基于不同DEM分辨率黄冈市的面积高程积分分析

黎 武 王汝兰 徐 珍 贺春明

(西华师范大学国土资源学院，四川 南充 637009)



基于不同DEM分辨率黄冈市的面积高程积分分析

黎 武 王汝兰 徐 珍 贺春明

(西华师范大学国土资源学院，四川 南充 637009)

面积高程积分值可以揭示流域地貌发育特征。本文以湖北省黄冈市为例，空间分辨率为30m的DEM数据为基础数据源，在ArcGIS10.1中，用重采样工具将30m分辨率的DEM数据采样成60m、90m、120m、150m的数据，在此基础上运用水文分析工具提取5种分辨率下的河网水系并计算面积高程积分HI的值。结果表明：分辨率为30m、60m、90m、120m、150m，最佳汇流阈值依次为7000、4800、3600、3200、2400；5种分辨率下该区域地貌发育阶段都是老年期占主导地位，其次是壮年期，幼年期最少，区域地貌发育趋于稳定；DEM分辨率对HI值的影响较小；HI值指示地貌发育阶段，地貌的发育会造成水土流失，分析HI值的空间分布规律可以宏观认识区域水土流失。

面积高程积分值；黄冈市；DEM；分辨率；地貌发育；水土流失

地貌的发育、演化一直是地貌学者研究的课题之一[1]。1899年戴维斯(Davis)提出地貌侵蚀循环理论，为地貌学研究奠定了理论基础[2]。在戴维斯(Davis)侵蚀循环的理论基础上，美国理论地貌学家Strhler(1952)提出用面积高度曲线与面积高程积分值来定量划分地貌的演化阶段，Strahler通过不同流域HI值的统计分析，结合Davis流域地形发育阶段理论，将HI划分为3类：<0.35，0.35～0.60，>0.60[3]。流域地貌发育研究的成熟，HI广泛应用于地貌发育阶段定量研究，HI的分析成为检验构造运动、岩性和气候在地貌演变过程中的相对作用强度的有用工具[4]。构造、岩性和气候的变化会影响HI值的大小，它们主要通过对河流形态的改变进而影响HI值[5]。流域HI值的探究可以反映流域地貌发育的特征以及区域内影响HI值地质与自然条件的差异。

计算HI值的方法有很多，积分曲线法[6]、体积比例法[7]、起伏比法[8]。起伏比法是计算HI值最有效、快速且应用最为广泛的一种方法。随着3S技术的发展，数字高程模型(DEM)应用于数字地形分析[9-11]，利用DEM计算HI的值成为研究地貌形态特征和地貌发育阶段的主要方法[12]。由于DEM及其地形分析对尺度具有强烈依赖性，DEM水平分辨率是DEM对地形表面逼近和地形分析的决定性变量, 因此成为目前DEM及其地学分析研究的焦点[14]。因此，在不同分辨率尺度下进行数字地形分析具有重大的实践意义。

本文利用黄冈市数字高程模型(DEM)，通过ArcGIS的重采样工具，采样间距为30m，据此计算不同分辨率下HI的值，分析不同分辨率下HI值的意义，揭示黄冈市的地貌特征，对认识该区域地貌发育特征及防治水土流失提供科学依据。

1 研究区概况

黄冈市(114°256′～116°8′E，29°45′～31°35′N)位于湖北省东部、大别山南麓、长江中游北岸。属于亚热带湿润季风气候区，四季光热界线分明。北部和东部为大别山低山丘陵，中部为丘陵区，南部为狭长的平原湖区，地势高低起伏[15]。地势由北向南倾斜、东北部是著名的大别山山脉，呈西北—东南走向(图1)。河流湖泊众多，主要有自北向南汇入长江的华阳河、巴水、举水、蕲水、倒水、浠水等水系。黄冈市现辖七县二市一区，国土面积17 453km2(图2)。

2 数据与方法

2.1 数据来源与预处理

本文采用ASTER-GDEM数据，从地理空间数据云网站获取，空间分辨率为30m×30m，空间参考为WGS_1984_UTM_Zone_50N。将获取的DEM数据在ArcGIS10.1中进行拼接，用1：400万黄冈市矢量边界去裁剪拼接后的DEM数据，获得黄冈市的DEM原始数据。

图1 研究区的数字高程模型

图2 黄冈市行政边界图

2.2 研究方法

在ArcGIS10.1中，用重采样工具对黄冈市30m×30m的ASTER-GDEM数据进行重采样。重采样分辨率依次为60m、90m、120m、150m，得到5组不同分辨率的数据源，利用ArcGIS10.1的水文分析工具提取不同分辨率下的河网水系。提取过程是在ArcGIS10.1的模型工具中进行的，处理过程见图3。

图3 处理过程

2.3 HI的计算方法

由于积分计算比较繁琐，Pike与Wilson(1971年)通过数学推导，提出面积高程积分(HI)的简易计算公式[3]：

HI=(平均高程-最小高程)/(最大高程-最小高程)

利用ArcGIS的区分分析模块，将最佳阈值下提取的流域与原始DEM进行统计，得到每一块流域的最大高程、最小高程、平均高程。

3 结果与分析

3.1 不同分辨率下提取的河网水系

原始分辨率及采样后的河网水系分别见表1、表2。

表1 原始分辨率30米下的河网水系

表2 重采样后的河网水系

由表1可知，当分辨率为30m时，随着汇流阈值的不断增大，河网数量、总长和沟壑密度不断减小。当汇流阈值为1000 时，河网数量为10698，河网总长度13288.49km; 当汇流阈值为7000时，河网数量为1586，沟谷总长5202.33km，河网数量约减少到原来的1/6,河网总长约减少到原来的1/2；当汇流阈值为1000时，沟壑密度为0.77; 当汇流阈值增大到7000时，沟壑密度下降到0.30，并趋于稳定状态，可认为7000为30m分辨率下的最佳汇流阈值。

由表2可知，当分辨率为60m、90m、120m、150m时，汇流阈值，河网数量、总长和沟壑密度都与30m分辨率下的变化趋势一致，沟壑密度分别在阈值为4800、3600、3200、2400趋于稳定，依据上述判断方法，即4800、3600、3200、2400是分辨率为60m、90m、120m、150m的最佳阈值。

以阈值为x轴，沟壑密度为y轴，进行对数拟合得到30m、60m、90m、120m、150m分辨率下5组拟合方程(表3，图4)。由表3可知，拟合的相关系数分别为0.984、0.989、0.989、0.991、0.992，拟合效果都较好。由图4可以看出，随着汇流阈值的不断变大，沟壑密度最初变化十分剧烈，最终趋于稳定；同一汇流阈值下，分辨率不同，沟壑密度也不同，分辨率越高，沟壑密度越大。

图4 不同分辨率下阈值与沟壑密度的拟合曲线

表3 沟壑密度与阈值的拟合方程

3.2 不同分辨率下HI的整体特征

依据地貌发育理论与Strahler对地貌发育阶段的定量划分，HI>0.6时，地貌发育类型处于幼年阶段，地表坡度较小，整体地势较平坦；0.35

不同分辨率下各阶段流域数量及HI值的分布分别见表4、表5。

表4 不同分辨率下流域HI划分的数量

表5 不同分辨率下HI的最小、最大、平均值

由表4和表5可知，随着分辨率的降低，流域总块数在不断减少，其中处于老年阶段、壮年阶段与幼年阶段的流域数量都呈现减少的趋势；壮年期和幼年期占整个流域数量的比值在下降，老年阶段占整个流域数量的比值不断增大。

随着分辨率的降低，整个流域老年期HI的平均值在变小，壮年期HI的平均值呈现波动变化，整体上是变大，幼年期HI的平均值也呈现波动变化，但整体上是减小；黄冈市整个流域HI的平均值随着分辨率的降低不断变小，HI的最大值整体上也是变小的。

5种分辨率下研究区大多处于地貌发育的老年期，其次是壮年期，幼年期最少，HI的值随着分辨率的变化而保持稳定,这表明HI对DEM分辨率的依赖性不强, 计算HI值对DEM分辨率的要求不高。随着DEM分辨率的增大，区域高程会进行一定程度的过滤和平滑，使得同一阈值下提取的河网与流域数量不同。不同分辨率下HI值都揭示研究区地貌发育主要是老年期与壮年期，处于地貌发育的均衡阶段，此阶段地貌发育趋于稳定，地貌特征也基本不再发生明显变化，分辨率会影响流域的数量，但是基本不会对研究区的地貌发育阶段的总体趋势产生影响。由于地貌发育主要处于老年期与壮年期，地貌发育不活跃，由地貌发育造成的水土流失较小，水土流失保护治理任务较轻。应该在地貌发育稳定的区域加强水土流失的保护，防止地表上产生新的地貌发育，带来水土流失。

3.3 不同分辨率下HI的空间分布

不同分辨率下HI及水系分布见图5。

图5 不同分辨率下的HI及水系分布

从空间分布上来看：黄冈市地处大别山区，北部和东部为大别山低山丘陵，地势自北向南逐渐倾斜。据图2和图5可以看出，5种分辨率下黄冈市HI的值空间分布并无明显的规律，分辨率越大，处于壮年期的集水区域越集中在东部，东部是大别山，地形起伏大。由于DEM分辨率越大，DEM对地形的模拟能力越强，使得地表高程起伏更真实，地貌发育壮年期越明显。老年期的集水区域大多数位于中部与北部的断陷盆地，如麻城断陷盆地和蕲春断陷盆地；壮年期集水区域分布较为分散，零星分布于整个区域，主要沿着黄冈市四周分布；幼年期基本分布于研究区边缘部分，分布面积小且集中。

4 结论与讨论

(1)本文利用GIS，以黄冈市30m分辨率的DEM为基础，采样间隔为30m，进行不同分辨率的重采样，得到5种分辨率的数据。利用ArcGIS10.1的水文分析模块，最后依据沟壑密度稳定下的阈值，计算各分辨率下集水流域HI的值。结果表明：DEM分辨率对HI的影响不大，HI对DEM分辨率的依赖较弱，因此，一般DEM数据本身能达到一定精度，便可应用于HI的分析研究。

(2)依据面积高程积分对地貌发育的定量化划分标准, 探讨了黄冈市30m、60m、90m、120m、150m分辨率下最佳汇流阈值7000、4800、3600、3200、2400的各流域地貌的发育阶段。目前该区域各流域大体上处于地貌发育老年期与壮年期，幼年期的区域较少。由于构造运动、岩性、植被影响HI的值[5]，黄冈市各县市不同流域也存在着地貌发育阶段的差异。

(3)HI的值作为划分地貌发育阶段的重要参数，对地貌学研究具有重要意义。黄冈市HI空间分异特征对认识区域地貌空间分布规律具有一定的指示作用。地貌发育演化会带来水土流失，HI值可以预测区域发展状况，为水土流失的治理提供理论依据。

(4)由于研究区域范围较大，区域内部自然条件差异性较强，故没有分析该区域HI空间分布的影响因素，只是从宏观的角度揭示黄冈市地貌发育的总体趋势，并探究了DEM分辨率对HI计算的影响。

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Analysis of area elevation integral based on different DEM resolution in Huanggang City

Li Wu, Wang Rulan, Xu Zhen, He Chunming

(School of Land and Resources, China West Normal University，Nanchong 637009，China)

The area elevation integral value can be used to reveal the characteristics of watershed geomorphology. Taking Huanggang City of Hubei Province as an example, this study applied the DEM data at 30 m spatial resolution as the basic data base source, and re-sampled those DEM data into 60 meters, 90 meters, 120 meters, 150 meters data using re-sampling tools provided in ArcGIS10.1, and then drainage networks was extracted at 5 resolutions and area elevation integral value HI were calculated using a hydrological analysis tool. The results show that the best conflux threshold value are 7000, 4800, 3600, 3200, 2400 respectively; while under all those 5 different resolutions, it was found that the aged dominates the development of the regional geomorphic stage and is followed by maturity and infancy, regional geomorphology development tends to be stable, indicating that the HI value is less affected by DEM resolution. Spatial distribution of HI values can serve as the macroscopic understanding of regional soil erosion considering the fact that the HI value also indicates the landform development stage, which is the major cause for soil erosion.

area elevation integral value; Huanggang City; DEM; resolution; geomorphic development; soil erosion

2017-03-13; 2017-05-08 修回

黎武(1991-)，男，湖北黄冈市人，硕士，研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail:3177265032@qq.com

P208，X826

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