非山地的。本文通过以上分析和总结，给出4种可行的山地定量界定标准，并对每种界定标准的计算结果进行对比验证，以确定最终的山地界定标准。首先，将绝对高程划分为3个区间：小于500m、500～2 500m、大于2 500m，其中海拔大于2 500m的区域全部为山地。此种划分方式体现了对山地下定义的一个态度，即“广义”的山地包括丘陵和部分高原。因为丘陵的海拔高度一般小于500m，所以海拔小于500m这个指标的设置是从绝对高程上对丘陵和山地进行区分，而大于2 500m这个指标主要将青藏高原这个特殊山地与一般山地进行区分。其次是相对高度的设置，在第一区间内主要是界定丘陵，有研究认为，相对高度在50～100 m的丘陵称作“低丘”，而相对高度在100～200m的丘陵称作“高丘”，因此在此区间相对高度值的设置出现分歧，本研究针对50m和100m分别对其定义。500～2 500m区间主要是对一般的山地而言，相对高度值应该设置为200m，但海拔在500～2 500 m的区域内仍然存在着丘陵区域，因此在此区间内同样针对50m和100m分别对其定义。第三，坡度的设置。将500～2 500m区间的坡度设置为大于25°，一种定义为相对高度大于100m或坡度大于25°的区域为山地，另一种定义为相对高度大于50m或坡度大于25°的区域为山地。海拔小于500m区间主要是界定丘陵，除了相对高度外，不再设置坡度。具体给出以下4种山地定量界定标准：1）海拔大于2 500m；500～2 500m之间，相对高度大于50 m或坡度大于25°的区域；海拔低于500m，相对高度大于50m的区域。2）海拔大于2 500m；500～2 500m之间，相对高度大于50m或坡度大于25°的区域；海拔低于500m，相对高度大于100m的区域。3）海拔大于2 500m；500～2 500m之间，相对高度大于100m或坡度大于25°的区域；海拔低于500m，相对高度大于50m的区域。4）海拔大于2 500m；500～2 500m之间，相对高度大于100m或坡度大于25°的区域；海拔低于500m，相对高度大于100m的区域。

2 全国山地范围界定及面积计算

2.1 地形起伏度计算尺度

地形是具有尺度属性的，关于地形的任何研究和讨论必须在一定的尺度内进行。地形起伏度计算尺度就需要一个合理的计算尺度，《欧洲1∶250万地貌图》采用16km2作为地形起伏度计算尺度；陈志明等在编制《中国及毗邻地区1∶400万地貌图》时，采用21km2作为地形起伏度的计算尺度；涂汉明等通过对全国600个样点和两个样区的详细研究，论证了中国地势起伏度最佳计算尺度的存在，并认为对应于不同的地形起伏度，中国存在2km2、10km2、16km2、20km2、22km25种不同大小的计算尺度，而21km2具有全国普适性，其对应的比例尺为1∶100万；郎玲玲等采用1∶25万和1∶10万两种DEM数据，以低山丘陵为主的福建省作为研究区域，得出最佳计算尺度分别为 4.41km2和 0.4km2［8，23，24］。笔者在《基于DEM的中国地形起伏度的适宜计算尺度研究》中论证了基于SRTM和ASTER DEM这两种常用的不同尺度的数字高程模型的地形起伏度计算尺度分别为4.72km2和3.20km2。

2.2 全国山地范围界定

本文以分辨率为85.6m的SRTM DEM数据为基础，同时选择对应的地形起伏度计算尺度4.72 km2，以可视化交互数据语言（Interactive Data Language，IDL）以及常用的GIS、RS软件平台ArcGIS、Eradas为工具，将上述4种山地界定标准结合地形起伏度适宜计算尺度分别计算我国的山地范围和面积，通过现有的资料（如我国地貌类型图）对计算结果进行对比和分析，最终确定我国山地的定量界定标准及我国山地的范围和面积。在此基础上，结合我国行政界限数据确定各个省份的山地范围及面积。具体的计算方法以标准1为例进行说明，海拔大于2 500m的区域全部划为山地、海拔在500～2 500m之间相对高度大于50m或坡度大于25°的区域为山地、海拔低于500m相对高度大于50m的区域为山地。相对高度的计算公式为：

式中：LERi表示以第i个栅格为中心的窗口内的相对高差值，Emax、Emin分别表示该窗口内的最大、最小高程值。

2.3 全国山地范围及面积计算

最早提出中国山地面积的权威著作是《中国地貌区划》，确定全国山地面积为633.7万km2，占国土面积66.0%。与上述数据接近的是《中国农业地理总论》一书，称中国山地占全国面积的66.1%，程鸿在《中国山地资源开发》和王明业等在《中国山地》中认为中国山地面积分别占国土面积的67.0%与69.0%。肖克非在《中国山区经济学》和徐荣安在《中国山地经济学》中均认为山地面积占全国面积的65.9%。吴传钧等在《中国土地利用》中提到山地占中国国土面积的67.37%。曹光卓等在“我国山区农业经济浅析”一文中认为山地占全国国土面积的67.6%。1999年出版的《中国统计年鉴》，列出全国山地面积占国土面积的69.27%。陈德怀量算的中国山地面积占国土面积的66.4%。江晓波在《中国山地范围界定的初步意见》中提出中国山地面积占国土面积的46.11%［5］。可见，前人关于我国山地面积的计算结果并不统一，本研究根据我国地形起伏度计算尺度和我国山地界定标准的研究成果，采用SRTM DEM数据对本文提出的4种山地定义下的我国山地范围及面积进行了计算，并通过比较和分析确定适合我国山地的定义以及范围和面积。计算结果如下：1）根据界定标准1，中国山地面积为725.43万km2，占我国国土面积的75.3%（图1a）。2）根据界定标准2，中国山地面积为695.33万km2，占我国国土面积的72.1%（图1b）。3）根据界定标准3，中国山地面积为658.81万km2，占我国国土面积的68.2%（图1c）。4）根据界定标准4，中国山地面积为625.43万km2，占我国国土面积的64.8%（图1d）。

图1 中国山地范围计算结果Fig.1 The results of the area of mountain regions in China

对4种计算结果以及《中国地貌类型图》进行了初步对比、分析，500m以下相对高程分别为50m和100m的界定标准计算结果最明显的区别在四川盆地的川东地区，《中国地貌类型图》上判读该区域为红色丘陵区和区域边缘为喀斯特山地。根据本文山地定义的原则以及笔者在该区域的实地考察认为，川东丘陵地区应该划为山地，即界定标准1和标准3在500m以下的区域更能区分出我国山地和非山地。500～2 500m之间相对高程分别为50m和100m的界定标准计算结果最明显的区别在新疆中南部地区，相对高程大于50m的定义计算结果显示该区域有大片山地存在，相对高程大于100m的定义计算结果显示该区域为平原。《中国地貌类型图》上判读该区域为冲积平原，所以山地界定标准3能更为准确的区分我国的山地和非山地。根据标准3的计算结果，中国山地面积为658.81万km2，占我国国土面积的68.2%。

2.4 各省山地面积计算

我国大陆地貌分布的基本规律是西高东低，自西向东形成三大阶梯。第一级阶梯是青藏高原，高原面海拔多在4 000～5 000m。第二级阶梯是青藏高原的北缘与东缘到大兴安岭、太行山、巫山之间，包括了若干高原和盆地，盆地底部高低不一，高原面海拔多在1 000～2 000m。第三级阶梯是更东的低山丘陵和大平原，山丘海拔多在千米以下，平原一般不超过200m，大部分地区的相对高度为200～500 m［5］。根据山地界定标准3，分省计算山地面积的结果显示（表1）：由于地处青藏高原，第一阶梯的省份的山地面积在该省国土面积中占有较高的比例；第二阶梯中山地面积比例较高的省份多处于东南丘陵地带，如福建、广东等省份；第三阶梯中的省份多以非山地为主，如江苏、山东等省份，而上海是唯一没有山地存在的省级行政单元。山地面积占本省（市、区）面积比例超过80%的有10个省份，分别为西藏、青海、云南、福建、四川、广西、贵州、重庆、陕西、湖南。以上省份大部分处于西南地区和东南丘陵地区，其中，西藏、青海因为地处青藏高原，大部分区域海拔大于2 500m，山地比例高达95%以上；云南和贵州都属于中国西南部高原山地，云南的西北部是高山深谷的横断山区，东部和南部是云贵高原，山地面积超过90%，个别县市的山地比例超过98%，贵州境内山脉众多，重峦叠嶂，山高谷深，素有“八山一水一分田”之说；四川西部为青藏高原的东缘和横断山区的一部分，川东多为丘陵地带；而广西、福建、湖南则处在东南丘陵地区，丘陵在国土面积中占有很高的比例。山地面积占本省（市、区）面积比例超过50%的有18个省份，多处于我国的西部和东南部地区，其中比较特殊的是浙江省，地貌类型非常丰富，从浙北地区水网密集的冲积平原，到浙东地区的沿海丘陵，再到浙南地区的山区，还有舟山市的海岛地貌，可谓山河湖海无所不有，但总体上以山地、丘陵为主［1］。可见，使用标准3对中国山地范围进行界定，从分省域结果来看，也是趋于合理的，符合我国对各省山地的传统认识。

表1 中国各省山地面积Table 1 The mountain area of different province in China

3 结论与讨论

本文通过分析和计算，得出以下结论：1）定义3能够很好地区分中国的山地和非山地，比较适合我国特殊地貌类型分布的规律，因此我国山地界定标准为：海拔大于2 500m区域；海拔500～2 500m之间，相对高度大于100m或坡度大于25°的区域；海拔低于500m，相对高度大于50m的区域。2）根据以上山地界定标准，得出我国山地面积为658.81万km2，占我国国土面积的68.2%。

关于山地和山区的概念，目前国内外的相关文献并没有做严格的区分，通常被当做可以通用的两个概念，譬如山地和山区都强调“山”是核心概念，没有山也就没有山地和山区［10］。但是部分学者也强调二者的差别：山地强调区域的自然属性，而山区强调区域的完整性和连续性，更侧重于区域的社会经济属性，其界线比山地更具有模糊性和不确定性，如江晓波首先确定四川省的山地范围，在此基础上综合考虑自然、人文和社会经济的空间分异，依托山地进行空间范围的拓展，从而得到山区范围［25］。本文认为，如果从概念上讲，山地和山区是有区别的，山地是一种地貌类型，而山区是一个区域的概念，山地强调的是地表的形态及形成该形态的地学因素，山区强调的是区域范围。如《地理学词典》认为，“山地由山岭和山谷组成、具有较大的绝对高度和相对高度，切割深、切割密度大，通常位于构造运动和外力剥蚀作用活跃的地区，地质结构复杂”。如果从区域上讲，如山地面积、山区面积等，山地和山区是可以通用的，并最终统一到山区的概念上。《地理学词典》和《地貌学辞典》中认为，“连绵分布的山地、丘陵以及比较崎岖的高原地区称为山区”［19］。所以，从这个角度讲，本文的山地和山区是一致的。本研究表明，山地面积及范围的计算结果不仅与地形起伏度的计算尺度有关系，与所使用的数据源也有一定的关系。本文采用了分辨率为85.6m的SRTM DEM计算了我国的山地面积，而没有采用其他分辨率的数据对该计算结果进行验证，这需要进一步展开研究。

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