基于DEM 的岩溶地区地形地貌特征提取与分析

罗 伟 ，鄢志武，薛重生

（1.武汉轻工大学 经济与管理学院，武汉 430023；2.中国地质大学 经济管理学院，武汉 430074；3.中国地质大学 地球科学学院，武汉 430074）

岩溶地貌又称喀斯特地貌（Karst Landform），它是具有溶蚀力的水对可溶性岩石进行溶蚀等作用所形成的地表和地下形态的总称［1－2］.岩溶地貌无论在世界上还是在我国都有广泛的分布，一些岩溶地区地形地貌条件复杂，生态环境脆弱，可进入性较差，严重制约了区域土地利用、城市规划、矿产普查、地质灾害防治、生态环境和旅游资源调查等诸多工作的开展.

数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）的概念最早是由美国麻省理工学院摄影测量实验室主任米勒（C.L.Mi11er）于1958年提出，它是对地球表面地形地貌的一种离散的数学表达［3］.DEM 作为数字化的地形图，蕴含着大量的、各种各样的地形结构和特征信息，是定量描述地貌结构、水文过程、生物分布等空间变化的基础数据［4］.数字地形分析（Digital Terrain Analysis，DTA）是随着数字高程模型的发展出现的地形分析方法，它是在数字高程模型上进行地形属性计算和特征提取的数字地形信息技术.随着我国NSDI（国家空间数据基础设施）建设的深入，运用GIS技术对DEM 进行深层次空间数据挖掘和分析的工作迫在眉睫［5］，为此，本文基于DEM 对岩溶地区地形因子进行提取，分析岩溶地区的地形地貌特征，为研究区地质景观旅游资源开发和地质环境调查提供参考和帮助.

1 数据来源与研究区概况

1.1 数据来源

ASTER GDEM 数据是2009年NASA（美国航天局）与METI（日本经济产业省）推出的最新地球电子地形数据.其覆盖范围为83°N～83°S 之间，达到了地球陆地表面的99%，比以往任何地形图都要广得多 .ASTER GDEM 是一种最新的DEM 数据，因其覆盖面广（全球陆地99%）和精度高（垂直精度20 m，水平精度30 m）的特点，已经被许多研究学者采用，如曹海春等进行了流域特征信息提取的研究［6］，闫鹏、杨振和刘栋梁等开展了区域构造地貌与地貌形成过程的研究［7－8］，朱圣军等探讨了其在石油勘探中的应用等［9］，这些应用成果证实了ASTER GDEM 数据是一个非常有用的高程数据产品.本文主要采用ASTER GDEM 数据，经过对多景DEM 数据进行拼接和裁剪等处理后，对研究区地形地貌特征信息进行提取和分析.

1.2 研究区概况

湖北恩施腾龙洞大峡谷地质公园位于湖北恩施土家族苗族自治州境内，核心保护区面积为224 km2，沿清江河谷东西方向延伸48.37km，宽度以清江河谷和清江伏流为中轴线南北向宽5～8km.公园大地构造位于扬子准地台的中部，上扬子和中扬子的交接处，属川鄂湘黔隆褶带北缘的一部分.园区内古生代以来的沉积岩广泛分布，主要为三叠和二叠系地层，腾龙洞、大峡谷发育于下三叠统嘉陵江组下部石灰岩、白云质石灰岩和上二叠统石灰岩中，地壳运动和清江流水的长期溶蚀、侵蚀作用，为腾龙洞及大峡谷等地质地貌景观的形成奠定了重要基础（图1）.公园地处湖北西部清江流域岩溶区域，清江流域碳酸盐岩出露面积约占流域总面积的72%，具有独特的岩溶地质背景条件，是我国岩溶最发育的地区之一［10－11］.

2 研究区地形地貌特征信息的提取与分析

基于DEM 的地质景观地形地貌信息提取包括两个方面，一方面是地形坡面因子的提取，包括宏观地形因子和微观地形因子；另一方面是特征地形要素的提取.本文主要利用ArcGIS软件进行等高线、山顶点、水系及坡度、坡向、地形起伏度和地表切割深度等的提取来分析研究区地形地貌特征，进而分析研究区景观资源和地质环境情况.

2.1 等高线、山顶点及坡度的提取分析

根据高程和山顶点因子的提取结果（图1），研究区高程范围为569～1 997m，按山地分类体系属中低山，共提取研究区山顶点共569个.其在清江河道两侧分布具有以下特点：山顶点沿山脊线线状分布的为溶峰，山顶点均匀分布的为溶丘，岩溶地貌景观广泛发育.这主要是由于研究区为石灰岩地层，可溶性较强，长期受到流水的溶蚀，形成溶蚀丘陵和洼地（或漏斗），串珠状的溶丘山顶形成线状山脊线，而洼地则发育成谷地，且洼地内分布有大量的落水洞或竖井.

图1 研究区三维等高线和山顶点提取图Fig.1 Three－dimensional contour and peak points of the study area

2.2 水系的提取分析

本文采用的河网水系提取的方法是基于地表径流漫流模型模来进行的，提取流程见图2.

图2 基于地表径流漫流模型的水系提取流程Fig.2 Extraction process of river system based on surface runoff sheetflood model

由采用Strahler分级法提取的河网水系分布图（图3）可以看出，研究区干流为清江，其它河网水系均为清江的支流.水系的提取对研究区的水文地质景观调查具有辅助作用，清江水系干流或支流的断流区域可以推测为地下伏流或岩溶洞穴景观，断流区域的前后端点可以推测为地下伏流或洞穴的入口处和出口处等，再结合高分辨率三维遥感图像进行识别便可确定其景观类型.另外河网的密集程度、水系的弯曲程度、水量大小等，可以为旅游方式、旅游线路设计等提供参考.

图3 研究区河网水系分布图Fig.3 The river system map of the study area

通过提取的河网水系，可知研究区地表明流和地下暗河呈现“两明两暗”的特征，其中“两明”是银河洞至深潭洞、黑洞至恩施大峡谷；“两暗”分别是卧龙吞江落水洞至银河洞、深潭洞至黑洞，这与实地考察结果是相符的，本区水洞（伏流）长度为16.8km，是中国最大的伏流之一.

2.3 坡度、坡向的提取分析

坡度与坡向提取结果如图4、图5所示.

图4中提取的研究区坡度范围为0°～82.7°.为了更好的体现研究区地形地貌特征，笔者将坡度分为5级，分别是台地（0°～10°）、缓坡（10°～30°）、陡坡（30°～50°）、陡崖（50°～70°）和绝壁（70°～82.7°）.研究区总面积为224km2，其中低坡度缓坡和台地分布面积为170.2 km2，占总面积的76%；陡崖和绝壁的分布面积为11.3km2，占总面积的5%，主要分布于清江河谷两侧，且集中在七星寨景区和恩施大峡谷景区，自西往东河谷深切加剧，形成典型的岩溶峡谷地貌景观.50°以上陡崖和绝壁分布如此集中且分布如此之广，十分罕见，也造就了恩施大峡谷雄伟、险峻的特点.

图4 研究区坡度提取图Fig.4 Slope map of the study area

图5 研究区坡向提取图Fig.5 Aspect map of the study area

从提取的坡向图（图5）可以明显看出，清江河道两侧的坡面朝向严格受到清江河水侵蚀作用的控制，河流两侧坡面均朝向河谷，且坡面陡峻（叠加坡度图）.坡向的提取很容易判别出山脊线和山谷线，同时最佳观景点的选址也一定要选择朝向河谷的坡面，同时在坡面上修建栈道更能增加峡谷的险峻.

恩施大峡谷的发育地层段以三叠系碳酸盐岩地层为主体，三叠系灰岩属于质地纯净的岩石类型，且地层厚度大，出露面积广，虽然处于褶皱构造带，但岩层产状较为平缓，为岩溶地貌形成提供了良好的岩石学条件.构造地质条件（如地壳抬升幅度大）为落水洞、溶洞、地下暗河的形成提供了侵蚀基准面的基础条件，加之该区地表水源充沛及潮湿气候为喀斯特峡谷提供了良好的水文地质条件.

2.4 地形起伏度、地表切割深度的提取分析

根据地形起伏度提取结果（图6），研究区地形起伏度范围为0～924m，按照我国数字地貌制图规范，地势起伏度划分为7 级：平原（一般小于30m）、台地（一般30m～70m）、丘陵（一般70m～200m）、小起伏山地（一般200m～500m）、中起伏山地（一般500m～1 000m）、大起伏山地（一般1 000m～2 500 m）和极大起伏山地（一般大于2 500m），研究区最大起伏度为中起伏山地，500m以上起伏度主要集中在清江河谷两侧和峡谷地区.

图6 研究区地形起伏度图Fig.6 Map of terrain fluctuation degree

图7 中，研究区地表切割深度范围为0～281m，其中150m 以上切割深度分布态势与地形起伏度相近，表明了清江水系受区域构造和气候环境影响，其侵蚀切割程度在研究区下游加剧，这些地区是岩溶峡谷景观的主要分布区域.

图7 研究区地表切割深度图Fig.7 Map of surface cutting depth

3 结语

DEM 蕴含大量的地形地貌信息，通过运用数字地形分析技术对研究区等高线、山顶点、水系及坡度、坡向、地形起伏度和地表切割深度等的提取和分析，基本掌握了研究区的地形地貌特征，为区域资源与环境调查提供了基础资料.

研究区属中低山岩溶地区，清江河贯穿整个研究区，研究区西南部与东北部岩溶地貌景观差异明显，河谷两岸地表岩溶地貌景观如岩溶峰丛、峰林、溶沟、石芽等岩溶地貌类型广泛发育，河水切割深度在中下游逐渐加剧，形成雄伟险峻的恩施大峡谷陡崖景观；同时由于区域气候降水、地层岩性和区域构造作用的影响，河网水系发育，岩溶洞穴、落水洞等地下岩溶地貌景观也广泛发育，其中以清江伏流和腾龙洞洞穴系统最为典型.总之，研究区是集山、水、洞、峡谷等为一体、特色鲜明的岩溶地貌类地质公园，地质景观旅游资源开发潜力巨大.

值得注意的是，研究区地形破碎，特别是清江河道两侧地表坡度、起伏度和切割深度均较大，是典型的碳酸盐岩地区，生态环境极为脆弱，应注意加强生态环境治理和景观资源保护工作.

［1］孙 帆，徐胜旺，马生丽，等.典型喀斯特地区季节性石漠化与生态环境建设［J］.西南农业大学学报：社会科学版，2011，9（5）：1－6.

［2］王文华，熊 元，孙锐锋，等.香根草在贵州喀斯特山区的研究与应用［J］.安徽农业科学，2008，36（22）：9468－9469.

［3］李志林，朱 庆.数字高程模型［M］.武汉：武汉测绘科技大学出版社，2000.

［4］周启鸣，刘学军.数字地形分析［M］.北京：科学出版社，2006.

［5］梁立恒.基于空间形态的模糊数据集数字地貌研究［D］.长春：吉林大学博士学位论文，2011.

［6］曹海春.数字高程模型在流域信息提取中的应用［J］.山东煤炭科技，2011（2）：108－111.

［7］杨 振.基于RS和GIS的张家界砂岩地貌形成过程研究［D］.北京：中国地质大学（北京）硕士学位论文，2011.

［8］刘栋梁，李海兵，潘家伟，等.帕米尔东北缘－西昆仑的构造地貌及其构造意义［J］.岩石学报，2011，27（11）：3500－3512.

［9］朱圣军.ASTER GDEM 数据精度分析及其在石油勘探中的应用［J］.物探装备，2011，21（2）：54－59.

［10］王增银，沈继方，徐瑞春，等.鄂西清江流域岩溶地貌特征及演化［J］.地球科学－中国地质大学学报，1995，20（4）：439－444.

［11］王增银，万军伟，姚长宏.清江流域溶洞发育特征［J］.中国岩溶，1999，18（2）：151－157.